国内外碎岩工具与井下动力钻具发展现状及性能分析

（1）牙轮钻头

牙轮钻头作为油气井钻探的主导产品之一，据不完全统计目前牙轮钻头的钻井进尺占总钻井进尺的20%左右，牙轮钻头在旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，通过合理选择钻头结构，在较低的转速下，可以钻进中硬—硬地层，是一种广谱性较好的钻头，尤其是近年来使用复合有金刚石的镶齿、金属密封牙轮钻头，在软硬交错地层及硬地层取得较好效果，为钻进硬岩提供一种技术支撑。实践证明，在开孔段牙轮钻头钻进效率高，钻头寿命还算令人满意；在深井上部大直径扩孔钻进中，牙轮钻头从制造工艺上显示其优越性。中深、深孔段钻硬结晶岩效率较低、寿命也低；在超深孔中，对镶齿牙轮钻头提出的特殊要求包括：选择适用于坚硬研磨性结晶岩层的牙轮钻头的类型；尽可能少产生或不产生轴偏距（偏移）的钻头结构；钻头要配装密封的滚动及滑动轴承；标准的、同时镶齿的数量、形式及几何形状，可改变的切刃（镶齿）镶嵌方法；最有效的保径措施是尽可能减小移轴距并加大外镶齿和保径镶齿；采用适合孔深及温度条件的材料；圆锥型、卵型及球型镶齿特别适用于结晶岩地层的钻进工作，凿形齿、勺形齿和超勺形齿则较易折断。牙轮钻头其薄弱环节就是有活动件——轴承，在深井钻进其寿命和耐温性要经得起考验。

（2）PDC钻头

PDC钻头是一种新型切削型钻头，它是通过把人造聚晶金刚石切削齿镶焊于钻头胎体或钻头钢体上而制成的。它以能自锐的PDC切削齿作为切削刃，能够在较低的钻压下获得高钻速，是牙轮钻头的2倍；有较长的使用寿命，是牙轮钻头的4～6倍，主要用于软到中硬地层的钻进。随着PDC复合片质量的提高和焊接工艺的改进，PDC钻头的使用范围延伸到可钻性等级达9级的地层中，以往中国大陆科钻、科拉超深钻、德国KTB钻探中由于钻进岩石比较硬，均未使用PDC钻头。

金刚石复合片以压入剪切方式破碎岩石，通过合理选择钻头结构，在较低的转速下，可以钻进软—硬地层，是一种广谱性较好的钻头，近几年PDC性能的大幅提高，使钻探工作者对PDC钻头的期望值越来越高，对钻头的需求量也越来越大，据统计，在2000年，PDC钻头的钻井进尺占总钻井进尺的26%，2003年增加为50%，而在2009年PDC钻头的钻井进尺已经占到总进尺的80%。

PDC钻头的研究进展很快，归纳为以下几个方面：

1）钻头水力学。利用先进的光学测试技术PDA并结合CFD的方法对PDC钻头井底流场进行研究成了钻头水力学研究的新方向，CFD是近年来随着计算机技术的进步而发展起来的一种解决流体流动方面的技术，而我国在这方面的研究比较匮乏。

2）PDC钻头设计。针对不同的地质条件进行个性化设计，如多尺寸切削齿钻头设计、双扭矩概念设计钻头等。采用先进的建模方式建立精确的数字模型，运用CFD和CAD对PDC钻头进行优化设计。

3）PDC钻头机械加工工艺。实现机械加工数控化，将CAD计算机辅助设计技术与CAM计算机辅助制造技术集成。

4）PDC钻头软模成型技术。国外先进钻头厂家普遍采用，国内油井钻头生产厂家目前也普遍采用，在实现钻头模具的数控加工后，此方法可以大大提高生产效率和保证尺寸精度。

PDC复合片钻头在钻探软至中硬地层中发挥了重大的作用，取得了突破性的进展。

2001年美国休斯克里斯坦森公司用BD536PDC复合片钻头，一次下井钻井6994m的世界纪录，史密斯公司生产的M91P PDC钻头创造了202m/h最高钻速的世界纪录，STR554型PDC钻头起下钻16次累计进尺达21405m的世界纪录。

