金剛石鉆頭高效破巖技術新進展

沈立娜， 賈美玲， 蔡家品， 吳海霞， 李 春， 劉海龍

（北京探礦工程研究所, 北京 100083）

自20世紀70年代以來，發達國家陸續啟動了深部探測和超深鉆探計劃，如在科拉半島波羅地盾結晶巖中鉆成世界第一的12 262 m特深井，德國大陸深鉆計劃（kontinentales tiefborh program der bundesrepublik deutschland，KTB）等。近年來，中國陸續實施了CCSD-1井、松科二井、塔深1井、川科1井、馬深1井、順北評1井、順北評2井、川深1井、高探1井、元深1井等一系列超深井[1-5]，這些深井或超深井的鉆探使用了大量鉆頭。鉆頭是鉆進破巖的主要工具，對提高鉆進速度、降低鉆井綜合成本起著重要作用，而金剛石鉆頭是其中重要的組成部分。近些年來，隨著新型復合材料的應用及精密加工技術的不斷進步，結合鉆井裝備不斷創新，金剛石鉆頭取得了迅速發展，金剛石鉆頭新產品層出不窮，金剛石鉆頭高效破巖技術得到不斷發展。

1 地質巖心鉆探金剛石鉆頭高效破巖技術進展

在地質鉆探領域，所鉆遇的地層通常比較堅硬，因此主要應用的是孕鑲金剛石鉆頭，部分煤系類地層也會選用金剛石復合片鉆頭。

引領小口徑鉆探前沿技術的美國寶長年公司，其鉆頭如圖1所示。鉆頭的胎體高度由常規的16 mm提高至25 mm，鉆頭胎體已實現了鐵代替鈷的配方升級。通過專有工藝，可實現金剛石與胎體的化學鍵結合，使金剛石出露量高達80%[6]。

Fodia公司研發的金剛石鉆頭提供了16 mm，20 mm和26 mm等3種胎體高度。根據巖石莫氏硬度，該公司將鉆頭分為多個系列，其中Vulcan系列鉆頭（圖2）設計有輔助支撐結構以提高鉆頭強度[7]。

高科等[8]研制了仿生自補償一體式高胎體孕鑲金剛石鉆頭（圖3），在單齒的齒單元間采用加強筋方式強化單齒強度，鉆頭齒的工作唇面會產生多個超過巖石極限破壞強度但遠低于鉆頭胎體強度的應力集中區，鉆頭的整體性更好、受力均勻，切削巖石時效率更高，壽命更長。

圖3 仿生自補償一體式高胎體孕鑲金剛石鉆頭Fig.3 Bionic self-compensating integrated high-matrix impregnated diamond coring bit

北京探礦工程研究所研制的高胎體鉆頭從最初的雙水口鉆頭不斷發展到高頻鑲焊高胎體鉆頭，已將N規格取芯鉆頭胎高增加至27 mm，在山東金礦等礦區取得了較好的應用效果[9-10]。最新研制的特高多層胎體孕鑲金剛石鉆頭如圖4所示，通過交錯高差及隔水片設計實現了多層胎體工作層間的有效切削過渡，胎體高度增加到68 mm，可大幅提高鉆頭使用壽命[11]。

