钻头与钻具设计制造新工艺新技术
石油钻井工艺技术
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-井口工具-B型钳
5、B型吊钳保养与维护 ①钳柄应无裂纹或焊缝；尾桩销及方头螺钉应齐全完好；钳 尾绳尺寸应符合标准，且无打结或严重断丝，两端紧固牢靠。 ②钳头上的各扣合钳开合灵活，扣合尺寸与钻具或套管尺寸 相符；轴销不能装反，固定销及背帽应齐全；钳牙及钳牙固 定销齐全，固定牢靠，钳牙磨损严重时应及时更换；扣合弹 簧应是专用部件。 ③吊钳水平度应合适。吊钳悬空时应水平，若吊钳前后不水 平，可用活动扳手调节吊杆下部的调节螺钉，顺时针转动， 吊钳钳头调高，逆时针转动，吊钳钳头降低；若吊钳左右不 水平，可用活动扳手调节吊杆上部的平衡梁使吊钳绳左右移 动。左低右高时让吊钳绳左移，反之，向右移。
（5）循环系统
固控设备
循环罐
水龙带
二、钻井装备及主要工具
（6）控制系统
司 控 房
二、钻装备及主要工具
2、主要工具-钻头
铣齿钻头
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-钻头
PDC钻头
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-钻头
PDC钻头
二、钻井装备及主要工具
三片卡瓦
多片卡瓦
安全卡瓦
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-井口工具-卡瓦
卡瓦作用、类型、结构 3、结构
铰链销钉 卡瓦手柄
卡瓦体
卡瓦牙
二、钻井装备及主要工具
2、主要工具-井口工具-卡瓦
4、卡瓦规范
（１）型号表示法
• • / • 额定载荷； kN 卡瓦名义尺寸； mm WT 表示钻铤卡瓦 WG 表示套管卡瓦 产品名称 W 表示钻杆卡瓦 例如： WT41/2~6-360表示能卡持114.3～152.4管径，最大载荷为360KN的 钻铤卡瓦。
热熔钻制造技术简介
热熔钻制造技术简介一、热熔钻简介●热熔钻是株洲星火科技开发有限公司(浏阳星火硬质合金钻具厂)引进国外技术的基础上开发的新产品，以其独有的工艺，优质选材，产品远销国内外。
根据客户反馈的情况，使用寿命基本上和进口刀具相当，但具有更高的性价比，是国内品牌的佼佼者。
●热熔钻，改变了传统钻孔、紧固件工序的工艺，使得以往加工过程中的难题——薄板、薄管的攻牙、紧固几秒钟就可以轻松解决，取代钻孔，取代焊接螺母，取代压铆螺母。
热熔钻的钻头采用碳化钨材料，经过最先进的热处理工艺，使钻头能在600度高温和1500-3000转/分钟的高速旋转状态下，保持高硬度、高耐磨性能，经受垂直的强挤压力。
●热熔钻其工作原理：高速旋转的钻头在较高的轴向压力作用下，接触到需要加工的工件材料表面，产生的巨大热量使材料软化并使其上下延展，使材料成型和穿孔。
随着钻头压入材料表面，一些移动的金属在工件的上表面形成了一个环状凸台，其他的金属在工件的下表面形成一个凸起的衬套，这些变化都发生在短短的几秒钟内。
形成的环状凸台和衬套的高度总和超过原材料厚度的三倍，衬套的直径精确地由钻头的圆柱部分来确定。
此加工过程不仅不会破坏金属的内部组织结构，而且会使得形成的圆柱具有非常高的强度，足以用来做轴的支撑部分，如果在钻孔后再加工出螺纹，该螺纹足以承受较大的扭矩和拉力。
二、热熔钻的应用行业●汽车、摩托车、自行车零部件行业●家具、厨具行业●医疗器械、健身器材行业●钣金、空调、散热器行业●五金建材及金属建筑●烟草机械设备●货架、容器行业●游艇制作行业●照明工业●电镀涂装工业●航空航天等三、热熔钻材质的选型热熔钻的硬质合金牌号的选用是根据加工不同工件状况而选用不同的牌号。
可供选用的我公司研发的热熔钻系列牌号较多，常用的几个硬质合金牌号的性能指标四、热熔钻硬质合金的质量控制硬质合金是指至少含有一种金属碳化物组成的烧结复合材料。
碳化钨（WC）,碳化（TiC），碳化（TaC）是常见组份。
pdc钻头4d切削齿技术新发展
79PDC切削齿技术一直在不断发展，近年来在石油行业得到大规模的应用，得益于切削齿生产技术的进步。
国名油井华高公司（NOV）在其ReedHycalog营业中心开发了一条二维和三维的切削齿生产线。
这2条生产线应用公司的PDC切削齿技术和最先进的萃取工艺，制造出了性能优良的切削齿。
二维切削齿设计用于页岩钻井作业，在切削齿非切削的这一面增加了一个大的倒角。
倒角减少了切削齿与钻屑的接触面积，作为流动通道，引导流体进入界面，以帮助破碎岩石。
而三维切削齿则相反，其齿端设计为凿子形，增强了作用于岩石的应力，促使裂缝生成和裂缝延伸。
1 四维切削齿技术的起步根据切削齿-岩石互动模拟经验，以及二维、三维切削齿在实验室和现场测试结果，NOV公司最近开发出造型特殊能适用于更复杂的钻井环境的ION4D系切削齿，见图1。
该系列的切削齿外形为非平面齿构造，齿端为凿子形，而后从齿端逐渐转化为非切割面上的大倒角。
这种切削齿复合了二维、三维切削齿的优势，但在造型上与他们也有相似之处。
如齿端有增强型的三维切削齿特点，在非切削面一侧有改进型二维切削齿的特点。
图1 ION切削齿产品系列在综合利用现有二维和三维切削齿技术优点的基础上 ，设计出的4D系切削齿能适用于更广更复杂的工作环境，比如可以在中等硬度 ～坚硬的易碎砂岩 、中等硬度～坚硬有韧性的灰岩、软而有韧性的盐层、软却韧性极大的页岩中钻井使用。
通过分析和数字化切削齿-岩石互动模拟、无限元分析、计算机模拟流体动态以及在不同岩石（包括灰岩、砂岩、页岩和盐层）上的加压钻井测试等，这款新型切削齿不仅可以大幅提高对岩石的切削效率，同时具有较强的抗磨性。
此外，还专门设计了全面的加压钻井测试（使用8 1/2”PDC 钻头），来评估切削齿对于模拟原始地应力环境下对岩石的破碎性能。
选择了Torrey Buff砂岩、Carthage 大理石、盐岩做测试对象，施加的钻井压力为1，500psi；对于Catoosa页岩，施加的钻井压力为1，800psi。
PDC钻头最新技术的综述
（５）超硬热稳定ＰＤＣ切削齿 最近，ＲｅｅｄＨｙｃａｌｏｇ公司发明了一种超硬热稳定ＰＤＣ切削齿。常 规ＰＤＣ切削齿仅由ＷＣ衬底和优质金刚石层组成，而这种超硬热稳定 ＰＤＣ切削齿是在常规ＰＤＣ切削齿的基础上又增加了一薄层超硬热稳定 金刚石，其耐磨性和抗冲击性都有很大提高，因此扩大了ＰＤＣ钻头的 应用范围，在过去认为不适应ＰＤＣ钻头钻进的地层中取得了良好效 果。在墨西哥北部的Ｂｕｒｇｏｓ盆地的Ｃｕｉｔｌａｈｕａｃ油田和Ｓｉｇｍａ油田，采用 了这种超硬热稳定ＰＤＣ切削齿的φ３１１．１５ｍｍＰＤＣ钻头能够成功地钻 穿 最 高 抗 压 强 度 为 ２ ８０Ｍｐａ的 砾 岩 地 层 ， 在 直 井 中 机 械 钻 速 高 达 １４．９ｍ／ｈ，在定向井中机械钻速达到１３．２ｍ／ｈ，分别比邻井提高８７％和 １１８％， 每米钻井成本分别下降２６％和７４％［３］。 （６）新型套管开窗工具 利用造斜器和套管铣鞋对原有井眼进行侧钻作业，通常是将造斜 器和套管铣鞋组合下至预定井深，套管铣鞋剪断造斜器上的销栓后进 行开窗钻铣。在硬研磨性地层，套管铣鞋的金属切削元件磨穿套管之 后必须起钻更换常规钻头，以钻出一个能够容纳ＢＨＡ的井底口袋。目 前这项操作尤为关键，由于钻井底口袋需要进行一次额外的起下钻， 耗费可能多达十几个小时甚至几十个小时，作业费用必将增加。理想 的工艺是用一趟钻完成开窗铣套管和钻井底口袋作业。最近贝克石油 工具公司和休斯克里斯坦森公司联合开发了一种既可铣套管又可钻地 层的铣钻工具—ＰａｔｈＭＡＫＥＲ，该工具应用了休斯克里斯坦森公司的 Ｇｅｎｅｓｉｓ ＰＤＣ技术，使用了一种特殊的ＰＤＣ切削齿，能对金属和地层 进行有效切削。工具上特别设计的螺旋式布齿减小了钻头振动，而大 流道保证了ＰＤＣ切削齿的冷却效果，进而增大了其耐用性能。因此， 该工具能够在一个行程中同时完成开窗和钻井底口袋两项作业。此 外，这种铣钻工具既适合任何类型的造斜装置，也可以作为一项独立 的技术加以使用。在很多硬地层中，它能够提供比常规硬质合金铣鞋 更大的钻进能力。 （７）新型ＰＤＣ双心钻头 ＲｅｅｄＨｙｃａｌｏｇ公司开发了一种新型小井眼（φ２５０．８ｍｍ或更小） ＰＤＣ双心钻头，目的是改进原有双心钻头、减小其在切线段井斜角下 降、增大抵抗钻柱振动的能力、改善其磨损状况。这种双心钻头由导 眼体、扩眼体和中扩眼体组成，中扩眼体的作用是提高钻头的几何稳 定性。为了使中扩眼体能够在双心钻头上起到应有的作用，就必须保
看世界PDC钻头的最新进展(一)
钻井过程中的技术创新，看世界PDC钻头的最新进展（一）研磨性页岩地层驱使着新钻头的设计，以应对坚硬岩石及高温井的钻探。
在金刚石切削齿与碳化物基岩面相互作用期间，贝克休斯的休斯克里斯滕森Quantec Force强力PDC钻头获得了最佳效果，表现出更高的耐用性和热稳定性，通过获得的有限的切削齿分析，切削刃上的残余应力被迁移。
随着北美油气井页岩层的不断出现，钻头公司迫切地公关，以应对这些地层钻探的挑战并不让人惊讶，对于具体的应用，随之而来的是新钻头的设计，或是改进现有钻头的设计。
一些近期的设计，包括一些应对研磨性地层或高温地层钻井的新切削材料，也有一些8刀翼钻头的外形设计，这些设计都吸收了新切削齿技术和新材料技术，还有一些更新的钻头体材料技术，这些技术都是为了增强钻头的耐用性和提高钻头的性能表现，唯一的目的就是为了降低作业者的钻井成本。
一位服务于Varel国际公司西半球的现场工程经理卡尔罗斯（Karl Rose）说：“在开发钻头切削齿方面，许多钻头技术基本上都是材料技术，使钻头能够承受钻极硬的研磨性地层，切削齿能够在钻硬地层、软地层和夹层地层的变化中不会损坏”。
在钻头本身的材料特性方面也有了新的进展，为了使钻头更加结实和耐用，促使设计者设计出应对更硬地层类型的PDC钻头，罗斯先生说：“随着更坚硬材料的出现，切削齿材料的密度也会增加，使钻头从根本上更加坚韧耐用，这会让作业者在钻硬地层和研磨性地层时，用一只钻头打更多的进尺”。
一位史密斯国际公司的技术支持经理弗莱明克雷格同意说：“切削齿越好，钻头在井里滞留的时间就越长，就能打更多的硬地层和研磨性地层，作业者花费的成本就会越少”。
弗莱明先生说：“我们首先要能让一个切削齿应对更硬和更高研磨性地层，以便能使整个PDC钻头切削齿吃入这些地层，另一方面，钻头的刀翼越多，触到井底的金刚石体就越多”。
然而，弗莱明先生接着又说：“当钻头处于动态稳定的状态时，我们将会停止增加刀翼的数量，史密斯钻头目前就是这样做的，接下来把精力集中在切削齿技术上，不一定要增加更多的刀翼数量”。
螺杆加PDC钻头在钻井技术上的应用
螺杆加PDC钻头在钻井技术上的应用摘要：近几年来，中原工程公司钻井队伍外闯市场的定向井特别是大斜度、大位移定向井日益增多，钻井难度越来越大，对井身质量要求也越来越高，为追求钻井效益最大化，油田要求采用更为先进的定向井井下工具进行开发，通过实际操作我公司在推广应用螺杆加PDC钻头钻井技术上，见到了明显的效果，取得了很大的成功。
关键词：螺杆钻具 PDC钻头双驱钻进1、螺杆加PDC钻头组合钻具的特点螺杆钻具是一种把液体压力转换为机械能的容积式井下动力钻具。
当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时，转子在高压泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转，马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，使钻头破碎地层岩石，从而实现快速高效钻井作业，提高钻井实效的目的。
1.1、螺杆钻具的组成与工作原理：螺杆钻具由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成组成。
其工作原理是：（1）、旁通阀总成的工作原理。
是在泥浆流量达到说明书推荐最小流量以前的某个流量时，该流量经阀芯内孔在孔两端产生压力差。
上端压力大于下端压力，此压力差克服弹簧力把阀芯压下，旁通孔被关闭。
此时泥浆流经马达，把压力能转换为机械能。
地面停泵或流量值过小，压力差不足以克服弹簧力，弹簧把阀芯顶起，旁通孔关闭。
总之，正常情况下旁通阀的启闭完全由流量大小决定的。
（2）、马达总成的工作原理：由转子和定子两部分组成。
转子是一根经过加工并有耐磨抗腐蚀镀层的左旋螺杆。
定子是在经过机械加工的钢管内壁上有用特制的压胶芯轴压铸并粘牢的丁晴橡胶，它耐磨并抗碳氢化合物。
在转子装入定子后，任意截取一个垂直于轴线的截面，它们两者均是共轭啮合的，因此，绕轴线的左旋螺杆上有一系列啮合点，这些啮合点封闭起来的容腔组成一个密封腔，而且此容腔体积是一定的。
随着螺杆在定子中的运动，逐步沿轴向下移动，把完成能量转换的泥浆由低压腔排出马达。
这就是螺杆马达的基本工作原理。
根据马达的头数钻具可分为高速、中速、低速。
国内外ＰＤＣ_钻头新进展与发展趋势展望
