深井鉆探中小尺寸復合鉆頭的技術分析與展望

四川寶石機械石油鉆頭有限責任公司

一、概述

石油工業經過多年發展，淺表層油氣資源越來越少，但油氣需求卻越來越大，油氣開發不得不往更深部發展。據不完全統計，我國陸上石油資源儲量為700 億噸，目前探明180 億噸，探明率25.7%；陸上天然氣資源量為30萬億立方米，目前探明1.2 萬億立方米，探明率僅為4%。中國西部地區新疆、四川、陜西等是石油和天然氣集中區，而探明率較東、北部少許多。西部和中部的油氣資源主要集中在深部地層，所以提高深井、超深井鉆探工藝技術具有重要意義。

深井、超深井通常是指鉆探深度大于4500 米井，該類井具有裸眼井段長，需要穿越多套地層壓力系統，井壁穩定，地層壓實程度高，地質結構復雜、地層復雜，巖石可鉆性差等特點。深井、超深井鉆井是一項復雜的系統工程，具有較大的風險。作為鉆探最直接的工具，鉆頭性能的好壞直接影響鉆井質量和鉆井成本。

二、深井、超深井定向鉆井面臨的問題

深井、超深井鉆井是一項復雜的系統工程Deep well and ultra-deep well drilling is a complex, systematic project

（東方IC 供圖）

目前深井、超深井定向鉆井面臨幾個方面問題：1.地層壓實程度高，巖石抗壓、抗剪性能大幅提高，通常情況下常規PDC 鉆頭難以深入地層，牙輪鉆頭機械效率低，軸承壽命短，容易失效造成井下安全事故；2.扭矩波動大，工具面不穩定，定向效率低；3.井眼直徑小，鉆頭結構受限，容易產生抽吸現象導致井壁失穩；4.超深水平井面臨儲層非均質性強、變化大、定向鉆軌跡控制困難、井下工具儀器工作環境惡劣。

深井、超深井鉆井工程地質極為復雜，遭遇諸多世界級鉆井技術難題，亟待解決。在深井、超深井鉆井的工程項目中，需要選取合適的鉆頭才能使施工過程順利進行。

三、鉆頭技術應用分析

深井、超深井鉆井通常采用小井眼技術，實踐證明小井眼是一種相對經濟的鉆井方式，小井眼采用小尺寸（通常直徑在65/8 英寸及以下）鉆頭進行鉆井更為科學。目前從結構上分為三大類鉆頭：1.固定切削結構鉆頭（代表：PDC 鉆頭）；2.旋轉切削結構鉆頭（代表：牙輪鉆頭）；3.固定+旋轉切削結構鉆頭（代表：復合鉆頭）。

（一）固定切削結構鉆頭技術分析

以PDC 鉆頭為代表的“固定切削結構鉆頭”特點：

通過聚晶金剛石復合片借助自身硬度刮切作用破碎地層。適應于軟到中硬的均質地層，具有機械鉆速快，安全可靠等特點。但PDC鉆頭在硬地層和非均質地層中鉆進時，由于巖性的高抗剪切載荷和軟硬交替接地層的交變載荷極易導致聚晶金剛石復合片很快損壞，從而導致鉆頭短時間內失效。除此之外，PDC 鉆頭在工作過程中，鉆壓和扭矩共同作用使聚晶金剛石復合片有效吃入巖層，繞著井底中心做螺旋運動破碎巖石，刮切破巖原理需要足夠大的扭矩實現對巖石的切削，導致PDC 鉆頭具有高扭矩現象，巖性的非均勻抗壓性使得鉆壓變化從而會引起扭矩的大幅變化，導致定向鉆進時工具面不穩定，不易控制。PDC 鉆頭定向作業大部分時間花費在擺工具面上，定向效率低。雖然通過對 PDC 鉆頭結構優化設計提高了一定的導向能力，但仍弱于具有沖擊方式破碎巖石的復合鉆頭。

