譚松成，段隆臣，葉雪峰，王紅波

(1.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，湖北武漢 430074;

2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074;

1 前言

石油天然氣鉆井行業(yè)中，巖石分為軟、中、硬三大類，共10級可鉆性指標，鉆進中硬以上(5級以上)巖層一直是限制油氣鉆井向深部發(fā)展的技術難題之一。隨著我國工業(yè)化進程的加快，資源礦產的持續(xù)和安全供給已成為民富、國強和國家安全的關鍵制約因素。針對硬巖地層鉆進，地質行業(yè)主要采用金剛石鉆頭鉆進，而油氣鉆井行業(yè)除按傳統(tǒng)方法采用牙輪鉆頭和金剛石鉆頭鉆進之外，也逐漸開展了PDC鉆頭鉆進硬巖的研究，并配合井底驅動取得了良好的應用效果。下面將分別敘述牙輪鉆頭、金剛石鉆頭和PDC鉆頭在硬巖鉆進中的應用研究現(xiàn)狀。

2 牙輪鉆頭

牙輪鉆頭主要為三牙輪體系，如圖1所示。在鉆壓和回轉力的作用下，牙輪齒既公轉又自轉，產生了滾動、滑動和沖擊振動的復合碎巖作用，對巖石產生沖擊、壓碎和切削剪切作用，能顯著提高機械鉆速。作為應用最廣泛且使用歷史最久的鉆頭，牙輪鉆頭目前占油田鉆頭總量的70%左右(徐良，2009)，常配合中低速大扭矩渦輪鉆具進行深井鉆進，但在硬巖鉆進過程中鉆頭齒容易損壞，因此牙輪鉆頭的軸承密封性能、鉆頭布齒結構以及切削齒強度是影響鉆頭使用壽命和效率的關鍵因素。

2.1 加強軸承密封性能

早期采用的環(huán)形橡膠密封圈的缺點是成形精度不夠，裝配方式欠佳，易使密封圈損壞失效，且材料抗高溫性能較低(羅緯等，1994)。金屬端面密封技術則能顯著提高牙輪鉆頭的軸承密封性，能延長鉆頭使用壽命，其表面強化技術主要有表面熱處理、化學熱處理、表面冶金強化和表面薄膜強化四大類(Urbieta et al.，2006;陳飛等，2009)。

圖1 三牙輪鉆頭實物圖Fig.1 Photograph of three－roller bit

Varel國際公司研發(fā)的High Energy系列牙輪鉆頭設計了圓錐形密封壓蓋，以保證最優(yōu)的密封位置和界面。WLS鉆井產品公司推出了O型密封滑動軸承結構牙輪鉆頭，其特點是采用浮動軸承，并帶有高性能軸承密封件、潤滑劑以及軸承組件，同時具有一個專利減壓閥，可用來防止軸承內高壓破壞作用(黃蕾蕾等，2010)。隸屬斯倫貝謝Reed-Hycalog公司推出的Titan系列大直徑牙輪中，采用了EMS軸承結構，能承受超過400r/min的轉速以適應井下馬達驅動鉆進技術。實踐表明具有該軸承系統(tǒng)的牙輪鉆頭在經過451.5h的工作時間之后，其密封件仍呈有效狀態(tài)。Kalsi等(2007)設計出一種水動力學載荷響應止推軸承，該軸承表面具有0.25～2μm的減摩層，其摩擦系數(shù)為0.003～0.005，遠低于常規(guī)牙輪鉆頭的軸承摩擦性能，且該軸承能承受更高的載荷和轉速，能較好的滿足井底馬達等其他井下鉆具的鉆進要求。我國大陸科學鉆探工程先導孔鉆進中，采用Φ216mm牙輪鉆頭全面鉆進時，其軸承帶有壓力平衡潤滑系統(tǒng)，采用金屬浮動密封結構，取得了良好的應用效果(張曉西等，2003)。

