油气井金刚石钻头的设计研究①

谢德龙，赵永明，禹德洲，方啸虎，万隆

（1.湖南大学材料与科学工程学院，长沙410082；2.中国石化石油工程技术研究院，北京100728；3.上海琦实超硬材料有限公司，上海200120）

油气井金刚石钻头的设计研究①

谢德龙1，赵永明2，禹德洲，方啸虎3，万隆1

（1.湖南大学材料与科学工程学院，长沙410082；2.中国石化石油工程技术研究院，北京100728；3.上海琦实超硬材料有限公司，上海200120）

对油气井金刚石钻头的设计进行了分析，从钻头所用材料、钻头形状、切削齿的排布和保径方式等方面进行了综合探讨，阐述了不同条件下选用金刚石钻头的原则，对油气井金刚石钻头的设计具有重要的指导意义。

油气井；金刚石钻头；设计

前言

金刚石钻头从1945年开始用于油气钻井，我国于20世纪60年代开始进行油气井金刚石钻头的研究和使用。随着研究工作的进步，钻头设计和制造水平逐年提高，在钻井中取得了一定的成绩［1］。

钻头设计原则是对地层最佳切削方法和均衡受力的原则［2］。在钻井中，钻头应传递足够的能量，以破碎岩石和清除岩屑。其首要目标就是以有限的能量，破碎最大体积的岩石，获得最高的钻井速度和最长的钻头寿命。因此，在设计钻头前应充分了解所钻钻井的地质条件、钻井结构、钻井装备、钻井方法和钻头制造工艺等条件。然后再根据各种情况考虑钻头的主要材料、冠部形状、切削齿的排布和保径方式等。

1 钻头主要材料的优选

制造钻头选好所用材料是保证钻头质量的重要环节［3］。钻头制造最主要的材料为切削齿、胎体和钢体三种。

1.1 切削齿材料

油气井金刚石钻头常用的切削齿材料主要是金刚石和复合片。

（1）金刚石

金刚石的按晶形分为立方体、八面体和十二面体等，按外形可分为圆球形、椭圆形、圆棱八面体，尖棱八面体、双晶八面体和十二面体等。制造钻头选用球形、浑圆状等最佳。（见图1）

图1 金刚石晶体形状Fig.1 The crystalline form of diamond

（2）金刚石复合片：

PDC由金刚石与硬质合金复合而成，既具有金刚石的硬度和耐磨性，又有硬质合金的强度和抗冲击能力。

钻头设计选用复合片是根据地层岩性而定的：

复合片的尺寸，岩石从软到硬，而复合片尺寸从大到小；

复合片的性能，岩石从软到硬，而复合片性能从低到高。

1.2 钢体材料的优选

油气井钻头使用的钢材有钻头体、钢芯和接头三部分。由于钢体在钻头中起着与切削齿硬质合金、胎体和钻具的连接作用，因此选好钢材是制造高质量钻头的保证［4］。

（1）钻头体

钻头体（指钢体PDC钻头）的一端机加工出钻头设计造型和齿穴，而另一端与锥扣接头焊接。选材时，既要考虑钢材与切削齿有良好的低温钎焊性能，又要考虑与锥扣接头有良好的熔焊性能。一般常用35CrMo～45CrMo锻造钢材。

（2）钢心

钢心指的是胎体钻头的钢体部分，选材时要考虑与胎体材料要经受高温烧结，还要考虑其与锥扣的熔焊性能。由于高温对材料性能的影响，常选用低碳钢，一般选10～25＃钢。

（3）接头：

接头钢材的选择要考虑与钻头体熔焊，另一端与钻具螺扣连接，钢材硬度不得高于或低于钻具的材料，常用42CrMo钢材。

2 钻头冠部形状设计

油气井金刚石钻头冠部轮廓设计一般包括内锥、鼻部、侧面、肩部和保径五个基本要素，见图2，这些部位尺寸的变化设计直接影响钻头的性能和其与地层的适应性［5］。

图2 钻头冠部轮廓Fig.2 The outline of the bit crown

2.1 内锥角度的设计

钻头内锥为钻头中心内陷区域，起着导向和稳定的作用。设计时，应根据不同的需要用途而选择角度的大小，若需要高钻速、较好的液流控制能力和造斜钻进等，应设计为较大的内锥角（100°～160°）；若要突出钻头的稳定性和钻井防斜的控制能力等，则应设计为较小的内锥角度（60°～100°）。

2.2 鼻部弧度的设计

鼻部是钻头最低部位，钻进中首先吃入地层，意外受损的可能性较大。如果钻进地层是较复杂的硬岩、破碎地层或软硬夹层等，一般设计为较大的鼻部弧度；若要提高钻头吃入岩石的能力等，则设计为较小弧度的鼻部结构。

2.3 外侧结构的设计

外侧面结构的设计分为直线形和弧线形两种。直线形在设计PDC钻头时，使用较多，钻头轮廓较尖，吃入性好，切削能力强；弧线形结构常用在要求高转速或高耐磨性地层中使用的钻头设计中。

