油氣井金剛石鉆頭的設計研究①

謝德龍，趙永明，禹德洲，方嘯虎，萬隆

（1.湖南大學材料與科學工程學院，長沙410082；2.中國石化石油工程技術研究院，北京100728；3.上海琦實超硬材料有限公司，上海200120）

油氣井金剛石鉆頭的設計研究①

謝德龍1，趙永明2，禹德洲，方嘯虎3，萬隆1

（1.湖南大學材料與科學工程學院，長沙410082；2.中國石化石油工程技術研究院，北京100728；3.上海琦實超硬材料有限公司，上海200120）

對油氣井金剛石鉆頭的設計進行了分析，從鉆頭所用材料、鉆頭形狀、切削齒的排布和保徑方式等方面進行了綜合探討，闡述了不同條件下選用金剛石鉆頭的原則，對油氣井金剛石鉆頭的設計具有重要的指導意義。

油氣井；金剛石鉆頭；設計

前言

金剛石鉆頭從1945年開始用于油氣鉆井，我國于20世紀60年代開始進行油氣井金剛石鉆頭的研究和使用。隨著研究工作的進步，鉆頭設計和制造水平逐年提高，在鉆井中取得了一定的成績［1］。

鉆頭設計原則是對地層最佳切削方法和均衡受力的原則［2］。在鉆井中，鉆頭應傳遞足夠的能量，以破碎巖石和清除巖屑。其首要目標就是以有限的能量，破碎最大體積的巖石，獲得最高的鉆井速度和最長的鉆頭壽命。因此，在設計鉆頭前應充分了解所鉆鉆井的地質條件、鉆井結構、鉆井裝備、鉆井方法和鉆頭制造工藝等條件。然后再根據各種情況考慮鉆頭的主要材料、冠部形狀、切削齒的排布和保徑方式等。

1 鉆頭主要材料的優選

制造鉆頭選好所用材料是保證鉆頭質量的重要環節［3］。鉆頭制造最主要的材料為切削齒、胎體和鋼體三種。

1.1 切削齒材料

油氣井金剛石鉆頭常用的切削齒材料主要是金剛石和復合片。

（1）金剛石

金剛石的按晶形分為立方體、八面體和十二面體等，按外形可分為圓球形、橢圓形、圓棱八面體，尖棱八面體、雙晶八面體和十二面體等。制造鉆頭選用球形、渾圓狀等最佳。（見圖1）

圖1 金剛石晶體形狀Fig.1 The crystalline form of diamond

（2）金剛石復合片：

PDC由金剛石與硬質合金復合而成，既具有金剛石的硬度和耐磨性，又有硬質合金的強度和抗沖擊能力。

鉆頭設計選用復合片是根據地層巖性而定的：

復合片的尺寸，巖石從軟到硬，而復合片尺寸從大到小；

復合片的性能，巖石從軟到硬，而復合片性能從低到高。

1.2 鋼體材料的優選

油氣井鉆頭使用的鋼材有鉆頭體、鋼芯和接頭三部分。由于鋼體在鉆頭中起著與切削齒硬質合金、胎體和鉆具的連接作用，因此選好鋼材是制造高質量鉆頭的保證［4］。

（1）鉆頭體

鉆頭體（指鋼體PDC鉆頭）的一端機加工出鉆頭設計造型和齒穴，而另一端與錐扣接頭焊接。選材時，既要考慮鋼材與切削齒有良好的低溫釬焊性能，又要考慮與錐扣接頭有良好的熔焊性能。一般常用35CrMo～45CrMo鍛造鋼材。

（2）鋼心

鋼心指的是胎體鉆頭的鋼體部分，選材時要考慮與胎體材料要經受高溫燒結，還要考慮其與錐扣的熔焊性能。由于高溫對材料性能的影響，常選用低碳鋼，一般選10～25＃鋼。

（3）接頭：

接頭鋼材的選擇要考慮與鉆頭體熔焊，另一端與鉆具螺扣連接，鋼材硬度不得高于或低于鉆具的材料，常用42CrMo鋼材。

2 鉆頭冠部形狀設計

油氣井金剛石鉆頭冠部輪廓設計一般包括內錐、鼻部、側面、肩部和保徑五個基本要素，見圖2，這些部位尺寸的變化設計直接影響鉆頭的性能和其與地層的適應性［5］。

圖2 鉆頭冠部輪廓Fig.2 The outline of the bit crown

2.1 內錐角度的設計

鉆頭內錐為鉆頭中心內陷區域，起著導向和穩定的作用。設計時，應根據不同的需要用途而選擇角度的大小，若需要高鉆速、較好的液流控制能力和造斜鉆進等，應設計為較大的內錐角（100°～160°）；若要突出鉆頭的穩定性和鉆井防斜的控制能力等，則應設計為較小的內錐角度（60°～100°）。

2.2 鼻部弧度的設計

鼻部是鉆頭最低部位，鉆進中首先吃入地層，意外受損的可能性較大。如果鉆進地層是較復雜的硬巖、破碎地層或軟硬夾層等，一般設計為較大的鼻部弧度；若要提高鉆頭吃入巖石的能力等，則設計為較小弧度的鼻部結構。

