新型金剛石鉆頭的發展①

趙永明

（中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100083）

1 前言

目前金剛石鉆頭無論在地質、煤炭、冶金和石油等鉆探中，仍然是提高鉆探效率的主要手段。隨著鉆井工程向深井、深海、硬巖和復雜地層的發展，給金剛石鉆頭技術研究工作者提出了更高的要求。近年來，各研究單位、高等院校和部分企業都對金剛石鉆頭投入了一定的人力和資金進行了大量的研究工作，并與實際相結合，研制出許多新型金剛石鉆頭，解決了生產中的一些實際問題。本文擬將國內近年來研制出的幾種新型金剛石鉆頭加以介紹：

2 幾種新型地質鉆頭

近年來我國地質鉆頭的研制有了較大的發展，新型鉆頭不斷出現，解決了生產中的許多難題，鉆頭壽命、時效和取芯率都有較大的提高。如主副水口鉆頭、橋式水口鉆頭、二次焊接式鉆頭、雙層水口鉆頭、多水口鉆頭等。下面分別作簡單介紹：

2.1 主副水口鉆頭（如圖1所示）

其特點為：

（1）水口多、冷卻好，副水路深入胎體中間，有利于鉆頭胎體中部冷卻，可防止鉆頭拉槽現象；

（2）副水路寬窄大小不同，外水口寬，內水口較窄，使其內外磨損均衡；

（3）減少鉆頭與巖石的接觸面積，有利于提高鉆進速度；

（4）適應于鉆進弱研磨性地層。

2.2 橋式水口鉆頭（如圖2所示）

其特點為：

圖1 主副水口鉆頭Fig.1 Drill bit with primary and secondary water slot

圖2 橋式水口鉆頭Fig.2 Drill bit with bridge type water slot

（1）胎體高約20～25mm，金剛石層10～16mm；

（2）相鄰胎塊間用“橋”式加固支撐，增強鉆頭胎體整體強度，同時不影響水流冷卻；

（3）水口面積大，約占總投影面積的50% 左右，鉆頭與巖石接觸面積小，有利于提高鉆進效率和排除巖粉；

（4）適應于復雜地層鉆進。

2.3 二次鑲嵌式鉆頭（如圖3）

其特點為：

圖3 二次鑲嵌式鉆頭Fig.3 Secondary inserted drill bit

（1）鉆頭體采用高溫浸漬法燒結而成，提高了胎體的耐磨性和硬度；

（2）鑲層選用低溫熱壓法燒結，有利于保護金剛石，提高鉆頭效率和壽命；

（3）釬焊金剛石孕鑲塊，使金剛石不受損傷，又保證了鉆頭整體強度；

（4）適應于鉆進打滑地層；

（5）在11級的石英磁鐵礦中鉆進，時效1.5米，平均壽命80米。

2.4 多水口鉆頭（如圖4所示）

其特點為：

圖4 多水口鉆頭Fig.4 Drill bit with multiple water slots

（1）將鉆頭孕鑲層由扇形改為矩形使其各部位水冷均衡，金剛石得到充分冷卻；

（2）金剛石層的面積低于水口面積，有利于提高鉆速；多水口鉆頭設計為深水口和淺水口，深水口有內外水槽，而淺水口不帶內外水槽；

（3）適應于鉆進弱研磨性打滑地層。

2.5 雙層水口鉆頭（如圖5所示）

其特點為：

圖5 雙層水口鉆頭Fig.5 Drill bit with double－layer water slot

（1）鉆頭胎體高（20～28mm），比常規高一倍；

（2）水口設計為開窗式，即2到3層，使用中磨去一層后會出現新的水口；

（3）水口相互交錯，能充分冷卻鉆頭，排除巖粉；

（4）水口數量少但開口較大，有高效排粉能力；

（5）適應于深孔鉆進；

（6）使用效果：壽命是常規鉆頭的2倍（常規鉆頭壽命29米，雙水口鉆頭為56米）。

3 幾種新型油井鉆頭

自1988年從美國引進兩套油井金剛石鉆頭生產線后，我國金剛石石油鉆頭生產水平大幅度提高，有關研究單位和高等院校與生產相結合，研究出許多高水平油井鉆頭，如抗沖擊鉆頭；雙排齒鉆頭；新型孕鑲鉆頭等，并解決了鉆井生產中的一些問題。下面介紹幾種新型石油金剛石鉆頭：

