鉆頭是油氣探索的先鋒，是科技創(chuàng)新的結(jié)晶。

        隨著全球能源需求不斷增長，油氣勘探開發(fā)日益深入，對鉆頭的性能要求也越來越高。從傳統(tǒng)的牙輪鉆頭到先進的金剛石鉆頭，再到結(jié)合了新材料、新工藝的復(fù)合鉆頭，每一次技術(shù)的革新都意味著鉆井效率的提升、成本的降低及作業(yè)安全性的增強。本版聚焦國內(nèi)外油氣鉆頭技術(shù)的最新突破，展示相關(guān)企業(yè)在鉆頭制造方面的具體實踐，希望為未來能源探索之路提供有益的參考和啟示。

        特色鉆頭介紹

        功能性PDC鉆頭

        超大尺寸井眼鉆頭

        ●礫石層提速快

        ●適用于17 1/2~26英寸超深井大尺寸井眼

        硬夾層鉆頭

        ●具有多元混合破巖結(jié)構(gòu)，在硬夾層和硬塑性等地層鉆井提速明顯

        ●適用于火成巖、礫石層等硬夾層

        強研磨地層旋齒PDC鉆頭

        ●復(fù)合片能自旋轉(zhuǎn)，鉆頭壽命延長，行程進尺增加

        ●適用于須家河細砂巖、寒武系白云巖等致密強研磨地層

        旋導金剛石鉆頭

        ●具有高導向、低扭抗振結(jié)構(gòu)，反扭矩較低，振動小

        ●常用于頁巖油氣鉆井,匹配旋導工具使用

        混合鉆頭

        耐高溫混合鉆頭

        ●耐245攝氏度高溫，定向工具面穩(wěn)定，軸承壽命長

        ●適用于深部超高溫鉆井（175~245攝氏度）

        石化機械 做油氣鉆頭領(lǐng)域的全能冠軍

        在油氣裝備領(lǐng)域，小小的鉆頭有著舉足輕重的地位。石化機械全資子企業(yè)江鉆公司聚焦油氣勘探開發(fā)主戰(zhàn)場，深耕細作鉆頭領(lǐng)域，形成了牙輪鉆頭、金剛石鉆頭和混合鉆頭三類特色產(chǎn)品，技術(shù)整體處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平，并持續(xù)提升鉆井提速關(guān)鍵工具與裝備一體化解決能力，為保障國家能源安全貢獻力量。

        牙輪鉆頭作為江鉆公司的主打產(chǎn)品之一，在特殊井、難鉆地層、超高溫工況等方面占據(jù)絕對領(lǐng)先地位，形成了15項核心技術(shù)，包括金屬密封、梯度硬質(zhì)合金齒、耐超高溫橡膠、耐260攝氏度抗極壓潤滑脂等。這些技術(shù)全面適配高鉆壓和高轉(zhuǎn)速工況，構(gòu)建了全球齊全和可靠的軸承技術(shù)和密封技術(shù)，擁有先進的齒形齒材專利技術(shù)，可滿足從極軟到極硬的各類地層鉆井需求。早在2017年，憑借在牙輪鉆頭領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢，石化機械被工業(yè)和信息化部、中國工業(yè)經(jīng)濟聯(lián)合會確定為第一批制造業(yè)單項冠軍企業(yè)。

        自生產(chǎn)線建立以來，江鉆公司已累計銷售應(yīng)用超過百萬只牙輪鉆頭。其中，超高速馬達系列鉆頭在大慶流紋巖地層進尺超85米，與進口鉆頭表現(xiàn)相當；大尺寸混合鉆頭在庫車山前帶巨厚礫石層使用壽命超過120小時；橋塞鉆頭累計鉆除橋塞超百萬支，創(chuàng)造了單只鉆頭鉆塞262支的世界紀錄，成為北美頁巖氣鉆銑橋塞作業(yè)的標準配置。

        在金剛石鉆頭方面，江鉆公司同樣表現(xiàn)出色。在胎體金剛石鉆頭、鋼體金剛石鉆頭等系列的基礎(chǔ)上，該公司創(chuàng)新研制尖脊齒、雙倒角等專利異形齒，集成多級破巖技術(shù)和高導向技術(shù)，推出“先鋒”“尖鋒”兩大異形齒系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品對塑性地層、夾層和硬地層具有良好的適應(yīng)性，破巖效率及鉆頭壽命大幅提升，一趟鉆作業(yè)能力顯著增強。

