金剛石鉆頭在石油開采中的應(yīng)用

     在石油勘探和油田開發(fā)的各項(xiàng)任務(wù)中，鉆井工作起著十分重要的作用。如尋找和證實(shí)含油氣構(gòu)造、獲得工業(yè)油流、探明已證實(shí)的含油氣構(gòu)造的含油氣面積和儲量，獲得有關(guān)油田的地質(zhì)資料和開發(fā)數(shù)據(jù)，最后將原油從地下取到地面上來等等，無一不是通過鉆井來完成的。

     鉆井是勘探與開采石油及天然氣資源的一個重要環(huán)節(jié)，是勘探和開發(fā)石油的重要手段。

     鉆頭是石油鉆井中，用來破碎巖石形成井眼的工具，其工作性能的好壞將直接影響鉆井質(zhì)量、鉆井效率和鉆井成本。

     鉆頭按類型可分為金剛石鉆頭、PDC鉆頭、刮刀鉆頭和牙輪鉆頭等四種。

     金剛石鉆頭

     金剛石鉆頭是指靠鑲嵌在鉆頭胎體上的金剛石顆粒破碎巖石的鉆頭。金剛石是目前人類所知材料中硬度最大、耐磨性最高的材料，因此金剛石鉆頭用于硬的、高研磨性地層，可獲得比較高的鉆頭進(jìn)尺。雖然金剛石比較昂貴，但金剛石鉆頭磨損，單只鉆頭進(jìn)尺高，在當(dāng)今的石油鉆井仍有較強(qiáng)的競爭力。目前，金剛石鉆頭在普通的旋轉(zhuǎn)鉆井以及渦輪鉆井和取芯作業(yè)中都得到了廣泛的使用，其中熱穩(wěn)定聚晶金剛石齒（TSP），應(yīng)用尤其廣泛。

     1）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

     金剛石鉆頭屬一體式鉆頭，整個鉆頭無活動部件，主要有鉆頭體，冠部，水力結(jié)構(gòu)（包括水眼或噴嘴、水槽亦稱流道，排屑槽），保徑、切削刃（齒）五部分，金剛石鉆頭的冠部是鉆頭切削巖石的工作部分，其表面（工作面）鑲裝有金剛石材料切削齒，并布置有水力結(jié)構(gòu)，其側(cè)面為保徑部分（鑲裝保徑齒）它和鉆頭體相連，由碳化鎢胎體或鋼質(zhì)材料制成。鉆頭體是鋼質(zhì)材料體，上部是絲扣和鉆柱相連接，其下部與冠部胎體連結(jié)在一起（鋼質(zhì)的冠部則與鉆頭體成為一個整體）。

     2）金剛石鉆頭的工作原理

     金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭表面上的多粒金剛石同時(shí)作用于巖石。金剛石破碎巖石的作用在不同性質(zhì)的巖石中表現(xiàn)出不同的特性。在塑性地層（或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層），金剛石在鉆壓的作用下吃入地層并在鉆頭扭矩的作用下使前方的巖石發(fā)生破碎或塑性流動，該破巖過程類似于"犁地"過程，故稱作"犁削"。

     在脆性較大的地層中鉆進(jìn)時(shí)，金剛石破碎巖石的作用主要是"壓碎"，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力可使刃下巖石沿最大剪應(yīng)力面開裂，在金剛石移動的后部形成被壓裂了溝槽，這種情況下巖石破碎的體積遠(yuǎn)大于金剛石吃入后破碎的體積，巖石破碎具有體積破碎的性質(zhì)，破巖效率較高。

     在堅(jiān)硬地層（如燧石、硅質(zhì)白云巖等）中，一般采用將細(xì)顆粒金剛石包鑲在胎體內(nèi)部的孕鑲式金剛石鉆頭鉆進(jìn)，其破巖過程同砂輪的磨削相似。鉆頭上每一個包孕的金剛石都是小刃齒，鉆頭可看作有無數(shù)個刃的刀具。鉆頭鉆進(jìn)巖石時(shí)，鉆頭上出露的棱角鋒利的金剛石刃齒以微切削、刻劃等方式來破碎巖石。磨削破巖屬于表面破碎，破巖效率較低。

     3）金剛石鉆頭的正確使用

     金剛石鉆頭適用鉆中到堅(jiān)硬、研磨性地層和渦輪鉆井、深井超深井鉆井以及取芯作業(yè)。使用金剛石鉆頭前，井底要打撈干凈，保證沒有金屬落物。鉆頭剛下到井底時(shí)，要先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合。然后采用相對較低的鉆壓（和牙輪鉆頭相比），較高的轉(zhuǎn)速和較大的排量鉆進(jìn)。應(yīng)盡量避免劃眼。如果必須進(jìn)行劃眼，應(yīng)采用低鉆壓和低轉(zhuǎn)速，操作要均勻，防止鉆頭規(guī)徑部分金剛石碎裂和過度磨損。

     PDC鉆頭

     PDC鉆頭是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡稱，亦稱聚晶金剛石切削塊鉆頭或復(fù)合片齒鉆頭。從1973年美國通用電氣公司引入PDC切削塊，研制出第一個PDC鉆頭后，PDC鉆頭便以其鉆速快、壽命長、進(jìn)尺高等優(yōu)勢，在石油鉆井中得到了廣泛的應(yīng)用。幾乎所有鉆頭制造商都采用了這一技術(shù)，開始生產(chǎn)自己的PDC鉆頭系列。

     1）PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

     PDC鉆頭由鉆頭體、PDC切削齒和噴嘴等部分組成，按結(jié)構(gòu)與制造工藝的不同分為鋼體和胎體兩大系列。

     鋼體PDC鉆頭的整個鉆頭體都采用中碳鋼材料并采用機(jī)械 制造工藝加工成形。在鉆頭工作面上鉆孔，以壓入緊配合方式將PDC切削齒固緊在鉆頭冠部。鉆頭冠部采用表面硬化工藝（噴涂碳化鎢耐磨層、滲碳等）進(jìn)行處理，以增強(qiáng)其耐沖蝕能力。這種鉆頭的主要優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡單；缺點(diǎn)是鉆頭體不耐沖蝕，切削齒難以固牢，目前應(yīng)用較少。

     胎體PDC鉆頭的鉆頭體上部為鋼體，下部為碳化鎢耐磨合金 胎體，采用粉末冶金燒結(jié)工藝制造成型。用低溫焊料將PDC切削齒焊接在胎體預(yù)留窩槽上。碳化鎢胎體硬度高，耐沖蝕，因而胎體PDC鉆頭壽命長，進(jìn)尺高，目前應(yīng)用比較廣泛。

      2）PDC鉆頭的工作原理

      PDC鉆頭是以切削方式破碎巖石。能自銳的切削齒在鉆壓的作用下很容易切入地層，在扭矩的作用下向前移動剪切巖石。多個PDC切削齒同時(shí)工作，井底巖石的自由面多，巖石在剪切作用下也容易破碎，因此破巖效率高，鉆進(jìn)速度快。

      3）PDC鉆頭的正確使用

     PDC鉆頭在大段均質(zhì)的軟到中硬地層中使用效果最好。不適合鉆礫石層和軟硬交錯地層。

     采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)，鉆頭使用效果好。

     鉆頭下井前，井底要清潔，確保無金屬落物。

     鉆頭剛下井時(shí)，要采用小鉆壓和低轉(zhuǎn)速跑和，待形成井底后恢復(fù)正常鉆進(jìn)。

     PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆井。