油田鉆頭的技術現狀及發展剖析

李捷

摘 要：油氣埋藏在地下，為取得地下資源，必須大量的破碎巖石，鉆穿地層。現在鉆井方法主要是用機械方法破碎巖石，破碎巖石的主要工具就稱之為鉆頭。鉆頭就是石油行業中，井下作業最為重要的工具。從成本上來講，原油的生產成本主要以勘探、開發和采油這三部分為主，其中鉆井的費用大概占據了百分之三十，所以說，降低鉆井費用最直接有效的辦法就是將鉆頭的使用壽命提高。文章就鉆頭的技術現狀以及未來發展的方向做出概述。

關鍵詞：油田；鉆頭；技術現狀；發展

引言

在石油鉆井行業當中，鉆頭作為極其重要的一種井下作業的工具，以原油生產的成本上來分析，其生產的成本正常情況下，為開發成本、勘探的成本和采油成本。其中，鉆井的費用大概占據了百分之三十，若想要降低鉆井的費用，最有效的辦法就是提高鉆頭的使用壽命以及鉆井的效率。所以對鉆頭技術研究的提高是非常重要的。

1 鉆頭的設計技術現狀

1.1 鉆頭切削方面

1.1.1 PDC鉆頭切割新技術結構

鉆頭的切削面在結構上，體現出了鉆頭使用的壽命以及工作的效率，最著名的PDC復合片材質的研發，使得鉆頭的使用壽命以及工作的效率得到了顯著地提高，二戰之后，對于切削結構的創新，也使得PDC鉆頭的綜合性能，尤其是在鉆進非常困難的地層的性能上，格外的將其性能體現出來。例如西南石油大學曾經開發了一項對于提高其復雜鉆地層PDC鉆頭性能的新型技術，也就是內鑲后備齒即內，鑲二級齒的新技術。

1.1.2 混合切削結構鉆頭技術

本世紀初，美國著名的石油工程師協會曾經舉辦的交流會上，美國的休斯公司曾經介紹了一款新型的混合鉆頭的實驗以及其應用的數據。其鉆頭是由固定的刀翼以及牙輪混合組成，并在固定的刀翼上使用了固定的PDC齒，其牙輪材料還選用了新型的硬質合金，這種混合的鉆頭在頁巖以及塑性地層中進行鉆進的時候，相比普通的牙輪鉆頭在鉆進的效率上提高了很多，其機械鉆速更是牙輪鉆頭的兩倍以上，并且最大程度的減少了鉆柱的扭陣以及粘滑還有渦旋等病態現象的發生。

1.2 牙齒技術

在鉆頭的設計上，鉆頭的牙齒技術在設計以及改進上是最為重要的，牙齒技術的設計以及改進是鉆頭設計的最重要的一部分。近些年，對于牙輪鉆頭上使用金剛石以此來加強牙齒技術在國內外鉆頭的產品當中，被應用的越來越廣泛，金剛石加強牙齒技術也就是相對于PDC鉆頭復合片類似的一種聚晶金剛石符合牙齒。該牙齒的耐磨性非常高，但伴隨而來的成本也是非常高。所以，通常情況下，都會用于保徑結構。但也逐漸的開始出現全部都使用金剛石加強牙齒的鉆頭新產品。

1.3 軸承技術

1.3.1 滾滑軸承的技術

在鉆井工程中，利用滑動以及滾動兩種摩擦相復合的結構，可以有效的保證滑動軸承的高承載力，并且有效的提高軸承適應高速旋轉的能力。滾滑軸承的技術，最早是江漢石油鉆頭股份有限公司所研發出的一種專利技術，如果單論高轉速適應能力，就現在來講，可以說該技術就是最為出色的鉆頭軸承技術之一。江鉆所生產的SMD系列的鉆頭就使用了這種最新的軸承技術，并且此系列的鉆頭可以有效的適應400rpm的高速轉動，最好的例子，就是俄羅斯等海外油田在配合渦輪鉆具鉆進上，取得了非常優秀的成績。

