钻头发展史

在pdc的生产技术尚未成熟,或者说pdc钻头刚开始开发之前的一段时间,就有厂家用无硬质合金衬底的聚晶人造金刚石取代天然大颗粒金刚石来制造表镶钻头。聚晶体的形状有一端为圆锥的圆柱形、三角块形、圆片形及矩形、块形等多种,如ge公司的geoset、fomset,de beers公司的syndax3以及郑州三磨所的tsp,它们的共同特点是具有高热稳定性,即耐1000℃~1100℃的高温,可直接烧结到由碳化钨粉未及粘结金属组成的钻头胎体的冠部作为钻齿,破碎与切削地层。
1969~1975年郑州三磨所分别生产了几种不同直径的jr20sn一2聚晶体,首先用于保径的孕镶钻头和扩孔器的制造,钻进矿山7级以下的地层,而后用6x 6mm聚晶体制造石油刮刀钻头,在胜利油田进行试验,以钻进同一井深2400m为例,聚晶刮刀钻头与硬质合金刮刀钻头相比,每口井可节约1.1~1.2万元,并节省78%的时间;聚晶刮刀钻头与牙轮钻头相比,节省成本50%以上,钻井时间减少5~8天。另外1.8×5mm聚晶体制造的地质取芯钻头、扩孔器以及2.5×5mm聚晶体用于冶金、煤田及地质孕镶钻头的保径,其效果也与天然金刚石相近。
在上世纪80年代初期我国自主研发的pdc尚未成功之前,6×6mm聚晶体曾大量用于石油、天然气钻井的取芯钻头和西瓜皮式的全面钻进钻头。三角块形聚晶也曾大量用于制造中硬至硬地层(如石灰岩、白云岩)、轻微研磨性地层的取芯或全面钻进钻头。自90年代国产pdc大规模生产之后,聚晶人造金刚石逐渐退出了钻井市场,被pdc全面取代。
石油、天然气钻井用pdc钻头的研发与应用经历了一个相当长的时间,早期pdc的抗冲击性不高、存在分层现象,加上钻头设计制造方面存在问题及石油、天然气钻井具有风险性,占据钻井市场较大份额的牙轮钻头制造厂商表现不是那么积极,因此pdc钻头的研发和应用遇到了较大的困难与阻力。
美国在1973~1975年间采用ge公司生产的8.38×2.8mm、金刚石层为0.5mm厚的pdc(compax)焊接到硬质合金齿柱上再安装到钢体钻头上进行试验,大量的原始试验数据表明:pdc可取代用于钻进最硬和磨蚀性很高的岩石的表镶钻头上的天然金刚石。但考虑到pdc的结构与性能特点以及石油、天然气地层大都为软一中硬地层,于是钻头制造厂商把pdc应用重点放到了具有重大市场前景的石油钻井市场。美国tulsa大学钻井研究中心参与了最初的平面pdc钻头设计,并对pdc本身进行了关键性试验。在此期间ge公司在南得克萨斯州、科罗拉多州、犹他州、上密歇根州进行了4只pdc钻头的试验,暴露了pdc柱齿、钻头设计与制造方面的一些问题。
初期试验存在的问题解决后,1976年12月ge公司推出了钻头专用pdc系列产品stratapax,其性能有所改进,更耐冲击,也更有利于固定到钻头体上。与此同时diamant b0art公司在波斯湾和北海盐岩中、east.man christensen公司在北海也进行了一些较为成功的pdc钻头试验。
通过上述初步探索性试验之后,80年代末一直到现在,pdc制造厂对pdc进行了一系列的改进与创新,使pdc的各项性能得到了很大提高,而各大钻头公司随着能源市场的景气、原油价格的不断创新高,他们与石油公司一起积极开发了一系列新型pdc钻头,改善了使用效果与扩大了使用领域。
90年代起,从钻头水力学角度出发,通过完善钻井泥浆以控制页岩中钻头泥包现象获得了成功,使解决钻进页岩夹层存在的问题获得了突破性进展。pdc钻头的最大发展是amoco公司发现了钻头损坏的最主要原因是钻头旋转偏摆(回旋)造成的,随之发展了防钻头偏摆设计技术,各钻头制造厂从钻头设计角度出发对布齿结构、刀翼结构、钻头剖面形状等采用了一系列防偏摆设计技术,将旋转偏摆程度降低到最小。此外,eastman christensen公司将amoco的防偏摆产品实现了商品化,采用了稳定钻头工作装置,使pdc在钻进时降低导致其破坏的剧烈偏摆载荷,正式推出了防旋转偏摆钻头,这种钻头在多层(非均质夹层)岩层钻进中更为有利。此外,钻头冠部形状也由平面状变为3~8刀翼甚至更多刀翼(螺旋形)的西瓜皮状。
pdc钻头不断提高与创新的另一原因是开发与应用了更为现代、更为复杂的计算机数据模型系统(cad/cam),并与实验室验证相结合,增加了钻头成功应用的把握。在我国,pdc钻头的开发因为受到pdc国产化的影响,相对美国要晚15年左右,在上世纪80年代中期,江汉钻头厂、大港总机厂钻井研究所及北京石油大学等单位开始着手研发pdc钻头,1985年川石一克里斯坦森金刚石钻头公司与1990年新疆一帝陛艾斯钻头工具公司成立后分别引进了国外成熟的pdc钻头技术及后续新技术,并采用ge、debeers、uss公司生产的质量稳定可靠的pdc,它们制造的钻头在钻井中均有卓越的表现,为我国pdc钻头的开发与应用迅速铺平了道路,展现了pdc钻头在石油、天然气钻井市场的光明前景。但因钻头成本过高及售价昂贵,其应用主要在新疆地区油田及海洋油田钻井中推广。
1988年郑州三磨所自主研制的价格十分低廉的pdc投放市场后,加速了我国pdc钻头国产化的步伐,先后出现了江汉钻头厂钻井研究所、大港石油总机厂、胜利油田钻井院、大庆石油管理局钻头厂等一批pdc钻头制造厂,完全国产化的pdc钻头在大庆油田、中原油田、大港油田、胜利油田、辽河油田、吉林油田等地区得到了推广和普及。
由于20世纪90年代初国产pdc的性能还不令人满意以及部分钻头厂家钻头设计与制造水平相对较低,钻井效果尚不太理想,直到郑州新亚复合超硬材料有限公司投产后,在pdc制造技术上坚持不懈地进行研究和创新,产品的规格与国外产品一致,产品的质量及可靠性提高,才基本上满足国内外钻头客户用于钻进软一中硬地层钻头的技术要求,目前该公司主要致力于开发适合于硬地层、夹层、深井等难攻地层钻头用的pdc。另外,在钻头制造方面,除川石一克里斯坦森金刚石钻头公司、新疆帝陛艾斯钻头工具公司外,又涌现了一批具有高质量水平的钻头制造公司:如成都百施特金刚石钻头公司、武汉亿斯达工具公司、成都迪普金刚石钻头公司及四川川石金刚石钻头公司等。可以相信,不久的将来,国产pdc钻头的使用效果及应用领域会随着pdc品质的改善以及钻头设计、制造水平的提高而迅速进步。
当今,在世界钻井市场上,在钻头制造技术与生产数量上占主导地位的知名公司有休斯(bakerhughes)公司、dbs(hailiburton的secarity dbs)公司、史密斯(smith international)公司以及瑞特(hycalog tool—reed)公司四家。
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