2.2 改進布齒結構

RBI公司為使切削結構承受住鉆井過程中被施加的各種力且有效切削地層，推出Vectored矢量牙輪鉆頭鑲齒技術，以減少牙輪齒損壞和提高機械鉆速。Reed-Hycalog公司研制的固定切削齒鉆頭，集熱穩(wěn)定、超強耐磨切削齒技術，及高穩(wěn)定鉆頭結構特征于一體，配合改良的鉆機和鉆井液，在美國德克薩斯州東部硬巖地層鉆井中的鉆井時間平均降低了37%。Varel國際公司推出的Challenger MK胎體式牙輪鉆頭系列中，每個切削齒都采用SPOT軟件進行包括三維力平衡、鉆頭面能量分布和切削齒磨損效應等優(yōu)化設計，從而保證鉆頭質量;此外，還在切削齒后面設有防振墊，限制鉆頭與井壁有沖擊時牙輪齒對巖石的吃入量，防止其損壞。Hu等(2006)則提出將傳統(tǒng)鋼結硬質合金鉆頭與圓盤滾刀相結合的方式，以此來使新鉆頭適用于硬地層或其他復雜地層鉆進。

2.3 提高切削齒強度

在金剛石為強化材料方面，目前研究的熱點是應用電鍍或化學鍍工藝使鋼齒表面鍍覆一層金剛石，從而提高鋼齒表面強度和耐磨性(楊眉等，2004)。硬質合金材料方面，碳化鎢基硬質合金以其高硬度、強耐磨性及抗沖擊韌性而成為最主要的齒面強化材料。休斯·克里斯坦森公司在推出帶有人造金剛石增強層的Genesis鉆頭系列基礎上，研制出帶有EnduraⅡ硬敷焊材料的XLX鋼齒鉆頭。EnduraⅡ中富含大量球形鑄造碳化鎢，其幾何形狀能增強鉆頭牙齒和保徑部位的強度及耐磨性，在強研磨性地層中保護鉆頭掌尖部位。

3 金剛石鉆頭

金剛石鉆頭可分為全面鉆進鉆頭和取心鉆進鉆頭兩大類(如圖2所示)，配合高速渦輪鉆具形成的復合鉆井技術對于堅硬、研磨性地層取得了良好的鉆進效果(楊世奇等，2002;董明鍵等，2010;安本清等，2011)。隨著人造金剛石質量的不斷提高，而針對孕鑲金剛石鉆頭的研究則主要分為金剛石鉆頭碎巖機理、金剛石參數(shù)和胎體性能，以及鉆頭結構三個方面。

3.1 碎巖機理研究

孕鑲金剛石鉆頭以底唇面上多而小的金剛石顆粒對孔底巖石進行不斷刻劃磨削，隨著本層金剛石的逐漸磨損和胎體的不斷磨耗，新的金剛石又裸露出來工作。Kaitkay等(2005)通過實驗發(fā)現(xiàn)，在外部靜水壓力為3.44mPa時，巖石發(fā)生了由脆性材料向韌-脆性材料的過渡變化，這將有利于巖石的切削向大的體積破碎方向進行。Chen等(2001)將巖石看成是由硬質顆粒與膠結物結合而成的脆性材料，研究發(fā)現(xiàn)，脆性巖石在單軸壓力的狀態(tài)下，由于在硬質顆粒與膠結體的邊界處產生拉應力極大值，因而巖石在拉應力的作用下產生微裂隙。Curran等(2003)通過研究認為，脆性材料的破壞是首先在硬質顆粒與膠結體的邊界產生微裂隙和破碎體，隨后再在側限壓力或圍壓的作用下產生大的剪切變形和巖屑流。由此看來，孕鑲金剛石鉆頭由于其獨特的碎巖機理，因而更有利于顆粒狀的堅硬巖層鉆進。

