石油钻头的发展

牙轮钻头与金刚石钻头的角色变换

纵观整个钻井历史，据美国《油气杂志》介绍。人们一直把 " 重金属 " 置于钻井工具的前缘，将其作为切削元件用以磨碎、破碎或凿碎地层岩石。最初，大多数油井都是采用冲击钻井方式，１９世纪和２０世纪，钢材技术的进步导致了能够在软岩层中快速钻进的旋转式钻头的呈现。

钢材也会快速磨损，即使是软岩层中。所以在钻头上要经常镶以碳化钨齿或整体覆盖碳化钨外层。此类碳化钨材料比钢材更脆，但具有更强的抗冲蚀能力。美国休斯公司于１９０９年最早发明了滚动牙轮钻头之后，人们硬面敷焊方面取得了一些重大的发展，导致开放式轴承钻头的使用寿命大为延长。然后又于１９５１年出现了第一代 " Ｏ " 形圈和润滑脂密封轴承碳化钨镶齿钻头，再后来又出现了滑动轴承钻头。这段时期，牙轮钻头是钻井界的必选工具。

金刚石作为新兴切削元件应运而生

地质学家首次将天然金刚石用于钻井作业后，１９１０年。一种新型切削元件便诞生了空心的取心钻头被用于钻出圆形井筒并取出岩柱以作分析，这种方法以前多用于矿物勘探作业。这种用途中，将金刚石用作钻井切削元件应运而生。尔后的几年中，人们明显地看到金刚石钻井技术为油田作业带来了很大的发展潜力。

金刚石的硬度是钢材的１０倍；而与硬质合金相比，作为人类所知的最硬的资料。金刚石的硬度是碳化钨硬质合金的２倍，耐磨性是硬质合金的１０倍；金刚石的抗压强度是花岗岩的２０倍。所以，油田钻井作业中使用金刚石已成为不可逆转的趋势。

但全井眼金刚石钻井钻头却是２０世纪５０年代才首次被作为商业产品在石油工业界推出的当时在钻头上使用的工业级天然金刚石，尽管早期也出现过一些原型产品。这类金刚石被破碎并处理成一定的规格和标准的圆形颗粒。由于金刚石是地层深处经由几千年的高温高压过程而形成的所以它特别适用于在硬岩地层中钻井。

当美国ＧＥ公司开发出一种制造人造金刚石的工艺后，２０世纪７０年代早期。金刚石技术的发展达到一个重要的里程碑。被制成圆形薄层的石墨碳片和钴片交替地叠放在一个承受着高温高压的小罐内，通过压机中高温高压的作用，使这两种资料熔合以形成金刚石与金刚石间的粘结，最终生产出聚晶金刚石（ＰＤＣ）切削元件。这种产品被迅速以 " 固定切削齿 " 钻头的形式用于油田钻井作业中。ＰＤＣ产品为金刚石钻头开辟了一个全新的应用领域。目前，这方面的资料、结构和制造工艺都还在进行着不断改进和完善。

ＰＤＣ产品性能不断改进

ＰＤＣ切削齿的质量和类型都发生了巨大的变化。如果将２０世纪８０年代的齿与当今的齿进行比较的话，过去的几年间。差别是相当大的由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。

以提高切削齿的韧性。层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化。

ＰＤＣ产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。现在ＰＤＣ产品已可被用于以前所不能应用的地区，除了资料和制造工艺方面的发展以外。如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。这种向新领域中的扩展，对金刚石（固定切削齿）钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。

ＰＤＣ钻头只能被用于软页岩地层中，最初。原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前ＰＤＣ钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了ＰＤＣ钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着ＰＤＣ齿质量的不时提高，这种情况越发凸显。

自大约一个世纪前金刚石钻头被用于钻井工业以来，无论是天然金刚石还是人造金刚石钻头的总进尺一直都在稳定的增长，至今已达到与牙轮钻头平分秋色的程度。

虽然统计数字不同，但根据美国赛克瑞特ＤＢＳ公司于２００３年的统计，当时全球钻井界的牙轮钻头总进尺占６０％，而固定切削齿钻头的总进尺占４０％。但向硬岩地层中的过渡（ＰＤＣ钻头对牙轮钻头的取代）却使这一进尺划分发生了很大的变化。根据该公司目前的估计，到２００８年，固定切削齿钻头的总进尺份额将会达到６０％，而该公司的牙轮钻头销售额届时将只会保持在目前的水平。该公司认为，各种钻头都将会在世界钻井业中继续承担一种关键的角色，无论是牙轮钻头还是金刚石钻头，人们总是会对这两种钻头的机械钻速、钻头成本、井眼质量、钻头的耐用性以及可操纵性进行比较。

近２５年来，金刚石钻头逐渐取代牙轮钻头的趋势显而易见。图１说明了金刚石钻头和牙轮钻头多年来的总进尺情况，图２说明平均钻头寿命（所钻进尺）也是朝着金刚石钻头方面强劲发展的。

由于ＰＤＣ钻头租赁和修复业务的发展，金刚石钻头的进尺（在单只钻头寿命期间）于１９９５年发生了很大的提升。而牙轮钻头的总进尺于２００４年开始下降，原因是前期总是用牙轮钻头所钻的较软因而可钻较长的井段被ＰＤＣ钻头所取代，使得牙轮钻头只能钻较硬的地层，而牙轮钻头在较硬地层中的使用寿命则会较短。

早期的天然金刚石钻头被用于钻硬的研磨性地层时，主要是靠磨削破碎方式，机械钻速通常仅为

每小时０．９～１．２米。而ＰＤＣ钻头对岩层的破碎方式则是剪切破碎。随着ＰＤＣ钻头的改进，一只ＰＤＣ钻头可以取代５只同类牙轮钻头。然而，明显的事实是，目前一半的地层都是由金刚石钻头所钻的。另一方面，在某些钻井作业中，牙轮钻头的切削作用仍然优于ＰＤＣ钻头的剪切破碎方式。

金刚石钻头市场自身也在细分

有一种现象十分有趣，那就是钻头市场中的金刚石部分也在发生着细分。２０世纪８０年代，与天然金刚石钻头相比，ＰＤＣ钻头仅占金刚石钻头市场的较小份额。但是，ＰＤＣ钻头成长很快，且单只钻头的进尺也有大幅增加。近年来，ＰＤＣ钻头性能的大幅度提高，使得在市场上形成了就这种钻头的租赁及修理业务的概念，这使得ＰＤＣ钻头的单只进尺得以进一步提升。特别是最近两年，美国和加拿大境内的ＰＤＣ钻头业务更是飞速发展。这种钻头的使用寿命相当长，以至于可以将其出租、修整、再用于钻井作业。目前，一只ＰＤＣ钻头打２４３８～２７４３米已很常见。近期的有关报告显示，美国落基山脉地区７５％的钻井进尺都是ＰＤＣ钻头完成的。