金刚石钻头在石油开采中的应用

     在石油勘探和油田开发的各项任务中，钻井工作起着十分重要的作用。如寻找和证实含油气构造、获得工业油流、探明已证实的含油气构造的含油气面积和储量，获得有关油田的地质资料和开发数据，最后将原油从地下取到地面上来等等，无一不是通过钻井来完成的。

     钻井是勘探与开采石油及天然气资源的一个重要环节，是勘探和开发石油的重要手段。

     钻头是石油钻井中，用来破碎岩石形成井眼的工具，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本。

     钻头按类型可分为金刚石钻头、PDC钻头、刮刀钻头和牙轮钻头等四种。

     金刚石钻头

     金刚石钻头是指靠镶嵌在钻头胎体上的金刚石颗粒破碎岩石的钻头。金刚石是目前人类所知材料中硬度最大、耐磨性最高的材料，因此金刚石钻头用于硬的、高研磨性地层，可获得比较高的钻头进尺。虽然金刚石比较昂贵，但金刚石钻头磨损，单只钻头进尺高，在当今的石油钻井仍有较强的竞争力。目前，金刚石钻头在普通的旋转钻井以及涡轮钻井和取芯作业中都得到了广泛的使用，其中热稳定聚晶金刚石齿（TSP），应用尤其广泛。

     1）金刚石钻头结构特点

     金刚石钻头属一体式钻头，整个钻头无活动部件，主要有钻头体，冠部，水力结构（包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道，排屑槽），保径、切削刃（齿）五部分，金刚石钻头的冠部是钻头切削岩石的工作部分，其表面（工作面）镶装有金刚石材料切削齿，并布置有水力结构，其侧面为保径部分（镶装保径齿）它和钻头体相连，由碳化钨胎体或钢质材料制成。钻头体是钢质材料体，上部是丝扣和钻柱相连接，其下部与冠部胎体连结在一起（钢质的冠部则与钻头体成为一个整体）。

     2）金刚石钻头的工作原理

     金刚石钻头钻进时，钻头表面上的多粒金刚石同时作用于岩石。金刚石破碎岩石的作用在不同性质的岩石中表现出不同的特性。在塑性地层（或岩石在应力作用下呈塑性的地层），金刚石在钻压的作用下吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石发生破碎或塑性流动，该破岩过程类似于"犁地"过程，故称作"犁削"。

     在脆性较大的地层中钻进时，金刚石破碎岩石的作用主要是"压碎"，在钻压和扭矩作用下所产生的应力可使刃下岩石沿最大剪应力面开裂，在金刚石移动的后部形成被压裂了沟槽，这种情况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后破碎的体积，岩石破碎具有体积破碎的性质，破岩效率较高。

     在坚硬地层（如燧石、硅质白云岩等）中，一般采用将细颗粒金刚石包镶在胎体内部的孕镶式金刚石钻头钻进，其破岩过程同砂轮的磨削相似。钻头上每一个包孕的金刚石都是小刃齿，钻头可看作有无数个刃的刀具。钻头钻进岩石时，钻头上出露的棱角锋利的金刚石刃齿以微切削、刻划等方式来破碎岩石。磨削破岩属于表面破碎，破岩效率较低。

     3）金刚石钻头的正确使用

     金刚石钻头适用钻中到坚硬、研磨性地层和涡轮钻井、深井超深井钻井以及取芯作业。使用金刚石钻头前，井底要打捞干净，保证没有金属落物。钻头刚下到井底时，要先用小钻压、低转速跑合。然后采用相对较低的钻压（和牙轮钻头相比），较高的转速和较大的排量钻进。应尽量避免划眼。如果必须进行划眼，应采用低钻压和低转速，操作要均匀，防止钻头规径部分金刚石碎裂和过度磨损。

     PDC钻头

     PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，亦称聚晶金刚石切削块钻头或复合片齿钻头。从1973年美国通用电气公司引入PDC切削块，研制出第一个PDC钻头后，PDC钻头便以其钻速快、寿命长、进尺高等优势，在石油钻井中得到了广泛的应用。几乎所有钻头制造商都采用了这一技术，开始生产自己的PDC钻头系列。

     1）PDC钻头的结构特点

     PDC钻头由钻头体、PDC切削齿和喷嘴等部分组成，按结构与制造工艺的不同分为钢体和胎体两大系列。

     钢体PDC钻头的整个钻头体都采用中碳钢材料并采用机械 制造工艺加工成形。在钻头工作面上钻孔，以压入紧配合方式将PDC切削齿固紧在钻头冠部。钻头冠部采用表面硬化工艺（喷涂碳化钨耐磨层、渗碳等）进行处理，以增强其耐冲蚀能力。这种钻头的主要优点是制造工艺简单；缺点是钻头体不耐冲蚀，切削齿难以固牢，目前应用较少。

     胎体PDC钻头的钻头体上部为钢体，下部为碳化钨耐磨合金 胎体，采用粉末冶金烧结工艺制造成型。用低温焊料将PDC切削齿焊接在胎体预留窝槽上。碳化钨胎体硬度高，耐冲蚀，因而胎体PDC钻头寿命长，进尺高，目前应用比较广泛。

      2）PDC钻头的工作原理

      PDC钻头是以切削方式破碎岩石。能自锐的切削齿在钻压的作用下很容易切入地层，在扭矩的作用下向前移动剪切岩石。多个PDC切削齿同时工作，井底岩石的自由面多，岩石在剪切作用下也容易破碎，因此破岩效率高，钻进速度快。

      3）PDC钻头的正确使用

     PDC钻头在大段均质的软到中硬地层中使用效果最好。不适合钻砾石层和软硬交错地层。

     采用低钻压、高转速、大排量钻进，钻头使用效果好。

     钻头下井前，井底要清洁，确保无金属落物。

     钻头刚下井时，要采用小钻压和低转速跑和，待形成井底后恢复正常钻进。

     PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。