圖2 金剛石鉆頭實物圖Fig.2 Photographs of diamond bits

3.2 金剛石參數(shù)和胎體性能

金剛石參數(shù)主要包括金剛石品級、粒度和濃度三個方面，硬巖鉆進過程中，每顆參與切削巖石的金剛石都處于強力規(guī)程下，承受的鉆壓高、彎矩大，要求金剛石具有高的抗壓強度和抗彎強度。為設計出應用效果最佳的金剛石鉆頭，必須準確判斷胎體合金、金剛石，以及被鉆進的巖石三者之間的相互適應關系，即胎體與金剛石同步磨損，且金剛石參數(shù)與巖石堅硬程度相匹配。Romanski等(2006)認為胎體對金剛石的包鑲強度是影響金剛石鉆頭性能最重要的因素之一。Li等(2010)采用ABAQUS對金剛石工具熱壓燒結過程進行三維數(shù)值模擬，結果表明，金剛石被金屬胎體的包鑲強度主要取決于燒結過程。Reis等(2008)認為應考慮金剛石工具燒結過程中產生的殘余熱應力對金剛石性能的影響。有限元分析表明，如果胎體發(fā)生彈塑性變形，殘余熱應力和胎體的屈服強度是一個數(shù)量級的;如果只發(fā)生彈性變形，將會在金剛石附近形成裂紋。

胎體本身材料對其性能的影響也非常顯著，Nitkiewicz等(2006)研究了錫對胎體材料致密度和硬度的影響，認為錫的加入有利于提高胎體的硬度和致密度。de Oliveira等(2007)采用收縮率、硬度和耐磨性評價了Fe-Cu-SiC金剛石工具胎體，并認為含銅量為20%時耐磨性最好。稀土的變性作用、微合金化作用和純化作用能明顯提高鉆頭胎體的性能，加強胎體合金包鑲金剛石的牢固度，提高鉆頭質量，并擴大鉆頭對巖層的適應性(楊凱華等，2009)。此外，高磷鐵基胎體由于具有硬脆性，在滿足硬巖鉆進所需強度要求下耐磨性偏低，能促進金剛石出刃，從而有利于提高機械鉆速(譚松成等，2009)。

圖3 PDC鉆頭實物圖Fig.3 Photographs of PDC bits

3.3 鉆頭結構

金剛石鉆頭在地質行業(yè)中的硬巖小口徑鉆探技術已經比較成熟，如中南大學魯凡和張紹和等人提出的熱壓弱包鑲金剛石鉆頭系列，中國地質大學(武漢)楊凱華和段隆臣等提出的電鍍弱包鑲鉆頭、“二合一”結構鉆頭、主輔磨料混鑲金剛石鉆頭，以及鋼結硬質合金齒金剛石鉆頭，吉林大學提出的仿生金剛石鉆頭系列等。針對油氣鉆井中遇到的硬巖地層，Delwiche等(1992)提出PDC切削片和孕鑲金剛石加強支撐體混合式鉆頭，以及Reed-Hycalog公司針對硬、研磨性地層設計的Dura Diamond孕鑲金剛石全面鉆頭等。中石化西南油氣分公司工程技術研究院采用Smith公司生產的241.3mm大口徑金剛石全面鉆頭，在我國川西須家河組高壓實、高研磨性地層也取得了良好的鉆進效果，其鉆頭特點是刀翼底面呈凸棱狀與PDC鉆頭相似，采用熱穩(wěn)金剛石鑲齒代替?zhèn)鹘y(tǒng)整體胎體式切削齒，同時在刀頭側翼布置PDC切削齒，以滿足大段井壁修正要求(羅飛等，2008)。地質鉆頭的水路設計通常比較簡單，而油氣大口徑鉆頭尤其是全面鉆進用鉆頭的水路設計則非常重要，必須有效清理巖屑和減少鉆頭泥包，防止高溫燒齒現(xiàn)象的發(fā)生。