◀钻井技术与装备▶国内外ＰＤＣ钻头新进展与发展趋势展望∗呼怀刚１ꎬ２㊀黄洪春１ꎬ２㊀汪海阁１ꎬ２㊀李忠明３㊀席传明４㊀武强１ꎬ２㊀刘力１ꎬ２(１ 中国石油集团工程技术研究院有限公司㊀２ 油气钻完井技术国家工程研究中心３ 中国石油集团川庆钻探工程有限公司新疆分公司㊀４ 新疆油田公司工程技术研究院)呼怀刚ꎬ黄洪春ꎬ汪海阁ꎬ等.国内外ＰＤＣ钻头新进展与发展趋势展望[Ｊ].石油机械ꎬ２０２４ꎬ５２(２):１－１０.ＨｕＨｕａｉｇａｎｇꎬＨｕａｎｇＨｏｎｇｃｈｕｎꎬＷａｎｇＨａｉｇｅꎬｅｔａｌ.ＮｅｗｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓｏｆＰＤＣｂｉｔｓｉｎＣｈｉｎａａｎｄａｂｒｏａｄ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２４ꎬ５２(２):１－１０.摘要:ＰＤＣ钻头近年来发展迅速ꎮ为了能够及时掌握ＰＤＣ钻头的最新进展ꎬ系统梳理了国内外油气井用ＰＤＣ钻头新进展ꎬ介绍了中国石油在新型钻头研发与应用方面的工作ꎬ进一步阐述了国内ＰＤＣ钻头研发面临的形势与挑战ꎬ展望了油气井用ＰＤＣ钻头发展新趋势ꎮ研究结果表明:在油气资源勘探向着万米深层进军的大背景下ꎬ仍然面临地层可钻性差导致钻头破岩效率低㊁砾石层引起钻头振动先期损坏㊁大尺寸井眼钻井周期长等严峻挑战ꎬ技术与材料革新型高效钻头㊁混合式钻头㊁自适应钻头等能够明显提高钻进效率延长钻头寿命ꎻ智慧钻头所能提供的丰富井下数据能够提高对于深部破岩机理㊁岩石物性的认知ꎬ对于进一步优化钻头结构㊁识别可能存在的油气储层等具有重要的意义ꎮ应积极借鉴和移植这些成果ꎬ尽早研发出适用于深部油气勘探或深地科学钻探等领域的高端耐用钻头ꎮ研究结果可为高端ＰＤＣ钻头国产化㊁系列化工作和相关从业人员提供借鉴ꎮ关键词:ＰＤＣ钻头ꎻＰＤＣ复合片ꎻ混合式钻头ꎻ自适应钻头ꎻ智能钻头ꎻ国产化中图分类号:ＴＥ９２１㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２４ ０２ ００１ＮｅｗＰｒｏｇｒｅｓｓａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄｓｏｆＰＤＣＢｉｔｓｉｎＣｈｉｎａａｎｄＡｂｒｏａｄＨｕＨｕａｉｇａｎｇ１ꎬ２㊀ＨｕａｎｇＨｏｎｇｃｈｕｎ１ꎬ２㊀ＷａｎｇＨａｉｇｅ１ꎬ２㊀ＬｉＺｈｏｎｇｍｉｎｇ３ＸｉＣｈｕａｎｍｉｎｇ４㊀ＷｕＱｉａｎｇ１ꎬ２㊀ＬｉｕＬｉ１ꎬ２(１ ＣＮＰＣＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲ＆ＤＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎻ２ ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＯｉｌ＆ＧａｓＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＣｏｍｐｌｅｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻ３ ＣＣＤＣＸｉｎｊｉａｎｇＢｒａｎｃｈＣｏｍｐａｎｙꎻ４ ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＸｉｎｊｉａｎｇＯｉｌｆｉｅｌｄＣｏｍｐａｎｙ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＰＤＣｂｉｔｓｈａｖｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｒａｐｉｄｌｙｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ.ＴｈｅｎｅｗｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆＰＤＣｂｉｔｓｕｓｅｄｉｎｏｉｌａｎｄｇａｓｗｅｌｌｓｉｎＣｈｉｎａａｎｄａｂｒｏａｄｗａｓｒｅｖｉｅｗｅｄꎬａｎｄＣＮＰＣ ｓｅｆｆｏｒｔｓｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎｅｗｂｉｔｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏ￣ｄｕｃｅｄ.ＦｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅꎬｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｆｏｒＰＤＣｂｉｔｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａｗｅｒｅｅｌａｂｏｒａｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｎｅｗｔｒｅｎｄｓｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰＤＣｂｉｔｓｗｅｒｅｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｏｉｌａｎｄｇａｓｒｅｓｏｕｒｃｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｄｖａｎｃｉｎｇｔｏｗａｒｄｓａｄｅｐｔｈｏｆｔｅｎｓｏｆｔｈｏｕｓａｎｄｓｏｆｍｅｔｅｒｓꎬｔｈｅｒｅａｒｅｓｔｉｌｌｓｅｒｉｏｕｓｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｓｕｃｈａｓｌｏｗｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｂｉｔｓｄｕｅｔｏｐｏｏｒｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｒｉｌｌａｂｉｌｉｔｙꎬｅａｒｌｙｄａｍａｇｅｏｆｂｉｔｓｃａｕｓｅｄｉｔｓｓｈａｋｉｎｇｂｙｇｒａｖｅｌｌａｙｅｒｓａｎｄｌｏｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｃｙｃｌｅｓｏｆｌａｒｇｅ￣ｓｉｚｅｄｗｅｌｌｂｏｒｅｓ.Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｉｎｎｏ￣１ ㊀２０２４年㊀第５２卷㊀第２期石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀㊀㊀∗基金项目:中国石油天然气集团有限公司前瞻性基础性技术攻关项目 深井超深井优快钻井技术研究 (２０２１ＤＪ４１０１)ꎻ中国石油天然气集团有限公司关键核心技术攻关项目 万米超深层油气资源钻完井关键技术与装备研究 (２０２２ＺＧ０６)ꎻ油气钻完井技术国家工程研究中心基金项目 基于破岩过程扭矩自适应控制的井下减振提速机理研究 ꎻ中国石油集团直属院所项目 高温高压下ＰＤＣ钻头切削齿破岩系统研制 (ＣＰＥＴ２０２２－１０Ｓ)ꎮｖａｔｉｏｎｔｙｐｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｉｔｓꎬｈｙｂｒｉｄｂｉｔｓａｎｄａｄａｐｔｉｖｅｂｉｔｓｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｂｉｔｌｉｆｅ.Ｔｈｅａｂｕｎｄａｎｔｄｏｗｎｈｏｌｅｄａｔａｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｓｍａｒｔｂｉｔｓｃａｎｅｎｈａｎｃｅｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｄｅｅｐｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｒｏｃｋｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎬａｎｄｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｂｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｉｌａｎｄｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｈｙｂｒｉｄꎬａｄａｐｔｉｖｅａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｂｉｔｓｓｈｏｕｌｄｂｅａｃｔｉｖｅｌｙｕｓｅｄｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｔｒａｎｓｐｌａｎ￣ｔｅｄꎬｓｏａｓｔｏｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｄｅｖｅｌｏｐｈｉｇｈ￣ｅｎｄｄｕｒａｂｌｅｂｉｔｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｄｅｅｐｏｉｌａｎｄｇａｓｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｒｄｅｅｐｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｄｒｉｌｌｉｎｇａｓｓｏｏｎａｓｐｏｓｓｉｂｌｅ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｎｄｉｎｇｓｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｅｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ￣ｅｎｄＰＤＣｂｉｔｓａｓｗｅｌｌａｓｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＰＤＣｂｉｔꎻＰＤＣｃｏｍｐａｃｔꎻｈｙｂｒｉｄｂｉｔꎻａｄａｐｔｉｖｅｂｉｔꎻｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｂｉｔꎻｈｏｍｅｍａｄｅ０㊀引㊀言油气钻井自ＰＤＣ钻头成功应用以来发生了 天翻地覆 的变化ꎬ尤其是经过诸如能显著提高抗研磨性和抗冲击性的聚晶金刚石复合层㊁增强金刚石层与硬质基底黏结强度的非平面界面技术ꎬ减轻扭转冲击的抗回旋技术ꎬ提高复合片热稳定性的滤钴工艺㊁基于计算流体力学的水力学优化㊁计算机辅助建模㊁基于大数据的钻头选型和个性化设计㊁智能制造技术等的创新技术[１－４]ꎮ近年来ＰＤＣ钻头发展极其迅速ꎬ其钻进性能和类型品种等已基本满足油气钻井的需求ꎬ且已占近８０％的世界油气市场份额ꎬ世界钻井总进尺数占比更是超过了９０％ꎬ但其仍有进一步改进提高的空间[５]ꎮ为了满足现代油气大位移井㊁长水平段水平井以及超深井的需求ꎬ各石油公司与科研院所都积极在诸如ＰＤＣ切削齿的材质㊁形状㊁加工工艺及其在钻头上的配置ꎬ钻头结构㊁水力学㊁切削原理和制造工艺等方面深入探索ꎮＰＤＣ钻头因在材料和切削原理上的局限性ꎬ对于深井中坚硬地层㊁强研磨性地层㊁软硬互层及砾石层㊁地热井钻进终归不能完全胜任ꎮ对上述难钻地层ꎬ除应用金刚石钻头外ꎬ近年来诞生的技术和材料革新型钻头㊁混合式钻头以及智能化钻头等都是重要的选择和开拓[６－８]ꎮ笔者从国内国外两方面梳理了近年来出现的新型钻头ꎬ介绍了新型钻头的结构特征㊁工作原理和应用状况等ꎬ分析了国内油气井用ＰＤＣ钻头研发所面临的挑战ꎬ进而对油气井用ＰＤＣ钻头的研发趋势进行了展望ꎬ以期为高端ＰＤＣ钻头的国产化㊁系列化工作和相关从业人员提供借鉴ꎮ１㊀国外油气井用ＰＤＣ钻头发展概况１ １㊀技术㊁材料革新型高效钻头近年来ꎬＮＯＶ公司推出了ＨｅｌｉｏｓＩｍｐａｃｔ(见图１ａ)与ＩＯＮ＋Ａｌｐｈａ切削齿技术(见图１ｂ)ꎬ将上述切削齿配置于不同的钻头并且针对不同区域进行相应的技术升级ꎬ形成了诸如用于地热钻井Ｐｈｏｅｎｉｘ钻头系列(见图２ａ)㊁与水力剪切喷嘴配合用于强化岩石剪切损伤的Ｔｅｋｔｏｎｉｃ钻头系列(见图２ｂ)㊁用于美国市场的Ｐｕｒｓｕｉｔ钻头系列(见图２ｃ)等ꎮ上述钻头在钻进硬岩与研磨性地层时热稳定性㊁抗研磨性㊁抗冲击性及导向性等方面有明显提升ꎬ成功应用于美国㊁拉丁美洲㊁印度尼西亚等地区的油气田ꎮＳｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ公司通过本身的技术积淀及收购ＳｍｉｔｈＢｉｔ公司积累了大量的切削齿㊁新材料和钻头的专利技术ꎬ例如ＯＮＹＸ３６０Ｒｏｌｌｉｎｇ㊁ＡｘｅＢｌａｄｅＥｌｅｍｅｎｔ㊁ＳｔｉｎｇｅｒＥｌｅｍｅｎｔ㊁ＨｙｐｅｒＢｌａｄｅ切削齿专利(见图１ｃ~图１ｆ)㊁增强切削齿强度及攻击性的Ａｅ￣ｇｉｓ超级涂层技术(见图１ｇ)ꎮ采用上述先进切削齿技术的ＦｉｒｅＳｔｏｒｍ/ＳＨＡＲＣ/Ａｅｇｉｓ/Ｓｐｅａｒ系列钻头(见图１㊁图２ｄ~图２ｆ)㊁扩孔钻头和空气锤等特殊用途钻头ꎬ在油气钻井中得到了广泛的应用ꎬ能够以较高的钻进效率和工作寿命钻进某些硬岩和研磨性地层等[９－１３]ꎮＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ在２０１７年推出了２款新型切削齿ꎬＣｒｕｚｅｒ旋转吃深控制单元用于常规固定齿钻头ꎬ降低破岩扭矩和钻头摩阻㊁减少钻进过程中热量的产生㊁强化钻进性能ꎬ在长水平段Ｓ形井眼轨迹中展现了较好的效果[１４](见图２ｇ)ꎻＧｅｏｍｅｔｒｉｘ４ＤＣｕｔ￣ｔｅｒｓ通过对切削齿结构进行优化设计ꎬ使其在降低摩阻㊁促进岩屑排出㊁降低切削齿热降解方面具有较大的优势(见图１ｈ)ꎮ应用在墨西哥湾花岗岩－页岩地层中ꎬ机械钻速翻倍ꎬ同时最大化降低了金刚石材料的热降解ꎮＢａｋｅｒＨｕｇｈｅｓ基于所研发的能够适用于砾石层㊁夹层中的ＳｔａｙＴｕｒｅ切削元件和抗磨损且保持自锐的ＳｔａｙＣｏｏｌ切削齿(见图１ｉ㊁图１ｊ)ꎬ推出了Ｄｙｎａｍｕｓ抗涡动钻头系列(见图２ｈ)ꎬ能够明显缩短定向井滑动钻进时间ꎬ提高整体机械钻速和井身质量ꎬ实现较少的起下钻次数ꎬ提高钻头机械能量２ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第２期利用率ꎮ为了满足特殊工艺井㊁特殊区域㊁特殊层位的要求ꎬ特别在大位移井㊁水平井㊁非常规油气井㊁地热井等发挥钻头的最大效能ꎬ减少钻头失效情况的发生ꎬ延长钻头寿命并降低钻井成本ꎬ各石油公司推出了诸多个性化定制的新型钻头ꎬ并形成了各自的产品系列ꎮ如能提高水力能量利用率的Ｓｐｌｉｔ￣Ｂｌａｄｅ钻头(见图２ｉ)㊁减轻横向振动的Ｃｏｕｎｔｅｒ￣Ｆｏｒｃｅ钻头(见图２ｊ)㊁用于定向井造斜的ＥＶＯＳＰＤＣ钻头(见图２ｋ)㊁适用于旋转导向钻井的ＬｙｎｇＰＤＣ钻头㊁ＳｅｅｋｅｒＰＤＣ钻头(见图２ｌ)等ꎬ均取得了良好的效果[１５－１８]ꎮ图１㊀新型切削齿技术Ｆｉｇ １㊀Ｎｅｗｃｕｔｔｅｒｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ图２㊀基于技术＆材料革新的新型钻头Ｆｉｇ ２㊀Ｎｅｗｂｉｔｓｂａｓｅｄｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ３ ２０２４年㊀第５２卷㊀第２期呼怀刚ꎬ等:国内外ＰＤＣ钻头新进展与发展趋势展望㊀㊀㊀１ ２㊀混合式钻头针对ø３１１ｍｍ及更大直径井段增多致使全井钻井周期和钻井成本增加这一问题ꎬ胜利钻井工艺研究院曾进行了双级ＰＤＣ钻头的相关理论与试验研究(见图３ａ)ꎬ但限于切削齿材料㊁加工工艺㊁钻头寿命等限制并未大规模推广ꎮ２０１１年ＢａｋｅｒＨｕｇｈｅｓ推出了ＰＤＣ钻头与牙轮钻头组合的ＫｙｍｅｒａＭａｃｈ和ＫｙｍｅｒａＸｔｒｅｍｅ混合式钻头(见图３ｂ)ꎬ主要针对深井硬地层㊁砾石层和软硬互层等可能产生严重黏滑振动的地层ꎬ借助于牙轮钻头侵入能力和ＰＤＣ钻头高效剪切作用ꎬ提高钻头破岩效率㊁降低可能出现的ＰＤＣ复合片的冲击损伤㊁提高定向井中钻头的定向能力等ꎬ在中国㊁美国㊁加拿大等地的油田应用ꎬ均取得了良好的效果[１９－２０]ꎮ２０１２年ＮＯＶ公司针对坚硬火成岩地层井段研发了ＳｐｅｅｄＤｒｉｌｌ同心双径ＰＤＣ钻头(见图３ｃ)ꎬ与低速高扭动力钻具配合使用ꎬ钻进包含火成岩地层在内的整个井段ꎬ能够明显提高钻进效率ꎬ定向钻进过程中轨迹控制较为理想ꎬ达到了预期效果[２１]ꎮ２０１３年ＮＯＶ公司推出ＦｕｓｅＴｅｋ混合式钻头(见图３ｄ)ꎬ针对中硬－坚硬和强研磨性地层ꎬ结合ＰＤＣ切削齿的高剪切性能与孕镶块的强抗研磨性ꎬ在中国㊁非洲㊁北美等地进行了大量应用ꎬ与常规ＰＤＣ钻头或牙轮钻头相比ꎬ能够明显提高钻进效率ꎬ钻头进尺也增加了１~３倍[２２]ꎮ２０１４年ＳｈｅａｒＢｉｔｓ公司推出Ｐｅｘｕｓ混合式钻头(见图３ｅ)ꎬ将硬质合金齿与ＰＤＣ复合片有机结合ꎬ当钻遇井段上部砾石层时利用可转动硬质合金齿侵入地层形成破碎坑ꎬ降低后排ＰＤＣ切削齿剪切破岩的难度ꎻ在钻遇下部较软的砂岩和页岩时ꎬ则主要依靠ＰＤＣ复合片进行大体积剪切破碎ꎮ在加拿大冰川冰碛物中应用ꎬＰｅｘｕｓ混合式钻头完整钻穿冰碛物地层[２３－２４]ꎮ２０１９年Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司推出了Ｃｒｕｓｈ＆Ｓｈｅａｒ混合式钻头(见图３ｆ)ꎬ将传统ＰＤＣ钻头高效破岩的能力与滚动元件降低破岩扭矩的特点有机结合ꎬ２种切削结构显著增强了钻头在软硬互层或过渡性地层中的破岩稳定性ꎬ钻进效率大幅提升ꎮ钻头在白俄罗斯某定向井中成功钻穿塑性页岩地层ꎬ一趟钻实现进尺１８４１ｍꎬ平均机械钻速２３ ７ｍ/ｈ[２５]ꎮ图３㊀新型混合式钻头Ｆｉｇ ３㊀Ｎｅｗｈｙｂｒｉｄｂｉｔｓ１ ３㊀智能化钻头２０１７年ＢＨＧＥ油气公司发布的ＴｅｒｒＡｄａｐｔ智能钻头可根据持续变化的地层特征自动调节钻头的切削深度(ＤＯＣ)ꎬ在提高机械钻速的同时减缓黏滑现象ꎬ克服了常规ＰＤＣ钻头切削深度控制的局限性(见图４ａ)ꎮ可调节的ＤＯＣ控制单元收缩特性避免了切削齿对地层的过度切削ꎬ从而防止黏滑现象导致的钻头过早失效ꎮø２１５ ９ｍｍＴｅｒｒＡｄａｐｔ智能钻头的现场试验结果证实该钻头可以有效抑制黏滑振动ꎬ拓宽了钻头稳定钻进的使用参数范围ꎬ提高了钻进效率[２６－２７]ꎮ２０１８年Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司推出了概念产品Ｃｅｒｅ￣ｂｒｏＦｏｒｃｅ自动感知钻头(见图４ｂ)ꎬ通过在钻头内部设置多种传感器实现钻头工况数据的实时采集ꎬ以减少地面数据测量的不确定性ꎮ该钻头井下所能获取的数据包括:振动㊁钻压㊁扭矩及液体压力４ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第２期等ꎬ使得地面操作人员可以对钻头在井下的实际工况进行充分的掌握ꎬ从而对钻进参数等进行实时调节ꎬ最大化钻进效率[２８]ꎮ２０２０年ＮＯＶ提出了通过水力参数来实现钻头切削结构或者吃入深度控制单元对地层特征的 智能适应 ꎬ并初步研发出Ｓｍａｒｔ￣ａｄａｐｔｉｖｅ钻头(见图４ｃ)ꎮ该钻头的设想是在钻进上下不同地层时可以实现刀翼数量的自动或人为控制ꎬ从而减少不必要的起下钻次数ꎬ为此ＮＯＶ公司设计出了工业样品ꎬ其实际效果有待进一步现场验证[２８]ꎮ２０２１年ＮＯＶ公司推出了一款ＢｉｔＩＱ钻头传感器ꎬ通过将传感器安装在ＰＤＣ钻头接头处(见图４ｄ)ꎬ可以实现对钻头振动(包括轴向㊁横向和切向振动ꎬ量程为ʃ１２０Ｇ)㊁井底温度(０~１２５ħ)及钻头转速(ʃ６６６ｒ/ｍｉｎ)在内的信息进行高频率(采样频率１２８Ｈｚ)测量㊁存储和数据统计ꎬ安装与操作较为简单ꎬ无需再经常安排额外操作人员ꎮ起钻后ꎬ使用专用手机应用对传感器存储数据进行下载并上传至云端系统进行数据处理ꎬ通过自动生成的分析报告ꎬ可以获得钻头磨损情况与井下振动之间的相关性ꎬ为后续钻头优化设计㊁提高钻头性能提供数据支撑ꎮ图４㊀智能化钻头Ｆｉｇ ４㊀Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｂｉｔｓ２㊀国内油气井用ＰＤＣ钻头发展概况国内新型钻头的研发路线如下ꎮ①基于改变钻头井底的射流形式进而提高辅助破岩效果ꎬ有自激共振式钻头㊁空化射流钻头㊁脉冲空化多孔射流钻头㊁自旋式喷嘴射流钻头等ꎮ②通过设计并改变常规ＰＤＣ钻头的切削结构ꎬ使钻头在井底的破岩方式发生变化ꎻ或者通过钻进过程中改变井底应力状况ꎬ降低岩石的抗钻特性ꎬ进而达到提高破岩效率的目的ꎮ有差压步进式钻头㊁微心钻头㊁旋切模块式钻头和环脊式ＰＤＣ钻头等ꎮ③集井下数据采集和钻头动态行为监测为一体的智能钻头ꎬ将 黑匣子 (传感器)布置在钻头本体上ꎬ用于实时监测钻头的钻压㊁扭矩㊁转速㊁加速度㊁冲击载荷以及井底温度等信息ꎬ国内中石油工程院㊁胜利钻井工艺研究院等单位均开展了相关研究ꎬ开发的样机已初步进行了现场试验ꎬ达到了预期的目的ꎮ２ １㊀新型射流式ＰＤＣ钻头国内部分研究团队在自激振荡(水力脉冲空化射流)理论与应用方面做了大量的工作[２９－３０]ꎬ空化射流的产生是基于在钻头上部(内部)添加自激振荡工具或结构ꎬ使用空化射流喷嘴或者脉冲空化射流耦合发生器ꎬ利用瞬态流和水声学原理调制射流流场ꎬ使射流剪切涡脱落㊁演化ꎬ发展成为大尺度涡环结构ꎬ诱导空化的发生ꎮ现阶段所研发的空化射流ＰＤＣ钻头㊁脉冲空化多孔射流钻头也是基于上述原理ꎬ当流场中的空化气泡发生溃灭时会释放高温高压冲击波ꎬ进而提高空化射流的冲蚀性能ꎬ现场应用机械钻速平均提高３０％~４０％ꎮ２ ２㊀结构创新型ＰＤＣ钻头近年来ꎬ国内石油高校㊁企业加大了对于新型结构钻头的创新力度ꎬ从破岩方法㊁破岩机理[３１－３３]上做了诸多有益的探索ꎮ中国石油大学(华东)与中石油工程院在深井大尺寸井眼段长度增加㊁可钻性变差㊁常规ＰＤＣ钻头钻速低㊁提速难的背景下ꎬ从降低深井岩石抗钻强度㊁增强钻头攻击能量２个角度出发ꎬ共同研发了一种自适应同心双径的ＰＤＣ钻头(命名为差压步进式钻头)[３４](见图５ａ)ꎮ室内试验与理论计算结果均表明ꎬ该钻头能够明显提高机械钻速(提速幅度为６８％~３３０％)ꎬ在较小的破岩扭矩增加(增加６９％)的情况下实现钻速的大幅度提升(提高２８０％)ꎮ同时弹性元件的存在使得钻压在领扩眼钻头之间可以自适应分配ꎬ提高了破岩能量利用率ꎬ进而最大化钻头的破岩效率[３５]ꎮ为了使常规ＰＤＣ钻头在深部难钻地层中的机械钻速有进一步的提升ꎬ中石油工程院研发了一种５ ２０２４年㊀第５２卷㊀第２期呼怀刚ꎬ等:国内外ＰＤＣ钻头新进展与发展趋势展望㊀㊀㊀含亥姆霍兹共振腔的自激共振式钻头(见图５ｂ)ꎬ该钻头水力激振腔引发的超高频振动能够使钻头与所钻地层之间发生共振ꎬ进而降低岩石强度㊁提高破岩效率ꎮ室内试验中平均机械钻速较常规ＰＤＣ钻头提高８０％以上ꎮ为解决普通ＰＤＣ钻头形成的岩屑细碎㊁无法满足岩屑录井要求ꎬ胜利钻井工艺研究院㊁西南石油大学分别研发了一款微心ＰＤＣ钻头[３６－３７]ꎮ此类微取心ＰＤＣ钻头取消了常规ＰＤＣ钻头心部的主切削齿ꎬ设置特殊的水力结构ꎬ使钻头心部在钻进过程中形成一定直径的竖直岩心并适时折断ꎬ通过负压抽吸作用将断的微岩心从钻头体内部流道带离井底ꎮ室内及现场试验结果表明ꎬ该钻头采集的岩心以柱状为主ꎬ岩性的完整性和采集率较高ꎬ可以代替牙轮钻头在岩屑录井井段使用ꎮ中国石油大学㊁西南石油大学等相关学者从破岩方式上对常规ＰＤＣ钻头做了有益的探索与改进ꎬ研发了刮刀轮式[３８]㊁旋转模块式[３９]㊁旋切式[４０]㊁环脊式[４１]ＰＤＣ钻头ꎮ此类钻头在常规ＰＤＣ钻头的基础上加装了旋转切削模块(见图５ｃ)ꎬ与固定式ＰＤＣ切削齿 交叉刮切 破碎岩石ꎬ期望旋转切削模块中切削单元轮流工作方式能够提高钻头的整体破岩效率ꎮ环脊式ＰＤＣ钻头(见图５ｄ)则是在钻头的布齿区域内ꎬ至少有一个不设置主切削齿的环形空白带(简称 环带 )ꎬ且在刀翼的环带相应位置处开设周向贯通的凹槽ꎬ在凹槽底面或侧面可设置二级切削齿ꎮ目前ꎬ该类钻头多处于概念设计㊁室内测试阶段ꎬ距现场应用尚有较大距离ꎮ图５㊀结构创新型ＰＤＣ钻头Ｆｉｇ ５㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｎｎｏｖａｔｉｖｅＰＤＣｂｉｔｓ２ ３㊀中石油新型ＰＤＣ钻头的应用情况依托中石油工程院休斯顿研发中心ꎬ在宝石机械㊁渤海中成㊁川庆钻探㊁长城钻探等生产单位的大力协作下ꎬ通过 十三五 持续攻关ꎬ中石油形成了从复合片材料及加工工艺㊁ＰＤＣ钻头设计加工及应用一体化的专有技术[４２]ꎮ为解决砂砾岩㊁火山岩㊁灰岩㊁云岩㊁燧石等难钻地层提速瓶颈问题ꎬ中石油休斯顿研究中心突破金刚石复合片选粉处理工艺㊁粉料封装工艺以及深度脱钴工艺ꎬ形成了硬质合金基体(见图６ａ㊁图６ｂ)设计与试验评价方法ꎬ并首创三维凸脊形非平面齿(见图６ｃ)ꎬ抗冲击性由３００Ｊ提升至４００Ｊ以上ꎬ较常规平面ＰＤＣ切削齿抗冲击性能提高９倍以上㊁断裂韧性提高４０％ꎻ脱钴深度由４００~６００μｍ提升至８００~１２００μｍꎬ通过全角度脱钴ꎬ切削齿的抗研磨性和热稳定性得到了全面提升ꎬ延长钻头使用寿命ꎮ基于性能优异的非平面切削齿研发了３个系列１１种尺寸２２个型号的ＰＤＣ钻头产品(见图６ｄ)ꎬ在新疆㊁塔里木㊁西南㊁大庆等油田复杂难钻地层现场应用１０００余井次ꎬ平均进尺和机械钻速提高２９％和５７％以上ꎬ屡创国内五大盆地多项新的钻井纪录ꎮ图６㊀中石油研发的高效异形ＰＤＣ切削齿及Ｔｒｉｄｏｎ系列ＰＤＣ钻头Ｆｉｇ ６㊀Ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｓｐｅｃｉａｌ￣ｓｈａｐｅｄＰＤＣｃｕｔｔｅｒｓａｎｄＴｒｉｄｏｎＰＤＣｂｉｔｓｏｆＣＮＰＣ ６ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第２期㊀㊀中国石油针对不同区块㊁不同井型㊁不同地层㊁不同井段实施 一井一策ꎬ一层一策 的个性化钻头设计与应用方案ꎮ中石油工程院与渤海装备联合研制的川渝页岩气㊁玛湖致密油水平段专用ＰＤＣ钻头(见图７ａ㊁图７ｂ)ꎬ通过复合片深度脱钴与优选㊁刀翼和布齿优化等设计ꎬ显著提高了钻头的攻击和导向性能ꎮ现场应用３０余井次ꎬ在川渝页岩气井钻进ꎬ平均单趟进尺１０００ｍ以上ꎻ在玛湖区块玛ＸＸＸ井乌尔禾组地层钻进ꎬ单趟进尺３２５ｍꎬ平均机械钻速５ｍ/ｈꎬ与进口ＰＤＣ钻头相当ꎮ川庆钻探公司针对川渝页岩气三开可钻性差的难题ꎬ研发了混合布齿㊁常规螺杆专用和旋转导向专用的系列个性化ＰＤＣ钻头(见图７ｃ㊁图７ｄ)ꎬ其中常规螺杆专用钻头的平均机械钻速和单趟进尺分别为７ ７ｍ/ｈ和５１０ｍꎬ同比提高１１ ４％和１８ ５％ꎬ单只钻头的最高进尺达１２８８ｍꎻ旋转导向专用钻头的平均机械钻速和单趟进尺分别为１１ ６ｍ/ｈ和１０９３ｍꎬ同比提高４３％和４８％ꎬ单只钻头的最高进尺１５８６ｍꎮ宝鸡石油机械有限责任公司研制的ＰＤＣ－牙轮复合钻头ꎬ规格在ø１４９ ２~ø４４４ ５ｍｍ(ø５ ~ø１７⅟ ｉｎ)之间ꎬ在川渝㊁松辽盆地等难钻地层累计应用２８６只ꎬ与ＰＤＣ钻头相比ꎬ钻头进尺和平均机械钻速分别提高２０％~１０８％和１０％~７５％ꎮ图７㊀中石油部分专打ＰＤＣ钻头Ｆｉｇ ７㊀ＰＤＣｂｉｔｓｆｏｒｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｏｆＣＮＰＣ３㊀国内ＰＤＣ钻头研发面临挑战３ １㊀油气勘探所面临的形势随着塔里木盆地大北㊁博孜㊁克深㊁顺北超深层ꎬ准噶尔盆地南缘深层超深层㊁玛湖吉木萨尔页岩油气ꎬ四川盆地川东㊁川西北㊁川中古隆起北斜坡ꎬ大庆古龙页岩油气等一大批大油田的发现ꎬ 十四五 及今后若干年增储上产的重点仍然是深层超深层ꎮ而在上述地层中钻进依然面临地层可钻性差导致的破岩效率低㊁砾石层及软硬交互地层引起钻头振动造成先期损坏㊁深井大尺寸井眼钻井周期长㊁钻头用量大等严峻挑战ꎮ例如川西地区的须家河组㊁二叠系等地层可钻性差８~１０级㊁研磨性强８~１０级ꎬ金宝石组石英含量高达９０％以上ꎬ钻头破岩效率较低ꎬ吴家坪组－栖霞组机械钻速仅１ ２９ｍ/ｈꎬ钻头进尺小于６０ｍꎻ大庆深部地层的流纹岩㊁花岗岩㊁砾岩等难钻地层ꎬ可钻性达８~１０级ꎬ钻头钻进过程振动剧烈且频繁ꎬ平均进尺５６ｍꎬ机械钻速１ ３０ｍ/ｈꎬ单井钻头用量大(水平井平均用量３６只ꎬ直井１０只)ꎻ库车山前地区的砾石层平均段长超５２００ｍꎬ砾石含量高㊁粒径大ꎬ机械钻速平均仅为２ｍ/ｈꎬ巴什基奇克组等复杂地层厚度占全井４％~２１％ꎬ钻时占全井２５％~５１％ꎬ钻头用量占全井４０％~６２％ꎮ３ ２㊀高端钻头研发所面临的瓶颈问题首先是基础学科领域有待进一步突破ꎬ其中新型钻头基体的材料研发㊁金刚石材料与基底的黏结工艺㊁深部高温高压复杂地层钻头与岩石相互作用机理亟需科研攻关ꎮ其次是ＰＤＣ钻头设计㊁模拟㊁加工㊁后评价一体化的智能设计制造技术有待进一步集成升级ꎬ具有特殊工况㊁地层适应性的个性化钻头模块化设计软件㊁性能模拟与磨损预测软件㊁五轴数控加工与自动化检测平台等方面亟待优化升级和功能开发ꎮ再次是钻头创新研发与应用进度尚不匹配ꎬ国内石油高校在新型结构钻头创新㊁理论计算与数值模拟上具有先天性优势ꎬ而国内相关企业则在ＰＤＣ钻头加工生产㊁科学试验㊁产业化应用方面具有得天独厚的有利条件ꎬ两者之间的联通渠道有待进一步加速拓宽ꎬ以发挥各自的比较优势ꎮ最后是国内钻头研发尚需一条或多条明确的开发线路ꎬ多为单点创新性研发ꎬ系统性㊁系列性㊁特殊地层适用性较国外知名钻头公司还有一定的差距ꎮ７ ２０２４年㊀第５２卷㊀第２期呼怀刚ꎬ等:国内外ＰＤＣ钻头新进展与发展趋势展望㊀㊀㊀４㊀结论与展望(１)将ＰＤＣ切削齿与其他类型切削元件进行有机结合㊁在结构参数和材料等方面进行不同组合的混合式钻头已成为国际上油气井钻头发展的重要趋势之一ꎮ(２)以ＢＨＧＥ油气公司ＴｅｒｒＡｄａｐｔ智能钻头为代表ꎬ通过对切削结构或吃深控制单元进行自动控制ꎬ在抑制黏滑振动和减小钻头冲击损坏方面表现出色ꎬ也逐渐成为油气井用钻头的研发方向之一ꎮ(３)以Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司的ＣｅｒｅｂｒｏＦｏｒｃｅ自动感知钻头为代表ꎬ将信息采集传感器集成于钻头内ꎬ实现井下工况的实时监测与反馈ꎮ随着科技与材料科学的进一步发展ꎬ智能感知钻头终将普遍用于油气行业ꎬ实现基于测量信息的钻进过程实时优化㊁信息存储用于钻后分析ꎮ钻头供应商需要与钻井承包商深度合作ꎬ甄别井底所获取的信息哪些具有较大的价值ꎬ并将上述数据以最快的速度发挥其最大的价值ꎮ(４)钻头的个性化设计始终是深部复杂地层提高破岩效率㊁长水平段水平井实现 一趟钻 目标的必然选择与要求ꎮ针对细化的区块㊁工况㊁地层等大力实施 一井一策ꎬ一层一策 的个性化钻头设计与应用方案ꎻ同时ꎬＰＤＣ钻头研发也应与配套钻井工艺㊁钻井工具㊁导向工具集成化服务相结合ꎬ以最大化钻头与底部钻具的组合潜能ꎬ尽可能实现不同复杂地层中的一趟钻完钻ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀左汝强.国际油气井钻头进展概述(一):Ｋｙｍｅｒａ组合式(Ｈｙｂｒｉｄ)钻头系列[Ｊ].探矿工程(岩土钻掘工程)ꎬ２０１６ꎬ４３(１):４－６.ＺＵＯＲＱ.Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｂｉｔｓｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｗｅｌｌ(１)－ｋｙｍｅｒａｈｙｂｒｉｄｂｉｔ[Ｊ].Ｅｘｐｌｏ￣ｒａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ(Ｒｏｃｋ＆ＳｏｉｌＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＴｕｎｎｅ￣ｌｉｎｇ)ꎬ２０１６ꎬ４３(１):４－６[２]㊀左汝强.