新型金刚石钻头的发展①

赵永明

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100083）

1 前言

目前金刚石钻头无论在地质、煤炭、冶金和石油等钻探中，仍然是提高钻探效率的主要手段。随着钻井工程向深井、深海、硬岩和复杂地层的发展，给金刚石钻头技术研究工作者提出了更高的要求。近年来，各研究单位、高等院校和部分企业都对金刚石钻头投入了一定的人力和资金进行了大量的研究工作，并与实际相结合，研制出许多新型金刚石钻头，解决了生产中的一些实际问题。本文拟将国内近年来研制出的几种新型金刚石钻头加以介绍：

2 几种新型地质钻头

近年来我国地质钻头的研制有了较大的发展，新型钻头不断出现，解决了生产中的许多难题，钻头寿命、时效和取芯率都有较大的提高。如主副水口钻头、桥式水口钻头、二次焊接式钻头、双层水口钻头、多水口钻头等。下面分别作简单介绍：

2.1 主副水口钻头（如图1所示）

其特点为：

（1）水口多、冷却好，副水路深入胎体中间，有利于钻头胎体中部冷却，可防止钻头拉槽现象；

（2）副水路宽窄大小不同，外水口宽，内水口较窄，使其内外磨损均衡；

（3）减少钻头与岩石的接触面积，有利于提高钻进速度；

（4）适应于钻进弱研磨性地层。

2.2 桥式水口钻头（如图2所示）

其特点为：

图1 主副水口钻头Fig.1 Drill bit with primary and secondary water slot

图2 桥式水口钻头Fig.2 Drill bit with bridge type water slot

（1）胎体高约20～25mm，金刚石层10～16mm；

（2）相邻胎块间用“桥”式加固支撑，增强钻头胎体整体强度，同时不影响水流冷却；

（3）水口面积大，约占总投影面积的50% 左右，钻头与岩石接触面积小，有利于提高钻进效率和排除岩粉；

（4）适应于复杂地层钻进。

2.3 二次镶嵌式钻头（如图3）

其特点为：

图3 二次镶嵌式钻头Fig.3 Secondary inserted drill bit

（1）钻头体采用高温浸渍法烧结而成，提高了胎体的耐磨性和硬度；

（2）镶层选用低温热压法烧结，有利于保护金刚石，提高钻头效率和寿命；

（3）钎焊金刚石孕镶块，使金刚石不受损伤，又保证了钻头整体强度；

（4）适应于钻进打滑地层；

（5）在11级的石英磁铁矿中钻进，时效1.5米，平均寿命80米。

2.4 多水口钻头（如图4所示）

其特点为：

图4 多水口钻头Fig.4 Drill bit with multiple water slots

（1）将钻头孕镶层由扇形改为矩形使其各部位水冷均衡，金刚石得到充分冷却；

（2）金刚石层的面积低于水口面积，有利于提高钻速；多水口钻头设计为深水口和浅水口，深水口有内外水槽，而浅水口不带内外水槽；

（3）适应于钻进弱研磨性打滑地层。

2.5 双层水口钻头（如图5所示）

其特点为：

图5 双层水口钻头Fig.5 Drill bit with double－layer water slot

（1）钻头胎体高（20～28mm），比常规高一倍；

（2）水口设计为开窗式，即2到3层，使用中磨去一层后会出现新的水口；

（3）水口相互交错，能充分冷却钻头，排除岩粉；

（4）水口数量少但开口较大，有高效排粉能力；

（5）适应于深孔钻进；

（6）使用效果：寿命是常规钻头的2倍（常规钻头寿命29米，双水口钻头为56米）。

3 几种新型油井钻头

自1988年从美国引进两套油井金刚石钻头生产线后，我国金刚石石油钻头生产水平大幅度提高，有关研究单位和高等院校与生产相结合，研究出许多高水平油井钻头，如抗冲击钻头；双排齿钻头；新型孕镶钻头等，并解决了钻井生产中的一些问题。下面介绍几种新型石油金刚石钻头：

3.1 双排齿PDC钻头（如图6所示）

双排齿PDC钻头的特点：

（1）在主切削齿后再增加一排切削齿，提高钻头的耐磨性，分担部分主切削齿的工作量，提高钻头使用寿命；

（2）提高钻头抗振动能力，防止主切削齿过早损坏；

（3）适应于钻进较硬的复杂地层；

（4）该种钻头在渤海北部油田成功穿过300米砾岩层，机械钻速高达36米～58米。

图6 双排齿PDC钻头Fig.6 PDC drill bit with double－row teeth

图7 抗冲击式PDC钻头Fig.7 Impact PDC drill bit

3.2 抗冲击式PDC钻头（如图7所示）

其特点为：

（1）在主切削齿后增加一排硬质合金契型齿，保护主切削齿，抑制冲击振动；

（2）抵消振动负荷；

（3）限制主切削齿的吃入量；

（4）减小主切削齿所承受的交变应力；

（5）适应于钻进有小粒度砾岩地层。

3.3 表孕镶钻头（如图8所示）

其特点为：

图8 表孕镶钻头Fig.8 Diamond impregnated bits

（1）在钻头表面镶上大粒度的天然金刚石，以求下井就获得较快的钻进效果；表镶金刚石下面设计一层孕镶金刚石，可获得钻头较长的寿命；

（2）设计一定量的底喷水眼，有利于排除岩粉和冷却钻头，适应钻进强研磨性地层；

（3）使用效果，在同种条件下，钻速略高，寿命是牙轮钻头的2.8倍；

（4）牙轮寿命17.21米，钻速0.58米／时；表孕镶寿命71.27米，钻速0.67米／时；

3.4 新型孕镶油井钻头（如图9所示）

其特点为：

图9 新型孕镶钻头Fig.9 New diamond impregnated bits

（1）设计若干个孕镶金刚石柱齿，按一定的排序布置在钻头唇面；

（2）钻头设计刀翼多个（16个），优化水力设计，最大限度防止钻头泥包；

（3）柱状齿布置重叠有致，提高钻井效能，消除了井底无法切削的盲区；

（4）对称的钻头切削结构，大粒度的岩屑从水槽返出；

（5）适应于钻进坚硬的弱研磨性地层。

4 结论

从以上对各种新型金刚石钻头的介绍中可见，目前国内钻探中，可根据所钻的地层选择相应的钻头。结论如下：

（1）在深井地质钻探中，可选用金刚石层高的双水口钻头或桥式水口钻头；

（2）在地质钻探中，若钻进遇到坚硬的弱研磨性地层时，可选用多水口钻头或主副水口钻头；

（3）在地质钻探中，若钻进遇到坚硬致密的打滑地层，可选用二次镶焊式钻头或者多水口钻头；

（4）在石油钻井中，若钻进遇到砾岩、夹层等复杂地层，可选用双排齿钻头或者抗冲击型钻头；

（5）在石油钻井中，若钻进遇到坚硬的弱研磨性地层，可选用新型孕镶金刚石钻头或者表孕镶钻头。

［1］刘广志，等.金刚石钻探手册［M］.北京.地质出版社.1991.

［2］江汉石油管理局钻头厂.江汉钻头使用手册［M］.北京.石油出版社.1992.

［3］罗肇丰，等.钻井技术手册［M］.北京.石油出版社.1984.

［4］沈立娜，等.国内外金刚石钻头的部分技术发展［J］.探矿工程.2011（5）.

［5］蔡家品，等.元坝地区新型金刚石钻头的研究与应用［J］.探矿工程.2010（11）.

［6］贾美玲，等.深孔钻探金刚石钻头技术研究［J］.探矿工程.2010（12）.