4 PDC鉆頭

PDC鉆頭配合中高速渦輪鉆具或螺桿馬達在軟-中硬地層鉆進中能取得優(yōu)異的鉆進效果，然而在硬巖鉆進中，則具有復合片難以切削巖石、鉆頭磨損過快，以及易崩齒等缺點，導致鉆頭進尺緩慢，使用壽命偏低。常見的PDC鉆頭實物如圖3所示。

Hough等(1985)將PDC鉆頭鉆進硬研磨性地層的磨損特征歸納為PDC切削齒截斷型、金剛石磨損型、合金胎體磨損型，以及切削齒整體快速斷裂型四種。李夕兵針對PDC切削齒在硬巖中的應用進行了大量的試驗(Li et al.，2001;Li et al.，2002)，研究表明:平底型切削齒單純采用回轉鉆進工藝時不能應用于硬巖鉆進，而沖擊載荷則有利于PDC硬巖鉆進，但是容易導致復合片齒的破壞;PDC切削齒與巖石的切削角一定時，受切向載荷較大時易發(fā)生軸向剪切破壞，受垂直載荷較大時則齒頂易受沖擊破壞;當切削角偏小且受垂直載荷較大時，則易導致切削層沿其與硬質合金襯底的接觸面發(fā)生徑向整體剪切破壞。加拿大聯(lián)合金剛石公司開發(fā)的鉆頭扭轉沖擊器與PDC鉆頭配合使用時，可在PDC鉆頭切削齒上持續(xù)施加具有一定強度，且與鉆頭切削巖石方向相同的扭轉沖擊能量，可使復合片在切削地層時獲得穩(wěn)定的切削動力并達到理想的切削深度，其獨特優(yōu)勢在于可隨時釋放鉆頭切削地層時積蓄在鉆具上的能量，降低和消除鉆具因此產生的振動，減少鉆頭異?；剞D、彈跳和粘滑，從而提高壽命及切削效率，如中原油田引用該技術在川東北元壩地區(qū)取得了良好應用效果(孫起昱等，2010)。Durrand等(2010)設計出一種圓錐形的超硬、厚且鋒利的PDC切削齒，該類切削齒能實現(xiàn)鉆頭碎巖機理從牙輪鉆頭沖擊壓碎巖石到普通PDC鉆頭切削破壞巖石的過度。其尖齒型切削齒能使鉆頭在鉆進過程中形成一定的沖擊載荷，從而有利于提高機械鉆速，同時，通過增加切削齒上的金剛石復合層厚度和強度來嚴重鉆頭的使用壽命。

5 結論

縱觀上述硬巖鉆進鉆頭的應用研究現(xiàn)狀，結合硬巖鉆進實際需求，對三類鉆頭的研究方向提出了以下建議:

(1)隨著油氣井勘探深度的不斷加大，井底驅動將成為深井和超深井的優(yōu)選鉆進方式，使得鉆頭必須適應井底高轉速鉆進的要求，從而對牙輪鉆頭的軸承強度和密封性能提出更高要求。

(2)井深的加大使得起下鉆等輔助時間增多，要求鉆頭在孔底能持續(xù)高效安全鉆進，鉆頭使用壽命較長。

(3)牙輪鉆頭和PDC鉆頭的設計理論已經相對成熟，其應用于硬巖地層的關鍵問題將在于提高切削齒的強度和改進切削齒對巖石的切削破碎方式。

(4)大口徑金剛石鉆頭應針對不同切削部位應用工況的差異，注重碎巖機理和鉆頭整體結構的設計，加強水路系統(tǒng)的優(yōu)化，并采用輔助軟件對鉆頭設計進行模擬驗證和完善。

An Ben-qing，Zhao Xiang-yang，Wang Cheng-liang，Liu Wei-dong.2011.High efficient drilling technology in Saudi Arabia block B［J］.Petroleum Drilling Techniques，39(3):38-40(in Chinese with English abstract)

Chen Fei，Chen Jia-qing，Yang Ying-ge.2009.Research progress of the surface strengthening technology on roller bit metal face seal［J］.New Technology ＆ New Process，9:98-102(in Chinese with English abstract)

