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隨著國際油價持續(xù)下行，上游業(yè)務(wù)的成本壓力日益增大，迫切需要進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，從而降低作業(yè)成本，新研發(fā)的鉆頭逐漸成為上游市場新的寵兒。鉆頭是鉆井提速的關(guān)鍵工具，如何提高鉆頭鉆速和行程進(jìn)尺，延長使用壽命，成為國外承包商集中攻關(guān)的目標(biāo)。斯倫貝謝、貝克休斯、國民油井等國際巨頭加快了 PDC 鉆頭、牙輪鉆頭的研發(fā)，并推出了多種新型鉆頭，在鉆井降本增效方面取得了一定成果。

國民油井華高公司從優(yōu)化鉆頭幾何結(jié)構(gòu)入手，在深入分析鉆頭失效原因和破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了Tektonic PDC 鉆頭，見圖 1 所示。該鉆頭采用正向耙形刀翼結(jié)構(gòu)，有利于巖屑的返出，螺旋型刀翼布局，降低切削齒吃入巖石后的圍壓，安裝有Reflektor 光滑切削齒，降低摩擦力和表面溫度，利于減少熱量，可延長鉆頭使用壽命。該鉆頭主要用于頁巖地層直井段、斜井段鉆進(jìn)。通過模擬鉆頭在井下的振動狀態(tài)，分析鉆頭的切削齒失效原因，進(jìn)一步優(yōu)化切削結(jié)構(gòu)，提高鉆頭的自我清潔和冷卻功能。Williston 盆地的一口水平井使用 Tektonic 鉆頭，鉆速達(dá)到 47.85m/h，比鄰井提高 39%，創(chuàng)當(dāng)?shù)剡M(jìn)尺最長和鉆速最高紀(jì)錄。

面對當(dāng)前低油價的背景，哈里伯頓研發(fā)的重點(diǎn)放在提高鉆井效率方面，基于用戶界面的鉆頭產(chǎn)品設(shè)計軟件，鉆頭設(shè)計人員廣泛收集現(xiàn)場使用者的理念和感受，從中提取有價值的信息，分析出鉆頭應(yīng)用中存在的問題，有針對性的對鉆頭產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，最大限度提高鉆井效率，降低成本。按照這種流程，研 究 人 員 設(shè) 計 出 MMD64C PDC鉆 頭， 見 圖 2 所 示。 該 鉆 頭 采 用MegaForce 力平衡設(shè)計，使切削齒均勻受力，并提高胎體材料的耐磨性能。在現(xiàn)場應(yīng)用中，該鉆頭克服了常規(guī)切削齒磨損嚴(yán)重的問題，鉆速提高 51%，周期縮短 30%。

斯倫貝謝研制出 ONYX360 聚晶金剛石復(fù)合片切削齒，見圖 3 所示。該鉆頭采用全新的切削設(shè)計理念，旋轉(zhuǎn)切削齒安裝在保護(hù)套內(nèi)，在鉆頭破巖時，切削齒可以 360°自由旋轉(zhuǎn)，均勻切削地層，磨損量分布均勻，避免過早磨損，從而保證了切削齒的攻擊性，大大提高了切削齒的耐磨性和鉆頭進(jìn)尺，延長了鉆頭在高研磨性地層的使用壽命。另外，由于切削齒的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，將切削齒與地層之間的滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦，降低了兩者之間摩擦產(chǎn)生的熱量，避免切削齒溫度過高發(fā)生熱裂而過早失效。在俄克拉荷馬西部的一口水平井，施工人員使用了16mm360°旋轉(zhuǎn)切削齒鉆頭，鉆速提高 40%，進(jìn)尺增加 100%。錐形齒 PDC 鉆頭對于常規(guī)的 PDC 鉆頭而言，由于鉆頭外圍轉(zhuǎn)速高，內(nèi)部轉(zhuǎn)速低，鉆頭中心部位的巖石難以得到有效破碎，而刀翼外部的切削齒由于承擔(dān)主要的破巖工作， 因此更易失效，尤其是應(yīng)對硬地層。

