1、在世界范圍內，鉆頭鉆硬地層的能力及其耐用性到目前為止仍未達到極限， 即便是牙輪鉆頭也通過新型冶金技術而正在被改進性能。鉆井作業商普遍認為， 鉆井機械鉆速（rop）的提升相當之快，以至于井隊從兩口井之間的搬家和準備 時間已開始成為鉆井工藝的一個主要考慮因素；同時，鉆頭的耐用性也在快速提 升，這使得鉆井承包商不得不考慮需要減少多少井隊而仍能保持相同的鉆井數 量。然而，對丁鉆井承包商來說，仍看不到機械鉆速和鉆井進程失效（即起鉆更 換鉆頭）之間的平均時間達到任何極限的跡象。從2009年至今，鉆頭方面的發展除人們所期望的設計結構的改進以外，鋼 齒才輪鉆頭切削齒方面的新型冶金技術也發生了大幅改進，下面我們

2、從美國4 家主要鉆頭制造商的技術發展，來縱觀一下鉆頭技術的發展趨勢。nov公司高碳化磚含量的牙輪鉆頭鋼齒技術該公司發明的這種新型鋼齒被其命名為downhole reedhycalog tuffcutter forged-in鋼齒，是一種專冇技術，這種新型超碩金屈是世界上鋼齒鉆頭硬金屈 中碳化鵠含量最高的一種材料（見圖1）。fig. 1. design and hard metal distribution of nov!s downhole reedhycalog tuffcutter forged-in tooth.傳統的鋼齒牙輪鉆頭需要通過焊接技術給牙輪鋼齒敷焊碳化鉤硬金屬。碳化 鴨顆粒在

3、2,160華氏度吋開始熔化，而敷焊溫度卻必須達到大約3,000華氏度， 這就必然會損壞敷焊層表面的碳化鉤顆粒，造成在敷焊層表面碳化餌含量少而在 焊接材料底部碳化餌含量高的現象，致使敷焊層的最大綜合冇效碳化餌含量只能 達到40%o而含冇該公司專冇技術的forged-in硬金屈的碳化餌含量百分比則高 于用任何傳統敷焊方法所能達到的碳化鵠含量。該公司通過應用其powder forge 技術，可將施焊溫度限制在2,100華氏度以下，從而消除了碳化磚顆粒發生熔化 的可能性，這樣所實現的硬金屬敷焊層的碳化鶴顆粒分布i分均勻，碳化鴨體積 百分比可達到60%o將這種碩金屬與另外網種專有碩金屬（即專用于鋼齒表面

4、的 fullgage ®金屈以及專門保護牙輪殼體的tuffjacket硬金屈）共同使用，該公司 推出其最新一代的鋼齒牙輪鉆頭tuffcutter鉆頭。在美國懷俄明州的高研磨性地層鉆井中，這種鉆頭不但創下了多次機械鉆速 新記錄，同時鉆頭的鈍 化狀態也十分良好。在該地區的鉆井應用屮，該公司的 一只12-1/4英寸tci 1鉆頭在13個小時的12次鉆進中平均進尺2495英尺，平 均機械鉆速達到每小時197英尺；而一家競爭對手的鉆頭則在16.7小時的47次 鉆進中平均進尺2,484英尺，平均機械鉆速僅為每小時163英尺。與其它鉆頭相 比，該公司的新型tuffcutter鉆頭內排齒的磨損減少6

5、4%,外排齒磨損減少57%。在pdc （聚晶金剛石）齒方面，nov公司推出了其新型duraforce抗沖擊 切削齒。該齒是該公司最新一代的raptor深度脫鉆熱穩定pdc齒，其韌性有大 幅捉高。改善抗沖擊能力的最大挑戰是需要大幅減小或消除金剛右層的災難性損 壞，當pdc齒樂受過大負荷或是受到過大沖擊時，其內部殘余應力會造成大塊 聚晶金剛石的脫落，從而造成這種災難性的金剛石層損壞。金剛石層的災難性損 壞除了會明顯降低鉆頭的耐用性外，還會對精心設計的鉆頭切削結構造成負面影 響。pdc齒平臺、后處理工序、界面兒何形狀及其材料（包扌舌金剛石和碳化鉤 材料）都會對齒的內部殘余應力產生影響。durafor

