譚松成，段隆臣，葉雪峰，王紅波

(1.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢 430074;

2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)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(jí)可鉆性指標(biāo)，鉆進(jìn)中硬以上(5級(jí)以上)巖層一直是限制油氣鉆井向深部發(fā)展的技術(shù)難題之一。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，資源礦產(chǎn)的持續(xù)和安全供給已成為民富、國強(qiáng)和國家安全的關(guān)鍵制約因素。針對(duì)硬巖地層鉆進(jìn)，地質(zhì)行業(yè)主要采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，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(jìn)之外，也逐漸開展了PDC鉆頭鉆進(jìn)硬巖的研究，并配合井底驅(qū)動(dòng)取得了良好的應(yīng)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(jìn)中的應(yīng)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(zhuǎn)力的作用下，牙輪齒既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了滾動(dòng)、滑動(dòng)和沖擊振動(dòng)的復(fù)合碎巖作用，對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、壓碎和切削剪切作用，能顯著提高機(jī)械鉆速。作為應(yīng)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(jìn)行深井鉆進(jìn)，但在硬巖鉆進(jìn)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(jié)構(gòu)以及切削齒強(qiáng)度是影響鉆頭使用壽命和效率的關(guān)鍵因素。

2.1 加強(qiáng)軸承密封性能

早期采用的環(huán)形橡膠密封圈的缺點(diǎn)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(shù)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(qiáng)化技術(shù)主要有表面熱處理、化學(xué)熱處理、表面冶金強(qiáng)化和表面薄膜強(qiáng)化四大類(Urbieta et al.，2006;陳飛等，2009)。

圖1 三牙輪鉆頭實(shí)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(shè)計(jì)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(chǎn)品公司推出了O型密封滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)牙輪鉆頭，其特點(diǎn)是采用浮動(dòng)軸承，并帶有高性能軸承密封件、潤滑劑以及軸承組件，同時(shí)具有一個(gè)專利減壓閥，可用來防止軸承內(nèi)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(jié)構(gòu)，能承受超過400r/min的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)井下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)技術(shù)。實(shí)踐表明具有該軸承系統(tǒng)的牙輪鉆頭在經(jīng)過451.5h的工作時(shí)間之后，其密封件仍呈有效狀態(tài)。Kalsi等(2007)設(shè)計(jì)出一種水動(dòng)力學(xué)載荷響應(yīng)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(yuǎn)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(zhuǎn)速，能較好的滿足井底馬達(dá)等其他井下鉆具的鉆進(jìn)要求。我國大陸科學(xué)鉆探工程先導(dǎo)孔鉆進(jìn)中，采用Φ216mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)時(shí)，其軸承帶有壓力平衡潤滑系統(tǒng)，采用金屬浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，取得了良好的應(yīng)用效果(張曉西等，2003)。

2.2 改進(jìn)布齒結(jié)構(gòu)

RBI公司為使切削結(jié)構(gòu)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(shù)，以減少牙輪齒損壞和提高機(jī)械鉆速。Reed-Hycalog公司研制的固定切削齒鉆頭，集熱穩(wěn)定、超強(qiáng)耐磨切削齒技術(shù)，及高穩(wěn)定鉆頭結(jié)構(gòu)特征于一體，配合改良的鉆機(jī)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(shí)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(gè)切削齒都采用SPOT軟件進(jìn)行包括三維力平衡、鉆頭面能量分布和切削齒磨損效應(yīng)等優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證鉆頭質(zhì)量;此外，還在切削齒后面設(shè)有防振墊，限制鉆頭與井壁有沖擊時(shí)牙輪齒對(duì)巖石的吃入量，防止其損壞。Hu等(2006)則提出將傳統(tǒng)鋼結(jié)硬質(zhì)合金鉆頭與圓盤滾刀相結(jié)合的方式，以此來使新鉆頭適用于硬地層或其他復(fù)雜地層鉆進(jìn)。

