PDC鉆頭新技術(shù)及發(fā)展趨勢分析

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(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)①

1971年，GE 公司發(fā)明了由聚晶金剛石復合片(PDC)，1976 年向市場提供名為Stratapax的石油地質(zhì)鉆頭系列產(chǎn)品。至今，PDC鉆頭技術(shù)有了長足的發(fā)展。PDC鉆頭具有更高的安全性，可以極大地提高鉆井工作效率和降低鉆井成本，在很多應用情況下逐漸代替了牙輪鉆頭。目前，PDC市場占有率達到75%～80%，占鉆井總進尺90%[1-2]。

為了及時掌握國外PDC鉆頭技術(shù)研發(fā)趨勢，加快我國PDC鉆頭技術(shù)發(fā)展，指導PDC鉆頭技術(shù)研發(fā)進展，筆者查閱專利數(shù)據(jù)，對目前PDC鉆頭技術(shù)研究情況進行分析，并對典型的創(chuàng)新性技術(shù)進行詳細介紹。

1 專利分析

1.1 專利概況

專利是技術(shù)創(chuàng)新的表現(xiàn)，也是技術(shù)進步的直接體現(xiàn)，比論文、文獻更具有超前性，很多大公司也是通過專利手段搶占技術(shù)領先地位。很多學者通過專利數(shù)據(jù)分析研究公司、技術(shù)戰(zhàn)略及發(fā)展趨勢。

筆者對PDC鉆頭技術(shù)相關(guān)專利進行統(tǒng)計分析，采用國際專利分類法(IPC)，通過德溫特國際專利數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計分析1968—2016年P(guān)DC鉆頭及鉆頭專利申請數(shù)據(jù)，得到鉆頭同族專利29 720件，PDC鉆頭同族專利12 922件。PDC鉆頭相關(guān)專利比重逐年增加，2006年P(guān)DC鉆頭專利(576件)占總的鉆頭專利(1 135件)的50.75%。2006年后，PDC鉆頭專利占比逐年升高，PDC鉆頭技術(shù)創(chuàng)新有了突破性的變化，開啟了技術(shù)發(fā)展的新紀元。鉆頭及相關(guān)專利時序關(guān)系如圖1。

圖1 1963—2016年P(guān)DC鉆頭及鉆頭相關(guān)專利時序關(guān)系

Spears and Associates咨詢公司在2014年Oil Field Market Report中公布的鉆頭市場份額報告中，Schlumberger、Baker Hughes、Halliburton、NOV、Varel和Ulterra Drilling Technology公司排名鉆頭前六位[3]。從專利權(quán)人統(tǒng)計分析來看，Schlumberger、BakerHughes、Halliburton排名前三，NOV、Varel排名前十。Ulterra Drilling Technology公司專利數(shù)量較少(53項)，但是專利創(chuàng)新性超前。本文重點分析市場份額排名前六位的公司專利文獻，對PDC鉆頭的研發(fā)趨勢進行研究。

1.2 研發(fā)趨勢

為了進一步了解PDC鉆頭的研究熱點及趨勢，使用Thomson Innovation繪制了PDC鉆頭領域?qū)＠貓D，解讀各大公司專利創(chuàng)新思路，對專利進行聚類分析，更好地把握各大公司的研發(fā)趨勢及創(chuàng)新方向[4](如圖2)。圖2中標示了2014—2016年3年的專利情況。內(nèi)容相近的文獻在圖2中距離也相近，形成專利山峰，不同山峰代表不同主體聚集的專利群；區(qū)域間的距離表示技術(shù)主體間的相關(guān)性，等高線山脈表示技術(shù)研發(fā)重點，用顏色深淺區(qū)分重要程度，白色最重要。海拔高的區(qū)域即為該領域研究較多、較成熟，而數(shù)量逐年增多，且顏色未達到重要的程度，有聚成山包的趨勢，這類區(qū)域即為研究趨勢。

圖2 六大公司PDC鉆頭專利地圖

分析得出，傳感器、流體、PDC及超耐磨領域的研究較多，研究相對成熟。要達到技術(shù)領跑，就必須找出萌芽起步技術(shù)，搶占技術(shù)創(chuàng)新機遇及知識產(chǎn)權(quán)占有先機。雖然材料對于PDC鉆頭技術(shù)至關(guān)重要，而且國內(nèi)一直在PDC材料方面依賴進口，但是國外已經(jīng)發(fā)展相當成熟，從知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略角度來說不適宜從該角度提高國內(nèi)技術(shù)的領先性。而在切削齒、混合鉆頭方面，剛開始形成山包，且研究逐年增多，所以該領域是一個創(chuàng)新趨勢。