近几年，科技工作者一直致力于研究切削具和地层之间的相互作用，切削具钻头动力学及下部钻具动力学等方面的课题。世界各大钻头公司根据钻井技术的发展和钻井现场的实际需要，设计开发出多种PDC切削齿、专用PDC钻头和相关技术。2005年美国DBS公司Robert Claytom 在美国石油工程师协会发表了论文《新型钻头设计和切削具技术扩大了PDC钻头在硬岩钻进中的应用》提出了钻头设计的能量平衡观点，即钻头上切削具（PDC）的合理排布可使钻头最终形成的径向合力最小，这也正是硬岩地层钻进时对钻头必须要的条件。而随着新一代滤钴热稳定PDC切削齿的研制成功，使PDC钻头性能发生了突破性改变，在钻进硬地层，新一代滤钴热稳定PDC切削齿钻头较常规PDC钻头平均单只进尺提高2倍，机械钻速提高1.5倍，扩大了PDC钻头在硬岩的应用范围。

（3）天然金刚石表镶钻头

目前，在硬岩深孔取心钻探中，传统的天然金刚石表镶取心钻头已逐步被孕镶钻头或其他新型金刚石取心钻头所取代，其原因不仅在于天然金刚石表镶钻头价格上的昂贵，更主要的还在于孕镶和其他新型金刚石取心钻头在寿命和平均钻速上高于天然金刚石表镶钻头，无论从碎岩机理上或者大量的国内外实践资料表明了这一些。

大陆科学钻探一井试验表明：天然金刚石表镶钻头的钻进效果不理想，机械钻速不高，特别是钻进一段时间后，时效下降很快，提钻后发现一部分天然金刚石崩刃，大部分金刚石被磨钝，几乎看不到一颗完整的天然金刚石。

天然金刚石表镶钻头的胎体硬度高，耐磨能力强，耐冲蚀性强，比较适应于石油钻井中的大泵量、高泵压的钻井条件。天然金刚石表镶钻头的出刃高，金刚石的颗粒粗，在沉积岩层中钻进的时效高，钻头的寿命长。

对于科钻一井来说，所钻遇的岩石为结晶岩，岩石的硬度高、研磨性强，钻进中希望获得高的钻进速度，必然要采用高的转速和钻压，也必然出现钻头的复合振动增加，这对于表镶钻头是不利的因素，它将促使高出刃的金刚石碎裂或崩刃，逐渐失去工作能力。许多钻探事实也说明，天然金刚石表镶钻头不仅钻进成本高，而且不适应在硬岩和裂隙发育的岩层中钻进。

科钻一井施工中为了提高钻进效率，按设计采用了液动锤冲击回转钻进，表镶钻头的金刚石出刃高，在较大冲击功作用下，坚硬岩石的反作用力大，容易使出刃高的天然金刚石崩裂，金刚石不能充分发挥作用，钻头的使用寿命不高。由此可以认为，天然金刚石表镶钻头不适应于硬岩层的钻进，亦不适应于硬岩中冲击回转钻进。

（4）电镀金刚石取心钻头

从大陆科钻对电镀金刚石取心钻头的试验情况来看，在试验初期钻头表现较好的性能，钻头寿命和机械钻速较高。随着取心钻进方法的改变，钻头开始出现不太适应冲击回转钻进的情况，钻头的工作层出现掉块现象，钻头的性能没有得到充分的发挥，有的只钻进一个回次，有的只钻进二个回次，在主孔段只使用了2只绳索取心钻头。

（5）孕镶金刚石钻头

孕镶金刚石钻头能够钻进中硬至坚硬的岩石，能够钻进各类研磨性和各种不同程度完整性的岩石，也就是说，孕镶金刚石钻头对结晶岩具有较广泛的适应性，具有好的钻进技术指标。绝大部分孕镶金刚石钻头采用人造金刚石，钻进成本低。

孕镶金刚石钻头采用的金刚石远比表镶钻头的金刚石颗粒细，金刚石孕镶在胎体中出刃部分小，如同受到多向应力的包镶作用，因此能够承受住冲击载荷的作用而不碎裂，适用于冲击回转钻进。

孕镶金刚石钻头的设计与制造工艺成熟，已经有了几十年的经历与经验。孕镶金刚石钻头有利于单动双管取心钻进，岩心采取率高，岩心质量好，能够很好地满足科学钻探的施工要求。因此，科钻一井取心钻进的首选钻头是孕镶金刚石钻头。