6、ce切削齒的設計能夠大幅度減小金剛石層和碳化鵠基托z間的殘余 應力。通過對這種齒的材料和幾何形狀進行重新設計，使其能夠降低金剛石層發 生災難性損壞的風險，所以使其能夠可靠且不斷的改進鉆頭性能（見圖2）,通 過現場使用過程中鉆頭耐用性和機械鉆速的持續提高以及鉆井成本的下降就能 夠證明這一點。fig. 2. performance dullness comparison of a competitor bit with direct offset cutters and the nov down hole duraforce bit (right), after drilling in shelb

7、y county, texas. the new bit shows no catastrophic diamond table loss.另外，在美國路易斯安娜州的鉆井中,nov公司的一只9-7/8英寸dsf616pdc 鉆頭（采用6刀翼結構和16mmduraforce切削齒）與該公司的井下鉆井馬達一 同使用，創下了進尺最長和機械鉆速最高這兩項鉆井記錄。該鉆頭下井時的井深 為1,855英尺，以每小時96.4英尺的高機械鉆速垂直向下鉆進了 6,412英尺。與 鄰井的平均值相比，該鉆頭所鉆井段長度提高了 10.3%,機械鉆速提高77.5%, 每英尺鉆井成木降低42.25%,為鉆井作業商節省了大約

8、6.6萬美元。在該地區的下一個鉆井目標是以具有競爭性的機械鉆速一次鉆進完成最長 的井段并展示鉆頭切削齒的耐用性。該公司的一只8-3/4英寸dsf713 pdc鉆頭 （采用7刀翼結構和bmmduraforce切削齒）又創下了機械鉆速和鉆進井段記 錄。該鉆頭下井時井深為&065英尺，以每小時32.1英尺的良好機械鉆速鉆進了 3,335英尺。該鉆頭顯示出了良好的耐用性，其鈍鉆頭分級為 l-2-wt-s-x-i-bt-tdo與鄰井平均值相比，duraforce鉆頭的機械鉆速捉高90%, 所鉆井段長度提高312%,每英尺鉆井成本降低65.36%,共為鉆井作業商節省大 約20萬美元的鉆井費用。史密

9、斯鉆頭公司的新型pdc鉆頭切削齒史密斯鉆頭公司新近推出的新型pdc齒具有優良的耐磨性和抗沖擊性，并 大大改進了其熱穩定性。一直以來，由砂巖和碳酸鹽巖所構成的難于鉆進的硬巖 地層、研磨性地層以及夾層井段，都是限制pdc鉆頭應用的一個主要因索。極 高的巖石強度以及變化無常的地層性質使得基木上不可能實現平緩和穩定的鉆 井，即便是最為堅固耐用的pdc鉆頭也無法避免惡劣的井下環境的影響，要提 高機械鉆速就必然耍損壞鉆頭切削齒。于是，該公司便從分析在巖石和切削齒交界處所產生的摩擦熱的程度開始研 發。高溫是限制pdc鉆頭在硬/研磨性地層鉆進的關鍵因索，另外，曲于pdc 鉆頭常常被用于鉆較深和較長的井段，所以

10、pdc齒的熱降解和微掉塊現象便被 突顯岀來，這乂進一步縮短了 pdc齒的工作壽命。該公司的工程技術人員研究 了影響pdc齒工作壽命的三個主要性質：即熱穩定性、耐磨性和抗沖擊強度。 通過分析發現，不同的鉆井應用耍求不同的切削齒性質。一般來說，鉆砂巖、粉 砂巖和其它研磨性地層時，要求pdc齒具有良好的耐磨性和熱穩定性，而在鉆 夾層地層和巖石強度較高的地層吋則要求pdc齒具有更好的抗沖擊性。在應用方面的這些研究成果導致了集中于對pdc原材料選擇和加工處理方 而的研發努力。制造工程師們發明出一種高溫高壓制造方法，和一種獨特的拋光 程序以保障優良的切削齒質量和性能。結合應用這兩種方法大幅改進了 pdc切