（二）旋轉切削結構鉆頭技術分析

以牙輪鉆頭為代表的“旋轉切削結構鉆頭”特點：

牙輪鉆頭主要由牙爪、牙輪、水力系統和軸承系統組成。牙爪之間對接焊，牙輪通過軸承系統安裝在牙爪上，鉆頭在井底轉動時，由于巖石對牙輪齒的反作用力，牙輪繞軸頸自轉。

牙輪鉆頭按照牙輪個數可分為單牙輪鉆頭，雙牙輪鉆頭，三牙輪鉆頭和多牙輪鉆頭，其中，三牙輪鉆頭應用最為普遍。

在鉆進過程中，牙輪鉆頭在旋轉時對巖石產生沖擊、壓碎和剪切的作用，故牙輪鉆頭能夠在軟、中、硬各種地層中鉆井，具有較高的使用壽命。牙輪鉆頭在井底工作時的運動狀態和受力狀態是十分復雜的。牙輪鉆頭主要破巖方式為沖擊、壓碎和刮切，在鉆壓的作用下擠壓沖擊巖石，使巖石產生塑形變形和脆性破裂。同時，由于牙輪的超頂(三個牙輪的錐頂超過鉆頭中心)、移軸(三個牙輪的軸線不交于鉆頭中心線)和牙輪的復錐形狀，使鉆頭在井底工作時會產生一定的滑動，此時對巖石就有了一定的剪切作用。故牙輪鉆頭是在沖擊破碎和剪切破碎的聯合作用下破碎井底巖石的，而沖擊破碎占有主導地位。

因此牙輪鉆頭在井底鉆進時，扭矩響應低，方位易控制，工具面穩定，導向性能好，不易在井底產生回旋運動，能夠較快找準方位，沿預定軌跡鉆進。但牙輪鉆頭的沖擊破巖方式也導致其在鉆井作業時機械鉆速慢，破巖效率低，仍不能有效縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

（三）固定+旋轉切削結構鉆頭技術分析

以復合鉆頭為代表的“固定+旋轉切削結構鉆頭”特點：

復合鉆頭是一種結合了牙輪輪齒沖擊破碎和PDC 剪切破巖原理的新型鉆頭。它由牙輪輪齒先對地層產生破碎應力，使之產生裂紋，然后通過PDC刮切作用，剪切破巖，提高鉆進效率。由于旋轉部件（牙輪）的支撐和緩沖，復合鉆頭的扭轉振蕩要小很多，提高了其在定向鉆井中的工具面可控制性，對復雜地層適應性強，在軟硬交錯的非均質地層中，牙輪輪齒對PDC 復合片有很好的保護作用，避免鉆頭提前失效。復合鉆頭因為有牙輪結構的存在相比PDC 鉆頭能夠承受更高的鉆井參數（鉆壓、轉速），更有利于在難鉆地層中高效鉆進。

The rapid development of global energy technology and people’s increasing demand for a better life have injected the impetus and created technical feasibility for achieving high-quality energy development in terms of supply and demand. As energy is the industrial lifeblood of a country and the basic raw material and basic industry for economic and social development, the high-quality development of a country is inseparable from that of energy. In this sense,the technological improvement of deep well and ultra-deep well directional drilling tools could provide new driving forces for the high-quality development of oil and gas resource development.

根據以上三種類型鉆頭分析，相對PDC 鉆頭和牙輪鉆頭，復合鉆頭具有：1.牙輪和PDC 復合片共同作用，提高硬地層破巖效率，地層適應性廣，適合在軟硬交替的夾層中高效鉆井；扭矩波動小，工具面易控制，定向效率高，井眼軌跡好；2.軸承承載能力更強，軸承壽命更長，且通過結構設計增設安全保護腔，能夠有效防止牙輪因軸承磨損而脫落掉井，安全性能更高了；3.導向鉆井工具面穩定，造斜率高，對鉆井組橫向、軸向振動更少等特點，適合在深井、超深井、定向井中應用。

四、結語

全球能源技術快速發展，人民對美好生活的需要也在日益增長，這些變革從供給和需求兩個方面為實現能源高質量發展提供了動力和技術可行性。能源是“工業的血液”，是經濟社會發展的基礎原料和基礎產業。國家的高質量發展離不開能源的高質量發展。深井、超深井定向鉆井工具的技術提升能夠為油氣資源開發高質量發展提供新動能。