2.4 肩部的设计

肩部设计一般分为阶梯式和圆弧过渡式两种，见图3。阶梯式多用于PDC钻头，可提供更多的布齿空间；其他钻头用圆弧过渡式肩部结构。

图3 肩部Fig.3 Shoulder of the bits

2.5 保径结构的设计

钻头保径结构根据不同的钻井需要和岩石的性能来确定保径的方式和保径结构。若钻进高研磨性地层、破碎地层或要求控制井斜等，一般保径面积要大而长；若钻进软岩层、弱研磨性地层，或者需要造斜的钻井，保径面积和长度可小而短一些。

总之，不同的钻头冠部形状对其性能有较大的影响。设计时，应根据所钻地层的岩性和钻井的需要而选择不同的冠部结构形状。

3 切削齿的排布

油气井金刚石钻头切削齿的排布是设计中最重要的一个步骤。布齿的原则是切削齿要覆盖整个井底，不能有空隙，并保证切削齿得到充分清洗和冷却，以提高切削齿的工作效率［6］。因此，设计布齿时，应根据不同钻头轮廓形状、不同地层条件选用不同的布齿方式。

4 PDC切削齿的安装

PDC片的安装有刃前角、侧偏角、出刃高度和布齿密度几种情况，它们的取值大小与所钻地层岩性有关。

（1）刃前角

由单片切削齿试验证明，在同等条件下，刃前角角度从小变大，钻速则从快到慢。这是由于刃前角小，切削齿作用力大，能够获得较高的钻速；但是当小角度钻进硬岩层或硬夹层时，切削齿容易受到冲击载荷，金刚石层受剪切力的作用加强，可能会使其崩刃或者产生剥离，钻头使用寿命会大大减少。因此，一般的常见地层刃前角α选择－5°～－30°可满足钻进要求。如图4（a）

图4 切削齿结构角Fig.4 The structural angle of the cutting segment

（2）侧偏角

侧偏角是指切削刃面和钻头径向平面之间的夹角，侧偏角有正、负和零偏角之分。前面讨论切削齿布齿方向是以钻进性能参数和切削齿排屑能力为前提的，在实际的切削齿布置上，应综合考虑侧偏角β的取值。当考虑机械清岩作用时，侧偏角应取负值；当采用转速较低，同时考虑钻头的稳定性时，侧偏角可取正值。PDC钻头的布齿方向，可采用其中一种侧偏角，也可在同一钻头上采用正偏角、零偏角和负偏角布齿方向。如图4（b）。

在相似条件下，有侧偏角的钻头比无侧偏角的钻头钻进性能要好，钻速快，并可改善钻头的清洗效果和工作特性，有侧偏角的切削齿能够使岩屑斜向排出，其作用好比“犁”地，减小了岩屑粘附在切削齿上的机会。

结论

随着世界各国经济的发展，对石油与天然气的需求不断增加［8］，特别是像中国这样的大国，短期内很难有效减缓石油和天然气的使用量，因此，油气井钻井显得格外重要。相应地，油气井金刚石钻头也彰显着勃勃生机。如何提高油气井金刚石钻头的设计水平和质量，如何尽快缩小与发达国家的技术差距，是摆在我们面前的一个重要课题。

参考文献：

［1］ 杨迎新.油气钻井金刚石钻头技术的现状及发展方向［C］.全国成矿理论与深部找矿新技术新方法交流研讨会，326-331.

［2］ 李树盛.PDC钻头工作原理理论及现代设计方法研究［D］.西南石油大学，1994.

［3］ 刘广志.金刚石钻探手册［M］.北京：地质出版社，1991.

［4］ 方啸虎，邓福铭，郑日升.现代超硬材料与制品［M］.杭州：浙江大学出版社，2011.

［5］ 罗肇丰.钻井技术手册（一）［M］.北京：石油工业出版社，1984.

［6］ 王建学，万建仓，沈慧.钻井工程［M］.北京：石油工业出版社，2008.

［7］ 艾池.聚晶金刚石复合片钻头理论与实践［M］.北京：石油工业出版社，1996.

［8］ 赵云良.金刚石复合片及其石油、天然气钻头发展概况［J］.超硬材料工程，2009，21（02）：23-27.

Research on design of the diamond bits for oil and gas well

XIE De-long1，ZHAO Yong-ming2，YU De-zhou，FANG Xiao-hu3，WAN Long1
（1.College of Material Engineering，Hunan University，Changsha410082，China；2.Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing100728，China；3.Shanghai GEMS Superabrasives Co.，Ltd.，Shanghai 200120，China）

In this paper，the design of the diamond bits for the oil and gas well was analyzed.It has discussed synthetically from the used materials，shape of the bits，configuration of the cogging and protection of the diameter，etc.The principle of the choice of diamond bits under different conditions was elaborated.It has significant value for the design of the diamond bits used for oil and gas well.

oil and gas well；diamond bits；design

TQ164

A

1673－1433（2013）02－0022－04

2012－12－10

谢德龙（1984－），男，湖南大学在读博士研究生，E-mail：flora421＠126.com，主要研究金刚石制品及工具；赵永明（1951－），男，高级工程师。在近40年职业生涯中，主要从事金刚石地质钻头、煤炭钻头和油气井钻头的技术研究工作。