1、,石油鉆頭技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展方向,石油鉆頭的分類,1.牙輪鉆頭,2.金剛石鉆頭,一、牙輪鉆頭的分類, ,（1）按牙齒的固定方式分為：鑲齒和銑齒 （2）按軸承類型分為：滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承 （3）按密封類型分為：橡膠密封和金屬密封 （4）按牙輪數(shù)量分為：?jiǎn)窝垒嗐@頭、雙牙輪 鉆頭和三牙輪鉆頭,銑齒牙輪鉆頭和鑲齒牙輪鉆頭,鉆頭,軸承,軸承,牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭,鉆頭,二、牙輪鉆頭的新技術(shù), ,牙齒技術(shù) 軸承技術(shù) 軸承密封技術(shù),牙齒技術(shù), ,1、美國(guó)猶他州立大學(xué)為Smith公司開(kāi)發(fā)出了蜂窩狀金剛石牙齒材 料，其耐磨性與聚晶金剛石相當(dāng)，但其韌性和耐沖擊性顯著提高 2、二次燒結(jié)硬質(zhì)合金牙齒技術(shù)。

2、二次燒結(jié)硬質(zhì)合金材料由具有 較高硬度和研磨性的微粒和具有較高韌性的基體材料共同組成。 微粒是由更小的硬質(zhì)合金粉末和粘接劑燒結(jié)而成，基體材料一般 是鈷合金粘接劑，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高 基體材料的耐磨性；硬質(zhì)微粒和基體材料在一定的壓力和溫度下 燒結(jié)后形成的新材料在保持原有耐磨性的基礎(chǔ)上韌性大大提高， 因此二次燒結(jié)硬質(zhì)合金牙齒可用于高研磨性、高硬度地層的鉆頭。 3、金剛石加強(qiáng)牙齒技術(shù)。金剛石加強(qiáng)牙齒就是與PDC鉆頭復(fù)合 片類似的聚晶金剛石復(fù)合牙齒，這種牙齒耐磨性非常好，但成本 也非常高，一般用于保徑結(jié)構(gòu)，但最近也出現(xiàn)了全部使用金剛石 加強(qiáng)牙齒的鉆頭，主要用于研磨性極高的地層。,軸

3、承新技術(shù),滾滑軸承技術(shù)。此技術(shù)采用了滾動(dòng)、滑動(dòng)兩 種摩擦副相復(fù)合的結(jié)構(gòu)，在保持滑動(dòng)軸承高 承載能力的同時(shí)，顯著提高了軸承適應(yīng)高轉(zhuǎn) 速的能力。使用該軸承的鉆頭能適應(yīng)高達(dá) 400rpm的高轉(zhuǎn)速。,軸承密封技術(shù), ,1、Hughes公司于1988年取得牙輪鉆頭金屬密封專利，通過(guò)不 斷改進(jìn)，近年，在單金屬密封的基礎(chǔ)上進(jìn)行了金屬表面特殊強(qiáng)化 處理，改進(jìn)密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出了新一代單金屬密封，明顯 提高了密封效率以及整個(gè)軸承系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)了鉆頭壽命。 2.HAR橡膠密封技術(shù)是Hughes公司近年在橡膠密封的基礎(chǔ)上不 斷改進(jìn)的新型橡膠密封結(jié)構(gòu)。這種密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其形狀特 殊的密封圈實(shí)現(xiàn)較高的壓縮比

4、，因而能更有效地補(bǔ)償密封面的磨 損，為軸承提供更穩(wěn)定的密封性能。 3.Gemini雙密封技術(shù)是Smith公司的一項(xiàng)特色技術(shù)，密封系統(tǒng)包 括兩道密封圈主密封和保護(hù)主密封的次密封，該密封系統(tǒng)在 高壓、高溫、腐蝕性井底環(huán)境中能保持良好的持久性和可靠性。,三、金剛石鉆頭的分類, ,（1）PDC鉆頭 （2）TSP鉆頭 （3）天然金剛石鉆頭,PDC鉆頭,PDC鉆頭是近年來(lái)發(fā)展最迅猛的油氣井鉆頭， 總進(jìn)尺已經(jīng)超過(guò)牙輪鉆頭。PDC鉆頭技術(shù)的發(fā) 展和推廣應(yīng)用，直接推動(dòng)了全世界鉆井速度的 顯著提高。,PDC鉆頭的主要優(yōu)勢(shì), ,1、以切削（剪切）原理工作，破巖能耗低。 2、PDC復(fù)合片具有超強(qiáng)的硬度、耐磨性和自 銳

