浅谈石油钻头技术的现状与发展趋势
[摘要]钻头在钻井技术中起着关键作用，研究开发新型钻头对提高钻井效率、降低钻井成本等有极大的理论意义和实践意义。

另一方面深井、超深井钻井技术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，也要求我们在钻头设计及其切削齿研制等技术方面提高水平。

[关键词]钻井钻头；研究现状；个性化设计；发展趋势
中图分类号：tu23 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）11-0039 -01
钻头是重要的井下工具之一，从原油生产成本上分析，原油生产成本主要包括勘探成本、开发成本和采油成本三部分，其中钻井费用约占三分之一，降低钻井费用最有效的措施就是提高钻头寿命和钻井效率，因此加大对钻头的技术更新极其重要，油田近年加大了对高效钻头的研制和新产品研发的投入。

本文简略介绍了钻头研究现状，技术特点，展望了未来的发展趋势。

1 钻头设计与技术现状
1.1 切削新技术
1.1.1 混合切削结构钻头技术
2011年美国石油工程师协会举办的交流展示会上，美国休斯公司介绍了一种新型混合钻头的试验与应用情况。

该钻头由固定刀翼和牙轮混合组成，固定刀翼上采用固定pdc齿，牙轮材料采用硬质合金，这种混合钻头在页岩和塑性地层中钻进时，比普通牙轮钻头更
具高钻进效率，机械钻速是牙轮钻头的2-4倍，且有效减少了钻柱扭振、粘滑和涡旋等现象的发生。

1.1.2 pdc钻头切削结构新技术
除了pdc复合片材质的改进以外，切削结构的创新也是提高pdc 钻头综合性能（特别是在难钻地层中的性能）的有效手段。

如西南石油大学开发了一项对提高复杂难钻地层pdc钻头性能的新技术——内镶后备齿（亦称内镶二级齿）技术。

1.2 牙齿技术
在钻头设计方面，牙齿技术方面的设计与改进是避不开的，是钻头主要的技术设计之一，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”（dia-mond 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。

1.3 轴承新技术
1.3.1 滚滑轴承
采用滚动、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研发的专利技术，就高转速适应能力而言，是目前世界上最出色的钻头轴承技术之一。

江钻的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，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。

1.3.2 轴承密封技术
hughes公司近年在sem单金属密封的基础上，开发出新一代单金属密封（sem iitm）。

对semiitm进行了金属表面特殊强化处理，改进了密封系统的结构，其形状特殊的密封圈能实现较高的压缩比，明显提高了密封效率，延长钻头使用寿命，并能提高整个轴承系统的可靠性。

2 钻头的个性化设计与数字化仿真分析技术
随着钻头技术的不断进步，钻头的“个性化设计”正在从一个理想化的概念逐渐向实用技术转化。

“个性化设计”不同于“钻头选型”，它是一个更加精细、更加科学、更加强调主动性的钻头设计开发模式。

科学的个性化设计必须依赖先进的钻头性能分析预测技术手段，随着计算机技术的在钻头设计方面的广泛应用，用数字化钻进仿真代替一些需要做的部分实验，很多石油公司和科研单位，都能很好的做出某些个性化设计，如smith公司的ideas系统。

3 新型钻头
最近十年左右，国内外的石油钻头公司及有关科研单位对钻头的研发和改进做了大量工作，推出一些新产品。

hughes公司推出一种新型高效钢齿牙轮钻头--fastmax系列钢齿三牙轮钻头。

这种新型钻头的牙轮则共设计了9排齿，专门设计有一排抗重复研磨齿排，且所有的内排齿都采用了该公司的金字塔形齿并敷有enduraii硬
面敷焊材料。

在快速钻进时，这类金字塔形齿能保证实现更大的接触负载、更长的耐磨寿命，并减少钻头泥包现象的产生。

hughes公司最近研制的一种装五个刮刀片和19mm切削齿的多水眼金刚石钻头，保证供给钻头工作面足够的水力能量，既能清除岩屑，又能很好地冷却和润滑钻头上的金刚石。

5 钻头技术的发展趋势
在钻头技术的发展过程中，要勇于创新，理论和实际应用相结合，在优化钻头结构，不断在实际应用中对钻头进行改进，研发出新的钻头类型，毕竟高效的钻进效率以及高耐磨、高韧性的牙齿和长寿命钻头轴承是牙轮钻头永恒的追求目标。

牙齿技术的关键在于材料，轴承技术的关键在于密封。

所以，牙齿材料技术和轴承密封技术仍旧是未来牙轮钻头技术发展的主旋律。

随着技术的完善和制造成本的降低，金刚石复合牙齿在牙轮钻头产品中的应用将更加普遍。

展望未来10～20年内，石油钻头技术的发展主要方面：①加强对钻头材料技术的发展，而超硬材料技术的持续发展，将进一步促进pdc复合片、牙轮钻头牙齿等切削元件质量和性能的提高。

世界各国在这一方面仍孜孜不倦在追求更好的钻头材料技术，目前油田在钻头材料方面的技术与国外先进国家相比仍然有不小的差距。

②钻头技术最重要的技术目标之一仍然是增强针对难钻地层的适
应性，这也是钻头技术发展中始终应该注意的基本面和研发的方向。

③随着先进设计、分析技术的发展和推广应用，国内钻头的设计、分析技术水平将会显著进步。

④新钻头、新工具乃至新破岩方
法的研究将会有新的突破，部分新技术有望形成产品并开始推广应用。

发展方向：①牙轮-pdc混合钻头是解决深部难钻地层高效钻进问题的很有潜力的技术措施应尽早研究、开发。

②提高钻头破岩效率的主要手段有优化钻头结构、优化钻井工艺参数及钻具组合、使用辅助破岩技术等方法。

③钻头的个性化是未来钻头生产模式的发展方向，个性化产品技术系统的建立、发展和完善价值巨大。

④充分利用国外先进的人才和技术条件，促进pdc复合片、硬质合金齿等关键元件的材料研究，形成具有自主知识产权的新技术。

参考文献
[1] 翟嵩，曹建.金刚石钻头国内外研究现状及发展趋势.内蒙古石油化工，2009，（20）.
[2] pdc钻头发展及应用概况.金刚石与磨料磨具工程，2011，20（4）.。