2.3 外側結構的設計

外側面結構的設計分為直線形和弧線形兩種。直線形在設計PDC鉆頭時，使用較多，鉆頭輪廓較尖，吃入性好，切削能力強；弧線形結構常用在要求高轉速或高耐磨性地層中使用的鉆頭設計中。

2.4 肩部的設計

肩部設計一般分為階梯式和圓弧過渡式兩種，見圖3。階梯式多用于PDC鉆頭，可提供更多的布齒空間；其他鉆頭用圓弧過渡式肩部結構。

圖3 肩部Fig.3 Shoulder of the bits

2.5 保徑結構的設計

鉆頭保徑結構根據不同的鉆井需要和巖石的性能來確定保徑的方式和保徑結構。若鉆進高研磨性地層、破碎地層或要求控制井斜等，一般保徑面積要大而長；若鉆進軟巖層、弱研磨性地層，或者需要造斜的鉆井，保徑面積和長度可小而短一些。

總之，不同的鉆頭冠部形狀對其性能有較大的影響。設計時，應根據所鉆地層的巖性和鉆井的需要而選擇不同的冠部結構形狀。

3 切削齒的排布

油氣井金剛石鉆頭切削齒的排布是設計中最重要的一個步驟。布齒的原則是切削齒要覆蓋整個井底，不能有空隙，并保證切削齒得到充分清洗和冷卻，以提高切削齒的工作效率［6］。因此，設計布齒時，應根據不同鉆頭輪廓形狀、不同地層條件選用不同的布齒方式。

4 PDC切削齒的安裝

PDC片的安裝有刃前角、側偏角、出刃高度和布齒密度幾種情況，它們的取值大小與所鉆地層巖性有關。

（1）刃前角

由單片切削齒試驗證明，在同等條件下，刃前角角度從小變大，鉆速則從快到慢。這是由于刃前角小，切削齒作用力大，能夠獲得較高的鉆速；但是當小角度鉆進硬巖層或硬夾層時，切削齒容易受到沖擊載荷，金剛石層受剪切力的作用加強，可能會使其崩刃或者產生剝離，鉆頭使用壽命會大大減少。因此，一般的常見地層刃前角α選擇－5°～－30°可滿足鉆進要求。如圖4（a）

圖4 切削齒結構角Fig.4 The structural angle of the cutting segment

（2）側偏角

側偏角是指切削刃面和鉆頭徑向平面之間的夾角，側偏角有正、負和零偏角之分。前面討論切削齒布齒方向是以鉆進性能參數和切削齒排屑能力為前提的，在實際的切削齒布置上，應綜合考慮側偏角β的取值。當考慮機械清巖作用時，側偏角應取負值；當采用轉速較低，同時考慮鉆頭的穩定性時，側偏角可取正值。PDC鉆頭的布齒方向，可采用其中一種側偏角，也可在同一鉆頭上采用正偏角、零偏角和負偏角布齒方向。如圖4（b）。

在相似條件下，有側偏角的鉆頭比無側偏角的鉆頭鉆進性能要好，鉆速快，并可改善鉆頭的清洗效果和工作特性，有側偏角的切削齒能夠使巖屑斜向排出，其作用好比“犁”地，減小了巖屑粘附在切削齒上的機會。

結論

隨著世界各國經濟的發展，對石油與天然氣的需求不斷增加［8］，特別是像中國這樣的大國，短期內很難有效減緩石油和天然氣的使用量，因此，油氣井鉆井顯得格外重要。相應地，油氣井金剛石鉆頭也彰顯著勃勃生機。如何提高油氣井金剛石鉆頭的設計水平和質量，如何盡快縮小與發達國家的技術差距，是擺在我們面前的一個重要課題。

參考文獻：

［1］ 楊迎新.油氣鉆井金剛石鉆頭技術的現狀及發展方向［C］.全國成礦理論與深部找礦新技術新方法交流研討會，326-331.

［2］ 李樹盛.PDC鉆頭工作原理理論及現代設計方法研究［D］.西南石油大學，1994.

［3］ 劉廣志.金剛石鉆探手冊［M］.北京：地質出版社，1991.

［4］ 方嘯虎，鄧福銘，鄭日升.現代超硬材料與制品［M］.杭州：浙江大學出版社，2011.

［5］ 羅肇豐.鉆井技術手冊（一）［M］.北京：石油工業出版社，1984.

［6］ 王建學，萬建倉，沈慧.鉆井工程［M］.北京：石油工業出版社，2008.

［7］ 艾池.聚晶金剛石復合片鉆頭理論與實踐［M］.北京：石油工業出版社，1996.

［8］ 趙云良.金剛石復合片及其石油、天然氣鉆頭發展概況［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

謝德龍（1984－），男，湖南大學在讀博士研究生，E-mail：flora421＠126.com，主要研究金剛石制品及工具；趙永明（1951－），男，高級工程師。在近40年職業生涯中，主要從事金剛石地質鉆頭、煤炭鉆頭和油氣井鉆頭的技術研究工作。