2.3 提高切削齒強(qiáng)度

在金剛石為強(qiáng)化材料方面，目前研究的熱點(diǎn)是應(yīng)用電鍍或化學(xué)鍍工藝使鋼齒表面鍍覆一層金剛石，從而提高鋼齒表面強(qiáng)度和耐磨性(楊眉等，2004)。硬質(zhì)合金材料方面，碳化鎢基硬質(zhì)合金以其高硬度、強(qiáng)耐磨性及抗沖擊韌性而成為最主要的齒面強(qiáng)化材料。休斯·克里斯坦森公司在推出帶有人造金剛石增強(qiáng)層的Genesis鉆頭系列基礎(chǔ)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(qiáng)鉆頭牙齒和保徑部位的強(qiáng)度及耐磨性，在強(qiáng)研磨性地層中保護(hù)鉆頭掌尖部位。

3 金剛石鉆頭

金剛石鉆頭可分為全面鉆進(jìn)鉆頭和取心鉆進(jìn)鉆頭兩大類(如圖2所示)，配合高速渦輪鉆具形成的復(fù)合鉆井技術(shù)對(duì)于堅(jiān)硬、研磨性地層取得了良好的鉆進(jìn)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(zhì)量的不斷提高，而針對(duì)孕鑲金剛石鉆頭的研究則主要分為金剛石鉆頭碎巖機(jī)理、金剛石參數(shù)和胎體性能，以及鉆頭結(jié)構(gòu)三個(gè)方面。

3.1 碎巖機(jī)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(duì)孔底巖石進(jìn)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在外部靜水壓力為3.44mPa時(shí)，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(jìn)行。Chen等(2001)將巖石看成是由硬質(zhì)顆粒與膠結(jié)物結(jié)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(zhì)顆粒與膠結(jié)體的邊界處產(chǎn)生拉應(yīng)力極大值，因而巖石在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微裂隙。Curran等(2003)通過研究認(rèn)為，脆性材料的破壞是首先在硬質(zhì)顆粒與膠結(jié)體的邊界產(chǎn)生微裂隙和破碎體，隨后再在側(cè)限壓力或圍壓的作用下產(chǎn)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(dú)特的碎巖機(jī)理，因而更有利于顆粒狀的堅(jiān)硬巖層鉆進(jìn)。

圖2 金剛石鉆頭實(shí)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(jí)、粒度和濃度三個(gè)方面，硬巖鉆進(jìn)過程中，每顆參與切削巖石的金剛石都處于強(qiáng)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(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。為設(shè)計(jì)出應(yīng)用效果最佳的金剛石鉆頭，必須準(zhǔn)確判斷胎體合金、金剛石，以及被鉆進(jìn)的巖石三者之間的相互適應(yīng)關(guān)系，即胎體與金剛石同步磨損，且金剛石參數(shù)與巖石堅(jiān)硬程度相匹配。Romanski等(2006)認(rèn)為胎體對(duì)金剛石的包鑲強(qiáng)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(duì)金剛石工具熱壓燒結(jié)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明，金剛石被金屬胎體的包鑲強(qiáng)度主要取決于燒結(jié)過程。Reis等(2008)認(rèn)為應(yīng)考慮金剛石工具燒結(jié)過程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力對(duì)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(yīng)力和胎體的屈服強(qiáng)度是一個(gè)數(shù)量級(jí)的;如果只發(fā)生彈性變形，將會(huì)在金剛石附近形成裂紋。

胎體本身材料對(duì)其性能的影響也非常顯著，Nitkiewicz等(2006)研究了錫對(duì)胎體材料致密度和硬度的影響，認(rèn)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(píng)價(jià)了Fe-Cu-SiC金剛石工具胎體，并認(rèn)為含銅量為20%時(shí)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(qiáng)胎體合金包鑲金剛石的牢固度，提高鉆頭質(zhì)量，并擴(kuò)大鉆頭對(duì)巖層的適應(yīng)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(jìn)所需強(qiáng)度要求下耐磨性偏低，能促進(jìn)金剛石出刃，從而有利于提高機(jī)械鉆速(譚松成等，2009)。

圖3 PDC鉆頭實(shí)物圖Fig.3 Photographs of PDC bits

3.3 鉆頭結(jié)構(gòu)