Chen Feng，Sun Zong-qi，Xu Ji-cheng，Zhang Jing-yi.2001.A composite material model for investigation of micro-fracture mechanism of brittle rock subjected to uniaxial compression ［J］.Journal of Central South University of Technology(English Edition)，8(4):258-262

Curran D R，Cooper T.2003.Modeling the comminution and flow of granular brittle material［J］.Journal de Physique，IV(Proceedings)，110(1):45-50

de Oliveira L J，Paranhos R P da R da S，Guimar?es R da S，Bobrovnitchii G S，F(xiàn)ilqueira M.2007.Use of PM Fe-Cu-SiC composites as bonding matrix for diamond tools［J］.Powder Metallurgy，50(2)，148-152

Delwiche R，Hay W，de Vos D.1992.Quatrocut cutting structure［J］.American Society of Mechanical Engineers，Petroleum Division，(40):51-60

Dong Ming-jian，Xiao Xin-lei，Bian Pei-ming.2010.Application of compound drilling technology in terrestrial formation in Yuanba area［J］.Petroleum Drilling Techniques，38(4):38-40(in Chinese with English abstract)

Durrand C J，Skeem M R，Crockett R B，Hall D R.2010.Super-hard，thick，shaped PDC cutters for hard rock drilling:development and test results［C］.Proceedings，Thirty-Fifth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering，Stanford University，Stanford，California，1-3，SGP-TR-188

Hough Jr C L，Das B.1985.Wear characteristics of polycrystalline diamond compact drill bits in small diameter rock drilling［J］.Journal of Energy Resources Technology，107(4):534-542

Hu Qin，Liu Qing-you，Liu Yong-bing.2006.Development of a new rock bit［J］.Proceedings of the China Association for Science and Technology，2(1):302-306(in Chinese)

Huang Lei-lei，Xue Qi-Long.2010.New progress of foreign bits technology［J］.China Petroleum Machinery，38(4):73-76，86(in Chinese)

Kaitkay P，Lei S T.2005.Experimental study of rock cutting under external hydraulic pressure［J］.Journal of Materials Processing Technology，159:206-213

Kalsi M S，Alvare P D，Somogyi D，Richie A.2007.Load-responsive hydrodynamic bearing for downhole drilling tools［J］.Journal of Tribology，129:209-217

Li B，Amaral P M，Reis L，Anjinho C A，Gueera R L，de Freitas M.2010.3D-modelling of the local plastic deformation and residual stresses of PM diamond– metal matrix composites［J］.Computational Materials Science，47(4):1023-1030

Li X B，Summers D A，Rupert G，Santi P.2001.Experimental investigation on the breakage of hard rock by the PDC cutters with combined action modes［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，16:107-114

Li Xi-bing，Zhao Fu-jun，Summers D A，Rupert G.2002.Cutting capacity of PDC cutters in very hard rock［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，12(2):305-309

Lu Fen-Fang，Shen Shou-qing.2005.New progress of Americal bits technology［J］.China Petroleum Machinery，33(6):84-87(in Chinese)

Luo Fei，Wang Xi-yong，Liao Zhong-hui.2008.Application of turbine drill in deep hole section of West Sichuan［J］.Fault-Block Oil＆Gas Field，15(6):94-96(in Chinese with English abstract)

Nitkiewicz Z，?swierzy M.2006.Tin influence on diamond – metal matrix hot pressed tools for stone cutting［J］.Journal of Materials Processing Technology，175(1-3):306-315

Reis L，Amaral P M，Li B，de Freitas M，Gueera R L.2008.Evaluation of the residual stresses due to the sintering process of diamond–metal matrix hot-pressed tools［J］.Theoretical and Applied Fracture Mechanics，49:226-231

Romanski A，Lachowski J，Konstanty J.2006.Diamond retention capacity:Evaluation of stress field generated in a matrix by a diamond crystal［J］.Industrial Diamond Review，3:43-45