        江鉆公司的金剛石鉆頭生產(chǎn)線配備了德瑪吉加工中心、智能燒結(jié)爐、自動化組焊機器人等設(shè)備20余臺，生產(chǎn)能力達到8000只/年。“先鋒”系列鉆頭集成斧形齒、三棱齒等高性能異形齒和超深脫鈷、多級切削技術(shù)，在復(fù)雜難鉆地層展現(xiàn)出較好的適應(yīng)性；“尖鋒”系列鉆頭集成快速鉆頭設(shè)計理念及相關(guān)專利技術(shù)，采用自主知識產(chǎn)權(quán)的尖脊齒，切削過程中能量集中程度更高，提高了鉆頭在由軟至中硬地層，尤其是塑性地層的鉆進效率。近5年，江鉆公司的金剛石鉆頭累計服務(wù)川渝、新疆及海洋等重點工區(qū)8000余口井，并在涪陵、川南、塔里木等勘探開發(fā)重點區(qū)塊創(chuàng)下國內(nèi)各項技術(shù)指標616項，形成了工區(qū)國產(chǎn)化和標準化的作業(yè)方案。

        混合鉆頭也是江鉆公司的一大亮點，被譽為我國油氣鉆井行業(yè)的“功勛產(chǎn)品”，在國內(nèi)外已累計完成超過9000趟次鉆井作業(yè)。四大功能型“龍”系列混合鉆頭，可實現(xiàn)由軟至硬地層全覆蓋，適應(yīng)性良好，廣泛用于軟硬交錯地層、定向應(yīng)用、黏滑問題等工況，具有定向工具面穩(wěn)、造斜率高、穿夾層能力強、使用壽命長等特點，深受市場青睞。

        針對復(fù)雜難鉆地層提速需求，江鉆公司首創(chuàng)混合破巖理論，采用“滾動牙輪+固定刀翼”高效破巖結(jié)構(gòu)，兼具金剛石鉆頭的強攻擊性和牙輪鉆頭的平穩(wěn)、低扭矩特性，具備長壽命和高機械鉆速的卓越性能，同時攻克了防出芯防環(huán)磨、高承載鑲套軸承、耐超高溫密封橡膠、鈷相強化硬質(zhì)合金齒、耐超高溫抗極壓潤滑脂等核心技術(shù)，獲得國內(nèi)外授權(quán)專利33件，為油氣勘探開發(fā)提供了有力支撐。

        ●頁巖油氣

        頁巖地層具有非均質(zhì)性及各向異性特點，在鉆井過程中，易發(fā)生卡鉆、埋鉆具等工程事故，且定向過程中鉆柱托壓嚴重，鉆井軌跡控制難度大。近10年，石化機械江鉆公司開發(fā)了防卡金剛石鉆頭、超大扭矩螺桿鉆具、減摩降阻配套工具、旋轉(zhuǎn)導向鉆井配套工具等一系列創(chuàng)新產(chǎn)品，在各示范區(qū)鉆井公司共同開展8輪鉆井提速工作，形成了針對頁巖油氣不同工況的標志性產(chǎn)品解決方案。其中，在樊頁102井一趟鉆進尺504米、機械鉆速13.09米/小時，刷新勝利頁巖油井二開定向段混合鉆頭機械鉆速最優(yōu)指標，并連續(xù)刷新國內(nèi)頁巖油氣最短鉆井周期紀錄。

        ●特深層油氣

        塔里木盆地油氣埋藏深，面臨超深、高陡、火成巖白云巖地層難鉆、超高溫等一系列工程難題，對鉆頭鉆具提出了很高要求。

        2017年至今，石化機械江鉆公司累計參與190余口8000米以深井鉆頭鉆具服務(wù)，刷新各類鉆井提速指標521項，助力順北油氣田平均鉆井周期縮短14%以上；自主研制的9 1/2英寸四刀翼“游隼”KSF快速鉆進“先鋒”金剛石鉆頭，匹配自產(chǎn)197大扭矩等應(yīng)力螺桿，在塔里木熱普901H井高效完成二開鉆進，單趟進尺5818米、純鉆304.5小時、平均機械鉆速19.1米/小時，刷新國內(nèi)超深井單趟鉆最長進尺紀錄，樹立了“深地工程”鉆井提速典范。