国际油气井钻头进展概述(三):ＰＤＣ钻头发展进程及当今态势(上)[Ｊ].探矿工程(岩土钻掘工程)ꎬ２０１６ꎬ４３(３):１－８.ＺＵＯＲＱ.Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｂｉｔｓｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｗｅｌｌ(３)－ＰＤＣｂｉｔｓｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｔｒｅｎｄ(Ⅰ)[Ｊ].ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ(Ｒｏｃｋ＆ＳｏｉｌＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ)ꎬ２０１６ꎬ４３(３):１－８ [３]㊀左汝强.国际油气井钻头进展概述(四):ＰＤＣ钻头发展进程及当今态势(下)[Ｊ].探矿工程(岩土钻掘工程)ꎬ２０１６ꎬ４３(４):４０－４８.ＺＵＯＲＱ.Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｂｉｔｓｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｗｅｌｌ(４)－ＰＤＣｂｉｔｓｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｔｒｅｎｄ(Ⅱ)[Ｊ].ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ(Ｒｏｃｋ＆ＳｏｉｌＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ)ꎬ２０１６ꎬ４３(４):４０－４８ [４]㊀万夫磊ꎬ韩烈祥ꎬ姚建林.个性化钻头技术研究与展望[Ｊ].钻采工艺ꎬ２０２０ꎬ４３(４):１６－１９.ＷＡＮＦＬꎬＨＡＮＬＸꎬＹＡＯＪＬ.Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒｏｓ￣ｐｅｃｔｏｆｐｅｒｓｏｎａｌｉｚｅｄｂｉｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[Ｊ].Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆Ｐｒｏ￣ｄｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４３(４):１６－１９ [５]㊀ＳＣＯＴＴＤꎬＨＵＧＨＥＳＢ.Ａｂｉｔｏｆｈｉｓｔｏｒｙ:ｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇｅａｒｌｙｓｅｔｂａｃｋｓꎬＰＤＣｂｉｔｓｎｏｗｄｒｉｌｌ９０％－ｐｌｕｓｏｆｗｏｒｌｄ￣ｗｉｄｅｆｏｏｔａｇｅ[ＥＢ/ＯＬ].(２０１５－０７－０７)[２０１６－０５－２４].ｈｔｔｐ:ʊｗｗｗ.ｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｔｒａｃｔｏｒ.ｏｒｇ/ａ－ｂｉｔ－ｏｆ－ｈｉｓｔｏｒｙ－ｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇ－ｅａｒｌｙ－ｓｅｔｂａｃｋｓ－ｐｄｃ－ｂｉｔｓ－ｎｏｗ－ｄｒｉｌｌ－９０－ｐｌｕｓ－ｏｆ－ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ－ｆｏｏｔａｇｅ－３５９３２ [６]㊀刘丁源ꎬ李军ꎬ高德伟ꎬ等.ＰＤＣ钻头在砾岩地层中的破岩机理与适应性分析[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(７):５１－５８ꎬ６７.ＬＩＵＤＹꎬＬＩＪꎬＧＡＯＤＷꎬｅｔａｌ.ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＰＤＣｂｉｔｉｎｃｏｎ￣ｇｌｏｍｅｒａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(７):５１－５８ꎬ６７[７]㊀ＡＬ￣ＡＪＭＩＫꎬＡＬ￣ＨＡＭＡＤＩＥꎬＢＡＱＥＲＹꎬｅｔａｌ.Ｎｅｗｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃｄｕａｌ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｆｉｘｅｄ￣ｃｕｔｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂｉｔｄｒｉｌｌｓ３５％ｆａｓｔｅｒａｎｄｓａｖｅｓｏｐｅｒａｔｏｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅｔｈｒｏｕｇｈｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇａｂｒａｓｉｖｅｓａｎｄｓｔｏｎｅｉｎｏｎｅｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｒｅｓ￣ｅｒｖｏｉｒｓｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｅａｓｔ[Ｃ]ʊＳＰＥ/ＩＡＤＣＭｉｄｄｌｅＥａｓｔＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＡｂｕＤｈａｂｉ:ＳＰＥꎬ２０１６:ＳＰＥ１７８２０８－ＭＳ. [８]㊀龙伟ꎬ况雨春ꎬ何璟彬ꎬ等.水平井ＰＤＣ钻头黏滑振动规律试验研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(９):１８－２５.ＬＯＮＧＷꎬＫＵＡＮＧＹＣꎬＨＥＪＢꎬｅｔａｌ.Ｔｅｓｔｏｎｓｔｉｃｋ￣ｓｌｉｐｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＰＤＣｂｉｔｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｓ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(９):１８－２５ [９]㊀ＺＨＡＮＧＹＨꎬＢＡＫＥＲＲꎬＢＵＲＨＡＮＹꎬｅｔａｌ.Ｉｎｎｏ￣ｖａｔｉｖｅｒｏｌｌｉｎｇＰＤＣｃｕｔｔｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｓｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｍ￣ｐｒｏｖｉｎｇｂｉｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｃ]ʊＳＰＥ/ＩＡＤＣＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ.Ａｍｓｔｅｒｄａｍ:ＳＰＥꎬ２０１３:ＳＰＥ１６３５３６－ＭＳ.[１０]㊀ＰＬＡＴＴＪꎬＶＡＬＬＩＹＡＰＰＡＮＳꎬＫＡＲＵＰＰＩＡＨＶ.Ｉｎ￣ｎｏｖａｔｉｖｅｒｏｌｌｉｎｇｃｕｔｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｆｏｏｔａｇｅａｎｄＲＯＰｉｎｌａｔｅｒａｌａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｇａｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＳａｕｄｉＡｒａｂｉａ[Ｃ]ʊＳＰＥ/ＩＡＤＣＭｉｄｄｌｅＥａｓｔＤｒｉｌｌ￣ｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＡｂｕＤｈａ￣ｂｉ:ＳＰＥꎬ２０１６:ＳＰＥ１７８２０１－ＭＳ.[１１]㊀ＦＡＲＯＵＫＨꎬＥＬＷＥＫＥＥＬＷꎬＳＨＯＫＲＹＡＥꎬｅｔａｌ.ＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＰＤＣｂｉｔｄｅｓｉｇｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ８ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第２期ｉｎＥｇｙｐｔ ｓｎｏｔｏｒｉｏｕｓｌｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｗｅｓｔｅｒｎｄｅｓｅｒｔｄｅｅｐｌｉ￣ｔｈｏｌｏｇｙｃｏｌｕｍｎ[Ｃ]ʊＳＰＥＮｏｒｔｈＡｆｒｉｃａＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.Ｃａｉｒｏ:ＳＰＥꎬ２０１５:ＳＰＥ１７５７５６－ＭＳ.[１２]㊀ＳＡＮＣＨＥＺＪＬꎬＣＡＲＲＩＺＯＨꎬＳＡＬＧＡＤＯＪꎬｅｔａｌ.ＡｄｖａｎｃｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｌｏｇｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｇｉｖｅｎｅｗｌｉｆｅｔｏａｇｉｎｇｆｉｅｌｄｓｉｎＥｃｕａｄｏｒｂｙｅｎａｂｌｉｎｇｒｅｅｎｔｒｙｄｒｉｌｌ￣ｉｎｇ[Ｃ]ʊＳＰＥＬａｔｉｎＡｍｅｒｉｃａｎａｎｄＣａｒｉｂｂｅａｎＰｅｔｒｏ￣ｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ.Ｑｕｉｔｏ:ＳＰＥꎬ２０１５:ＳＰＥ１７７０８７－ＭＳ.[１３]㊀ＶＡＮＨＥＥＫＥＲＥＮＨꎬＳＴＯＲＭＲꎬＫＲＡＡＮＡＶꎬｅｔａｌ.Ｃｏｎｉｃａｌｄｉａｍｏｎｄｅｌｅｍｅｎｔｂｉｔｓｅｔｓｎｅｗｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｎｃｈｍａｒｋｓｄｒｉｌｌｉｎｇｈａｒｄａｎｄａｂｒａｓｉｖｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓꎬｏｆｆ￣ｓｈｏｒｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ[Ｃ]ʊＳＰＥＮｏｒｔｈＡｆｒｉｃａＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.Ｃａｉｒｏ:ＳＰＥꎬ２０１５:ＳＰＥ１７５８５９－ＭＳ.[１４]㊀ＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎＩｎｃ.ＯｐｅｒａｔｏｒｓｅｔｓｂｅｎｃｈｍａｒｋｄｒｉｌｌｉｎｇｌｏｎｇｌａｔｅｒａｌＳ￣ｓｈａｐｅｗｅｌｌ[ＥＢ/ＯＬ].(２０１９－１０－０６)[２０２０－０３－２４].ｈｔｔｐｓ:ʊｗｗｗ.ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ.ｃｏｍ/ｅｎ/ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ/ｏｐｅｒａｔｏｒ－ｓｅｔｓ－ｎｅｗ－ｂｅｎｃｈｍａｒｋ－ｄｒｉｌｌｉｎｇ－ｌｏｎｇ－ｌａｔｅｒａｌ－ｓ－ｓｈａｐｅｄ－ｗｅｌｌ.[１５]㊀ＭＥＬＩＲꎬＳＡＬＡＳＣꎬＭＡＲＴＩＮＲꎬｅｔａｌ.ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＢＨＡｓｙｓｔｅｍｄｒｉｌｌｓｃｕｒｖｅ/ｌａｔｅｒａｌｉｎｏｎｅｒｕｎａｔｒｅｃｏｒｄＲＯＰｓａｖｉｎｇｓｅｖｅｎｄａｙｓｒｉｇｔｉｍｅ[Ｃ]ʊＩＡＤＣ/ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ:ＳＰＥꎬ２０１４:ＳＰＥ１６７９２０－ＭＳ.[１６]㊀ＨＡＮＮＡＣꎬＤＯＵＧＬＡＳＣꎬＡＳＲＨꎬｅｔａｌ.Ａｐｐｌｉｃａ￣ｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｅｅｌｂｏｄｙＰＤＣｂｉｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｄｕｃｅｓｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｓｔｓｉｎｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａｓｈａｌｅｐｌａｙｓ[Ｃ]ʊＳＰＥＡｎｎｕａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.Ｄｅｎｖｅｒ:ＳＰＥꎬ２０１１:ＳＰＥ１４４４５６－ＭＳ. [１７]㊀ＣＯＣＫＲＡＭＭꎬＲＩＴＣＨＩＥＡꎬＮＯＲＧＥＢＧꎬｅｔａｌ.ＭｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｓｏｌｕｔｉｏｎｓｅｔｓｎｅｗＮｏｒｔｈｓｅａｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｎｃｈｍａｒｋｓ[Ｃ]ʊＳＰＥＤｅｅｐｗａｔｅｒＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＣｏｍｐｌｅｔｉｏｎｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ.Ｇａｌｖｅｓｔｏｎ:ＳＰＥꎬ２０１２:ＳＰＥ１５５４７５－ＭＳ. [１８]㊀ＷＵＸＰꎬＫＡＲＵＰＰＩＡＨＶꎬＮＡＧＡＲＡＪＭꎬｅｔａｌ.Ｉ￣ｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇｔｈｅｒｏｏｔｃａｕｓｅｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｓｔｉｃｋ￣ｓｌｉｐｅｎａｂｌｅｓｆｉｔ￣ｆｏｒ￣ｐｕｒｐｏｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ[Ｃ]ʊＩＡＤＣ/ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＳａｎＤｉｅｇｏ:ＳＰＥꎬ２０１２:ＳＰＥ１５１３４７－ＭＳ.