石油钻头技术现状及发展方向.ppt

石油钻头技术现状及发展方向 杨迎新 况雨春 陈炼 ( 西南石油大学，成都，610500 ) 深井、超深井钻井技术在我国油气资源的勘探和开发中占据着至关重要的地位，有着广阔的发展空间和发展前景。对深井、超深井而言，深部地层的钻井成本在总的钻井成本中占据着相当大的比重。而深部井段钻井液密度高，岩石可钻性差，加之水力能量严重不足，所以钻进的速度相当低。目前，深部地层的低钻速已经对深井、超深井的建井周期和钻井成本造成了严重影响。因此，如何提高深部地层的破岩效率，已成为石油钻头技术领域最前沿的研究课题和最具挑战性的技术目标。 引 言 1 随着材料技术以及钻头设计、制造技术的不断进步，PDC钻头对地层的适应范围越来越宽。过去，PDC钻头只限于钻软到中硬的均质地层。如今，其应用范围也逐渐向硬地层、高研磨性地层以及含砾、软硬交替等不均质地层扩展。只要地层适宜，PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片）钻头应是深部井段钻头的较佳选择。然而尽管如此，面对深部井段恶劣的钻井条件特别是地层条件，PDC钻头往往难以适应。牙轮钻头仍是深部地层钻井中不可或缺的利器。 牙轮钻头-牙齿技术 2 单元含20%Co聚晶金刚石 蜂窝PCD/WC-Co组成结构 WC-11%Co细胞边界 蜂窝状金刚石复合材料耐磨性与聚晶金刚石相当，但韧性、抗冲击能力显著增强。这种蜂窝状结构材料制成的“细胞强化牙齿”冲击韧性、耐磨性均十分出色。 2.1.1 蜂窝状金刚石复合材料牙齿技术 牙齿技术 2.1 美国犹他州立大学为Smith公司 开发的蜂窝状结构聚晶金刚石 二次烧结硬质合金材料（Double Cemented Tungsten Carbide）由具有较高硬度和研磨性的微粒和具有较高韧性的基体材料共同组成。微粒是由更小的硬质合金粉末和粘接剂烧结而成；基体材料一般是钴合金粘接剂，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高基体材料的耐磨性。硬质微粒和基体材料在一定的压力和温度下烧结后所形成的新材料在保持（或更好）原有耐磨性的基础上，韧性大大提高。因此，二次烧结硬质合金牙齿可用于高研磨性、高硬度地层的钻头。 2.1.2 二次烧结硬质合金牙齿技术 2.1.3 金刚石加强牙齿技术 近年来，用于牙轮钻头的金刚石加强牙齿技术在国内外钻头产品中应用越来越广。所谓“金刚石加强牙齿”（Diamond Enhanced Insert）实际上就是与PDC钻头复合片类似的聚晶金刚石复合牙齿。这种牙齿耐磨性非常好，但成本也高，所以一般多用于保径结构。但也开始出现全部使用金刚石加强牙齿的钻头产品，用于钻进研磨性极强的地层。 2.2.1 滚滑轴承 轴承新技术 2.2 采用了滚动、滑动两种摩擦副相复合的结构，在保持滑动轴承高承载能力的同时，显著提高了轴承适应高转速的能力。 滚滑轴承技术是江汉石油钻头股份有限公司的专利技术，是目前世界上最有特色的钻头轴承技术之一。江钻股份的SMD系列钻头就采用了这种新轴承技术，该系列钻头能适应高达400rpm的高转速。就高转速适应能力而言，这是世界上最出色的钻头轴承技术。该系列钻头在俄罗斯等海外油田配合涡轮钻具钻进，取得了令人瞩目的成绩。 Hughes公司于1988年取得牙轮钻头金属密封专利，并经不断改进。近年，在SEM单金属密封的基础上，开发出新一代单金属密封（SEM II?）。SEM II?进行了金属表面特殊强化处理，改进了密封系统的结构，明显挺高了密封效率，延长钻头使用寿命，并能提高整个轴承系统的可靠性。 （1）HAR橡胶密封技术 2.2.2 轴承密封技术 HAR橡胶密封是Hughes公司近年来在橡胶密封基础上不断改进推出的新型橡胶密封结构。这种密封技术的优点在于其形状特殊的密封圈能实现较高的压缩比，因而能更有效地补偿密封面的磨损，为轴承提供更稳定的密封性能。 （2）HAR橡胶密封技术 Gemini?双密封技术（Gemini Dynamic Twin Seal System）是Smith公司的一项特色技术。密封系统包括两道密封圈——主密封和保护主密封的次密封，如图6所示。该密封系统在高压、高温、腐蚀性井底环境中能保持良好的持久性和可靠性。自推出至今，密封系统的材料和结构两方面均在不断改进。 （3）Gemini?双密封技术 国外新一代PDC齿技术 3.1 Hughes Cristensen Zenith?齿 Halliburton Z3?齿 Smith International HOT?齿 VARCO （Reed-Hycalog） TReX?齿和Raptor?齿 国外新一代 PDC