        中原石油工程 高質(zhì)量鉆頭成為拓市創(chuàng)效利器

        近日，從西北油田傳來振奮人心的消息：在TKK3-2-5X井311.2毫米井眼施工中，中原石油工程生產(chǎn)的PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭以112米/小時的平均機械鉆速榮登榜首，展示了強大的鉆井能力；在241.3~215.9毫米井眼施工中，其同樣表現(xiàn)出色，以25.51%的市場使用率和32.4米/小時的平均機械鉆速穩(wěn)居第一。

        成績背后，是中原石油工程對鉆頭質(zhì)量的嚴格把控和持續(xù)創(chuàng)新。作為研發(fā)生產(chǎn)PDC鉆頭的主力軍，中原石油工程管具公司緊抓機遇，不斷強化服務(wù)意識、完善服務(wù)方式、提升服務(wù)質(zhì)量，加大PDC鉆頭產(chǎn)品研發(fā)和內(nèi)銷推廣力度，實現(xiàn)了產(chǎn)品從研發(fā)端到使用端的高效運行和快速反應(yīng)。

        在技術(shù)研發(fā)方面，管具公司投入大量資源，成立鉆頭建模與數(shù)字化實驗室，對鉆井數(shù)據(jù)進行深入分析總結(jié)，建立了PDC鉆頭選型和應(yīng)用模型，為產(chǎn)品的精準研發(fā)提供了有力支撐。目前，該公司已形成了適用國內(nèi)各區(qū)域的系列鉆頭產(chǎn)品，包括新型屋脊齒、奔馳齒等3D復(fù)合片系列鉆頭，共有4個系列71種型號，可滿足不同區(qū)域、不同井況的鉆井需求。

        在質(zhì)量管控方面，該公司建立了完善的產(chǎn)品質(zhì)量管理團隊，嚴抓控制節(jié)點、強化過程檢驗，全面實施出廠驗收制度，確保PDC鉆頭出廠合格率達到100%。

        在服務(wù)效能提升方面，該公司成立了提速提效聯(lián)合攻關(guān)組，選派經(jīng)驗豐富的技術(shù)服務(wù)人員深入現(xiàn)場，跟蹤使用情況，收集存在問題，有針對性地改進產(chǎn)品設(shè)計思路和方案，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，努力做到“質(zhì)量與效率并重，管理與服務(wù)同行”。

        如今，中原石油工程生產(chǎn)的PDC鉆頭在新疆市場的應(yīng)用效果日益顯著。多家鉆井公司使用該鉆頭刷新了單只鉆頭進尺最長、平均機械鉆速最高等多項指標，證明了中原石油工程PDC鉆頭的高性能和可靠性，為進一步拓展市場奠定了堅實基礎(chǔ)。

        【典型案例】

        ●針對中原區(qū)域館陶組地層含礫石多的特點，中原石油工程配合高泵壓、大排量鉆井參數(shù)，優(yōu)選鉆頭復(fù)合片，采用5D異形（燕尾形）切削齒取代常規(guī)平齒PDC鉆頭，改善切削方式和巖屑的運移狀況，降低先期損壞和崩齒發(fā)生率，提高抗沖擊性和鉆進效率，成功研制出抗沖擊PDC鉆頭。在中原區(qū)域何303斜井二開311.2毫米井眼施工中，使用抗沖擊5D異形（燕尾形）切削齒鉆頭，進尺2627米、純鉆44小時、平均機械鉆速59.7米/小時，創(chuàng)該區(qū)域二開井段周期最短、進尺最多、平均機械鉆速最高等3項紀錄，實現(xiàn)二開井段一趟鉆目標。

        ●針對新疆塔河地區(qū)上部地層可鉆性好、膠結(jié)性差、滲透性強、弱膨脹、強分散的特點，中原石油工程自主研發(fā)直徑241.3毫米脈沖高噴射鉆頭，配合高泵壓、大排量、高鉆速、大鉆壓等鉆井參數(shù)，在TH10451X井創(chuàng)塔河區(qū)塊單日進尺1609米的最高紀錄；在TP1117X井實現(xiàn)單只鉆頭進尺5230.58米、純鉆168小時、平均機械鉆速31.13米/小時，刷新托甫臺區(qū)塊單只鉆頭進尺最多、平均機械鉆速最高等多項指標。