取心孕镶金刚石钻头的运动特性与取心质量：孕镶金刚石钻头，由于其金刚石的出刃小、颗粒细而数量多，所以切入岩石深度有限，每转的碎岩量很小。因而，当其在孔底旋转时，不会像牙轮钻头那样因为切削具本身的运动而产生振动。通常为获得有效的钻进速度，钻头必须高速回转。旋转体在高速回转时会产生陀螺效应（简单说就是物体转动时的离心力会使自身保持平衡），因此金刚石钻头在孔底转动时，相对于牙轮钻头要稳定得多。实践也表明，金刚石钻头所钻取的岩心表面光滑、连续，岩心更完整，取心质量更好。

实践证明：最适合钻进可钻性级别较高的结晶岩地层；机械钻速高，钻进效果好，寿命长，综合成本低；钻头取心率高，岩心品质好；在科钻一井螺杆马达液动锤驱动双管取心钻进中表现出最优异的性能；德国的KTB，中国的大陆科学深钻，使用最多的是孕镶金刚石取心钻头。

（6）扩孔钻头

牙轮齿以冲击、压入、剪切方式破碎岩石，在坚硬的地层中产生体积碎岩效果，尤其在扩孔钻进阶段，由于已经有小井眼形成的自由面，在冲击方式作用下可有效地利用自由面，产生较大的体积碎岩效果。如果采用金刚石钻头进行钻进，每转的切削量非常小，需要较高的转速，这是现场转盘钻进无法满足的。如果采用PDC钻头，则由于地层极其坚硬，切削刃很难吃入地层，刮削作用难以实现，地层的不均匀性也会导致该类切削具在回转过程中由于承受冲击载荷而碎裂。

扩孔钻进中钻头切削具的受力状况非常恶劣，因此需要尽可能采用直径较大的牙轮掌。但是采用太大的牙轮掌，则会减小钻头导向体与钻头本体之间的连接面积，从而降低钻头的强度。

扩孔钻头可做成三牙轮、四牙轮、六牙轮等形式，四牙轮扩孔钻头钻进时稳定性差，容易产生振动。三牙轮、六牙轮扩孔钻头钻进时稳定性好，但是牙轮数量如果比较多，在有限的布置空间内如果选择比较大的牙轮掌，势必会影响导向体与本体的连接强度，不利于提高切削具和钻头整体的强度（康健，2008）。

科钻一井中使用的是导向式三牙轮扩孔钻头。KTB主孔使用的是三牙轮扩孔钻头，扩孔钻进时应采取以下措施：通过采用金属密封轴承、最佳的合金齿齿形、钻头结构设计和材质优先以及加强钻头保径等措施优化钻头设计；采取减震措施将钻柱系统的震动降至最低，以保证钻进过程的平稳以及工具的长使用寿命；采用金刚石扩孔器，使钻孔直径在较长的时间内保持稳定。科钻一井扩孔钻头制作时，选用的牙轮掌有如下特点：轴承带有压力平衡润滑系统，适用于深井钻进；轴承密封采用金属浮动密封结构，性能优异。

（7）涡轮马达

由于涡轮马达的构件几乎全是用金属材料制成的，配有适当轴承的涡轮基本上是无摩擦的运行，可在275～300℃的温度范围内用。为适应高温度的使用，研制了特种滑动轴承，轴承与定子及转子的接触面上镶有合成金刚石（PCD）。为了尽可能避免冲击负荷造成的伤害，PCD轴承采用滑枕轴承的结构形式。配有这种轴承的涡轮马达在温度高达280℃的地热钻进工作中得以成功使用。

涡轮钻具的最大优点是不含橡胶件、耐高温（工作温度可达250～300℃），适用于深井、超深井和高温高压井的钻井作业。涡轮钻具也有一些固有的缺点，限制了它的应用。例如：涡轮的直径较大，很难制造出直径小、功率足够大的涡轮钻具；涡轮的转速很高，不能直接驱动钻头，往往需要减速器进行减速，增加了装置的复杂性，降低可靠性。因此，涡轮钻具除了在某些直井中使用过，在弯曲半径比较小的定向斜井、小直径的井、水平井等处使用并不方便。