3.1 雙排齒PDC鉆頭（如圖6所示）

雙排齒PDC鉆頭的特點：

（1）在主切削齒后再增加一排切削齒，提高鉆頭的耐磨性，分擔部分主切削齒的工作量，提高鉆頭使用壽命；

（2）提高鉆頭抗振動能力，防止主切削齒過早損壞；

（3）適應于鉆進較硬的復雜地層；

（4）該種鉆頭在渤海北部油田成功穿過300米礫巖層，機械鉆速高達36米～58米。

圖6 雙排齒PDC鉆頭Fig.6 PDC drill bit with double－row teeth

圖7 抗沖擊式PDC鉆頭Fig.7 Impact PDC drill bit

3.2 抗沖擊式PDC鉆頭（如圖7所示）

其特點為：

（1）在主切削齒后增加一排硬質合金契型齒，保護主切削齒，抑制沖擊振動；

（2）抵消振動負荷；

（3）限制主切削齒的吃入量；

（4）減小主切削齒所承受的交變應力；

（5）適應于鉆進有小粒度礫巖地層。

3.3 表孕鑲鉆頭（如圖8所示）

其特點為：

圖8 表孕鑲鉆頭Fig.8 Diamond impregnated bits

（1）在鉆頭表面鑲上大粒度的天然金剛石，以求下井就獲得較快的鉆進效果；表鑲金剛石下面設計一層孕鑲金剛石，可獲得鉆頭較長的壽命；

（2）設計一定量的底噴水眼，有利于排除巖粉和冷卻鉆頭，適應鉆進強研磨性地層；

（3）使用效果，在同種條件下，鉆速略高，壽命是牙輪鉆頭的2.8倍；

（4）牙輪壽命17.21米，鉆速0.58米／時；表孕鑲壽命71.27米，鉆速0.67米／時；

3.4 新型孕鑲油井鉆頭（如圖9所示）

其特點為：

圖9 新型孕鑲鉆頭Fig.9 New diamond impregnated bits

（1）設計若干個孕鑲金剛石柱齒，按一定的排序布置在鉆頭唇面；

（2）鉆頭設計刀翼多個（16個），優化水力設計，最大限度防止鉆頭泥包；

（3）柱狀齒布置重疊有致，提高鉆井效能，消除了井底無法切削的盲區；

（4）對稱的鉆頭切削結構，大粒度的巖屑從水槽返出；

（5）適應于鉆進堅硬的弱研磨性地層。

4 結論

從以上對各種新型金剛石鉆頭的介紹中可見，目前國內鉆探中，可根據所鉆的地層選擇相應的鉆頭。結論如下：

（1）在深井地質鉆探中，可選用金剛石層高的雙水口鉆頭或橋式水口鉆頭；

（2）在地質鉆探中，若鉆進遇到堅硬的弱研磨性地層時，可選用多水口鉆頭或主副水口鉆頭；

（3）在地質鉆探中，若鉆進遇到堅硬致密的打滑地層，可選用二次鑲焊式鉆頭或者多水口鉆頭；

（4）在石油鉆井中，若鉆進遇到礫巖、夾層等復雜地層，可選用雙排齒鉆頭或者抗沖擊型鉆頭；

（5）在石油鉆井中，若鉆進遇到堅硬的弱研磨性地層，可選用新型孕鑲金剛石鉆頭或者表孕鑲鉆頭。

［1］劉廣志，等.金剛石鉆探手冊［M］.北京.地質出版社.1991.

［2］江漢石油管理局鉆頭廠.江漢鉆頭使用手冊［M］.北京.石油出版社.1992.

［3］羅肇豐，等.鉆井技術手冊［M］.北京.石油出版社.1984.

［4］沈立娜，等.國內外金剛石鉆頭的部分技術發展［J］.探礦工程.2011（5）.

［5］蔡家品，等.元壩地區新型金剛石鉆頭的研究與應用［J］.探礦工程.2010（11）.

［6］賈美玲，等.深孔鉆探金剛石鉆頭技術研究［J］.探礦工程.2010（12）.