金剛石鉆頭在地質(zhì)行業(yè)中的硬巖小口徑鉆探技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如中南大學(xué)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(zhì)大學(xué)(武漢)楊凱華和段隆臣等提出的電鍍?nèi)醢傘@頭、“二合一”結(jié)構(gòu)鉆頭、主輔磨料混鑲金剛石鉆頭，以及鋼結(jié)硬質(zhì)合金齒金剛石鉆頭，吉林大學(xué)提出的仿生金剛石鉆頭系列等。針對(duì)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(qiáng)支撐體混合式鉆頭，以及Reed-Hycalog公司針對(duì)硬、研磨性地層設(shè)計(jì)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(shù)研究院采用Smith公司生產(chǎn)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(shí)、高研磨性地層也取得了良好的鉆進(jìn)效果，其鉆頭特點(diǎn)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(shí)在刀頭側(cè)翼布置PDC切削齒，以滿足大段井壁修正要求(羅飛等，2008)。地質(zhì)鉆頭的水路設(shè)計(jì)通常比較簡單，而油氣大口徑鉆頭尤其是全面鉆進(jìn)用鉆頭的水路設(shè)計(jì)則非常重要，必須有效清理巖屑和減少鉆頭泥包，防止高溫?zé)X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(dá)在軟-中硬地層鉆進(jìn)中能取得優(yōu)異的鉆進(jìn)效果，然而在硬巖鉆進(jìn)中，則具有復(fù)合片難以切削巖石、鉆頭磨損過快，以及易崩齒等缺點(diǎn)，導(dǎo)致鉆頭進(jìn)尺緩慢，使用壽命偏低。常見的PDC鉆頭實(shí)物如圖3所示。

Hough等(1985)將PDC鉆頭鉆進(jìn)硬研磨性地層的磨損特征歸納為PDC切削齒截?cái)嘈?、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(duì)PDC切削齒在硬巖中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的試驗(yàn)(Li et al.，2001;Li et al.，2002)，研究表明:平底型切削齒單純采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝時(shí)不能應(yīng)用于硬巖鉆進(jìn)，而沖擊載荷則有利于PDC硬巖鉆進(jìn)，但是容易導(dǎo)致復(fù)合片齒的破壞;PDC切削齒與巖石的切削角一定時(shí)，受切向載荷較大時(shí)易發(fā)生軸向剪切破壞，受垂直載荷較大時(shí)則齒頂易受沖擊破壞;當(dāng)切削角偏小且受垂直載荷較大時(shí)，則易導(dǎo)致切削層沿其與硬質(zhì)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(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭配合使用時(shí)，可在PDC鉆頭切削齒上持續(xù)施加具有一定強(qiáng)度，且與鉆頭切削巖石方向相同的扭轉(zhuǎn)沖擊能量，可使復(fù)合片在切削地層時(shí)獲得穩(wěn)定的切削動(dòng)力并達(dá)到理想的切削深度，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于可隨時(shí)釋放鉆頭切削地層時(shí)積蓄在鉆具上的能量，降低和消除鉆具因此產(chǎn)生的振動(dòng)，減少鉆頭異?；剞D(zhuǎn)、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(shù)在川東北元壩地區(qū)取得了良好應(yīng)用效果(孫起昱等，2010)。Durrand等(2010)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)鉆頭碎巖機(jī)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(jìn)過程中形成一定的沖擊載荷，從而有利于提高機(jī)械鉆速，同時(shí)，通過增加切削齒上的金剛石復(fù)合層厚度和強(qiáng)度來嚴(yán)重鉆頭的使用壽命。

5 結(jié)論

縱觀上述硬巖鉆進(jìn)鉆頭的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，結(jié)合硬巖鉆進(jìn)實(shí)際需求，對(duì)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(qū)動(dòng)將成為深井和超深井的優(yōu)選鉆進(jìn)方式，使得鉆頭必須適應(yīng)井底高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)的要求，從而對(duì)牙輪鉆頭的軸承強(qiáng)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(shí)間增多，要求鉆頭在孔底能持續(xù)高效安全鉆進(jìn)，鉆頭使用壽命較長。

(3)牙輪鉆頭和PDC鉆頭的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)相對(duì)成熟，其應(yīng)用于硬巖地層的關(guān)鍵問題將在于提高切削齒的強(qiáng)度和改進(jìn)切削齒對(duì)巖石的切削破碎方式。

(4)大口徑金剛石鉆頭應(yīng)針對(duì)不同切削部位應(yīng)用工況的差異，注重碎巖機(jī)理和鉆頭整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)水路系統(tǒng)的優(yōu)化，并采用輔助軟件對(duì)鉆頭設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬驗(yàn)證和完善。

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