圖4 特高多層胎體孕鑲金剛石鉆頭Fig.4 Multi-layer bit with extra-high matrix

WU等[12]采用智能化金屬3D打印激光燒結技術，制造了復雜柵格狀金剛石鉆頭，如圖5所示，該鉆頭更適用于礦物粒度較大的硬巖層，可以充分發揮鉆頭的結構優勢。

圖5 3D 打印柵格鉆頭工作層示意圖Fig.5 Profile of IDBGM and 3D-printed IDBGM working layer

在胎體改性和結構優化方面，也有學者做了研究。LOGINOV等[13]研究了納米WC、六方氮化硼和碳納米管混合納米改性Fe-Ni-Mo合金鉆頭胎體，在同等鉆進條件下，耐磨性可提高一倍。LIU等[14]通過定制球形碳化鎢，將鉆頭胎體耐磨性提高了近5倍。劉寶昌等[15]研發了納米碳化鈮和碳納米管強化鉆頭，提高了胎體硬度、抗彎強度、耐磨性等，利于鉆頭在深孔和強研磨性地層鉆進。董召悅[16]在鐵基胎體中摻入碳納米管，將胎體洛氏硬度提升10%，抗彎強度提高220%。高科等[17]研究了雙孕鑲金剛石取芯鉆頭的自平衡鉆進，在近鉆頭使用動力電機內外雙轉子同時驅動內、外鉆頭逆向回轉，可實現扭矩平衡，同等條件下可更好地破碎巖石從而提高破巖效率。高玉彬等[18]針對堅硬致密巖石研制了復合型結構熱壓金剛石取芯鉆頭，每個鉆頭的扇形工作體由不同性能的主、輔兩部分組成，與普通鉆頭相比，鉆進時效提高0.30 m/h，鉆頭的平均壽命提高10.75 m。孫吉偉[19]針對堅硬致密地層，提出大體積破碎鉆頭唇面結構，通過掏槽式超前齒和低位齒實現拉壓應力轉換的大體積破碎，提高了鉆進速度。阮海龍等[20]等研制了一種新型超高胎體偏心齒鉆頭，通過偏心斜齒及扭面支撐設計，實現超高胎體硬巖高效鉆進。

由此可見，地質巖心鉆探孕鑲金剛石高效破巖技術主要針對堅硬地層鉆探開展相應研究，近年來有諸多進展。研發的各類新型孕鑲金剛石鉆頭向著更高胎體方向發展；同時，通過胎體改性和結構優化實現高效長時鉆進。

2 PDC 鉆頭高效破巖技術進展

PDC鉆頭（polycrystalline diamond compact bit，聚晶金剛石復合片鉆頭）早在10年前成為破巖主力，逐步取代了牙輪鉆頭，在鉆井提速降本中發揮著重要作用。近年來，中國和美國85%以上的鉆井進尺由PDC鉆頭完成，PDC鉆頭已在石油鉆頭市場占據主導地位[21]。隨著非平面以及濾鈷熱穩定PDC切削齒的研制成功，通過改善聚晶金剛石復合片的應力狀態、改善切削齒交界面的結合強度等研發出一系列高效PDC切削齒，使PDC鉆頭的破巖性能迅速提升。

Smith公司的Blade系列鉆頭，具有多種齒形，如圖6所示。Strata錐脊齒（圖6a）同時具有凹面和錐形結構特征，獨特的凹面特征減小了后傾角，從而可以更深地切割巖石，且錐形幾何體具有較厚的金剛石層，可顯著提高切割效率，并在相同的輸入能量下維持較高的瞬時機械鉆速。Hyper馬鞍齒（圖6b）為雙曲線內凹形式設計，在切削刃處增加前角，從而提高松軟及塑性地層的鉆進效率。Axe斧形齒（圖6c）帶有圓弧齒頂及與之相切的兩個圓弧面結構，使得該齒在切削時形成巖屑導流面，受力從點向面擴大，提高了攻擊性。Stinger錐形齒（圖6d）可比常規柱齒施加更高的點載荷，以犁刮和剪切的聯合破巖機理更有效地破碎高抗壓強度地層。Enduro360旋轉齒（圖6e）可實現復合片360°旋轉，顯著延長了鉆頭的使用壽命[22-24]。這些非平面齒使PDC鉆頭可在多種復雜地層實現高效鉆進。

圖6 Smith 公司多種切削齒系列Fig.6 Smith blade family

貝克休斯公司也研發有類似Axe斧形齒，為StayTrueTM，更多用于鉆頭肩部副齒。而針對鉆遇硬地層時鉆頭切削齒溫度升高快和磨損嚴重的問題，該公司研制了StayCoolTM2.0多維切削齒，集成了波狀輪廓的金剛石頂面和耐磨金剛石材料等設計，可有效減小復合片表面的摩擦力。Dynamus蛟龍系列鉆頭綜合采用多種切削齒（圖7），StayTrueTM齒用以減輕橫向振動提高穩定性，StayCoolTM2.0 切削齒用以降低金剛石