为了提高牙轮钻头的进尺，并把涡轮钻具成功地应用于深井钻井，应设法降低涡轮钻具的转速，增加其轴上的力矩。目前已成功地采用了具有低速降压涡轮的涡轮钻具、带水力制动级的涡轮钻具和带有行星减速器的涡轮钻具。

根据涡轮钻具组合后的转速高低，可以分为高速涡轮钻具组合、中高速涡轮钻具组合和中低速组合涡轮钻具组合。高速组合涡轮钻具未配置减速器，钻头转速高；中高和中低速组合涡轮钻具在轴承节和钻头之间装有减速器，可降低涡轮输出转速。此时对应的转速分别为：600～1000r/min、300～600r/min和100～300r/min。

在实际操作中，涡轮钻具（包含减速器涡轮钻具）的工作转速可以根据现场需要调整。因此，涡轮钻具既能适用于牙轮钻头（工作转速较低），又能适用于PDC钻头及各种类型的金刚石钻头（工作转速相对较高，最高可达1200～2000r/min）。

扭矩大、压降低、长度短的减速器涡轮钻具工作转速为100～300r/min，适应于高、中、低不同转速牙轮钻头和PDC钻头；大扭矩的中速涡轮钻具工作转速为300～500r/min，适应于PDC钻头和天然金刚石钻头；大扭矩高速涡轮钻具工作转速为500～2000r/min，主要适应于孕镶金刚石钻头。

采用涡轮钻具-减速器系统进行井底驱动钻进，是前苏联施工科学深钻的三大技术特色之一。涡轮钻具输出转速高，经减速后才能用于驱动牙轮钻头。涡轮钻具使用时配有转速遥测系统，该系统装在涡轮马达上方，测出马达的回转速度后以泥浆压力脉冲的方式将信息传回至地表。地表工作人员可根据这一信息，调节泵量，控制马达转速，进而保证最优规程钻进。

（8）螺杆马达

螺杆马达是以钻井液为动力的一种孔底动力机，是一种容积式马达。泥浆泵输出的钻井液经旁通阀进入螺杆马达，在马达的进出口形成一定的压差，推动马达的转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。

螺杆马达的工作特性与涡轮马达有较大不同，具有硬特性，表现为大扭矩、低转速，转速只与排量和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关，其转速与输入的钻井液流量成正比，输出扭矩与马达压降成正比，而与转速无关，压降越大，扭矩越大，但在压降与扭矩变化的同时，转速变化很小，因此，在具体使用过程中，只要控制泥浆泵的排量与泵压，就基本上控制了马达的输出扭矩和转速。因此不难得知，在使用螺杆马达进行钻井作业时，泵压表可作为井底工况的监视器，由压力变化来判断和显示井下工况，通过调节排量进行转速调节。螺杆马达的定子由橡胶制成，耐高温性能差，一般采用丁腈橡胶，耐温约150℃；如需耐高温，需要采用特殊的橡胶，成本较高。

科钻一井钻探施工采用螺杆马达为金刚石取心钻进系统的井底回转驱动装置。

在油气勘探开发中，随着钻头和井下工具技术的发展和实践，针对高抗压强度和高研磨性的地层，国外目前逐步推出了一套提高机械钻速的技术途径，即采用特殊设计的人造金刚石孕镶钻头与井底动力（高速螺杆和高速涡轮）组合，依靠强化钻井参数的办法提高钻速，与牙轮钻头相比，该项技术可提高机械钻速3～10倍以上，大幅度提高了深井在高抗压强度和高研磨性地层的机械钻速。

从目前市场调研的情况，采用进口涡轮钻具+孕镶金刚石钻头复合钻进是提高钻进速度的最佳方法，取得了较好效果，未来一段时间，通过对钻头的切削结构设计、胎体材料、制造方法和制造工艺的研究，金刚石孕镶钻头将在高硬度、强研磨性地层发挥巨大作用。

各类钻头碎岩方式及其性能特点见表6.1。

表6.1 碎岩工具种类及特点

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什么是井下动力钻具?动力钻具钻井的特点是什么
答：井下动力钻具是一种以钻井液为动力源，把钻井液的压力能转换为机械能的井下工具。其特点是使钻头在转盘或顶驱转速不变的情况下获得更高的转速，从而提高了机械钻速，同时也减少了钻柱与套管及井口之间的磨损。