1.3.2 軸承的密封技術

鉆頭軸承的密封技術非常的重要，近年來，人們對于軸承的密封技術越來越重視，所以也一直在不斷的對軸承的密封技術進行研究，隨著新一代的單金屬密封技術，也就是在Hughes公司的產品SEM單金屬密封的基礎上所研究出來的新產品，即對SEMIITM進行了新型的金屬表面強化特殊處理，并改進了其密封系統的原有結構，新型的密封圈可以實現非常高的壓縮比，并明顯的提高了密封的效率，有效的延長了鉆頭的使用壽命，提高了整個軸承系統的可靠性。

2 鉆頭的新型設計以及數字化仿真技術的分析

鉆頭的技術一直都在不斷的革新，而鉆頭的個性化設計也正在從理想化概念一點點的轉變成實用技術。個性化設計相比鉆頭的選型，其更加的精細、科學且主動。科學的個性化設計對于陷阱的鉆頭性能分析技術非常的依賴，但隨著計算機技術在鉆頭的設計上被廣泛的應用，利用數字化鉆進代替一些花銷高昂的實驗非常有必要，有不少石油公司以及相應的科研單位都可以很好的將這些個性化的設計做出來，例如非常出名的IDEAS系統。

3 新型鉆頭的研發及鉆頭的發展方向

近些年來，國內外的很多石油鉆頭公司，還有相對應的科研單位對于鉆頭的研究以及改進，做出了巨大的貢獻，并推出了一代又一代的新產品。最著名的例如Hughes公司研發的一種新型的高效鋼齒牙輪鉆頭也就是FastMax系列的鋼齒三牙輪鉆頭。新型的鉆頭在葉輪的設計上，共設計了九排齒，并專門的設計了一排抗重復研磨的齒排，并且相伴隨的所有的內排齒都使用了該公司所生產的金字塔形狀的齒，并敷有新型的Endurall硬面敷焊材料。該鉆頭最大的優勢就是在快速鉆進的過程上，由于這類金字塔形齒可以有效的保證并實現其最大的基礎負載，延長耐磨壽命，最大程度的減少鉆頭泥包的現象發生。而就在該鉆頭問世不久之后，Hughes公司再次推出一種裝有五個刮刀片以及十九毫米切削齒的新型多水眼金剛石鉆頭，有效的保證了攻擊鉆頭工作時有效的水利能力，并及時的清除周圍的巖屑，最重要的一點就是鉆頭上的金剛石有著非常好的冷卻效果。

可以說隨著鉆頭技術的不斷發展，人們也逐漸的意識到，想要使得鉆頭的使用壽命有效的提高，并且其工作效率也相應的提高，對于一些創新的理論以及實際的應用相互結合是避免不了的。在優化鉆頭的結構以及不斷的應用中，對鉆頭的設計逐漸的進行改進，新型鉆頭的研發，高效率的鉆進，超高的耐磨性還有高韌性的牙齒以及長壽命的軸承技術，都是鉆頭發展方向的風向標。所以說，牙齒材料的選擇以及研發，軸承密封技術的革新，在未來的很長一段時間內，都會是鉆頭技術發展的重中之重。隨著社會不斷的發展，鉆頭技術的完善以及制造成本的減少，金剛石復合牙齒在牙輪鉆頭鏟平的應用中將會越來越廣泛，甚至代替以前的材料。石油鉆頭技術的發展主要應該體現在例如：鉆頭材料的技術上，也就是新型復合材料的研發，材料硬度高、使用壽命長，對于這一點，世界各大石油公司，可以說一直都在研究，雖然說我國的鉆頭材料方面的技術與西方發達國家還有一定的差距，但隨著時間的發展，必然會扳回這一劣勢；再有就是有效的針對難鉆地層，鉆頭的選擇以及使用上，如何有效的針對這些復雜地層的鉆進工作，也是未來鉆頭發展的重要方向。除卻上述的一些發展方向，還應該經常借鑒國外的新型鉆頭技術、牙輪技術等等，取長補短，集百家之長，有針對性的應對我國特殊的地層，有效的提高鉆進的效率，并提高鉆頭的使用壽命。

4 結束語

鉆頭的技術能否得到改善，以及其未來發展的趨勢，在很大程度上都限制了石油開采的成本投入，可以說鉆頭技術的完善以及良性持續的發展，不單單可以使得石油開采投入的成本相應的減少，還可以節約國家的固定資源，增加原油的開采率等等，鉆頭技術的完善勢在必行，也是順應新型社會所必須要做出的改變。

參考文獻

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