國內外金剛石鉆頭的部分技術進展

沈立娜,阮海龍

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

國內外金剛石鉆頭的部分技術進展

沈立娜,阮海龍

(北京探礦工程研究所,北京 100083)

收集和介紹了一些國內外金剛石鉆頭技術研究的發展前沿,從新材料新工藝的應用、新設計思路、先進設計手段等方面對金剛石鉆頭設計和制造技術的最新進展加以論述,可為國內金剛石鉆頭的設計制造提供參考。

金剛石鉆頭;前沿技術;復合片;水口

目前國內外無論是小口徑地質巖心鉆探,還是大口徑油氣田開發鉆井,金剛石鉆探仍是主要的手段。隨著鉆探工程向深部、硬巖、復雜地層發展,同時要求更高的鉆孔質量與鉆進效率,對各種高性能鉆頭的需求量也大幅上升。因此,對金剛石鉆頭技術研究提出了更高的目標。筆者收集了一些國內外金剛石鉆頭技術研究的最新進展,介紹了幾種先進的鉆頭產品以及鉆頭設計系統,為國內金剛石鉆頭設計制造技術的發展提供參考。

1 金剛石鉆頭新型切削齒

1.1 NPDC

對于 PDC鉆頭,鉆頭的鉆進效率和使用壽命主要取決于鉆頭的切削結構設計和復合片質量。隨著技術發展,高抗沖擊、高耐磨、熱穩定性強的復合片見諸世面。如史密斯公司研制的新型復合片 (NP2 DC),采用高耐磨、熱穩定性強的人造金剛石層,再配以特殊形狀的硬質合金后襯 (圖 1),采用預應力粘結工藝。該復合片具有更高的抗沖擊性和耐磨性[1]。

通過改變界面的凹凸相貌,形成更大的接觸面積,從而加強粘結面積,增強該 PDC與鉆頭的結合強度,這可大大降低復合片脫落現象的發生幾率。

1.2 GH I熱壓鑲嵌齒

圖1 預應力WC界面復合片硬質合金后襯形狀

為解決油氣田硬巖鉆進難的問題,史密斯公司研制了一種 GH I熱壓鑲嵌齒。將該 GH I齒二次鑲焊于胎體中,形成超高工作層、多種切削機理的 Ki2 netic孕鑲金剛石鉆頭 (如圖 2所示)[2]。該種類鉆頭在刀翼上鑲嵌了特殊工藝材料的熱壓鑲嵌齒,這種凸起在孕鑲鉆頭胎體外部的 GH I熱壓鑲嵌齒較PDC更加堅硬耐磨,鉆進過程中,由于其降低了鉆頭表面與巖石的接觸面積,增加了單顆金剛石的工作壓力,在硬巖鉆進中,金剛石產生新陳代謝加快,提高了鉆頭的鉆進效率。該鉆頭配備渦輪或高速馬達更能體現出在硬巖鉆進中的優勢。

圖2 Kinetic孕鑲金剛石鉆頭

目前,我國也有類似產品,如北京探礦工程研究所研發的二次鑲嵌式金剛石鉆頭 (如圖 3所示),經過幾年的試驗推廣應用,在大陸科學鉆探以及油氣田開發鉆井施工等領域取得了很好的使用效果。該類型鉆頭采用特殊的胎體配方,通過一定的燒結工藝以及保護氣體焊接工藝手段,使其在硬巖鉆進中,進尺和壽命較常規金剛石或牙輪鉆頭可提高數倍,在西南地區鉆進取得了良好的效果。但和 Kinetic相比,還存在一定的差距,在胎體粉料以及鑲嵌齒選材結構設計等方面,有關人員正在進一步研究當中。

圖3 二次鑲嵌式金剛石鉆頭

2 金剛石鉆頭切削結構新思路

在鉆頭設計的冠部布局方面,史密斯公司研發了一種ACS布齒形式。該布齒形式采用不同直徑(19、16、13 mm)的復合片交錯布齒 (圖 4)。3種不同尺寸的復合片在孔底形成高底不平的切削槽。當出現偏心旋轉時,切削齒能咬合孔底的切削槽,產生垂直于軸向的復位力,使鉆頭恢復同心旋轉。因此ACS獨特的切削結構可以極大增強鉆頭的穩定性,從而提高鉆頭壽命,在硬巖鉆進作業中取得了良好的效果[1,6]。

圖4 ACS混合布齒形式

3 金剛石鉆頭工作層結構及水路設計新進展

3.1 工作層結構設計

金剛石鉆頭設計的出發點為鉆速、使用壽命以及成本 3個方面的均衡考慮。國外在此方面優先考慮鉆速與使用壽命 2個方面,通常采用優級的原材料,雖然制造的成本會較高,但能取得較好的綜合鉆進效率。

隨著粉末冶金技術的發展,在保證鉆頭胎體強度的前提下,通過增加鉆頭工作層高度來提高鉆頭使用壽命成為可能。目前新型金剛石鉆頭的工作層高度能比常規高出 1倍甚至數倍,從而獲得更高的使用壽命。