[１９]㊀ＤＯＬＥＺＡＬＴꎬＦＥＬＤＥＲＨＯＦＦＦꎬＨＯＬＬＩＤＡＹＡꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｆｆｉｅｌｄｔｅｓｔｉｎｇａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎｅｗｈｙｂｒｉｄｄｒｉｌｌｂｉｔ[Ｃ]ʊＳＰＥＡｎｎｕａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒ￣ｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.Ｄｅｎｖｅｒ:ＳＰＥꎬ２０１１:ＳＰＥ１４６７３７－ＭＳ.[２０]㊀ＯＭＡＲＭꎬＡＧＡＷＡＮＩＷꎬＡＢＤＥＬＨＡＭＩＤＡꎬｅｔａｌ.ＭｕｌｔｉｐｌｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｓｏｆｈｙｂｒｉｄｄｒｉｌｌｂｉｔｓｗｉｔｈｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｐｒｏｖｅｅｎｈａｎｃｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎＮｏｒｔｈＫｕ￣ｗａｉｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗｅｌｌｓ[Ｃ]ʊＳＰＥＭｉｄｄｌｅＥａｓｔＯｉｌ＆ＧａｓＳｈｏｗａｎｄＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ.Ｍａｎａｍａ:ＳＰＥꎬ２０１７:ＳＰＥ１８４０２６－ＭＳ.[２１]㊀ＨＥＬＬＶＩＫＳꎬＮＹＧＡＡＲＤＲꎬＨＯＥＬＥꎬｅｔａｌ.ＰＤＣｃｕｔｔｅｒａｎｄｂｉｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｏｒｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇｃｏｎｇｌｏｍｅｒ￣ａｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｔｈｅＬｕｎｏＦｉｅｌｄ￣ＯｆｆｓｈｏｒｅＮｏｒｗａｙ[Ｃ]ʊＩＡＤＣ/ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＳａｎＤｉｅｇｏ:ＳＰＥꎬ２０１２:ＳＰＥ１５１４５６－ＭＳ.[２２]㊀ＧＡＲＣＩＡＡꎬＢＡＲＯＣＩＯＨꎬＮＩＣＨＯＬＬＤꎬｅｔａｌ.Ｎｏ￣ｖｅｌｄｒｉｌｌｂｉｔｍａｔｅｒｉａｌｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｕｓｉｏｎｄｅｌｉｖｅｒｓｐｅｒ￣ｆｏｒｍａｎｃｅｓｔｅｐｃｈａｎｇｅｉｎｈａｒｄａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ[Ｃ]ʊＳＰＥ/ＩＡＤＣＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ.Ａｍｓｔｅｒｄａｍ:ＳＰＥꎬ２０１３:ＳＰＥ１６３４５８－ＭＳ.[２３]㊀ＨＳＩＥＨＬꎬＥＤＩＴＯＲＭꎬＥＮＤＲＥＳＳＡꎬｅｔａｌ.Ｂｅｔｔｅｒａｎｄｂｅｔｔｅｒꎬｂｉｔｂｙｂｉｔ/ｎｅｗｄｒｉｌｌｂｉｔｓｕｔｉｌｉｚｅｕｎｉｑｕｅｃｕｔ￣ｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬｃｕｔｔｅｒｅｌｅｍｅｎｔｓｈａｐｅｓꎬａｄｖａｎｃｅｄｍｏｄｅｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｉｎｃｒｅａｓｅＲＯＰꎬｃｏｎｔｒｏｌꎬｄｕｒａｂｉｌｉ￣ｔｙ[ＥＢ/ＯＬ].(２０１５－０７－０９)[２０２３－０８－０７].ｈｔ￣ｔｐｓ:ʊｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｔｒａｃｔｏｒ.ｏｒｇ/ｂｅｔｔｅｒ－ａｎｄ－ｂｅｔｔｅｒ－ｂｉｔ－ｂｙ－ｂｉｔ－３５７８０[２４]㊀ＷＯＮＧＡꎬＤＥＮＯＵＤＥＮＢꎬＨＥＲＭＡＮＪＪꎬｅｔａｌ.Ｎｅｗｈｙｂｒｉｄｂｉｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｏｖｉｄｅｓｉｍｐｒｏｖｅｄｐｅｒｆｏｒｍ￣ａｎｃｅｉｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｒｖａｌｓ[Ｃ]ʊＳＰＥＡｎｎｕａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.Ｄｕｂａｉ:ＳＰＥꎬ２０１６:ＳＰＥ１８１６６８－ＭＳ.[２５]㊀ＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎＩｎｃ.Ｃｒｕｓｈ＆ＳｈｅａｒＴＭｈｙｂｒｉｄｄｒｉｌｌｂｉｔｓ[ＥＢ/ＯＬ].(２０１９－１０－１２)[２０２１－０２－１５].ｈｔｔｐｓ:ʊｗｗｗ.ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ.ｃｏｍ/ｅｎ/ｐｒｏｄｕｃｔｓ/ｃｒｕｓｈ－ｓｈｅａｒ－ｈｙ￣ｂｒｉｄ－ｄｒｉｌｌ－ｂｉｔｓ.[２６]㊀ＤＡＶＩＳＪＥꎬＳＭＹＴＨＧＦꎬＢＯＬＩＶＡＲＮꎬｅｔａｌ.Ｅ￣ｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｓｔｉｃｋ－ｓｌｉｐｂｙｍａｎａｇｉｎｇｂｉｔｄｅｐｔｈｏｆｃｕｔａｎｄｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇｖａｒｉａｂｌｅｔｏｒｑｕｅｉｎｔｈｅｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇ[Ｃ]ʊＩＡＤＣ/ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＳａｎＤｉｅｇｏ:ＳＰＥꎬ２０１２:ＳＰＥ１５１１３３－ＭＳ.[２７]㊀ＪＡＩＮＪＲꎬＲＩＣＫＳＧꎬＢＡＸＴＥＲＢꎬｅｔａｌ.Ａｓｔｅｐｃｈａｎｇｅｉｎｄｒｉｌｌｂｉｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｓｅｌｆ－ａｄｊｕｓｔｉｎｇＰＤＣｂｉｔｓ[Ｃ]ʊＩＡＤＣ/ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉ￣ｂｉｔｉｏｎ.ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ:ＳＰＥꎬ２０１６:ＳＰＥ１７８８１５－ＭＳ. [２８]㊀ＮＯＶＩｎｃ.Ｓａｆｅꎬｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｒｉｌｌｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｓ[ＥＢ/ＯＬ].(２０２０－１０－１２)[２０２１－０２－１５].ｈｔｔｐｓ:ʊｗｗｗ.ｎｏｖ.ｃｏｍ/ｐｒｏｄｕｃｔｓ－ａｎｄ－ｓｅｒｖｉｃｅｓ/ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ/ｄｒｉｌｌｉｎｇ. [２９]㊀王委ꎬ程智勇ꎬ陈小元ꎬ等.脉冲空化ＰＤＣ钻头的研究及应用[Ｊ].石油机械ꎬ２０２１ꎬ４９(１１):２４－３０ꎬ３８.ＷＡＮＧＷꎬＣＨＥＮＧＺＹꎬＣＨＥＮＸＹꎬｅｔａｌ.ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｕｌｓｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎＰＤＣｂｉｔ[Ｊ].Ｃｈｉ￣ｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２１ꎬ４９(１１):２４－３０ꎬ３８[３０]㊀彭可文ꎬ田守嶒ꎬ李根生ꎬ等.自振空化射流空泡９２０２４年㊀第５２卷㊀第２期呼怀刚ꎬ等:国内外ＰＤＣ钻头新进展与发展趋势展望㊀㊀㊀动力学特征及溃灭强度影响因素[Ｊ].石油勘探与开发ꎬ２０１８ꎬ４５(２):３２６－３３２.ＰＥＮＧＫＷꎬＴＩＡＮＳＣꎬＬＩＧＳꎬｅｔａｌ.Ｂｕｂｂｌｅｄｙ￣ｎａｍｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎｃｏｌｌａｐｓｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆｏｒｓｅｌｆ－ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇｃａｖｉｔａｔ￣ｉｎｇｊｅｔｓ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐ￣ｍｅｎｔꎬ２０１８ꎬ４５(２):３２６－３３２[３１]㊀彭齐ꎬ杨雄文ꎬ任海涛ꎬ等.扇形齿ＰＤＣ钻头破岩机理及工作性能仿真分析[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(７):２８－３５.ＰＥＮＧＱꎬＹＡＮＧＸＷꎬＲＥＮＨＴꎬｅｔａｌ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｅｒ￣ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＤＣｂｉｔｗｉｔｈｆａｎ－ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒ[Ｊ].Ｃｈｉ￣ｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(７):２８－３５ [３２]㊀张文波ꎬ史怀忠ꎬ席传明ꎬ等.锥形ＰＤＣ齿和常规ＰＤＣ齿混合切削破岩试验研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(３):３３－３９.ＺＨＡＮＧＷＢꎬＳＨＩＨＺꎬＸＩＣＭꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ￣ｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｒｏｃｋｃｕｔｔｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｉ￣ｃａｌｄｉａｍｏｎｄｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＰＤＣｃｕｔｔｅｒｓ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(３):３３－３９[３３]㊀龚均云ꎬ吴文秀ꎬ周宗赣.斧形齿破岩机理数值模拟研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２２ꎬ５０(９):４４－５１.ＧＯＮＧＪＹꎬＷＵＷＸꎬＺＨＯＵＺＧ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕ￣ｌａｔｉｏｎｏｎｒｏｃｋ－ｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｘｅ－ｓｈａｐｅｄｃｕｔ￣ｔｅｒ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２２ꎬ５０(９):４４－５１[３４]㊀管志川ꎬ刘永旺ꎬ李敬皎ꎬ等.差压式钻头:ＣＮ２０１５１０７８９２３１ Ｘ[Ｐ].２０１５－１１－１７.ＧＡＵＮＺＣꎬＬＩＵＹＷꎬＬＩＪＪꎬｅｔａｌ.Ｗｅｉｇｈｔ－ｏｎ－ｂｉｔｓｅｌｆ－ａｄｊｕｓｔｂｉｔ:ＣＮ２０１５１０７８９２３１ Ｘ[Ｐ].２０１５－１１－１７[３５]㊀ＨＵＨＧꎬＧＵＡＮＺＣꎬＺＨＡＮＧＢꎬｅｔａｌ.Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｗｅｉｇｈｔ￣ｏｎ￣ｂｉｔｓｅｌｆ￣ａｄｊｕｓｔｉｎｇＰＤＣｂｉｔｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｖａｌｕａｔｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２１ꎬ１９６:１０７６９２[３６]㊀田京燕ꎬ徐玉超.微心ＰＤＣ钻头设计及现场试验[Ｊ].石油钻探技术ꎬ２０１９ꎬ４７(１):６５－６８.ＴＩＡＮＪＹꎬＸＵＹＣ.Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｍｉｃｒｏ￣ｃｏｒｉｎｇＰＤＣｂｉｔ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈ￣ｎｉｑｕｅｓꎬ２０１９ꎬ４７(１):６５－６８[３７]㊀况雨春ꎬ罗金武ꎬ王利ꎬ等.抽吸式微取心ＰＤＣ钻头的研究与应用[Ｊ].石油学报ꎬ２０１７ꎬ３８(９):１０７３－１０８１.ＫＵＡＮＧＹＣꎬＬＵＯＪＷꎬＷＡＮＧＬꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｕｃｔｉｏｎ￣ｔｙｐｅｍｉｃｒｏｃｏｒｉｎｇＰＤＣｄｒｉｌｌｂｉｔ[Ｊ].ＡｃｔａＰｅｔｒｏｌｅｉＳｉｎｉｃａꎬ２０１７ꎬ３８(９):１０７３－１０８１[３８]㊀ＣＨＥＮＬꎬＹＡＮＧＹＸꎬＬＩＵＹꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｓｃｒａｐｉｎｇ￣ｗｈｅｅｌｄｉａ￣ｍｏｎｄｂｉｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉ￣ｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１７ꎬ１５６:１５２－１５９[３９]㊀钟云鹏ꎬ杨迎新ꎬ于洪波ꎬ等.旋转模块式ＰＤＣ钻头破岩机理研究[Ｊ].地下空间与工程学报ꎬ２０１９ꎬ１５(６):１７４１－１７４８.ＺＨＯＮＧＹＰꎬＹＡＮＧＹＸꎬＹＵＨＢꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｎｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｒｏｔａｒｙｍｏｄｕｌａｒＰＤＣｂｉｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅａｎｄＥｎｇｉ￣ｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ１５(６):１７４１－１７４８[４０]㊀曹扬ꎬ王海涛.