11、 削齒的熱穩定性，使新型pdc齒與前期的標準或優質pdc齒相相比，具冇更好 的耐磨性和更長的抗疲勞壽命。史密斯鉆頭公司將這種新型切削齒技術命名為 onyx,這種新型pdc齒在研磨性砂巖和碩碳酸鹽巖地層中能夠保持鋒利和有效 的切削刃，英改進的耐用性使得鉆頭能夠在最大機械鉆速下鉆出更大的進尺。現 場應用已經證實，在世界上最難以鉆進的應用中，包括在西非、美國東德克薩斯 州地區以及北海海域的鉆井中，裝有這種新型pdc齒的鉆頭都創下了新的鉆井 記錄。以前在北非地區用pdc鉆頭打具有挑戰性的121/4英寸井段的結果令人不 可接受，深水作業的費用十分昂貴，每天要花費一百萬美元以上，這樣的井段通 常含有既硬且

12、又有研磨性的夾層砂巖和頁巖，抗壓強度通常都在20,000psi以上。 一般來說，鉆121/4英寸井段每次都需要48只鉆頭才能鉆完。在大多數情況 下，pdc鉆頭被起出后發現其鈍化狀況都很差，即有鉆頭縮徑現象又有切削齒 嚴重磨損的情況。所以，該地區的首耍目標就是耍一次性鉆完121/4英寸井段 或是盡可能少的進行起下鉆作業。為了實現這一廿標，該公司的技術人員需要設計岀一種在鉆井過程中能夠保 持動態穩定的鉆頭體，以便在保持不振動的情況下最大程度的減小鉆頭切削齒負 荷的負面影響。根據這一需求，史密斯公司設計出了 12-1/4英寸mdsi816鉆頭, 該鉆頭的特點是設計冇輔助齒，具冇優化的刀翼和噴嘴幾何形

13、狀，從而能夠實現 更好的清洗效果和最大的水力效率（見圖3）。該鉆頭被用在一種旋轉導向鉆貝 組合上在2號和5號井中鉆研磨性極強的地層，取得了良好的鉆井結果。在2 號井屮，該鉆頭鉆完了從套管鞋到總深的整個12-1/4英寸井段，這在油皿歷史 上和該地區都是第一次，由于大幅減少了起下鉆時間，為鉆井作業商節省了 6 天的非生產性時間，減少鉆井成本達2百萬美元。fig. 3. the cost-cutting, record-setting 12%-in. mdsi816 with new onyx cutter technology.在5號井屮，該鉆頭的總進尺和機械鉆速性能更高。與三口鄰井的平均鉆井 性

14、能（6次鉆進作業）相比，這種新型pdc鉆頭的進尺提高了 165% （1,702米）， 機械鉆速提高122% （每小時21.18米），而且是一次鉆進便鉆完了 12j/4英寸 井段（見表1）,并且打完井被起出后基木完好無損，鈍鉆頭分級為 1 2-wt-a-xxx-in-dl-td。瓦瑞爾公司的新型pdc鉆頭切削結構該公司新近設計出被稱為"diamond edge,啲新型pdc鉆頭（見圖4）,這種 鉆頭可專門用于即使是需要刀翼和切削齒數量都多的鉆井應用，以高的機械鉆速 進行鉆井作業。通過將傳統的可提高機械鉆速的“單一布齒”方式與可延長工作壽 命的“多重布齒"方式相結合，這種新型鉆

15、頭獨特的切削結構能夠實現更好的鉆頭 穩定性和平緩的鉆井效果。與傳統pdc鉆頭相比，該新型鉆頭能在鉆頭磨損最 小的情況下提高機械鉆速20%ocutting structure specific to transitionalzones & hard rock drillingdiamond edge pdc bit featuresbit shown: de716pfig. 4 varel inter national's new diam ond edge bit.通過增加精心設計的多重切削齒刀翼的非對稱性，這種新型鉆頭將非對 稱的刀翼切削結構的諸多優點延伸到了對鉆頭的振動控制

16、方面，這種專冇設 計方法同吋改善和提高了鉆頭的穩定性和機械鉆速。這種新型pdc鉆頭所適應的鉆壓范圍更大，即使是在低鉆壓條件下也能在 較軟巖層屮實現高的機械鉆速。而在碩地層屮，則可對這種鉆頭施以較高鉆壓， 鉆頭便能夠以平緩的扭矩響應保持比一般鉆頭更高的機械鉆速。該新型鉆頭技術與傳統的多重布齒鉆頭有很人區別。傳統的多重布齒鉆頭即 使是在鉆軟地層吋也需要較高的鉆壓，而且，當鉆硬地層時，傳統鉆頭一般來說 比較耐用但機械鉆速較低；當施加較大鉆壓時，傳統的多重布齒鉆頭還會產生不 穩定的扭矩響應。而這種新型鉆頭則設計有獨特的切削結構，這種新型切削結構特別適合于在地 層過渡區和硬地層屮鉆進，其創新的設計結構使