休斯·克里斯坦森所研制的 Dura孕鑲金剛石鉆頭如圖5所示。

圖5 Dura孕鑲金剛石鉆頭

該鉆頭采用優質級金剛石原材料,粗細粒度混合,工作層高度約 25 mm。該鉆頭能以較高的鉆速鉆進硬巖,并且使用壽命比常規孕鑲金剛石鉆頭高出數倍至數十倍。

針對鉆進中硬～堅硬巖層時鉆頭鉆進效率低、壽命短等情況,蔣青光等[7]研制了一種新型優質孕鑲金剛石鉆頭,該鉆頭運用了交錯式唇面和自形成同心圓齒設計,以及金剛石在胎體中的有序排列技術,提高了鉆頭的鉆進效率及壽命。如圖 6所示,該自形成同心圓齒交錯式唇面鉆頭,減少了工作中鉆頭唇面與巖石的接觸面積,提高了鉆頭對巖石的摩擦系數和摩擦力,有利于巖石體積破碎,提高碎巖效率;工作層胎體中金剛石按均勻有序方式排列,提高了金剛石的利用率,使鉆頭的鉆進效率和使用壽命得到提高。

圖6 鉆頭唇面形狀圖

3.2 鉆頭水口設計

寶長年公司研制的多水口鉆頭如圖 7所示,胎體高度達 25.4 mm。為保證胎體強度的同時又能滿足鉆頭的冷卻,除了在常規位置處以外,在高胎體中間位置設計了類似窗口的多層水口。該鉆頭通過增加鉆頭工作層等方式極大程度地提高了鉆頭的使用壽命[3]。

圖7 寶長年公司的多水口金剛石鉆頭

北京探礦工程研究所研發的雙水口金剛石鉆頭(圖 8),經過幾年的研究試驗,在全國各個勘探系統小口徑巖心鉆探深孔施工中取得了很好的使用效果,壽命亦較常規金剛石鉆頭高出數倍。

圖8 北京探礦工程研究所雙水口鉆頭

雙水口鉆頭一方面增加了過水面積,使得鉆頭冷卻效果得到更好的保證;另一方面,由于兩層水口的結構設計,相當于鉆頭具備上下 2個工作層,提高了鉆頭的工作層高度,當第一層水口處胎體工作將要結束時,第二層水口處露出嶄新的胎體工作層,發揮新一輪的巖石破碎作用,從而實現長壽命高效鉆進。

4 金剛石鉆頭的先進設計手段

目前幾個國際先進的金剛石鉆頭廠家均采用計算機模擬系統進行鉆頭結構以及鉆井狀態的模擬。如史密斯公司采用 I-DR ILL 4D模型設計系統 (見圖 9)[5]。

圖9 I-DR ILL 4D模型設計系統

該系統使用三維設計結合地質信息系統,能夠創建 6個自由度的三維模型,并根據地質信息進行運動模擬仿真以及水力流體分析。可通過模擬結果隨時進行改進,使鉆頭結構、水路系統設計達到最優化。而目前國內的鉆頭設計尚未達到如此先進的計算機模擬水平。雖然在鉆頭水力模擬上國內也有些公司在使用,但并未得到推廣,這與國內鉆探缺乏強大的數據支撐與技術支持有很大關系,收集鉆井數據資料,及時整合成強大的數據庫,是日后建立計算機模擬必經的重要途徑。

5 結論

由以上分析與介紹可見,國外先進金剛石鉆頭在鉆頭的結構設計方面取得了新的技術進展,在切削齒、冠部形狀布齒以及鉆頭工作層水路的設計上,均有了新的突破。我國雖然也有相應發展,但在材料及其工藝設計以及計算機模擬領域存在著很大的差距,胎體材料的設計改進與鉆井數據庫的建立,是今后金剛石鉆頭設計制造的重要發展路線。

[1] Graham Mensa2W ilmot,Smith Bits2GeoDiamond;Bill Penrose, Fairweather E&P Services.Anvanced Cutting Structure Improves PDC Bit Perfor mance in Hard and Abrasive Drilling Enviroments [J].SPE,2003,81167-MS.

[2] Smith bits.Kinetic Tools[EB/OL].http://www.s mith.com/ SmithBitsInfo?prod=37,2010-7-19.

[3] Boart Longyear.Global Products Catalogue——LONGYEAR Bits and Accessories[EB/OL].http://viewer.zmags.com/publica2 tion/1259a328/28,2009-08.

[4] Atlas Copco.CraeliusTMexploration drilling tools[EB/OL].ht2 tp://www.atlascopcoexploration.com/pdf/Craelius_Bit_product_ catalogue6991_0352_01_L.pdf,2010-7-19.

[5] Smith bits.Applied Technology i2Drill[EB/OL].http://www. smith.com/＄bf8b1717-e293-4b08-a8ba-da7a574a55f4, 2010-7-19.

[6] Graham Mensa2W ilmot and Charles Douglas,Smith Bits;Eddie Schell,Anadarko Petroleum.New PDC Bit Technology,I m2 proved Drillability Analysis,and Opetational Practices Improve Drilling Performance in Hard and Highly Heterogeneous Applica2 tions[J].SPE,2004,91423.

[7] 蔣青光,張紹和,陳平,等.新型優質孕鑲金剛石鉆頭研制[J].金剛石與磨料磨具工程,2008,(6):12-16.

Some Techn icalDevelopment of D iamond Bit Both in China and Abroad

SHEN Li-na,RUAN Hai-long(Beijing Institute of Exploration Engineering,Beijing 100083,China)

This paper introduced the development frontierof diamond bit both in China and abroad.The latest development of diamond bit design and manufacture technologywere described in the application of new process and new materials,new design ideas and advanced design methods.

diamond bit;frontier technology;PDC;waterway

P634.4+1

A

1672-7428(2011)05-0078-03

2010-07-28;

2011-03-08

沈立娜(1985-),女(漢族),天津人,北京探礦工程研究所助理工程師,碩士,探礦工程專業,從事鉆頭技術研發工作,北京市海淀區學院路 29號探工樓 207室,shenlinas@yahoo.com.cn。