旋切式ＰＤＣ钻头切削结构设计研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(７):４２－４８.ＣＡＯＹꎬＷＡＮＧＨＴ.ＤｅｓｉｇｎａｎｄｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒｏｔａｒｙｃｕｔｔｉｎｇＰＤＣｂｉｔ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏ￣ｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(７):４２－４８ [４１]㊀杨迎新ꎬ胡浩然ꎬ黄奎林ꎬ等.环脊式ＰＤＣ钻头破岩机理试验研究[Ｊ].地下空间与工程学报ꎬ２０１９ꎬ１５(５):１４５１－１４６０.ＹＡＮＧＹＸꎬＨＵＨＲꎬＨＵＡＮＧＫＬꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉ￣ｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｎ￣ｎｕｌａｒ￣ｒｉｄｇｅＰＤＣｂｉｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｄｅｒ￣ｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ１５(５):１４５１－１４６０[４２]㊀汪海阁ꎬ黄洪春ꎬ毕文欣ꎬ等.深井超深井油气钻井技术进展与展望[Ｊ].天然气工业ꎬ２０２１ꎬ４１(８):１６３－１７７.ＷＡＮＧＨＧꎬＨＵＡＮＧＨＣꎬＢＩＷＸꎬｅｔａｌ.Ｄｅｅｐａｎｄｕｌｔｒａ￣ｄｅｅｐｏｉｌ/ｇａｓｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ:ｐｒｏ￣ｇｒｅｓｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔ[Ｊ].ＮａｔｕｒａｌＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２０２１ꎬ４１(８):１６３－１７７㊀㊀第一作者简介:呼怀刚ꎬ高级工程师ꎬ生于１９８８年ꎬ２０２１年毕业于中国石油大学(华东)油气井工程专业ꎬ现从事高效破岩㊁钻井提速㊁钻井工程规划与技术支持方面的研究工作ꎮ地址:(１０２２０６)北京市昌平区ꎮ电话:(０１０)８０１６２２３７ꎮｅｍａｉｌ:ｈｕｈｇ０５３６＠１２６ ｃｏｍꎮ通信作者:汪海阁ꎬｅｍａｉｌ:ｗａｎｇｈａｉｇｅｄｒｉ＠ｃｎｐｃ ｃｏｍ ｃｎꎮ㊀收稿日期:２０２３－１０－１０(本文编辑㊀南丽华)０１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第２期。
螺杆钻具和钻头介绍
钢制钻头
适用于钻硬度较低的岩 层，价格相对较低，但 耐磨性较差。
PDC钻头
适用于钻硬度高、研磨 性强的岩层，切削效率 高，但价格较高。
复合钻头
由硬质合金和钢制刀片 组成，适用于各种岩层， 切削效率较高。
钻头的工作原理
切削原理
钻头通过切削作用将岩石破碎， 切削刃的形状和角度对切削效果
有很大影响。
冲击原理
螺杆钻具和钻头介绍
目录
• 螺杆钻具介绍 • 钻头介绍 • 螺杆钻具与钻头的配合使用 • 螺杆钻具和钻头的维护保养 • 螺杆钻具和钻头的发展趋势
螺杆钻具介绍
01
螺杆钻具的种类
01
单螺杆钻具
由单根螺杆构成，主要用于旋转切削和钻孔作业。
02
双螺杆钻具
由两根反向旋转的螺杆组成，主要用于深孔和高强度材 料的钻孔作业。
使用寿命。
调整与校准
03
在维护保养过程中，需要根据需要进行调整和校准，以确保其
正常运转和提高钻孔质量。
05 螺杆钻具和钻头的发展趋势
螺杆钻具的发展趋势
1 2
高效能
随着钻井技术的不断进步，对螺杆钻具的效率要 求也越来越高，研发高效能的螺杆钻具成为行业 趋势。
耐高温
随着钻井深度的增加，井底温度逐渐升高，对螺 杆钻具的耐高温性能提出了更高的要求。
谢谢聆听
螺杆钻具的应用场景
建筑行业
用于混凝土、岩石等材料 的钻孔作业，如建筑物的 墙体、地面和桥梁的钻孔。
采矿业
用于对矿体进行钻孔作业， 如矿山的开采、勘探和地 下工程的施工。
制造业
用于机械零件、模具和设 备的钻孔作业，如金属板 材、管道和容器的打孔。
02
国内外钻井新技术
钻头
连续管钻井技术
4、连续管钻井底部钻具组合的重大突破
2）电动底部钻具组合 由为了最终实现连续管的智能闭环钻井，美 国XL技术公司、TSL技术公司等近年来开发出一 种电动连续管钻井系统，该系统的底部钻具组 合用电潜泵马达取代了原来的容积式马达。
由于电动马达可实现完全直接控制，速度 的变化可由操纵杆控制或由键盘指令设定。通 过设定与极限钻压相关的极限电流，马达的失 速问题几乎可以完全避免。
3）Hydril 500系列楔形套管螺纹接头
特制的可钻掉钻头
新型张开式钻头
三、国外创新钻井技术
（一）自动化（闭环）钻井技术
（二）套管钻井技术
（三）连续管钻井技术
（四）实体膨胀管技术
（五）三维可视化钻井技术
（六）反循环钻井技术
连续管钻井技术
1、概况
1） 连续管钻井技术的发展与应用保持着强劲的增长势头，连 续管钻井的应用领域和技术优势不断增加； 2） 美国目前是应用连续管钻井最多且技术领先的国家，世界 上主要连续管及连续管作业机制造公司均集中在美国；
MWD WLMWD
革命性 进步
30' 40' 50' 60' 70' 80' 90' 2000'
年代
滑动导向
旋转导向代替了传
统的滑动导向
提高机械钻速 增强井眼净化效果 克服极限位移限制
井下闭环自动导向， 与地质导向结合，可大大提高轨迹控制精度
旋导闭环系统可不起下钻自动调整钻具导向性能
提高钻井效率和轨迹控制的灵活性
• 解决漏失和复杂地层的封隔问题；
• 延长常规套管长度，减少井眼锥度； • 提高油井产能，将探井升级为生产井； • 可为不同钻井环境提供成本低廉的应急方案。
北方风雷公司成功试制钻具新产品——PDC钻头
该 钻 头 的试 制成 功标 志 着该公 司在石 油钻 采 的钻头 领 域实 现 了新 突 破 ， 该公 司 自主 研 发设 计 的 新产 是
品 ， 科技 创新 的新 成果 。 目前 ， 是 两只 钻头 已送 到油 田试 用 。
— —
摘 自中 国兵 器 工业集 团公 司 网站 ・４ ・ ３
ｄ ６ 波基 函数 对 信 号 进行 ５层 小 波 分 解 ， 别 由 ｂ 小 分
固定 阈值 、ｉｒｕｅ和 ｍｉｉ ｘ原则 产 生 阈值 ， 行 ｒ ｓｒ ｇ ｎｍａ 进 软 阈值 处理 ，得 到 的第 １ ～５ 的细节 系数进 行 信号 重构 ， 层 得
［ ］ 昌华 ， 军 波 ． 于 ＭＡＴ ＡＢ的 系 统 分 析 与 设 计 — — ６胡 张 基 Ｌ 小 波 分 析 Ｅ ． 安 ： 安 电子 科 技 大 学 出版 社 ，０ ６ Ｍ］ 西 西 ２０．
坐 标和半 径 ， 用式 （ ０ 确 定 最佳 的最 小 二 乘 圆的 圆 １）
心 ０ 为 （ ． ７ ０ ３ ２６ｍｍ，． ６ ｍ） 最小 二 乘 圆 半 ０ ２ １８ｒ ａ ， 径 为 １ ０ ０ ２２ｍｍ， ０ ． ０ 试验结 果 如 图 ２所 示 。再将 试 验结 果代 入式 （ １ ， 出 工件 实 际轮 廓 线 上 各 点 到 １） 求
０ ０２ ｍ ． ２ｍ
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责 任编辑 吕菁
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北 方 风 雷公 司成 功试 制钻 具 新产 品— — Ｐ ＤＣ钻 头
近 日， 中国兵器 工业 集 团北方 风 雷 公 司 成 功试 制 出 了外 观 精 美 、 能 合 格 的 ５刀 翼 双排 齿 Ｐ 性 ＤＣ钻 头 。
现代石油钻机新发展
现代钻井机械新发展钻机是石油钻井用的成套重型机械设备,是油田上各种机械设备中最大、最重并具有不可或缺重大作用的装备.可以毫不夸张地说,钻机是油气田的设备之王.随着石油工业的发展,钻机也在不断发展,钻井能力越来越强,功率越来越大,传动越来越先进,机械化、自动化程度越来越高.为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发,美国、德国、法国、加拿大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发可各种类型的石油钻机.其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上稳居首位,所以与国际技术接轨,实际上是与以美国为代表的钻机技术及API规范接轨.近年来国外钻机在传动方式和结构形式方面发展很快,交流变频电驱动已经广泛使用,顶驱发展也十分迅速.一、交流变频电驱动石油钻机AC-GTO-AC石油钻机交流变频电驱动石油钻机是国外新发展起来的一种先进的电驱动石油钻机.这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱动钻机和交流电驱动钻机无可比拟的优越性能.1．核心技术——交流变频调速技术交流变频调速技术是一种涉及电动机理论、自动控制理论、电路拓扑理论、电力电子技术、微电子及计算机技术的综合性交叉技术.专家认为交流变频电驱动钻机是现代高新技术与石油钻井机械的有机结合,具有强大的生命力,是现代石油钻机的发展趋势.2．发展情况早在1994年National公司生产了一台TAed000型交流变频驱动绞车.该绞车由1台2210kW交流变频电动机通过一个两速齿轮箱直接驱动绞车,省去了传动链、离合器、带刹车、超越离合器及电磁涡流刹车.其上配备的盘式刹车仅作为停住钻柱和紧急刹车使用.司钻通过计算机遥控钻机工作,可自动控制游车上、下行程,自动钻进及自动实现绞车各种保护.由于上述设计大大减少了绞车的空间尺寸及质量,使交流变频驱动绞车在海上得到广泛应用.后来,国外钻机承包商纷纷发展AC-GTO-AC石油钻机.11997下半年至1998年9月,英国北海油田的很多海上平台选用了交流变频石油钻机,而且把许多平台的直流驱动装置改造为交流驱动.21998年上半年,ALSTON在英国的子公司CEGELEC BAUTAIL DIVISION 就承接了斯伦倍尔石油公司5套石油钻机,同时还负责对北海平台AC-SCR-DC钻机进行改造.3在 TA-3000绞车基础上,TPC公司于2000年推出了包括动态钻井系统、扭矩安全系统、泵同步系统、起下钻能量监控系统、防倒扣系统在内的智能化电驱动钻机,是采用信息技术对传统电驱动钻机改造的典范. 3．突出特点1钻机的绞车、转盘可实现无级变速,调速范围宽；能以极低的速度恒扭矩输出,对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小钻井液排量作业、优选参数钻井作业十分有利.2可使电动机的短时增矩倍数达以上,大大提高了钻机的提升能力和处理事故的能力.3由于具有恒功率宽调速特性,故可大大简化钻机的机械结构.4具有限制钻盘钻速扭矩功能,可防止钻具或机件扭断.5交流变频技术对电机具有安全保护功能.6负载功率因数高,接近于1,具有软起动功能,可降低供电电源的容量.7在带载情况下,可平稳启动、制动和调速；在下钻时,可实现对电网能量反馈,减少制动装置损耗,节约能源.8交流电机体积小,单机容量大,价格便宜,没有碳刷换向器,不需制成防爆型,维护费用低,使用安全可靠,易于操作管理.9容易实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制.10安装、拆卸、搬迁方便灵活.二、激光石油钻机据资料介绍,美国计划在本世纪使用激光钻井技术.美国芝加哥天然气研究所GRI与美科罗拉多矿业学院、麻省理工学院、雷克伍德公司、菲利普斯公司及美国空军和陆军合作,联合开展了一项激光钻机的研究计划.该项计划实验室研究中使用了美国国防部星球大战计划开发的两台强大、有效高能的激光器：1、中红外高级化学兆瓦级激光器MIRACL菲利普斯公司利用该激光器进行钻孔试验,激光束在1秒钟内可穿透600毫米厚的砂岩-页岩-砂岩夹层,其穿透速度至少是目前常规钻机的100倍.2、化学氧化碘激光器COIL该激光器用于深度超过4500m的钻井和完井,可以解决井控、侧钻和定向钻井等问题.特点：精度高,范围大,具有很高的输出功率,并能在光纤中耦合,且成本低.适用：钻很深的油气井GRI专家认为,对激光钻井的研究,将促进井下激光钻井机械、钻常规井和小井眼钻机的激光钻头、激光射孔工具、侧钻及定向激光钻具的发展. GRI的主要负责人理查德·帕克说：激光钻井将使21世纪的石油天然气钻井发生革命性变化.激光钻机将象20世纪初的旋转钻井替代顿钻一样带来彻底的技术突破.激光钻井技术的优点：降低钻井成本；提高机械钻速；改善井控；减少钻机平均工作天数和起下钻时间；减轻磨损；可以精确地控制井眼；可在井眼周围形成一层坚硬的玻璃化外皮；最大限度地减少或取消同心套管.三、新型液压石油钻机进人20世纪 90年代以来,随着大功率液压元器件可靠性的提高,特别是比例插装阀技术水平的提高,挪威MH公司采用其特长的液压技术,推出了全液压驱动的绞车、转盘、钻井泵.与此前已推出的全液压顶驱、管子排放系统、液压机械手及天车型液压升沉补偿器,构成了海洋钻机的机械化、智能化操作系统.1、组成双作用液压缸、游动轭轭主体、4个直径为的滑轮、2个导向座、提升钢丝绳8根长度固定、平行排列,一端接顶驱装置,一端接钻台上的平衡器总成、平衡器总成补偿液压缸动作的不平衡、液压缸导向架、顶部驱动装置、液压系统等部件.2、优点与机械驱动相比,液压驱动有着明显的优势.1重量大大减轻；2允许钻台台面升高,但并不影响总重量和重心,还可将钻杆立根盒移到钻台下面；3钻台载荷能力大,能支撑两个长液缸和转盘；4钻杆提升和排放都放在钻台上的槽里,此槽还具有鼠洞功能；5敞开取放钻杆,并可将立根盒排在钻台两边.比如,一台MH-500-20绞车输入功率为1985～2940kW,质量为,而National 公司与其相当输入功率为2210kW的绞车1625UE质量为 .一台输出功率为1420kW液压钻井泵质量为 ,仅为常规三缸泵的1/3.挪威MH公司最近生产的用液缸直接提升钻具,取代传统功能的绞车,将其装备在钻深能力为10000m的半潜式钻井平台上.液压驱动具有运动方式转换容易及体积小、质量轻的长处,在大功率液压元器件可靠性提高的情况下,在对钻机体积、质量要求严格的场合,如海上平台及高移运性钻机上成为一种发展趋势.四、连续柔管石油钻机连续柔管Coiled Tubing,又称挠性管或软管,简称CT,是一种高强度连续制造的钢管.