        龍爭虎斗，縱觀國內(nèi)外PDC鉆頭最新進展

        □勝利石油工程鉆井工藝研究院鉆頭研發(fā)首席專家 于建賓

        隨著材料性能不斷進步、異形切削齒破巖機理突破和個性化鉆頭設(shè)計方法改進，PDC鉆頭無論在軟地層、硬地層，還是直井、水平井，應(yīng)用范圍更廣、壽命更長、機械鉆速更高，使用數(shù)量占絕對主力。

        近年來，國外以斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯為代表的石油綜合服務(wù)公司在異形齒PDC鉆頭研究領(lǐng)域取得了諸多進展。斯倫貝謝的Axe斧形齒系列、貝克休斯的Optimus尖圓齒系列、國民油井的ION™切削齒系列和哈里伯頓的Geometrix™異形齒系列，在北美、非洲和中東等地區(qū)的堅硬砂巖、灰?guī)r和泥頁巖地層中應(yīng)用效果較好，鉆頭進尺和機械鉆速均比常規(guī)圓形平面齒PDC鉆頭大幅提高。

        國內(nèi)各大鉆頭公司和復(fù)合片公司也相繼研發(fā)了多種類型的異形切削齒PDC鉆頭。具有代表性的有石化機械江鉆公司的“先鋒”系列、勝利石油工程的“勝利天工”系列異形齒金剛石鉆頭，以及其他國內(nèi)鉆頭公司的異形齒PDC鉆頭，在西南地區(qū)須家河組、茅口組，新疆油田二疊系玄武巖地層、勝利油田館陶組、太古界片麻巖，東北地區(qū)營城組、火石嶺組等難鉆地層均取得了較大突破性進展。其中，在川深1井二開444.5毫米大尺寸井眼、自流井組-小塘子組2909~4166米使用國產(chǎn)鉆頭，先后4次打破進口鉆頭指標紀錄；深地塔科1井使用國產(chǎn)PDC鉆頭鉆進至1萬米，創(chuàng)造了國產(chǎn)鉆頭在國內(nèi)最深使用紀錄。總體而言，在同區(qū)塊比較，國產(chǎn)PDC鉆頭與國外同類產(chǎn)品使用效果基本持平，因此，國內(nèi)市場基本以國產(chǎn)PDC鉆頭為主，國外鉆頭數(shù)量占比較少。

        同時也要看到，即使國產(chǎn)PDC鉆頭在跟跑國外技術(shù)上取得了長足進步，但國外公司研發(fā)基礎(chǔ)雄厚，在異形齒破巖機理的理論和實驗研究方面始終走在前列，依靠個性化鉆頭不斷細分市場。貝克休斯的Kymera混合鉆頭將牙輪與PDC結(jié)合，能在軟硬交錯地層、非均質(zhì)地層的鉆進中保持穩(wěn)定，為定向作業(yè)提供更高的造斜率和精確導向性；斯倫貝謝的旋導PDC鉆頭，可大幅提高鉆頭定向效率；哈里伯頓、貝克休斯、國民油井等公司研發(fā)的參數(shù)采集鉆頭，為鉆頭優(yōu)選、鉆頭優(yōu)化設(shè)計和工程參數(shù)優(yōu)化等提供了可靠數(shù)據(jù)支撐。

        目前，針對國外PDC鉆頭的發(fā)展趨勢和鉆井需求，國內(nèi)各大鉆頭公司也對標研發(fā)了各種類型的個性化鉆頭，包括勝利石油工程的PDC-滾輪混合鉆頭、參數(shù)采集PDC鉆頭、切深自調(diào)節(jié)PDC鉆頭、微芯PDC鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭，以及江鉆公司的PDC-牙輪混合鉆頭等。在躍進3-3XC井，江鉆小尺寸混合鉆頭鉆至8438米，創(chuàng)造了世界紀錄；勝利石油工程孕鑲金剛石鉆頭作為新疆哈山區(qū)塊火成巖地層提速首選工具，創(chuàng)下多個區(qū)塊進尺最多紀錄。

        未來，要繼續(xù)加強PDC切削齒材料研究、PDC異形齒破巖機理基礎(chǔ)研究和PDC鉆頭創(chuàng)新設(shè)計理念研究，努力實現(xiàn)由跟跑向領(lǐng)跑轉(zhuǎn)變，切實把能源的飯碗牢牢端在自己手中。

        來源：中國石化報