国外金刚石钻头发展现状

熊婷

摘要：调研了国外石油公司，Baker Hughes公司、Schlumberger（Smith）公司、Varel公司、NOV公司、Halliburton（DBS）公司新型PDC钻头产品，分析其切削结构、水力结构、基体强化等方面技术及应用，提出高效破岩、优化水力研究、进一步开发优质复合片、针对复杂地层个性化定制钻头的建议。

关键词：金刚石钻头；切削齿；钻头设计

引言

近年来，PDC 钻头随着钻头设计、材料、制造技术的飞速发展，应用范围逐步向研磨性地层、硬质地层、高温地层、硬夹层等非均质地层延伸。目前 PDC 钻头创新发展主要集中于切削结构的创新，此外，钻头体结构、水力系统、钻头体材料及加工制造工艺等对PDC 钻头的综合性能也有着一定影响^[1-3]。

1 Baker Hughes公司钻头产品

1.1 Dynamus-蛟龙系列钻头

Dynamus-蛟龙系列钻头采用StayTrue齿减轻横向振动提高稳定性，StayCool2.0切齿技术降低金刚石切齿的工作温度减小切削齿磨损；采用高强度材料基体增加使用寿命^[4]。

1.2Talon-泰龙系列钻头

Talon系列钻头特点是高钻速，包括：Talon、Talon 3D和Talon Force，其中Talon 3D增加定向特征更适合定向钻井，Talon Force刀翼轮廓形状、布齿优化，进一步提升钻头稳定性；Talon 3D、Talon Force采用短柄部设计，在定向钻井中提高可控性，增加旋转操纵系统的侧向力，利于造斜^[5]。

1.3 Kymera-狮虎兽系列钻头

Baker Hughes是第一个推出金刚石-牙轮混合钻头的公司，从2012年起到目前推出了五个系列，分别为Standard(标准)、FSR（快速钻进）、XTreme（硬地层）、Mach 4（针对更硬地层）、Mach 5（提高钻头使用寿命），结合了金刚石和牙轮钻头的优点，相对PDC钻头拓宽至更硬的地层范围，在定向井中导向能力也优于普通PDC钻头^[6-7]。

1.4 TerrAdapt-自适应系列钻头

2 Schlumberger公司钻头产品

2.1 Blade系列钻头

Blade系列钻头主要是特殊齿型及特殊结构齿的钻头。其中特殊齿型钻头包括StrataBlade锥脊齿钻头、HyperBlade马鞍齿钻头、AxeBlade钻头、StingBlade锥形齿钻头；特殊结构齿钻头为EnduroBlade 360旋转齿钻头^[9]。

2.1.1 特殊齿型钻头

特殊齿型钻头中StrataBlade钻头主要适用于中等强度、夹层地层，锥脊齿的脊面较大，抵御冲击，其独特的凹面特征降低了切削齿的后倾角使切削齿更深入的切削地层；HyperBlade钻头的齿呈双曲线形使得齿可以吃入地层更深，双曲线形与切削齿内凹的的设计结合也能提高岩屑的切削效率；AxeBlade钻头包括Axe Ultra脊形齿钻头、Axe TR三棱齿钻头、Axe SR 脊凿齿钻头。

2.1.2 特殊结构齿钻头

Enduro 360切削齿目前包含13mm、16mm、19mm，在钻井过程中，Enduro 360切削齿通过360度旋转使整个切削齿圆周都能切削地层，提高钻头的使用寿命。

2.2 FireStorm系列钻头

FireStorm系列钻头抗冲击性较强，采用的FireStorm切削齿，通过改进的材料及加工工艺，降低聚晶金刚石层与碳化钨基体界面的残余应力提高抗冲击性能。

2.3 特殊设计钻头

2.3.1 Aegis技术钻头

采用Aegis包层取代传统的手工堆焊，用于钻头刀翼前部和PDC切削齿周围。Aegis包层是一种用于钢体PDC钻头的抗腐蚀碳化钨带,电子束熔化使原料结合，产生一种专利材料比钻头基体材料的抗腐蚀性高400%，强度高40%。

2.3.2 SHARC技术钻头

SHARC技术钻头主要体现在钻头单只刀翼包含两排齿，增加布齿密度，提高钻头耐磨能力。

2.3.3 Spear技术钻头

Spear技术钻头为了防止泥包，刀翼设计相对较高，从而增大排屑槽的容积，提高钻头排屑效果^[10]。

3 Varel公司钻头产品

3.1 VION系列钻头

VION系列钻头主要应用于过渡性地层和研磨性地层，据报道该系列6寸、16寸钻头在科威特地区获得最快钻速记录，8寸半钻头在Mahakam三角洲地区获得最快钻速指标^[11]。

3.2 EVOS系列钻头

EVOS系列钻头主要应用于定向钻井，据报道该系列9寸半钻头在科威特地区获得最快的钻井指标，16寸钻头在阿联酋阿布扎比获得最快钻速记录^[12]。

4 NOV公司钻头产品

4.1 Tektonic系列钻头

Tektonic系列钻头用于定向钻进，采用Icon系列切削齿，包括Icon 3D、Icon 4D、ION Alpha、ION+系列切削齿；根据不同需求开发了对应系列的钻头，如Falcon（中东和北非）、Fuego（拉丁美洲）、Redline（加拿大）系列钻头

^[14]。

5 Halliburton公司钻头产品

5.1 GeoTech和GeoTechHE系列系列钻头

GeoTech和GeoTech HE系列采用双排布齿技术，应用于复杂地层环境，提高钻头使用寿命，分别采用GeoTech切削齿和GeoTech HE切削齿，GeoTech HE切削齿相对复合片拥有更高综合性能。

5.2MegaForce系列系列钻头

MegaForce系列系列钻头布齿密度大，内锥设计浅，应用于更加极端的地层。

5.3SteelForce系列钻头

采用深排屑槽、窄刀翼设计，钻头排屑空间更大；钻头基体采用防泥包涂层技术，防止钻头泥包^[15]。

结论

1.目前 PDC 钻头发展主要集中于切削结构的创新，齿材不断升级、创新的齿型以及切削齿结构显著提高了钻头的切削效果。

2.定制钻头针对特定区块特定地层，从刀翼轮廓形状、水力特征、切削结构等方面个性化设计也是国外钻头厂家发展的方向。

3.建议积极从材料、齿型、齿结构等方面开发性能优异的切削齿，进一步开展钻头破岩、水力以及钻头基体材料等方面的研究，针对复杂地层个性化定制钻头,提高PDC 钻头的综合性能，实现“一趟钻”的目标。

参考文献

[1]杨金华, 郭晓霞. PDC钻头技术发展现状与展望[J]. 石油科技论坛, 2018, 037(001):33-38.

[2]许利辉, 毕泗义. 国外PDC切削齿研究进展[J]. 石油机械, 2017, 45(002):35-40.

[3] Baker Hughes.Dynamus extended-life drill bit[EB/OL].https://www.bakerhughes.com/integrated-well-services/integrated-well-construction/drilling/drill-bits/pdc-drill-bits/dynamus-extendedlife-drill-bit

[4]Baker Hughes.Talon force high-velocity PDC drill