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1、钻头技术现状及发展钻头技术现状及发展 方向方向20112011年年8 8月月6 6日日1 1 石油钻头发展简史石油钻头发展简史1 1 石油钻头发展简史石油钻头发展简史1.1 古代钻井及钻头技术1.2 近、现代钻头技术1.2.1 牙轮钻头1.2.2 金刚石钻头1.1 古代钻井及钻头技术古代主要钻凿工具首先是“锉”钻头. . 四川盐法志 上介绍了5种钻头。一种叫鱼尾锉，是钻大井眼用的；一种叫银锭锉，是钻小井眼用的；一种叫财神锉，是遇到井下坍塌 ，处理复杂情况时用的；还有一种叫马蹄锉，是井眼失圆，或 井眼里有了卵石不易捣碎时用的。 目前，四川大英县卓筒井镇四川大英县卓筒井镇还保留着最古老的卓筒井遗址
2、，已成为旅游景点供人参观瞻仰。在仰幕中国古代文明之时，我们也不要忘记，我国的油气钻井技术与当今世界先进钻井技术存在明显差距。传承古代文明，继承和发扬先辈的优良传统、奋起直追，赶超世界先进水平，已成为我们当代石油人义不容辞的责任。1.1 古代钻井及钻头技术近、现代钻头技术的发展：一、牙轮钻头二、金刚石钻头 上世纪初的钻头技术状况：软地层刮刀钻头；硬地层顿钻。1.2 近、现代钻头技术牙轮钻头1909年8月，美国人Howard Howard RobardRobard HughesHughes 和Walter Walter Benona Benona SharpSharp取得了世界上第一个牙轮钻头的专
3、利，标志着牙轮钻头技术的诞生。至今整100年。牙轮钻头与休斯牙轮钻头与休斯Howard Howard R. R. HughesHughes取得的世界上第一个牙轮钻 头的专利。休斯的牙轮钻头专利休斯的牙轮钻头专利掌背滚轮保径早期牙轮钻头的保径方法早期牙轮钻头的保径方法这种两牙轮钻头对硬地层钻进很有效，但在软地层极易泥包。所以，在软硬交替地层钻进时，就不得不频繁更换钻头。早期牙轮钻头存在的主要问题早期牙轮钻头存在的主要问题1925年，出现了牙齿相互交替啮合着的两牙轮钻头，这种结构使两个牙轮相互“剔牙”，把“牙缝”里的岩屑、泥块清除掉而防止泥包。称为“自洁式”或“自洗式”钻头。“ “自洁式自洁式”
4、”牙轮钻头牙轮钻头1932年装有滚动轴承的两牙轮钻头和三牙轮钻头相继问世。滚动轴承的应用显著提高的牙轮钻头的轴承寿命滚动轴承的应用显著提高的牙轮钻头的轴承寿命。具有滚动轴承的两牙轮钻头具有滚动轴承的两牙轮钻头三牙轮钻头的问世（三牙轮钻头的问世（19331933年年 ）具有重要意义，重建了）具有重要意义，重建了牙轮钻头产品的新形象和新规范。牙轮钻头产品的新形象和新规范。三牙轮钻头的问世三牙轮钻头的问世三牙轮钻头与两牙轮钻头相比具有以下优点：（1）充分利用空间，提高了钻头的总承载能力。（2）各牙轮上齿圈间距增加，有利于防止泥包。（3）钻头共有三圈外排齿切削井壁，提高了钻头的保径能力。（4）三牙轮比
5、两牙轮稳定性好，钻出的井身质量高。三牙轮钻头的问世三牙轮钻头的问世寿命相对延长后，钻井速度就成了人们关注的焦点。在中软以下的地层，牙轮钻头的钻速仍明显低于刮刀钻头。30年代后期出现的两项重大技术进步移轴钻头移轴钻头和复锥牙轮复锥牙轮，显著提高了牙轮钻头在中软以下地层的机械钻速。与此同时，表面强化技术的发展增强了牙齿的耐磨性。从此，牙轮钻头进入大规模推广时期。移轴牙轮钻头和复锥牙轮钻头移轴牙轮钻头和复锥牙轮钻头移轴钻头未移轴钻头复锥牙轮 单锥牙轮移轴牙轮钻头和复锥牙轮钻头移轴牙轮钻头和复锥牙轮钻头钢齿钻头在硬地层和研磨性地层中的钻进指标相当低。1950年，Hughes发明了镶齿牙轮钻头镶齿牙轮钻