Sun Qi-yu，Zhang Yu-sheng，Li Shao-hai，Wang Xing-wu.2010.Application of bit torsional impact generator in well Yuanba 10 ［J］.Petroleum Drilling Techniques，38(6):84-87(in Chinese with English abstract)

Tan Song-cheng，Yang Yang.2009.Study on mechanical performance of iron-based matrix for hot-pressed diamond bit［J］.Diamond ＆Abrasives Engineering，2:49-52(in Chinese with English abstract)

Xu Liang.2009.Research on bionic coupling diamondcoring bits in drilling hard rock［D］.Changchun:Jilin University:1-12(in Chinese with English abstract)

Yang Kai-hua，Pan Bing-suo.2009.Status and development of diamond drill bits for geology［J］.Superhard Material Engineering，21(2):40-45(in Chinese with English abstract)

Yang Mei，Tang Xiao-wen，Huang Ben-sheng，Liu Qing-you.2004.Progress of roller teeth strengthen materials and technology for steel roller bit［J］.China Petroleum Machinery，32(5):50-52(in Chinese)

Yang Shi-qi，Xue Dun-song，Cai Jing-lun，Zhao Ning，Tan Chunfei.2002.Progress and new development of turboddrilling technology［J］.Journal of the Univeristy of Petroleum，China，26(3):128-132(in Chinese with English abstract)

Zhang Xiao-xi，Yang Gan-sheng，Zhu Yong-yi，Xie Wen-wei.2003.Application of large diameter hard rock drilling technology in CCSD project［J］.Exploration Engineering(Drilling ＆ Tunneling)，1:23-27(in Chinese)

Urbieta A，Martinez M，Escare?o P，Arias A，Portillo R，Castellanos E，Buske R，Overstreet J，Dick J，Christensen H.2006.Advanced technology improves drilling economics/sets new benchmark，Southeast Mexico［R］.SPE 103921-MS

［附中文參考文獻］

安本清，趙向陽，王成亮，劉衛(wèi)東.2011.沙特B區(qū)塊高效破巖鉆井技術［J］.石油鉆探技術，39(3):66-71

陳飛，陳家慶，楊英歌.2009.牙輪鉆頭金屬端面密封表面強化技術研究進展［J］.新技術新工藝，9:98-102

董明鍵，肖新磊，邊培明.2010.復合鉆井技術在元壩地區(qū)陸相地層中的應用［J］.石油鉆探技術，38(4):38-40

黃蕾蕾，薛啟龍.2010.國外鉆頭技術新進展［J］.石油機械，38(4):73-76，86

盧芬芳，申守慶.2005.美國鉆頭技術最新進展［J］.石油機械，33(6):84-87

羅飛，王希勇，廖忠會.2008.渦輪鉆具在川西深井段的應用分析［J］.斷塊油氣田，15(6):94-96

孫起昱，張雨生，李少海，王興武.2010.鉆頭扭轉沖擊器在元壩10井的試驗［J］.石油鉆探技術，38(6):84-87

譚松成，楊洋.2009.熱壓金剛石鉆頭鐵基胎體機械性能的研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2:49-52

徐良.2009.硬巖鉆進用仿生耦合金剛石取心鉆頭研究［D］.長春:吉林大學:1-12

楊凱華，潘秉鎖.2009.金剛石地質鉆頭的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.超硬材料工程，21(2):40-45

楊眉，劉清友，湯小文，黃本生.2004.鋼齒牙輪鉆頭齒面強化材料及強化工藝進展［J］.石油機械，32(5):50-52

楊世奇，薛敦松，蔡鏡侖，趙 寧，譚春飛.2002.渦輪鉆井技術的新進展［J］.石油大學學報(自然科學版)，26(3):128-132

張曉西，楊甘生，朱永宜，謝文衛(wèi).2003.大口徑硬巖鉆探技術在中國大陸科學鉆探工程中的應用［J］.探礦工程，1:23-27