斯倫貝謝研制錐形切削齒 PDC 鉆頭，見圖 4 所示，表面的聚晶金剛石涂層厚度更厚，從而提高其耐磨性。 該鉆頭破巖時，由于錐形齒與巖石的接觸面積小，在巖石破碎坑的中心產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，在切削齒的重復(fù)切削下，使巖石更易破碎，大大提高了巖石的破碎效率和鉆速。錐形齒能夠適應(yīng)頁巖、砂巖、石灰?guī)r等多種地層，目前已應(yīng)用超過 1400 井次，顯著提高鉆速和進(jìn)尺，減少鉆頭用量。

阿特拉公司也不甘落伍，推出一 種 新 型 CounterForce 反 作 用力 PDC 鉆頭，見圖 5 所示。該鉆頭采用獨(dú)特的切削齒布齒方法，降低扭矩波動，降低鉆頭扭矩和橫向振動，減少鉆頭粘滑現(xiàn)象和沖擊影響，提高鉆頭工具面穩(wěn)定性。優(yōu)化硬質(zhì)合金齒的布置位置，控制主切削齒的吃入深度，在井底巖石產(chǎn)生破碎坑后，進(jìn)一步促進(jìn)巖石裂紋擴(kuò)張，從而大大提高了破巖效率。通過優(yōu)化布齒結(jié)構(gòu)和選用高效切削齒，可有效減少鉆頭工作扭矩波動 大、 切 削 齒 過 早 失 效 的 現(xiàn) 象，有助于提高鉆頭機(jī)械鉆速、增加單 趟 入 井 進(jìn) 尺。 在 現(xiàn) 場 應(yīng) 用 中，CounterForce 鉆頭粘滑幅度降低35%， 鉆 速 提 高 27%， 鉆 井 時 間平均縮短 32%。

瓦銳公司制造了世界上最大的混合鉆頭，見圖 6 所示。該鉆頭鉆頭直徑 1.143m，重量達(dá)到 2.3 噸，外 部 為 三 牙 輪 銑 齒 鉆 頭， 中 心 為PDC 鉆頭。瓦銳公司還研發(fā)出一款固定齒 PDC 鉆頭。見圖 7 所示。該鉆頭的切削結(jié)構(gòu)專門為定向設(shè)計，冠部呈錐形，從而減小鉆頭與地層的接觸面積，優(yōu)化切削齒后傾角和刀翼結(jié)構(gòu)，利于降低扭矩、提高鉆速和定向能力。設(shè)計人員通過對鉆頭結(jié)構(gòu)和幾何特征分析，采用減振功能設(shè)計，降低鉆頭振動幅度，使切削平穩(wěn)，以提高 PDC 鉆頭的定向和扭矩控制能力，使其具有更好的動態(tài)穩(wěn)定性和定向控制性，可以一趟鉆完成造斜、 穩(wěn)斜和水平段鉆進(jìn)，避免中途換鉆頭，大大節(jié)省起下鉆時間。石油行業(yè)常說“鉆頭不到，油氣不冒”，隨著油氣勘探逐漸向深層、非常規(guī)邁進(jìn)，對鉆頭的要求也越來越高，尤其是在中國四川盆地、塔里木盆地，油氣埋藏深，地層條件極其復(fù)雜，對鉆頭要求高，鉆頭技術(shù)的發(fā)展決定了鉆井所能達(dá)到的深度，國外鉆頭技術(shù)的進(jìn)步也將給中國鉆頭行業(yè)帶來了啟發(fā)。國內(nèi)鉆頭研發(fā)企業(yè)應(yīng)加大攻關(guān)力度，著力研發(fā)適合高硬度、高研磨性地層的高效鉆頭，為深層油氣開發(fā)提供支持。