金剛石鉆頭與牙輪鉆頭鉆井特點對比研究

■郭文珺

（江西省核工業地質局機械研究所 江西南昌 330031）

金剛石鉆頭與牙輪鉆頭鉆井特點對比研究

■郭文珺

（江西省核工業地質局機械研究所 江西南昌 330031）

在鉆井施工過程中，金剛石鉆頭與牙輪鉆頭各有自身顯著特點和優勢，經過對比分析，二者在結構、性能、破巖機理、使用條件等方面存在差異。為取得更好的鉆井施工效果，應綜合考慮兩種鉆頭的特征，應用"銜接使用法"，將兩種鉆頭配合使用，提高破巖效果，促進鉆井施工綜合效益提升。

金剛石鉆頭牙輪鉆頭結構性能破巖機理

0 引言

以前在石油鉆井工程中，通常采用牙輪鉆頭鉆井。隨著技術發展與進步，20世紀80年代以來，金剛石鉆頭出現并在鉆井施工中得到越來越廣泛的應用。目前這兩種鉆頭在施工中都得到應用，各自發揮相應的作用，下面將對二者的結構、性能、破巖機理、使用條件等進行對比分析，希望能為更好應用這兩種鉆頭，充分發揮二者的優勢提供參考。

1 金剛石鉆頭與牙輪鉆頭結構對比

1.1 金剛石鉆頭結構特征

金剛石鉆頭結構相對簡單，沒有軸承之類的運行件，以耐沖蝕和耐磨損的碳化鎢為胎體，該結構性良好，在硬及研磨性地層鉆進時使用壽命較長，有效保障鉆進工作需要。另外，這種碳化鎢胎體可以將冠部做成平頂、圓形、雙錐、拋物線等各種不同形狀，能夠讓切削刃任意排列，切削齒可排列成稀、中、密三種不同形式，根據具體需要合理選擇，促進其性能最佳發揮。硬質合金、人造金剛石、天然金剛石切削刃燒結到碳化鎢胎體上，胎體本身形成高低壓水道。切削刃數量多，刃口鋒利，能以極低的鉆壓切入巖石。就直徑來看，金剛石鉆頭比牙輪鉆頭小1.5-2.0mm，鉆出后的井眼更加規則，確保牙輪鉆頭順利通過。整個鉆進施工過程中，還能形成不規則梳齒，能更好的對硬地層進行破碎。切削刃耐高溫，在軟、中硬、硬或研磨地層可以有效鉆進，從而更好完成鉆進施工任務，取得更好的效果。

1.2 牙輪鉆頭結構特征

就其結構來看，牙輪鉆頭包括本體、牙輪、硬質合金齒、軸承、油杯、噴嘴等，每個構成部件發揮不同作用，促進鉆進施工順利進行。牙輪和本體通過軸承連接，在牙輪組裝過程中，它包括超頂、復錐、移軸三種不同形式。另外，牙輪還可以移動，有一定相對位移量，這也是鉆進施工需要注意的問題。

2 金剛石鉆頭與牙輪鉆頭性能對比

2.1 破巖機理對比

由于二者的結構和性能不一樣，兩種鉆頭的破巖機理也存在差異。

2.1.1 金剛石鉆頭破巖機理

就其對巖層的破碎方式而言，可以將其分解成單粒金剛石對地層破壞作用的結果，常用方式包括剪切、切削、壓碎、研磨等。對于表鑲式鉆頭，如果地層較軟或軸向壓力夠大，整個鉆進過程中吃入地層的深度相對較深，受鉆頭旋轉力的作用，地層出現剪切和切削破碎作用。地層較硬或軸向壓力小，金剛石粒刃吃入地層深度較淺，出現壓碎或研磨方式破碎地層。軸向壓力達到或超過所鉆地層抗壓強度時，被鉆地層會出現“體積破碎”方式，這種方式是最好的破碎方式，能實現對地層的有效破碎，鉆進中應采取有效對策，力求實現這種鉆進方式，以取得最佳的效。

2.1.2 牙輪鉆頭破巖機理

在整個鉆進過程中，牙輪鉆頭上承受的鉆壓經牙齒作用在巖石上，除了靜載之外還有沖擊荷載。牙輪滾動時，單齒和雙齒交替與井底接觸，通過這種反復交替作用，鉆頭隨牙輪軸心高低的位移出現往復運動，發揮沖擊和壓碎作用，最終達到破碎巖層的目的。牙輪鉆頭也具有超頂、復錐、移軸等作用，使得牙輪能夠對地層發揮滑動剪切和研磨作用，常見的破碎方式可以分解成單齒對地層破碎綜合作用的結果。

2.2 參數要求

要想促進鉆頭更好發揮作用，選擇合適的參數是十分必要的。牙輪鉆頭在鉆進施工中，依靠敲擊、壓碎破巖、輔以剪切破巖，金剛石鉆頭依靠剪切、切削破巖，輔以壓碎破巖，齒出露短，刃口鋒利。對比二者的參數要求可以得知，金剛石鉆頭的鉆壓小，轉速高，排量小，在一般鉆進過程中優勢更為明顯，能更好滿足鉆進施工需要。

2.3 鉆進特征

由于兩種鉆頭的性質不一樣，因而其鉆進特征也存在差異。金剛石鉆頭的鉆壓比較小，能更好預防傾斜現象發生。牙輪鉆頭具有移軸、超頂、復錐結構，牙輪與本體存在一定相對位移量，就橫向移距來看，金剛石鉆頭要比牙輪鉆頭的小。由此可見，金剛石鉆頭克服不平衡的橫向力效果更優，在預防傾斜問題發生方面具有自身顯著特點和優勢。

3 金剛石鉆頭與牙輪鉆頭使用對比

在使用條件上，兩種鉆頭存在差異，為促進其最佳效果發揮，應該根據不同層段選擇合適類型的鉆頭。例如，一般在鉆井工程施工中，嘉陵江和飛仙關層段用BDC的S248鉆頭，高密度鉆井液盡量采用金剛石鉆頭。并且在金剛石鉆頭使用前要保證井眼暢通和干凈，調好鉆井液性能，對其它設備和鉆具做好選擇工作，并選取合適的參數。金剛石鉆頭壽命長，起下鉆時間少。但在含燧石、黃鐵礦、硅質的不均質堅硬底層，難以有效提高鉆進效果。為應對這些問題，取得更好的鉆進效果，應該采用“銜接使用法”，將金剛石鉆頭與牙輪鉆頭有效配合起來使用。

4 結束語

通過以上的對比分析，可以得出以下幾個結論，類似工作可從中得到啟示與借鑒。金剛石鉆頭與牙輪鉆頭各有自身顯著特點與優勢，具體鉆進中選擇何種類型鉆頭時，應該綜合考慮地層和鉆井液密度，促進兩種不同類型鉆頭優勢的最佳發揮，優化鉆頭和參數選擇，取得最佳破巖效果。金剛石鉆頭能剪切破巖，可以在高密度井段保持高機械鉆速，并且其輕鉆壓和高轉速能預防傾斜，使井眼規則，提高鉆井施工效果。而牙輪鉆頭具有超頂、復錐和移軸的特征，不利于防斜打直。總之，兩種鉆頭各有自己的特點和優勢，鉆井施工中要結合具體需要合理選擇，應用“銜接使用法”，將兩種鉆頭配合使用，促進最佳鉆井效果取得。

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TE242[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-370-1