金刚石钻头与牙轮钻头钻井特点对比研究

■郭文珺

（江西省核工业地质局机械研究所 江西南昌 330031）

金刚石钻头与牙轮钻头钻井特点对比研究

■郭文珺

（江西省核工业地质局机械研究所 江西南昌 330031）

在钻井施工过程中，金刚石钻头与牙轮钻头各有自身显著特点和优势，经过对比分析，二者在结构、性能、破岩机理、使用条件等方面存在差异。为取得更好的钻井施工效果，应综合考虑两种钻头的特征，应用"衔接使用法"，将两种钻头配合使用，提高破岩效果，促进钻井施工综合效益提升。

金刚石钻头牙轮钻头结构性能破岩机理

0 引言

以前在石油钻井工程中，通常采用牙轮钻头钻井。随着技术发展与进步，20世纪80年代以来，金刚石钻头出现并在钻井施工中得到越来越广泛的应用。目前这两种钻头在施工中都得到应用，各自发挥相应的作用，下面将对二者的结构、性能、破岩机理、使用条件等进行对比分析，希望能为更好应用这两种钻头，充分发挥二者的优势提供参考。

1 金刚石钻头与牙轮钻头结构对比

1.1 金刚石钻头结构特征

金刚石钻头结构相对简单，没有轴承之类的运行件，以耐冲蚀和耐磨损的碳化钨为胎体，该结构性良好，在硬及研磨性地层钻进时使用寿命较长，有效保障钻进工作需要。另外，这种碳化钨胎体可以将冠部做成平顶、圆形、双锥、抛物线等各种不同形状，能够让切削刃任意排列，切削齿可排列成稀、中、密三种不同形式，根据具体需要合理选择，促进其性能最佳发挥。硬质合金、人造金刚石、天然金刚石切削刃烧结到碳化钨胎体上，胎体本身形成高低压水道。切削刃数量多，刃口锋利，能以极低的钻压切入岩石。就直径来看，金刚石钻头比牙轮钻头小1.5-2.0mm，钻出后的井眼更加规则，确保牙轮钻头顺利通过。整个钻进施工过程中，还能形成不规则梳齿，能更好的对硬地层进行破碎。切削刃耐高温，在软、中硬、硬或研磨地层可以有效钻进，从而更好完成钻进施工任务，取得更好的效果。

1.2 牙轮钻头结构特征

就其结构来看，牙轮钻头包括本体、牙轮、硬质合金齿、轴承、油杯、喷嘴等，每个构成部件发挥不同作用，促进钻进施工顺利进行。牙轮和本体通过轴承连接，在牙轮组装过程中，它包括超顶、复锥、移轴三种不同形式。另外，牙轮还可以移动，有一定相对位移量，这也是钻进施工需要注意的问题。

2 金刚石钻头与牙轮钻头性能对比

2.1 破岩机理对比

由于二者的结构和性能不一样，两种钻头的破岩机理也存在差异。

2.1.1 金刚石钻头破岩机理

就其对岩层的破碎方式而言，可以将其分解成单粒金刚石对地层破坏作用的结果，常用方式包括剪切、切削、压碎、研磨等。对于表镶式钻头，如果地层较软或轴向压力够大，整个钻进过程中吃入地层的深度相对较深，受钻头旋转力的作用，地层出现剪切和切削破碎作用。地层较硬或轴向压力小，金刚石粒刃吃入地层深度较浅，出现压碎或研磨方式破碎地层。轴向压力达到或超过所钻地层抗压强度时，被钻地层会出现“体积破碎”方式，这种方式是最好的破碎方式，能实现对地层的有效破碎，钻进中应采取有效对策，力求实现这种钻进方式，以取得最佳的效。

2.1.2 牙轮钻头破岩机理

在整个钻进过程中，牙轮钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上，除了静载之外还有冲击荷载。牙轮滚动时，单齿和双齿交替与井底接触，通过这种反复交替作用，钻头随牙轮轴心高低的位移出现往复运动，发挥冲击和压碎作用，最终达到破碎岩层的目的。牙轮钻头也具有超顶、复锥、移轴等作用，使得牙轮能够对地层发挥滑动剪切和研磨作用，常见的破碎方式可以分解成单齿对地层破碎综合作用的结果。

2.2 参数要求

要想促进钻头更好发挥作用，选择合适的参数是十分必要的。牙轮钻头在钻进施工中，依靠敲击、压碎破岩、辅以剪切破岩，金刚石钻头依靠剪切、切削破岩，辅以压碎破岩，齿出露短，刃口锋利。对比二者的参数要求可以得知，金刚石钻头的钻压小，转速高，排量小，在一般钻进过程中优势更为明显，能更好满足钻进施工需要。

2.3 钻进特征

由于两种钻头的性质不一样，因而其钻进特征也存在差异。金刚石钻头的钻压比较小，能更好预防倾斜现象发生。牙轮钻头具有移轴、超顶、复锥结构，牙轮与本体存在一定相对位移量，就横向移距来看，金刚石钻头要比牙轮钻头的小。由此可见，金刚石钻头克服不平衡的横向力效果更优，在预防倾斜问题发生方面具有自身显著特点和优势。

3 金刚石钻头与牙轮钻头使用对比

在使用条件上，两种钻头存在差异，为促进其最佳效果发挥，应该根据不同层段选择合适类型的钻头。例如，一般在钻井工程施工中，嘉陵江和飞仙关层段用BDC的S248钻头，高密度钻井液尽量采用金刚石钻头。并且在金刚石钻头使用前要保证井眼畅通和干净，调好钻井液性能，对其它设备和钻具做好选择工作，并选取合适的参数。金刚石钻头寿命长，起下钻时间少。但在含燧石、黄铁矿、硅质的不均质坚硬底层，难以有效提高钻进效果。为应对这些问题，取得更好的钻进效果，应该采用“衔接使用法”，将金刚石钻头与牙轮钻头有效配合起来使用。

4 结束语

通过以上的对比分析，可以得出以下几个结论，类似工作可从中得到启示与借鉴。金刚石钻头与牙轮钻头各有自身显著特点与优势，具体钻进中选择何种类型钻头时，应该综合考虑地层和钻井液密度，促进两种不同类型钻头优势的最佳发挥，优化钻头和参数选择，取得最佳破岩效果。金刚石钻头能剪切破岩，可以在高密度井段保持高机械钻速，并且其轻钻压和高转速能预防倾斜，使井眼规则，提高钻井施工效果。而牙轮钻头具有超顶、复锥和移轴的特征，不利于防斜打直。总之，两种钻头各有自己的特点和优势，钻井施工中要结合具体需要合理选择，应用“衔接使用法”，将两种钻头配合使用，促进最佳钻井效果取得。

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TE242[文献码]B

1000-405X（2015）-10-370-1