6、头。镶齿钻头对硬地层的钻速和牙齿寿命均有了显著进步。当时，镶齿钻头在燧石层中的寿命可达2540h，进尺达1530m。该指标比钢齿钻头高出十几倍，故被誉为“燧石钻头燧石钻头”。硬质合金镶齿牙轮钻头的诞生硬质合金镶齿牙轮钻头的诞生70年代初，轴承密封技术轴承密封技术和储油补偿技术储油补偿技术的发明才使镶齿钻头技术得以大面积推广应用。到70年代中期，具有硬质合金镶齿、储油补偿技术、密封滑动轴承、高压喷射四项特征的“四合一”钻头，就成了牙轮钻头的主力品种，一直延续至今。轴承密封技术和储油补偿技术的发明轴承密封技术和储油补偿技术的发明金刚石钻头金刚石钻头的问世，解决了硬地层钻井的快速钻进问题。在金刚石钻
7、头技术方面，弗兰克弗兰克 克里斯坦森克里斯坦森(Frank (Frank L LChristensen)Christensen)做出了重要贡献。1946年，第一只金刚石取心钻头拿到科罗拉多州的Rangely油田上试用，一举成功。 1.3 近、现代钻头技术金刚石钻头金刚石钻头金刚石钻头其实并不是新技术，但却是在油气井钻头上的创新。金刚石钻探技术始于1862年，当时用手镶法将大颗粒金刚石镶嵌在钻头上，首先用于掘进隧道，以后才逐渐在采矿业推广。当时的金刚石钻头全部都是天然金刚石钻头，直至50年代。 1.3 近、现代钻头技术金刚石钻头PDCPDC钻头的诞生钻头的诞生1976年，克里斯坦森公司推出了用人
8、造聚晶金刚石复合片的钻头，称为PDCPDC钻头钻头(Polycrystalline Diamond Compact) ，成本和价格比天然金刚石低得多。热稳定聚晶金刚石钻头（热稳定聚晶金刚石钻头（TSPTSP钻头）钻头）1981年，研制出一种新产品，叫做巴拉斯钻头巴拉斯钻头(Balaset )，即三角形聚晶复合片钻头。这是一种热稳定人造金刚石复合片，能钻更硬、研磨性更强的地层。2 2 牙轮钻头新技术牙轮钻头新技术集团公司钻井新工艺、新技术高级培训班集团公司钻井新工艺、新技术高级培训班2 2 牙轮钻头新技术牙轮钻头新技术2.1 2.1 牙齿新技术牙齿新技术 2.1.1 2.1.1 蜂窝状金刚石复合
9、材料牙齿技术蜂窝状金刚石复合材料牙齿技术 2.1.2 2.1.2 二次烧结硬质合金牙齿技术二次烧结硬质合金牙齿技术 2.1.3 2.1.3 金刚石加强牙齿技术金刚石加强牙齿技术 2.2 2.2 轴承新技术轴承新技术 2.2.1 2.2.1 滚滑轴承滚滑轴承 2.2.2 2.2.2 轴承密封技术轴承密封技术 （1 1）单金属密封技术）单金属密封技术（2 2）HARHAR橡胶密封技术橡胶密封技术（3 3）GeminiGemini双密封技术双密封技术 2.2.3 2.2.3 牙轮防脱落技术牙轮防脱落技术2.1 2.1 牙齿新技术牙齿新技术2.1.1 2.1.1 蜂窝状金刚石复合材料牙齿技术蜂窝状金刚
10、石复合材料牙齿技术美国犹他州立大学为Smith公司开发了蜂窝状结构的聚晶金刚石蜂窝状结构的聚晶金刚石硬质合金复合材料硬质合金复合材料，又被称为 “纤维独石”技术。这种特殊结构的复合材料基于一种多级增韧的技术思想，具有非常高的断裂韧性。2.1 2.1 牙齿新技术牙齿新技术2.1.1 2.1.1 蜂窝状金刚石复合材料牙齿技术蜂窝状金刚石复合材料牙齿技术l 把蜂房细胞芯内材料和细胞壁材料颗粒分别与聚合物粘接剂混合搅拌均匀；l把细胞芯内材料压成圆棒形；l把细胞壁材料包在细胞芯材料外围；l把包好的材料，放入挤压缸里；l加压挤出内为芯料，外包壁料的复合纤维；l把复合纤维排列重叠，缠绕或编织，然后放 入模子
11、里压成所需零件的形状；l高温处理使粘接剂热分解，同时把复合纤维 热压或烧结成蜂窝状的复合材料。2.1.1 2.1.1 蜂窝状金刚石复合材料牙齿技术蜂窝状金刚石复合材料牙齿技术使用效果对比2.1 2.1 牙齿新技术牙齿新技术2.1.2 2.1.2 二次烧结硬质合金牙齿技术二次烧结硬质合金牙齿技术上图图是普通的WC+27%Co。下图总图总 成分也是WC+27%Co，是WC+6%Co 的较较大烧结颗烧结颗 粒加Co再烧结烧结 而成。其耐磨性相当于WC+6%Co而韧韧韧韧性性显显显显著提高著提高。2.1 2.1 牙齿新技术牙齿新技术2.1.2 2.1.2 二次烧结硬质合金牙齿技术二次烧结硬质合金牙齿技