2 創(chuàng)新PDC鉆頭技術(shù)

結(jié)合當前論文、文獻調(diào)研結(jié)果，驗證了上述專利分析結(jié)果。各大公司推出了新形狀鉆齒及具有多種功能的鉆頭設計，Slim Haieb、Vyacheslav German等學者多次提出混合鉆頭概念。由此可見，目前在PDC鉆頭方面的創(chuàng)新主要集中于鉆齒的形狀，例如錐形齒、雙倒角鉆齒等；而從鉆頭結(jié)構(gòu)創(chuàng)新來看，出現(xiàn)了很多的混合鉆頭，例如PDC固定齒及牙輪的混合鉆頭、不同鉆齒混合布齒的鉆頭等。當然也有很多相關(guān)學科的應用創(chuàng)新。

2.1 鉆齒創(chuàng)新

在1973年提出PDC切削齒后，石油工業(yè)經(jīng)歷了PDC鉆頭鉆進性能的改進，其材質(zhì)和設計都有不斷地創(chuàng)新，但近年來的創(chuàng)新應當屬于PDC切削齒的創(chuàng)新。

2.1.1錐形切削齒

2015年，斯倫貝謝公司錐形金剛石齒鉆頭技術(shù)被評為世界十大科技進展之一。該技術(shù)初衷是為了開發(fā)結(jié)合剪切/犁入破巖機理的固定切削鉆頭，最后成功研發(fā)出了新型的錐形聚晶金剛石齒(CDE)。該切屑齒的聚晶金剛石墊片厚度大約是PDC齒金剛石涂層的2倍，具有非常好的沖擊強度和耐磨性，提高了ROP和進尺(如圖3)。

在14個國家的油田試驗中，250個CDE鉆頭的進尺平均增加55%，ROP增加30%，且鈍化情況良好[3-4]。

圖3 切削齒軸向剖面

此后，斯倫貝謝公司的Smith公司又研發(fā)了Axe脊形切削齒，可以同時實現(xiàn)常規(guī)PDC切削齒的剪切作用和碳化鎢鑲齒(TCI)的壓碎作用?；诖搜邪l(fā)的AxeBlade鉆頭(如圖4)在Anadarko盆地頁巖夾堅硬砂巖和石灰?guī)r地層，一趟鉆成功完成Mahler108-1H井22.225 cm的井眼鉆進，機械鉆速高達29.1 m/h，轉(zhuǎn)矩降低20%。

圖4 Axe脊型PDC切削齒

Ulterra Drilling Technology公司在2010年也提出了類似的子彈狀螺旋鑿齒，類似于錐形齒，但是上面有螺紋，每條螺紋都聚合于鉆齒頂部，頂部是長條狀的脊狀切削面，用于解決鉆頭泥包問題(如圖5)[5]。

圖5 螺旋鑿齒

2.1.2雙齒切削齒

為了避免在較低鉆壓和較高轉(zhuǎn)速范圍下引起的鉆頭回旋破壞，趨于采用較高的鉆壓和較低的轉(zhuǎn)速相結(jié)合來提高鉆進性能，但難以避免在較高的鉆壓和較低的轉(zhuǎn)速下引起的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，造成粘滑振動。切削深度DOC(Depth of Cut)控制技術(shù)可以有效消除鉆頭扭轉(zhuǎn)振動，擴大PDC鉆頭的應用范圍，但限制了鉆頭的切削能力。當前提出的很多雙齒鉆頭都是基于DOC控制原理[6-7]。

1) 哈里伯頓雙齒切削齒。2016-04-19，哈里伯頓公司的公開專利US 9316057B2，發(fā)明了一項雙齒切削齒，該設計是為了控制切削齒的切削深度(DOC)，與傳統(tǒng)的DOC控制鉆頭在切削齒后合理設計墊片相反，保護齒與主切削齒同心，直徑小于主切削齒，從主切削齒延伸出一定長度[8]，如圖6所示。

圖6 哈里伯頓雙齒切削齒

2) Ulterra Drilling雙齒切削齒。Ulterra Drilling Technology公司在2006年也提出了類似的專利US7140448B2，副切削齒與主切削齒同心，但是副切削齒軸向剖面為梯形，用于減緩鉆頭粘滑(如圖7)。較貝克休斯自適應PDC鉆頭來說，對DOC的控制性較差，但是在井下真實環(huán)境下更加符合實際應用[9]。