17、得鉆井作業商可通過機械鉆速的 提高、鉆頭穩定性的改善以及優良的鉆頭耐用性而切實感受到鉆井效率的提升。美國徳克薩斯州的一家主要鉆井作業商需要一種能夠冇效鉆進極硬且極具 研磨性地層的鉆頭，該地區傳統上都是用牙輪鉆頭進行鉆進的，但此次該作業商 選用了瓦瑞爾國際公司的83/4英寸de713pux diamond edge鉆頭。其鉆井方 案是在井眼深部進行造斜，需要一種導向性和耐用性都很好的鉆頭，以便在遇到 研磨性砂巖后仍能保持良好的導向性。這種挑戰性地層出現在深度為5,820-7, 910、7,910-8,100和8,100&220英尺處，de713pux鉆頭用時30.5個小時鉆到 了&

18、;120英尺深處，將機械鉆速提高到每小時45.2英尺，該新型鉆頭在這種井段 的鉆速比傳統鉆頭快了一倍，一次鉆進便完成了通常要兩只鉆頭才能鉆完的井 段，其每英尺鉆井成本比鄰井最低的每英尺鉆井成本下降了 42% o在徳克薩斯州的另一口井屮，一只de716x diamond edge鉆頭被用于從 5,815英尺井深鉆到10,635英尺的總井深，與該地區其它的鉆井作業相比，該鉆 頭所用的平均鉆壓最低（至少低10%）,鉆井作業商用吋120.5個小吋便鉆到了 總深，鉆速提高了 7%othe post-run analysis of the 9 7/8-in. de713pux diamond edge t

19、ricone bit confirmed the durability of the cutting structure in the rock bit. (image courtesy of varel)休斯克里斯坦森公司穩定性良好的新型pdc鉆頭休斯克里斯坦森公司最新推出的新型pdc鉆頭在難于鉆進的環境中能夠實 現良好的穩定性并降低鉆井成木。該公司的新型pdc鉆頭（見圖5）不但穩定 性良好，同時還配備了其新一代切削齒以便改進鉆頭在barnett頁巖、travis peak 和類似鉆井環境屮的綜合鉆井性能。fig. 5. the new hughes christensen pdc bits

20、 incorporate the latest gen eration of stabilization and cutter technologies.該新型pdc鉆頭結構的主要目標是改進其在難鉆地層環境屮的動態穩定性。 當在硬巖地層中鉆進，或是鉆過夾層地層的硬夾層時，機械鉆速通常都會卜降， 進而導致鉆頭齒切削深度的減小。如果使用傳統的pdc鉆頭，切削深度的不同 常常會造成頗具破壞性的鉆頭回旋，而當鉆頭發生冋旋吋，便會引起鉆頭切削齒 對地層的吃入不均勻的現彖，從而導致效率非常低的鉆井作業、鉆井機械鉆速大 幅下降、r常常造成鉆頭切削結構過早損壞，最終導致鉆頭使用壽命短、綜合鉆 井成本增大。而對于這種改進而言，該公司設計人員采用了一種專冇的鉆頭動態模型，該 模型可優化鉆頭上力的分布以便強化鉆頭的穩定性，在大多數情況下，這種新型 鉆頭都能實現比鄰井快40%的機械鉆速。采用新型設計方法后，鉆頭整個切削結 構所受的負荷更為一致，所以能夠在更高的機械鉆速下優化鉆井效率和鉆頭穩定 性，這種在能量效率方面的提高可使該新型鉆頭在軟、硬地層中鉆進時都能實現 更高的鉆速。除了優化的設計方法外，這種新型pdc鉆頭還采用了其最新一代的pdc切 削齒，新一代切削齒比過去的齒具冇更好的耐濟性。新一代pdc切削齒源于金 剛石制造技術，其特點是具有最優化的碳化餌基托界面，而該界面對于平衡切削