12、术2.1 2.1 牙齿新技术牙齿新技术2.1 2.1 牙齿新技术牙齿新技术2.1.3 2.1.3 金刚石加强牙齿技术金刚石加强牙齿技术2.1.3 2.1.3 金刚石加强牙齿技术金刚石加强牙齿技术(Diamond Enhanced Insert)(Diamond Enhanced Insert)2.1 2.1 牙齿新技术牙齿新技术2.2.1 2.2.1 滚滑轴承技术滚滑轴承技术滚滑轴承滚滑轴承采用了滚动、滑动两种摩擦副相复合采用了滚动、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。了轴承适应高转速的
13、能力。2.2 2.2 轴承新技术轴承新技术2.2.1 2.2.1 滚滑轴承技术滚滑轴承技术滚滑轴承滚滑轴承是江钻股份公司的专利技术，是目前是江钻股份公司的专利技术，是目前 世界上最有特色的钻头轴承技术之一。就高转速条件下世界上最有特色的钻头轴承技术之一。就高转速条件下 的工作能力而言，滚滑轴承是世界上最出色的钻头轴承的工作能力而言，滚滑轴承是世界上最出色的钻头轴承 技术。技术。江钻股份的江钻股份的SMDSMD系列钻头就采用了这种轴承新技术，系列钻头就采用了这种轴承新技术， 该系列钻头能适应高达该系列钻头能适应高达400rpm400rpm的高转速，在俄罗斯等海的高转速，在俄罗斯等海 外油田配合涡
14、轮钻具钻进，取得了令人瞩目的成绩。外油田配合涡轮钻具钻进，取得了令人瞩目的成绩。2.2 2.2 轴承新技术轴承新技术2.2.2 2.2.2 轴承密封技术轴承密封技术SEM II进行了金属表面特殊强化处理，摩擦系数 减小；改进了密封结构的几何形状，金属摩擦面加宽， 明显挺高了密封能力。2.2 2.2 轴承新技术轴承新技术（1 1）SEM II SEM II 单金属密封技术单金属密封技术2.2.2 2.2.2 轴承密封技术轴承密封技术Hughes公司的HAR（High Aspect Ratio）橡胶密封 技术的主要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
15、承提 供更稳定的密封性能。2.2 2.2 轴承新技术轴承新技术（2 2）HARHAR橡胶密封技术橡胶密封技术2.2.2 2.2.2 轴承密封技术轴承密封技术密封系统包括两道密封圈内圈的大部用高弹性 橡胶，内圆周动密封面处用特耐磨橡胶；外圈的内圆周 处用Kevlar 纤维加强的橡胶 。2.2 2.2 轴承新技术轴承新技术（3 3）Gemini Gemini 双密封技术双密封技术2.2.3 2.2.3 牙轮防脱落预警新技术牙轮防脱落预警新技术2.2 2.2 轴承新技术轴承新技术技术原理技术原理: :锁楔式预警装置结构简图 1：轨道槽；2：锁楔；3：锁楔定位件；4：滚动体；5：初装槽 ；6：轴颈试验
16、钻头的预警装置西南石油大学专利技术预警装置启动状态示意图锁楔工作状态示意图技术原理技术原理: :3 3 金刚石钻头新技术金刚石钻头新技术集团公司钻井新工艺、新技术高级培训班集团公司钻井新工艺、新技术高级培训班3 3 金刚石钻头新技术金刚石钻头新技术3.1 3.1 国外新一代国外新一代PDCPDC齿技术齿技术3.2 3.2 极限地层极限地层PDCPDC钻头技术钻头技术3.3 PDC3.3 PDC钻头个性化设计技术钻头个性化设计技术3.4 PDC3.4 PDC钻头切削结构新技术钻头切削结构新技术3.5 3.5 孕镶金刚石钻头新技术孕镶金刚石钻头新技术3.1 3.1 国外新一代国外新一代PDCPDC齿技术齿技术l l Zenith Zenith 系列切削齿系列切削齿（Hughes公司）l l HOT HOT 系列切削齿系列切削齿（Smith公司）l l TReXTReX 和和RaptorRaptor切削齿切削齿（ Reed-Hycalog公司）l l Z3 Z3