圖7 Ulterra Drilling Technology雙齒切削齒

3) NOV雙齒切削齒。為了延長鉆齒的壽命，NOV公司2016-04-18公開的專利NO.US2016/0047170 A1，發(fā)明了一種雙切削面鉆齒(如圖8)。該鉆齒設計有2個切削結(jié)構(gòu)。副切削結(jié)構(gòu)放置在主切削結(jié)構(gòu)基體預先設的凹槽內(nèi)。鉆進初期，副切削面不會接觸地層，首先磨損的是主切削面和基體，隨著磨損暴露副切削面，2個切削面一起鉆進，從而延長了鉆頭壽命，為了避免作用于主切削面軸向的壓力過大，造成次切削齒被主切削齒的基體夾住或者包圍，可以在次切削齒上設計壓力傳遞裝置，降低主切削齒的軸向壓力[10]。

圖8 NOV雙齒切削齒

2.1.3切削齒切削邊緣創(chuàng)新

PDC切削齒的失效主要是由于殘余應力、熱載荷、機械載荷或者3種載荷的結(jié)合引起的裂紋萌生造成的，加之轉(zhuǎn)矩波動，引起PDC切削齒失效，且破壞會隨著轉(zhuǎn)動加劇，一旦發(fā)生就很難停止。

1) Baker Hughes雙倒角切削齒。2015年Baker Hughes公司在SPE鉆探會議及展覽中展示了其最新的鉆頭研究成果。貝克休斯公司提出了雙倒角切削齒來增加切削齒支持面，可以減少金剛石起裂和剝落，延長鉆頭壽命，改進切削齒的流動，從而改善井眼清潔，較標準倒角切削齒對切削刃的壓縮性更強，能更好鉆進互層和礫巖地層，如圖9。在Alfalfa油田用雙倒角鉆頭成功進行了水平鉆進，較標準鉆頭進尺增長156%，鉆速加快29%。

圖9 標準角與雙倒角切削齒示意

2) NOV波浪形切削刃切削齒。切削刃有倒角可以減少金剛石面切削邊緣磨損，但是，倒角結(jié)構(gòu)雖然改進了切削齒的耐磨性，卻降低了切削效率和鉆速。最為理想的切削齒應該同時具有鋒利切削刃的切削效率和倒角刃的耐磨性。2015-12-24公開的專利NO.US 2015/0368981 A1，發(fā)明了一種具有倒角的波浪形切削刃的鉆齒。切削齒側(cè)壁均勻分布貫穿整個鉆齒長度的溝槽，在切削面的溝槽處形成了沒有倒角的90°切削結(jié)構(gòu)，沒有溝槽的倒角邊緣則保證了鉆齒的耐磨性。圓周倒角邊緣的角度可以為10～80°，如圖10所示。該結(jié)構(gòu)同時具有了鋒利的切削刃和耐磨的切削刃，而且溝槽設計能減少震動破壞[11]。

圖10 波浪形倒角邊緣切削齒

2.1.4切削齒切削面創(chuàng)新

1) 斯倫貝謝Firestorm*PDC切削齒(如圖11)。通過材料優(yōu)選和高溫高壓聚晶燒結(jié)，降低了聚晶金剛石和硬質(zhì)合金之間的拉伸應力，提高了切削齒的耐沖擊能力，適用于所有地層，尤其是互層、研磨性地層和堅硬地層。在加拿大亞伯達的Montney頁巖儲層鉆進水平井，地層研磨性強，利用該切削齒鉆頭鉆進進尺提高42%，機械鉆速提高20%[12]。

圖11 Firestorm*PDC切削齒

2) 貝克休斯StaySharp切削齒(如圖12)。與聚晶金剛石層結(jié)合的硬質(zhì)合金表面微網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，強化了切削面與硬質(zhì)合金柱的結(jié)合強度，增加了復合片厚度，同時配合切削齒拋光技術(shù)，切削齒表面更光滑，可避免鉆頭泥包。與常規(guī)PDC復合片制造工藝不同，它的制造過程中沒有使用金屬催化劑，耐磨能力提高了4倍以上[13]。

圖12 StaySharp切削齒

3) 貝克休斯StayCool切削齒(如圖13)。該設計源于解決鉆頭鉆進硬地層過程中，溫度升高快、磨損嚴重等問題。該切削齒設計有獨特的多維幾何形狀，可以在其切削面磨損的時候，增大后耙角，提高切削齒自銳性能，保持鉆齒攻擊性。該齒還可以將磨損過程中產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到巖屑上，提高了其表面換熱效率，從而降低切削齒溫度，提高切削效率。試驗表明，其相對于常規(guī)切削齒產(chǎn)生的熱量會減少50%[14]。