井下动力钻具有哪三种
答：1、容积式螺杆钻：具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。2、叶片式涡轮钻具：具是一种叶片式水力机械，它把钻井液所具有的液体能转化为涡轮轴上的机械能来驱动钻头旋转。3、电动钻具：是指能把钻井液的能量转化为钻井破岩动力的井底钻具。

我国超深钻碎岩工具应用方案
答：根据我国13000m超深钻的设计方案，制定我国超深钻钻头应用方案。可采用的井底动力驱动方式及配套的钻具组合如图7.1所示。图7.1 井底动力钻具及配套的钻头 取心钻进中取心钻头技术方案（采用点取心方式）见表7.1。表7.1 取心钻进技术方案 取心钻头选型：根据对碎岩工具性能分析，对于沉积岩地层使用...

钻井工具的钻具介绍
答：包括钻头、钻柱、井下动力钻具以及稳定器、减震器、震击器等工具。钻头钻井时必不可少的破碎岩石工具，主要有牙轮钻头、金刚石钻头和刮刀钻头3类：①牙轮钻头，由钻头体、牙爪、牙轮、轴承、水眼等组成。按牙轮结构分铣齿型及镶齿型两种，按轴承结构分密封（或不密封）滚动轴承及密封（或不密封）滑动...

涡轮钻具国内外研究现状
答：20世纪50年代以前,前苏联、美国、法国都开展了涡轮钻具的研制和开发,并有部分产品在钻井现场得到了应用。50年代到70年代,美国放弃了涡沦钻具的研究,而前苏联则大力发展涡轮钻具,涡轮钻井逐渐成为前苏联基本的钻井方法,井下动力钻具(主要是涡轮钻具)的年进尺量达到总进尺量的80%。法国则研制出能耐170℃高温的Neyrfor涡...

石油钻井方法有哪些?
答：典型的井下动力钻具是涡轮钻具,因此井下动力钻井又常称为涡轮钻井。目前,井下动力钻井在定向钻井技术中得到了广泛的应用。 近年来,一些工业发达国家还竞相开展了热力钻井、高压冲蚀钻井、等离子射流钻井和激光钻井等新型钻井方法的研究。随着科学技术的进步,新的钻井方法还将不断涌现,钻井工程也必将进入一个全新的科学...

地质岩心钻探技术
答：19世纪中叶出现人力驱动的岩心钻机和天然金刚石钻头至今的100多年中,岩心钻机由早期的机械传动手把给进到机械传动液压给进立轴钻机发展到今天的全液压动力头钻机以及自动化、智能化地质岩心钻机。与此同时,孔底动力钻具(潜孔锤、螺杆钻、涡轮钻、孔底电钻等)也从发明到发展,至今已具有一定水平。从1862年天然金刚石用...

热能-机械能碎岩
答：可广泛应用于地质钻探,油气井钻探,各种工程孔的硬岩钻进,以及坑道、隧道掘进等领域的碎岩,从而为人们提供一种高效低耗的新式碎岩工具。 二、热机碎岩钻具及钻头 (一)取心式热机碎岩钻具 由俄罗斯全俄勘探技术研究所勃拉托夫教授发明的TM-59型复合式硬质合金钻头及钻具的结构,见示意图1-6-23。 钻具由钻头(切削...

岩石在外载作用下的破碎发展过程
答：(5)存在时间效应,即:玻璃板从压机卸下后,仍能听到玻璃碎裂的响声。说明卸载后裂纹仍在扩展。 三、影响压头压入效果的因素 影响压头压入效果的因素较多,如:外载大小、自由面多少、碎岩工具形状、加载速度、围压、温度、润湿程度等。 1.外载大小 随着外载的增加,侵深是增加的,曲线呈跃进式,如图1-2-29所示。

石油钻井工具有哪些类型?各有什么特点?
答：包括钻井时下入井内的钻头、钻柱、井下动力钻具、取心工具以及一些辅助钻井工具(如事故处理工具)等。井下钻井工具简称为钻具。 钻柱是从钻头到地面全部管柱的总称。钻柱是连通地面与地下的枢纽,是实现优质快速钻井的重要手段和工具。随着钻井深度的不断增加,钻井工艺技术不断发展,对钻柱的性能要求也越来越高。