目前制造的连续长度已达~7620m.1、发展进程20世纪50-70年代,国外开始研制软管钻机并应用连续管钻井技术钻井,而连续管钻井技术真正应用在工业上始于上世纪90年代初.近几年连续管钻井技术发展较快,在钻机、钻具、钻井液设计和钻井理论等方面都有很大的进展.这些新进展使连续管钻井技术向成熟化迈进了一大步,并进一步拓宽了连续管钻井的服务市场.2003年,全世界用连续管打了7000口井,每年约递增750～850口.用连续管打井最多的国家是加拿大.多数井是精密钻井公司打的,该公司拥有11台连续管钻机,年钻井能力为500～1000口.据3000口井的统计,加拿大常规钻井的成本为43美元/ft,而连续管钻井的成本为33美元/ft.另外,2002年加拿大用连续管对800口井的3200多层进行了压裂作业.美国利用连续管钻井的数量不到钻井总数的1%.其中阿拉斯加地区利用连续管钻井的数量最多,约占总钻井数量的4%.在阿拉斯加,连续管侧钻井的成本为利用常规钻井技术钻新井的1/3.而在美国的本土48州,用连续管共打了300口井.2、连续柔管钻井技术的优越性1节约费用,与常规钻机钻井相比可节约25%~40%.2节省钻井时间,加快钻井速度,缩短钻井周期,避免了因接钻杆可能引起的卡钻、井喷等事故,提高了钻井作业的安全性.原因：在正常钻井中不用停泵接钻杆,在起下钻过程中可连续循环钻井液3可内置电缆,改善信号的随钻传输,可以实现随钻测量和闭环钻井.4对老井重钻、加深钻或侧钻作业中,因柔管直径小可在不取出油管等设备的情况下边采边钻,节约作业费用5在欠平衡钻井作业中,可确保井下始终处于欠平衡状态,保证作业安全,减少钻井液漏失,防止地层伤害.6井场占地面积小,特别适合于海洋平台,地面条件受限制的边远地区勘探和边际油田开发.7由于柔管尺寸小,特别适合钻小井眼井.8井场地面设备占地少,钻井废弃物少,噪音小,有益于环境保护.9钻井设备安装、拆卸、搬运相对简便快速.连续柔管技术的应用还受到一些因素的限制.目前的连续柔管作业机还只能用于钻井,而钻井前期的准备阶段、下套管、下尾管、完井等都要用常规钻机.井眼尺寸小；连续柔管本身寿命较短.3、连续柔管钻井系统的组成包括作业机及其辅助装置、循环系统等地面设备、连续柔管和井下工具.1连续柔管作业机连续柔管注入头牵引起下设备：克服浮力和摩阻力将柔管下入井筒内；悬挂连续柔管并控制其下放和提升速度；底部装有载荷传感器,在控制台处显示柔管柱重量和提升力.卷筒：用于绕连续柔管,筒芯直径大小取决于要卷绕的柔管直径和长度.2连续柔管材料：碳钢、调质合金钢、钛钢967MPa、玻璃纤维、碳素纤维3井下钻具组合连续柔管钻井用钻头、井下动力钻具、钻铤与测量仪与常规钻井所用的相同,但连续柔管接头、定向工具、紧急断开接头等则是专门设计的工具.连续柔管接头用于联接连续柔管和井下工具组合,并避免井下钻具振动冲击对连续柔管造成损害.紧急断开接头的作用是：当钻头或钻铤在井眼中卡住时,能使连续柔管与井下钻具断开.4、近年来连续管钻井技术和设备的最新进展1数据和动力传输热塑复合连续管壳牌国际勘探和生产公司研制出数据和动力传输热塑复合连续管.这种连续管由热塑衬管和缠绕在外面的碳或玻璃热塑复合物层组成,并把光导纤维或铜导线埋在复合连续管的管体中.这种动力和数据传输连续管可负荷的电压,输出功率为20kW,输出距离为7km,耐温为150℃.2增加连续管钻井位移的新工具大位移技术公司研制成功降摩阻器.降摩阻工具是一种由机械阀驱动的双作用液压缸,这种降摩阻器可使钻具进行微小的往复运动.使用时把降摩阻器连接在钻具总成的上方.在降摩阻器的作用下使连续管产生纵向振动.活塞长度为50～100mm,振动频率为2～8Hz.产生振动的钻井液排量与活塞的长度成反比,一般为100～150L/min,使用旁通阀后可使排量大幅度上升.3混合钻机继Tuboscope’s CT/PC集团公司研制出混合钻机后,贝克休斯公司也研制出混合钻机.这种钻机在修井和安装套管时可以接单根.混合钻机具有自动控制系统.贝克休斯公司的混合钻机为模块结构,所以容易搬迁而且井场占地面积小.钻机配备了密闭的钻井液循环系统,可以使用常规的钻井液进行欠平衡钻井.4威德福公司的连续管钻井马达系列威德福公司为发展连续管钻井技术,最近研制出连续管钻井马达系列CTDR马达.系列中包括2 1/8in、2 3/8in 、2 7/8in和3 1/8in连续管钻井马达.这些马达的共同特点是可以增加钻压,进行磨铣和钻井作业.另外这些马达的输出功率大,钻速高.连续管钻井马达系列的问世使连续管钻具在尺寸、规格和性能上趋于完善.为连续管在钻井领域的应用和推广拓宽了道路.5贝克休斯公司的CoilTracR系统贝克休斯公司研制出的CoilTracR系统是连续管钻井和评价系统,它把LWD和闭环自动导向结合在一起.可以钻2 3/4～3 1/2in井眼.6斯伦贝谢公司的连续管补偿系统斯伦贝谢公司通过2年的努力研制成功CT TComp连续管补偿系统.在海上作业期间,CT Tcomp连续管补偿系统能补偿井口的水平和垂直运动,可以保护井口免受冲击和磨损.CT TComp连续管补偿系统的安装速度快.CT TComp连续管补偿系统可用于筒式平台和张力腿平台.据Spear&Associsates公司统计,除俄罗斯和中国外,目前投入服务市场的连续管钻机为800多台.而这些连续管钻机主要为美国和加拿大的一些大的技术服务公司拥有,其中斯伦贝谢公司拥有200台,哈里伯顿公司为105台.表1是美国和加拿大一些大石油技术服务公司拥有的连续管钻机数量.五、套管石油钻机套管钻井是一种全新的钻井工业技术,被誉为是21世纪的前沿钻井技术之一. 与套管钻井工艺相配套的套管钻机取消了常规的钻杆,用套管代替钻杆进行钻井.1、发展情况1995年,Tesco公司开始研制套管钻机,并于1998年6月用新型的套管钻机成功地进行了钻井试验,并获得两项美国专利.2、结构特点安装在拖车上,采用电—液驱动的顶驱装置,通过套管传递扭矩,并带动安装在套管底部钻具组上的钻头旋转钻进.钻头固定在一个专用钻具组的前部,钻具组锁定在套管的底部,并用钢丝绳与钻台上起下钻头的专用绞车相连,当需要更换钻头时,将锁定装置打开,利用绞车将钻具起出,更换新钻头后再用绞车将钻具送入井底,锁定在套管的底部,操作非常方便迅速.钻机的钻进过程也就是下套管的过程,套管下到井里不再提起,完钻后即可进行固井.3、优点1简化了钻机结构,减小了钻机尺寸,降低了钻机成本,钻机更轻便,且容易操作和搬迁.2节省了大量的钻井管材,节约了大量与钻杆、钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用.3采用钢丝绳起钻,比传统的钻杆起钻快5-10倍,减少了起下钻时间.4由于套管自始至终留在井内,大大减少了地层膨胀、井壁坍塌等意外事故的发生,而且不再有抽吸作用和压力波动,从而使井控状况得到大大改善.5套管钻机钻井在起下钻或测井时,可继续循环钻井液,防止钻屑沉积,减少卡钻和井涌发生.6套管钻机钻井,可以使钻井液水力参数、环形空间上返速度和清洗井筒的状况得到大大改善.7可降低钻井成本,据估计,一口井深3000m的井,与常规钻机钻井相比,所需要的费用可节省30%,其经济效益十分明显.六、细井筒石油钻机国外研究细井筒小井眼钻井的技术比较早,但这一钻井技术真正引起世界石油界的普遍关注和对小井眼钻机的技术开发还是近十来年的事. 世界产油国家都面临已开发油田的老化,从而导致可采储量下降的局面.众多边际油田多属低渗透油藏,美国能源部主动出面组织、资助细井筒钻采工艺的研发,这确实是一项寓意深远的科技决策和能源发展战略.美国能源部预期,这套正在发展、改进和深化的工艺,将有望用于经济地开发美国本土剩余亿吨石油资源,其中有亿吨石油资源埋深不到1524米,正是这套工艺适应的油藏开发深度目标.1、细井筒定义细井筒的定义,目前各国尚无统一定论,美国细井筒的定义是：对直井来说,全井90%以上井筒的直径小于7in或70%的井筒直径小于5in的井称为细井筒井；对于水平井来说,水平段井筒直径小于6in的井称为细井筒井.细井筒钻采工艺则是指以连续柔管技术装备为中心发展起来的一套集钻井、测试、采油等功能装备和技术于一身的集成技术.2、结构特点细井筒工艺设备全部安装在一台双排轮的拖车上,由一台标准货运汽车牵引,连续柔管缠绕在滚筒上,在连续管的端部连接马达、钻头或井下工具.3、优点1减少材料消耗和经费支出；减少钻屑和场地；提高钻井和起下钻速度； 2可减少钻机的体积和重量,节省钢材,减少拆装、修路、运输等费用；整个系统占据空间只有常规钻机的1/20,重量为一般钻机的1/10,成本不到标准钻机的90％.3可大大减少在高风险、高成本作业情况下的资金投入；可发现老油层下面的新油藏；可降低投资成本；4装机功率和钻井泵功率小,燃油消耗和排放的废气少,对空气的污染和噪声级别小,所用钻井液、产生的钻屑和废物少.4、关键技术井下钻井系统、井下测井系统、完井设备、固相控制和连续油管装置.5、适用井类主要用于浅层开发井、油藏数据监测井和深探井尾部的钻井.第一轮接受资助的公司及正在研发的６套技术：①斯伦贝谢公司承担研发连续管用超小型钻机；②贝克休斯公司承担用于2 3/8in的小型地质导向工具；③西方井下工具公司承担研发往水平方向钻入的推拉机具；④班德拉公司负责开发的零排放泥浆系统；⑤斯托拉研究公司承担雷达导向系统；⑥采气专业公司负责研发的超小型电潜泵；6、已投入使用的小井眼钻机1Foraslim小井眼钻机1994年4月开始使用,在法国巴黎盆地和威沙里城堡的阿伯拉特姆钻了两批井,井眼直径为33/8 in.造价500万美元.2全液压小井眼钻机意大利Soilmec公司生产,已形成系列,共有9个品种3Kenting小井眼钻机美国20世纪90年代初研制,初期投资仅相当于常规钻机的20%,包括钻井泵和取心装置在内成本280万美元.参考文献：1.李继志．石油钻采机械概论．中国石油大学出版社．20052.张阳春等．国内外石油钻采设备技术水平分析．石油工业出版社．20013.陈朝达．顶部驱动钻井系统．石油工业出版社．20004.苏义脑．螺杆钻具研究及应用．石油工业出版社．20015.万仁薄．现代钻井工程．石油工业出版社．20006.刘海浪．小井眼和连续油管技术的进展与应用．石油工业出版社．19987.杨敏嘉．石油钻采设备系统设计．石油工业出版社．20008.郝俊芳．平衡钻井与井控．石油工业出版社．19929. 2007-2008年中国石油勘探业发展趋势与策略分析。
石油钻井装备新技术
②从20世纪90年代中期起，相继研发应用了LWD、 PWD、IWD、NRWD等，形成了随钻地质导向钻井和 随钻工程服务技术，适应了复杂地质与环境条件 下钻复杂结构井、特殊工艺井实时处理井下复杂 情况和不确定性难题，以及实时控制三维井身轨 迹入窗中靶等高难技术的要求。而SWD还能探测钻 头前方地层参数，起到了“车前灯、探照灯”作用。
2007年11月20日，我国首台1.2万米特深井石油钻 机在中国石油宝鸡石油机械成功下线出厂，在中石 化川科一井正式投入使用。是目前全球最先进的陆 上超深井钻机，其主要技术指标均比此前全球仅有 的一台美国产12000米钻机先进。这台钻机能在55摄 氏度高温的赤道和零下40摄氏度的极地环境下正常 工作，并能根据工况自动加减速、刹车、报警，使 钻井作业的智能化水平和安全系数大大提高。 12000米钻机负荷超大等一系列难题，对设计思 路、加工工艺和金属材等方面提出了挑战。这个厂 对12000米钻机技术拥有完全知识产权。 纵观石油勘探史，钻机每一次升级都会带来勘探 的新发现。在我国，1200米、3200米机型成为主打 钻机时，发现了大庆、胜利、辽河等油田；5000米 钻机投产后，发现了吐哈鄯善油田、四川广安气 田；7000米钻机登场，又有塔里木、大庆徐家围子 等一批油气田被先后发现。 12000米钻机的诞生，将为石油地质家神往已久 的我国超深层油气勘探开发，提供有力的装备保障。
专题二
石油钻井装备
一、自动化钻井技术
人类在进入第21世纪之交时，石油钻 井系统正由机械化和科学化钻井阶段向 半自动化再到自动化钻井阶段进展，这 是发展大趋势。
Байду номын сангаас
新 技 术
西南石油大学 郭昭学 2009.11
钻杆接卸管理系统
1.自动化钻井阶段的关键技术
小井眼PDC钻头+螺杆钻具提速技术研究
设备管理与维修2021翼2（上-下）小井眼PDC 钻头+螺杆钻具提速技术研究魏向辉，宋苏涵，张斌，辛常青，吴殿友（中国石油渤海石油装备钻井装备分公司，天津300280）摘要：采取小井眼钻井技术是减少泥浆用量、降低废弃物和减少固井成本的有效途径，但由于小井眼钻井环形空间小、泥浆排量小，导致钻头泥包、小螺杆钻具输出扭矩低等问题，在加上小尺寸PDC 钻头定向工具面不稳、螺杆钻具防托压效果不好，使其机械钻速慢、使用寿命低。
针对小井眼施工及工况特点，以PDC 钻头的防泥包设计、螺杆钻具的防托压设计、小尺寸PDC 钻头和螺杆钻具的高攻击性、高造斜、高抗磨等个性化设计为基础，形成了一套小井眼PDC 钻头+螺杆钻具优化配置提速技术，达到提高机械钻速、减少起下钻次数、缩短钻井周期、降低钻井成本的目的。
关键词：PDC 钻头；小井眼；泥包；进尺；造斜；高抗磨；个性化设计中图分类号：TE246文献标识码：B DOI ：10.16621/ki.issn1001-0599.2021.02.110引言随着原油价格持续低迷和低品位储量的增加，作为低成本开采技术之一的小井眼钻井技术成了继水平井钻井技术之后的又一研究热点。
首先，我国探明储量中有大量的低渗油田和较小的边际油藏，应用常规钻井开发难于取得预期的经济效益，低成本的小井眼钻井技术，使这些地区进一步的开发成为可能。
再者，钻井占地和环境污染问题日益突出，小井眼钻井会缓解这方面的矛盾，小井眼比常规井眼井径缩小，钻井液用量及岩屑量大幅度减少，可有效减少废弃物和降低固井成本。
长庆苏里格气田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡的西北侧，是目前中国陆上发现的一个特大型气田。
前期生产井段主要采用椎216mm 井眼下椎89mm 油管直接固井，固井井段长、成本高，同时随着新环保法的实施，采取“泥浆不落地”技术替代泥浆池后，也需要进一步减少泥浆使用量，降低泥浆处理成本。
因此在苏里格南区块等多个区块进行了小井眼钻井试验及批量推广，采用618英寸或6英寸小井眼替代常规812英寸井眼，取得了较好的降本效果。
BEST公司PDC钻头新技术及应用
冲击性试验
• 切削齿以15°后倾角固定于金属 装置上
• 切削齿与坚硬的金属板相冲击 • 每个齿以给定的能量冲击十次, 然后记录金刚石层上的损失 • 当金刚石表面有30%失去或 冲击十次后便停止试验
模拟钻头冠型的岩石力学有限元分析切削齿布齿, 后倾角及侧倾角的考虑
多元化的产品结构
• 尺寸范围: 3”—17-1/2” • 钻头体的方式:胎体式,钢体式 • 切削齿的类型:PDC,巴拉斯,天然金刚石, 孕镶块,变体式孕镶块. • 钻头种类:全面钻进钻头,取芯钻头,特殊 作业用井下工具.