圖13 StayCool切削齒

2.1.5自適應鉆頭

2016年貝克休斯公司引入了自適應PDC鉆頭，該鉆頭可以隨著持續(xù)變化的鉆井環(huán)境自動調(diào)節(jié)DOC特性，可在提高ROP的情況下緩減粘滑振動，克服了固定齒傳統(tǒng)DOC控制技術(shù)的局限。通過可調(diào)節(jié)的DOC控制單元收縮性能避免牙齒與地層的過度嚙合，防止鉆頭過早失效以及引起B(yǎng)HA部件扭斷的可能性[8-12]。在Oklahoma油田Wilcox砂巖地層中油田試驗井測試表明，自適應鉆頭在鉆速為60 r/min和90 r/min時，改變WOB也沒有出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象[15-17]。圖14為222.25 mm(8英寸)的自適應PDC鉆頭原型，含有3個可替換的自適應DOC控制裝置，通過封裝筒隔離鉆井液，且能方便的從鉆頭刀翼上裝卸。

圖14 8 3/4in自適應PDC鉆頭

2.2 混合鉆頭

在過去幾十年里，PDC鉆頭和牙輪鉆頭性能在設計和材料方面有了很大進步，但是技術(shù)發(fā)展速度逐步降低。近年來，出現(xiàn)了一系列新的混合鉆頭，主要包括已存在的技術(shù)混合，例如將牙輪齒加到固定齒鉆頭上，或者是新的切削機理混合，例如刨削等。

1) SHEAR BTIS刮削鉆頭。SHEAR BITS研發(fā)了一款混合鉆頭技術(shù)，具有創(chuàng)新的綜合切割結(jié)構(gòu)，有可旋轉(zhuǎn)的刨齒和剪切的PDC齒的2種破巖方法，提供了與牙輪鉆頭類似的性能，操控性好，持久性又超越了PDC鉆頭。如圖15所示。

圖15 混合刨削/剪切齒結(jié)構(gòu)示意

刮削機理與牙輪齒或者是切削結(jié)構(gòu)類似，會形成與PDC切削結(jié)構(gòu)相匹敵的剪切作用，適合多種鉆井環(huán)境，但耐磨性不夠，且容易嚴重破壞。在混合鉆頭設計中，刨齒鎖死在軸上，可以靈活旋轉(zhuǎn)，緩減鉆頭反轉(zhuǎn)，在鉆進過程中硬質(zhì)合金齒有自磨刃過程，刨齒形成的裂縫輔助PDC剪切。PDC切削結(jié)構(gòu)又增加了鉆頭的耐磨性，在硬質(zhì)合金切削齒磨損后，仍然可以持續(xù)鉆進。在西加盆地表層鉆進互層時，該鉆頭平均鉆速較牙輪鉆頭增加116%，較應用牙輪+PDC鉆頭的鉆進速度快63%，且井眼清潔非常好，能經(jīng)濟有效地下入套管[18]。

2) 斯倫貝謝CDE與PDC切削齒混合鉆頭。為了消除沖擊引起的切削結(jié)構(gòu)破壞，研發(fā)在高鉆速下有效鉆進超硬/研磨性地層，斯倫貝謝公司通過戰(zhàn)略分布的錐形金剛石齒和傳統(tǒng)的PDC切削齒設計了混合鉆頭，融合了CDE切削齒的形狀、抗沖擊和耐磨性能，提供高剪切作用。在俄羅斯Perm區(qū)域的油田測試中，混合CDE鉆頭提高了鉆進碳酸鹽巖/硅質(zhì)灰?guī)r地層的鉆進效率，性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩輸出光滑，快速提高了定向鉆井的鉆速。圖16為斯倫貝謝的215.9 mm(8英寸)813CDE鉆頭，有53個PDC切削齒，用27個戰(zhàn)略分布的錐形齒來強化鉆頭。

圖16 813CDE鉆頭

3) 斯倫貝謝的PDC/TSP混合鉆頭。PDC切削齒在鉆進高磨損地層時，易形成熱損壞；當鉆進非均質(zhì)性地層時，易造成沖擊破壞，降低鉆速，造成鉆頭環(huán)出。PDC鉆頭在相對均稱和磨損性小的地層應用效果好。相反，孕鑲鉆頭的人造/天然金剛石具有很好的熱穩(wěn)定性和耐磨性，改善了鉆頭壽命和進尺，缺點是在軟/中硬地層中的ROP比PDC低，易造成鉆頭泥包。

