深井钻探中小尺寸复合钻头的技术分析与展望

四川宝石机械石油钻头有限责任公司

一、概述

石油工业经过多年发展，浅表层油气资源越来越少，但油气需求却越来越大，油气开发不得不往更深部发展。据不完全统计，我国陆上石油资源储量为700 亿吨，目前探明180 亿吨，探明率25.7%；陆上天然气资源量为30万亿立方米，目前探明1.2 万亿立方米，探明率仅为4%。中国西部地区新疆、四川、陕西等是石油和天然气集中区，而探明率较东、北部少许多。西部和中部的油气资源主要集中在深部地层，所以提高深井、超深井钻探工艺技术具有重要意义。

深井、超深井通常是指钻探深度大于4500 米井，该类井具有裸眼井段长，需要穿越多套地层压力系统，井壁稳定，地层压实程度高，地质结构复杂、地层复杂，岩石可钻性差等特点。深井、超深井钻井是一项复杂的系统工程，具有较大的风险。作为钻探最直接的工具，钻头性能的好坏直接影响钻井质量和钻井成本。

二、深井、超深井定向钻井面临的问题

深井、超深井钻井是一项复杂的系统工程Deep well and ultra-deep well drilling is a complex, systematic project

（东方IC 供图）

目前深井、超深井定向钻井面临几个方面问题：1.地层压实程度高，岩石抗压、抗剪性能大幅提高，通常情况下常规PDC 钻头难以深入地层，牙轮钻头机械效率低，轴承寿命短，容易失效造成井下安全事故；2.扭矩波动大，工具面不稳定，定向效率低；3.井眼直径小，钻头结构受限，容易产生抽吸现象导致井壁失稳；4.超深水平井面临储层非均质性强、变化大、定向钻轨迹控制困难、井下工具仪器工作环境恶劣。

深井、超深井钻井工程地质极为复杂，遭遇诸多世界级钻井技术难题，亟待解决。在深井、超深井钻井的工程项目中，需要选取合适的钻头才能使施工过程顺利进行。

三、钻头技术应用分析

深井、超深井钻井通常采用小井眼技术，实践证明小井眼是一种相对经济的钻井方式，小井眼采用小尺寸（通常直径在65/8 英寸及以下）钻头进行钻井更为科学。目前从结构上分为三大类钻头：1.固定切削结构钻头（代表：PDC 钻头）；2.旋转切削结构钻头（代表：牙轮钻头）；3.固定+旋转切削结构钻头（代表：复合钻头）。

（一）固定切削结构钻头技术分析

以PDC 钻头为代表的“固定切削结构钻头”特点：

通过聚晶金刚石复合片借助自身硬度刮切作用破碎地层。适应于软到中硬的均质地层，具有机械钻速快，安全可靠等特点。但PDC钻头在硬地层和非均质地层中钻进时，由于岩性的高抗剪切载荷和软硬交替接地层的交变载荷极易导致聚晶金刚石复合片很快损坏，从而导致钻头短时间内失效。除此之外，PDC 钻头在工作过程中，钻压和扭矩共同作用使聚晶金刚石复合片有效吃入岩层，绕着井底中心做螺旋运动破碎岩石，刮切破岩原理需要足够大的扭矩实现对岩石的切削，导致PDC 钻头具有高扭矩现象，岩性的非均匀抗压性使得钻压变化从而会引起扭矩的大幅变化，导致定向钻进时工具面不稳定，不易控制。PDC 钻头定向作业大部分时间花费在摆工具面上，定向效率低。虽然通过对 PDC 钻头结构优化设计提高了一定的导向能力，但仍弱于具有冲击方式破碎岩石的复合钻头。

（二）旋转切削结构钻头技术分析

以牙轮钻头为代表的“旋转切削结构钻头”特点：

牙轮钻头主要由牙爪、牙轮、水力系统和轴承系统组成。牙爪之间对接焊，牙轮通过轴承系统安装在牙爪上，钻头在井底转动时，由于岩石对牙轮齿的反作用力，牙轮绕轴颈自转。

牙轮钻头按照牙轮个数可分为单牙轮钻头，双牙轮钻头，三牙轮钻头和多牙轮钻头，其中，三牙轮钻头应用最为普遍。

在钻进过程中，牙轮钻头在旋转时对岩石产生冲击、压碎和剪切的作用，故牙轮钻头能够在软、中、硬各种地层中钻井，具有较高的使用寿命。牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是十分复杂的。牙轮钻头主要破岩方式为冲击、压碎和刮切，在钻压的作用下挤压冲击岩石，使岩石产生塑形变形和脆性破裂。同时，由于牙轮的超顶(三个牙轮的锥顶超过钻头中心)、移轴(三个牙轮的轴线不交于钻头中心线)和牙轮的复锥形状，使钻头在井底工作时会产生一定的滑动，此时对岩石就有了一定的剪切作用。故牙轮钻头是在冲击破碎和剪切破碎的联合作用下破碎井底岩石的，而冲击破碎占有主导地位。

因此牙轮钻头在井底钻进时，扭矩响应低，方位易控制，工具面稳定，导向性能好，不易在井底产生回旋运动，能够较快找准方位，沿预定轨迹钻进。但牙轮钻头的冲击破岩方式也导致其在钻井作业时机械钻速慢，破岩效率低，仍不能有效缩短钻井周期，降低钻井成本。

（三）固定+旋转切削结构钻头技术分析

以复合钻头为代表的“固定+旋转切削结构钻头”特点：

复合钻头是一种结合了牙轮轮齿冲击破碎和PDC 剪切破岩原理的新型钻头。它由牙轮轮齿先对地层产生破碎应力，使之产生裂纹，然后通过PDC刮切作用，剪切破岩，提高钻进效率。由于旋转部件（牙轮）的支撑和缓冲，复合钻头的扭转振荡要小很多，提高了其在定向钻井中的工具面可控制性，对复杂地层适应性强，在软硬交错的非均质地层中，牙轮轮齿对PDC 复合片有很好的保护作用，避免钻头提前失效。复合钻头因为有牙轮结构的存在相比PDC 钻头能够承受更高的钻井参数（钻压、转速），更有利于在难钻地层中高效钻进。

The rapid development of global energy technology and people’s increasing demand for a better life have injected the impetus and created technical feasibility for achieving high-quality energy development in terms of supply and demand. As energy is the industrial lifeblood of a country and the basic raw material and basic industry for economic and social development, the high-quality development of a country is inseparable from that of energy. In this sense,the technological improvement of deep well and ultra-deep well directional drilling tools could provide new driving forces for the high-quality development of oil and gas resource development.

根据以上三种类型钻头分析，相对PDC 钻头和牙轮钻头，复合钻头具有：1.牙轮和PDC 复合片共同作用，提高硬地层破岩效率，地层适应性广，适合在软硬交替的夹层中高效钻井；扭矩波动小，工具面易控制，定向效率高，井眼轨迹好；2.轴承承载能力更强，轴承寿命更长，且通过结构设计增设安全保护腔，能够有效防止牙轮因轴承磨损而脱落掉井，安全性能更高了；3.导向钻井工具面稳定，造斜率高，对钻井组横向、轴向振动更少等特点，适合在深井、超深井、定向井中应用。

四、结语

全球能源技术快速发展，人民对美好生活的需要也在日益增长，这些变革从供给和需求两个方面为实现能源高质量发展提供了动力和技术可行性。能源是“工业的血液”，是经济社会发展的基础原料和基础产业。国家的高质量发展离不开能源的高质量发展。深井、超深井定向钻井工具的技术提升能够为油气资源开发高质量发展提供新动能。