圖7 Dynamus-蛟龍系列鉆頭Fig.7 Dynamus extended-life drill bit

切削齒的工作溫度、減小切削齒磨損，結合高強度基體材料，鉆頭綜合性能得到大幅提高[25]。除此之外，貝克休斯公司還研發出Stabilis雙倒角切削齒（圖8），引入第2個倒角，降低了切削刃上的應力梯度，能有效防止崩齒。與常規幾何形狀切削齒相比，該種切削齒的抗沖擊強度提高了近2倍[25-26]。

圖8 Stabilis 雙倒角切削齒Fig.8 Stabilis reinforced cutters

此外，還有NOV公司的ION3D/4D非平面齒，Halliburton的4D Shapes切削齒等等。國外各大油田公司在PDC切削齒上投入了大量的研究工作，使得PDC鉆頭破巖技術得到迅猛發展。國內研究人員也研制了新型切削齒，如中國石油休斯敦研究中心的Tridon切削齒，鄭州新亞公司研發的石油鉆頭用脊型復合片和鋼盔型復合片等異形結構齒等等。但國內PDC切削齒的設計、性能和國外先進水平相差較大，種類少，更新換代慢。進一步研究開發出具有自主知識產權的性能優異的PDC是實現PDC高效破巖技術突破的關鍵。

3 孕鑲金剛石鉆頭與井底動力組合高效破巖技術進展

在高抗壓強度和高研磨性的地層中，牙輪和PDC鉆頭無法鉆進或鉆進效率極低。隨著鉆頭和井下工具技術的發展和實踐，國內外相繼提出用特殊設計的金剛石孕鑲鉆頭與井底動力（高速螺桿或高速渦輪）組合，依靠強化鉆井參數的辦法提高鉆速。該套鉆進組合在礫石層、火成巖、高研磨性砂巖等地層中鉆進，鉆速可提高80%～300%，壽命提高近20倍，表現出優異性能。

以美國Smith公司孕鑲金剛石鉆頭K705（圖9a）、貝克休斯公司IRev鉆頭（圖9b）和北京探礦工程研究所的NR826M系列孕鑲金剛石鉆頭（圖9c）為作業典型，在國內各大油田區塊有相應使用。國內NR826M系列孕鑲金剛石鉆頭配合渦輪鉆具，在新疆博孜、四川元壩區塊實現成功應用。圖10是國內外孕鑲金剛石鉆頭在新疆博孜區塊巨厚礫石層的使用情況對比圖[27]。圖10的國產Φ333金剛石全面鉆頭的平均時效是進口牙輪鉆頭的2.7倍，是進口孕鑲金剛石鉆頭的1.2倍。可見，NR826M系列孕鑲金剛石鉆頭技術水平及性能指標已達到國際先進水平。

圖9 井底動力適配用孕鑲金剛石鉆頭Fig.9 Impregnated diamond bits for bottom hole dynamic drill tools

圖10 3種鉆頭在博孜區塊巨厚礫石層使用情況對比Fig.10 Comparison of three kinds of bits used in the massive gravel layer in the Bozi Block

四 結論與展望

金剛石鉆頭高效破巖技術經多年理論攻關及現場實踐，已趨于成熟并廣泛應用于鉆探現場，在孕鑲金剛石鉆頭高效破巖技術方面，尤其是與井底動力組合用孕鑲金剛石鉆頭水平已比肩國外。但在PDC鉆頭高效破巖技術方面，國內PDC切削齒性能和國外還有較大程度的差距，須從理論設計、新材料、新工藝等方面開展關鍵技術攻關。此外，近些年來，混合鉆頭得到廣泛應用，尋求切削材料、破巖方式等的有效組合，將可能成為金剛石鉆頭高效破巖技術新的發展方向。