斯倫貝謝公司提出了一種混合鉆頭，結(jié)合了PDC和孕鑲鉆頭的優(yōu)點?；旌香@頭由PDC切削齒、TSP齒和金剛石孕鑲材料的刮刀組成，PDC切削齒充滿整個井眼，TSP切削齒較低于PDC切削齒暴露，當PDC切削齒磨損到一定程度后，TSP切削齒接觸地層。當PDC和TSP都磨光了，切削機理就從剪切變?yōu)檠心?，如圖17。該鉆頭具有三重切削結(jié)構(gòu)。該混合鉆頭已經(jīng)在Algeria、墨西哥灣、巴西、英國、USA、Angola和俄羅斯等地成功的進行了應用，大幅降低了成本[19-21]。

圖 17 具有各種切削結(jié)構(gòu)的混合鉆頭

2.3 其他創(chuàng)新

2.3.1納米陶瓷涂層

哈里伯頓海洋服務公司用納米陶瓷(Al2O3-TiO2納米陶瓷粉末)通過等離子噴涂法應用于鉆頭，能顯著減少磨損和剪切，保護基體不被破壞，且磨損鉆頭加以新的納米陶瓷涂層可重復利用。該技術(shù)通過調(diào)整涂層的納米化學結(jié)晶結(jié)構(gòu)、涂敷過程來控制涂層的力學性能，噴涂納米涂層后，鉆頭起裂顯著減少，粘結(jié)強度是傳統(tǒng)涂層的2倍，強度是傳統(tǒng)涂層的2～4倍。該技術(shù)能減少頻繁起下鉆，頻繁替換鉆頭，為作業(yè)者節(jié)省巨大開支[22]。

2.3.2納米纖維強化PDC鉆齒基體

哈里伯頓公司2017-01-12公開的發(fā)明專利US2015/039564，是對鉆齒基體進行纖維強化。為了讓鉆頭的熱穩(wěn)定性更好，降低其致裂風險。纖維可以均勻分布在基體內(nèi)，也可以根據(jù)鉆齒受力情況或者是損壞情況分布。纖維可以是絮狀、棒狀、線狀、骨頭狀或者是環(huán)狀。其材料可以是金屬、合金或者是任何熔點高于基體膠結(jié)熔點的材料，例如鎢、鉬、鈦、鉻、錳等[23]。

3 結(jié)論

1) PDC鉆頭在鉆頭技術(shù)中的比例逐年升高，國外大型石油服務公司對PDC鉆頭技術(shù)研發(fā)及創(chuàng)新越來越重視。我國應跟上國際創(chuàng)新步伐，從延長鉆頭壽命、通過一個鉆頭適應多種地層鉆進、減少起下鉆入手，把改進鉆頭性能、提高鉆進效率作為研發(fā)重點，重視基礎研究，注重相關(guān)技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)，開發(fā)具有創(chuàng)新性的可商業(yè)化應用產(chǎn)品。

2) 各大公司在PDC鉆頭創(chuàng)新研發(fā)方面各具特色，實行差異化發(fā)展，快速提高公司競爭力。有些公司(例如Ulterra Drilling Technology公司)雖然占有相當大的市場份額，但是專利數(shù)量不多，該公司可能為了保護技術(shù)(技術(shù)申請專利后，就必須公開技術(shù)細節(jié)，對技術(shù)的保密程度不夠)會采取避免申請專利的方式來提高技術(shù)的隱蔽性。我國也應在PDC鉆頭技術(shù)方面開展戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新及研發(fā)，從而提高技術(shù)競爭力及領先程度。

3) 當前PDC鉆頭技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新主要趨于鉆齒和混合鉆頭技術(shù)創(chuàng)新。鉆齒方面從保護切削刃、DOC控制、切削效率、鉆齒壽命等方面入手，提出了雙倒角切削刃、波浪形切削刃、自適應DOC控制技術(shù)、各種保護齒創(chuàng)新等；混合鉆頭方面主要從一種鉆頭適應多種地層入手，將多種切削機理，例如PDC鉆頭、牙輪鉆頭、孕鑲鉆頭等鉆頭混合設計與同一鉆頭上，實現(xiàn)多種切削機理，擴大鉆頭使用范圍。

4) 相關(guān)學科的快速發(fā)展促進了石油工程技術(shù)的發(fā)展。在鉆頭方面，針對地層對其破巖性能、鉆井效率、成本等要求，將相關(guān)學科，例如納米、陶瓷材料等應用于改進傳統(tǒng)鉆頭的性能，擴大其使用范圍，延長鉆頭壽命，減少鉆頭替換及起下鉆的非鉆井時間。

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