18.0
0.87
井喷埋井
迪那22井、迪那2井钻头对比
• 在迪那2井使用的基础上,针对22井的地层,对M1953SG 又作了改进,调整了切削齿的后倾角,尖园齿混合布置 (P表示),提高了钻头的攻击性,同样地层钻速明显提高.
井号
尺寸型 号 M1953 SG M1953 SGP M1953 SGP 地 层
HD1-12H井PDC钻头使用资料
入井 序号 1 地层 N,E N,J, T 合计 3 4 C C 4466.5120.0 4884.5092.0 井段 1852.2354.0 2982.4100.0 进尺 502.0 纯钻 时间 13.0 平均 钻速 38.62 备注 卡钻起钻
2
1118.0
1620.0 654.0 208.0
621.9
376.0
1.65
23天
LG30
549.5
185.8
2.96
10天
LG16、LG18、LG30
石炭系钻速对比
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
LG16
LG18
LG30
LG16、LG18、LG30
钻井技术发展趋势与前沿技术
8-1/2" Open Hole BTM of Bullnose @ 1732m MD
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（1）连续管钻井
成本低。与常规新井相比，常规侧钻井的费用是新井的 73%，用连续管老井侧钻井成本只有常规新井的31%左右
美国德克萨斯油田统计
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（1）连续管钻井
国外已用“连续管+欠平衡（气体）钻水平井/分支井”， 成为提高单井产量、油田增产和开发难动用储量的主导 技术之一。
更深，更快，更便宜，更 清洁，更安全，更聪明
技 术 进 步
1980
1990
2000
2010
2020
井型技术发展与前沿
ERC MRC
中国
国际水平
正研发
近年来，钻井功能的转变，推动井型技术快速发展
井型总趋势：一井多目标，油藏接触面积越来越大，可控性越来越高， 使油井产量、采收率越来越高；探井成功率越来越高
（1）连续管钻井
截止2008年底，全世界用连续管钻井已超过16000口。预 计今后每年应用连续管技术钻井数将达到1500口左右 目前加拿大应用连续管技术钻井的数量占全世界应用连续 管技术钻井总量的85%以上。占技术主导地位的是威德福 和斯伦贝谢公司
2 0 0 6 年 市 场 份 额 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 16% 11% 10% 13% 8% 4% 38%
带来了钻井前沿技术研发和超前储备技术研究十分活跃一概述世界油气发展历程钻井技术进步使油气勘探开发领域不断拓展石油天然气勘探开发钻井领域不断扩展致密气致密油可燃冰计划8一概述二钻井技术发展趋势与特点三钻井前沿技术新进展四启示与建议世界钻井技术发展历程前沿和趋势pdc钻头tsp钻头mwd水平井顶部驱动超深水钻井导向泥浆马达lwd大位移井多分支井小井眼连续管钻井交流变频电动钻机地质导向自动垂直钻井系统旋转导向钻井系统电磁波mwdlwd欠平衡钻井气体钻井泥浆脉冲式mwd自动化钻机泥浆脉冲式mwd套管钻井泥浆脉冲式mwd可膨胀管泥浆脉冲式mwd随钻地层压力测试泥浆脉冲式mwd控压钻井泥浆脉冲式mwd智能钻井泥浆脉冲式mwd鱼骨井泥浆脉冲式mwd树根井mwc泥浆脉冲式mwd随钻地震泥浆脉冲式mwd单直径井泥浆脉冲式mwd有缆钻杆智能钻杆泥浆脉冲式mwd自膨胀管泥浆脉冲式mwd下一代深井钻井技术泥浆脉冲式mwd微井眼技术泥浆脉冲式mwd碳纤维复合钻杆泥浆脉冲式mwd泥浆脉冲式mwd无钻机钻井泥浆脉冲式mwd天然气水合物钻mwd海底钻井泥浆脉冲式mwd激光钻井泥浆脉冲式mwd19801990200020102020现场试验计算机技术卫星通讯互联网可视化总趋势
浅谈岩心钻探施工工艺新技术的应用
浅谈岩心钻探施工工艺新技术的应用近年来，地质勘探技术升级优化，技术应用更加成熟化。
岩心钻探是地质勘探中的重要一环，具有重要的应用价值。
地质环境不同，也就需要采取不同的岩心钻探技术，是顺利完成地质勘探的基础。
本文主要分析了钻探技术概况、具体的施工难点，以及相应的发展应用等展开分析，以作借鉴。
标签：岩心钻探;施工工艺;新技术;应用我国钻探技术的应用，近年来逐渐成熟化。
岩心钻探历经数年时间发展，钻探生产水平在技术推动下得到明显提升，地质勘探工作有了很大发展。
所以，岩心钻探技术的优化升级非常重要，对降低工作量、减少成本费用、增大生产效益等方面，有着重要的现实意义，需要不断地完善和强化。
1钻探技术的概况岩心钻探一般取75°—90°的钻孔角度，在坡度较大的区域更加便于钻孔，密度、深度方面都有增加。
随着钻孔工作量的不断增多，需要投入更多的施工成本。
在市场经济下，地质勘探项目的顺利开展，已不只是从技术领域逐步完善，更应加强投资成本方面的控制。
为了实现地质勘探行业的持续稳定发展，地质钻探工作需要从施工质量和工期进展两方面同时加强控制，获取更大的经济效益。
施工人员必须以施工质量为基础，通过对矿区岩矿层适度调整倾角的方式，减少工作量，降低施工成本，使项目效益最大化。
上世纪末，钻探技术自我国兴起。
从黑龙江马营矿区的第一次应用水平钻孔技术开始，我国相继展开矿区岩矿层倾角方面的探索，并且在多个矿区生产中已有应用，可作为岩心钻探技术研究的参考案例。
2钻探施工难点我国地域辽阔，每一地区都存在不同程度的地质差异，要以所在地区的地质条件确定钻探设备和具体的钻探应用方式，如矛式硬合金钻头、金刚石钻头等。
一些地层胶结性差、易发生坍塌，需要以表层套管和技术套管对其封隔，以控制施工中的影响力，确保工期的顺利进展。
钻孔结构图，如图1。
我国现阶段应用的钻探技术在应用上并不成熟，其中存在的技术难点必然会增大地质勘探的施工难度。
四合一钻具钻井技术
长庆油田定向井二开“一趟钻”钻井技术--长庆石油勘探局四合一钻井技术主要依靠转盘与井下动力钻具的复合运动,驱动钻头共同破岩,提高破岩效率,应用预弯曲井下动力钻具,增加了对钻头的导向能力控制,通过对复合运动情况下钻柱准动力学、动力学原理分析,使钻头产生的侧向力克服地层造斜力,从而推动钻头沿设计轨迹的方向运动,实现直井段防斜打快,斜井段轨迹控制。
配合高效PDC钻头与MWD等工具,可简化施工工序、实现一套钻具组合就能完成定向、增斜、稳斜、降斜钻井施工工序,从而缩短钻井周期、提高机械钻速,节约钻井成本。
四合一钻井技术主要的钻具组合为PDC钻头+螺杆钻具+定向接头+短钻铤+扶正器+钻铤+钻杆。
一、基本情况长庆石油勘探局采用“四合一”钻具,在油井定向井施工实现了二开“一趟钻”完钻，“四合一”钻具是复合钻井技术的继承和发展,是四种工具、四种性能的集成。
具备了塔式钟摆的防斜性能、多稳定器结构稳斜稳方位能力、复合钻井的滑动可调性、PDC 钻头的快速钻进等综合优势，使定向井的二开直井段-造斜段-增斜段-稳斜段钻井实现“一趟钻”完钻，成为钻井提速的有效钻具组合。
2006年在姬塬区块试验应用后，刷新了长庆钻井历史上11项指标，钻机月速度提高23.95 %，一趟钻比例达到19.31 %。
2007年在油田各区块推广应用，再次刷新了长庆钻井历史上6项指标，截止6月26日油井开钻745口，完井691口钻井进尺145.7万米，二开“一趟钻”完钻185口，完钻比例达到27.24 %，钻机月速度提高27.45 %，机械钻速提高19.7 %，钻井周期下降12.39%。
二、“四合一”钻具结构形成的背景及技术思路(一) “四合一”钻具是提速的需要1、市场占有率低长庆钻井的内部市场占有率仅为50%，与长庆油田的大发展不相适应，靠增加设备，需要大量的投资，在设备有限的情况下，只有提高钻井速度，才能提高市场占有率，才能促进长庆油田的快速有效协调发展。
用国产化之大“器”助高质量钻井施工
72023年7月上 第13期 总第409期TECHNOLOGY ENERGY |能源科技近日，从中国石化中原石油工程公司50442钻井队传来消息，由该队施工的文23储9-6井，在二开施工中使用中原石油工程公司管具公司生产的PDC 钻头创下该区域多项高指标纪录，受到甲方的肯定。
别看钻头小，但是在钻井施工中是必不可少的工具。
工欲善其事，必先利其器。
近年来，管具公司不仅在钻头加工制造上有所突破，打造新的效益增长极，同时充分发挥装备技术专业优势，主动对接“低成本、高质量”发展目标，在井控技术服务、租赁服务、装备全生命周期管理、钻头钻具制造、下套管技术服务等全流程各环节提供一体化服务，为钻井工程提质提效提供了强力支撑。
“私人定制”国产化钻头助力国家储气库建设据了解，文23储9-6井在二开钻进中，为了解决馆陶组含砾石易损坏钻头等施工难点，该钻井队技术人员提前与管具公司联合开展可钻性分析评价，优选布齿结构，个性化自主设计制造1952ARN 型号五刀翼PDC 钻头，保障PDC 钻头的吃入地层和侧向切削能力，增加PDC 钻头抗冲击性能，有效避免井下故障，助力钻井施工提速提效。
其实，早在2020年，管具公司就研发出4个系列、70多种规格型号的PDC 钻头，初步适应中原地层、内蒙古探区地层等，形成了国产化钻头“私人定制”服务模式。
此次，50442钻井队所选用的Φ330钻头，用国产化之大“器”助高质量钻井施工通讯员 夏应斌 于德伟 摄 影 张 靖图为金刚石钻头厂技术人员使用3D 扫描技术，实现PDC 钻头快速建模成型82023年7月上 第13期 总第409期能源科技| TECHNOLOGY ENERGY是一年来在文23储气库建设中使用频率最高的一款钻头，现场应用效果好，提速提效明显，屡创纪录，成为一线钻井队伍施工的利器。
据悉，此次与50442钻井队的合作仅仅是管具公司“私人定制”国产化钻头在钻井现场成功应用的一个缩影。
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《钻头与钻具设计制造新工艺新技术与质量验收标准规范实务全书》作者：编委会
出版社：北方工业出版社2008年7月出版
开本：16开
册数：全四册+1张CD
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详细目录：
第一篇钻头与钻具设计制造基础工艺技术
第一章车削加工新工艺新技术
第二章孔加工与螺纹新工艺新技术
第三章铣削加工新工艺新技术
第四章拉削加工新工艺新技术
第五章特种加工新工艺新技术
第二篇金刚石钻头与钻具设计概论
第一章金刚石钻头概述
第二章岩石可钻性分级
第三章岩石A、B值、钻头参数，钻头性能间的关系
第四章金刚石钻头的设计
第五章金刚石钻具设计
第六章钻具其它设计
第三篇电镀金刚石钻头与钻具新工艺新技术
第一章电镀钻头原理
第二章电镀沉积层及影响因素
第三章低温电镀镍钴胎体人造金铡石孕镶钻头与钻具新工艺新技术第四章低温电镀镍锰胎体人造金铡石孕镶钻头与钻具新工艺新技术第五章坚硬致密弱研磨性“打滑”地层电镀钻头与钻具新工艺新技术第六章电镀金刚石钻头与钻具质量指标测试
第七章电镀绳索取心钻头与钻具应用
第八章复合片电镀钻头与钻具新工艺新技术
第九章低温电铸复合片(PDC)及其石油取心钻头与钻具的研制
第十章脉冲电镀钻头与钻具新工艺新技术
第四篇金刚石钻头与钻具粘接新工艺新技术
第一章概述
第二章常见的金属粘结剂
第三章粘结剂中元素的行为
第四章骨架材料元素和化合物
第五章碳化物形成元素的行为
第六章特种作用金属和非金属元素的行为
第五篇几种典型金刚石钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第一章孕镶金刚石钻头结构参数选择原则
第二章热压孕镶金刚石钻头与钻具基本制造工艺
第三章高效率孕镶金刚石钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第四章大口径热压工程孕镶金刚石钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第五章弱包镶防打滑金刚石钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第六章预合金粉末胎体金刚石钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第七章砂卯石层金刚石钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第八章主辅磨料双切削作用金刚石钻头
第九章孕镶金刚石钻头参数设计神经网络专家系统
第十章金刚石地质钻头制造新工艺新技术
第十一章金刚石油井钻头制造新工艺新技术
第十二章金刚石工程钻头制造新工艺新技术
第六篇硬质合金钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第一章硬质合金钻头与钻具设计原料制取新工艺新技术
第二章粉末混合料制备新工艺新技术
第三章普通模压成型新工艺新技术
第四章其它成型新工艺新技术
第五章烧结新工艺新技术
第六章热压新工艺新技术
第七章钢结硬质合金钻头与钻具设计制造新工艺新技术第八章硬质合金钻头与钻具表面硬化新工艺新技术
第七篇其它钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第一章陶瓷钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第二章立方氦硼钻头与钻具设计制造新工艺新技术
第八篇钻头与钻具质量验收
第一章钻头质量验收
第二章钻具质量验收
第九篇相关标准规范
读者对象：
钻头与钻具生产、设计、制造、质量验收企业。