5、性 3、PDC鉆頭屬固定齒鉆頭，沒(méi)有活動(dòng)件，工 作可靠性高,復(fù)合片,復(fù)合片,PDC鉆頭的分類, ,胎體PDC鉆頭 優(yōu)點(diǎn)：耐沖蝕，制造周期短 缺點(diǎn)：刀翼韌性不及鋼體鉆頭 鋼體PDC鉆頭 優(yōu)點(diǎn)：刀翼韌性好，易實(shí)現(xiàn)深水道設(shè)計(jì) 缺點(diǎn)：耐沖蝕能力不及胎體鉆頭，制造周期較 長(zhǎng)。,胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭,鉆頭,PDC鉆頭的類型,鉆頭,TSP鉆頭, ,主要優(yōu)點(diǎn)： 1.熱穩(wěn)定性高，在高溫下（1200）仍能保持 高硬度，不發(fā)生熱磨損。 2.抗研磨性高，相對(duì)于常規(guī)PDC齒能鉆進(jìn)更硬， 更具研磨性的地層。 3.齒的出露高度大于天然金剛石，因而吃入地 層更深，鉆速更快。 4.能在高速下工作。,TSP聚晶片,聚晶

6、,TSP鉆頭,鉆頭,天然金剛石鉆頭, ,天然金剛石鉆頭的主要優(yōu)勢(shì)： 以擠壓、研磨原理工作 以天然金剛石為切削元件，直接燒結(jié)于碳化鎢 胎體表面。適用于高研磨性地層，硬到極硬地 層鉆進(jìn)。 能在高速下工作。,天然金剛石,顆粒,天然金剛石鉆頭,鉆頭,四、PDC鉆頭的設(shè)計(jì), ,1鉆頭冠部輪廓的設(shè)計(jì) 2切削齒選擇、切削結(jié)構(gòu)布置、力平衡設(shè)計(jì) 3 水力設(shè)計(jì) 4 保徑的設(shè)計(jì),鉆頭冠部輪廓的設(shè)計(jì), ,PDC鉆頭冠部輪廓設(shè)計(jì)是在單錐、淺錐、雙錐三種基本輪廓上進(jìn)行的 從設(shè)計(jì)上講，無(wú)論采用何種冠部剖面形狀，最終都是為了滿足“易于布 齒，便于加工，保證質(zhì)量，提高效率”的原則。 針對(duì)不同油田地層的特點(diǎn)，采用等磨損原則和等切

7、削原則相結(jié)合進(jìn)行冠 部輪廓設(shè)計(jì)，在三種基本輪廓理論曲線方程進(jìn)行擬合的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆 頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和使用鉆頭類比，確定出適合鉆進(jìn)該地層的鉆頭冠部輪廓形 狀。 雙圓弧形輪廓剖面具有的特點(diǎn)使得鉆頭表面盡可能有效地布置切削齒， 而且使鉆頭從鼻部切削齒到保徑切削齒能夠圓滑地過(guò)渡。淺內(nèi)錐可以較 好的保證鉆頭的導(dǎo)向性能，短外錐可以減小鉆頭與井壁的接觸面積，從 而減小了鉆頭的與井壁之間的摩擦力。而且短外錐對(duì)側(cè)向位移不很敏感。 外形較短而且呈淺錐式圓形設(shè)計(jì)提高了鉆頭定向反應(yīng)靈敏度。,切削齒選擇、切削結(jié)構(gòu)布置、力平衡 設(shè)計(jì),切削齒選擇及切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), ,切削齒的大小尺寸 切削角度 布齒密度 布齒方法,力平衡設(shè)計(jì),

8、,力平衡設(shè)計(jì)可顯著降低由鉆頭的切削作用而產(chǎn)生的井下振動(dòng)，增加 鉆頭工作時(shí)的穩(wěn)定性，從而提高鉆頭的使用壽命 采用階梯螺旋狀刀翼結(jié)構(gòu)分散了切削齒切削地層時(shí)產(chǎn)生的指向井壁 的切削力，減小了鉆頭螺旋狀刀翼與井壁間的接觸應(yīng)力，因而減少 了鉆頭發(fā)生回旋運(yùn)動(dòng)的次數(shù)。螺旋式刀翼能使切削齒自然呈現(xiàn)一定 的側(cè)轉(zhuǎn)角，有助于鉆井液攜帶巖屑，清洗井底 。,水力設(shè)計(jì),PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)關(guān)系到鉆頭的工作性能 好壞和使用壽命的長(zhǎng)短。針對(duì)以前PDC鉆頭 的水力結(jié)構(gòu)和鉆頭沖蝕特征，對(duì)新型PDC鉆 頭的水力結(jié)構(gòu)作如下設(shè)計(jì)：,A. B.,調(diào)整噴嘴的方位角和噴射角度 增加鉆頭排屑槽的深度,五、胎體PDC鉆頭之模具激光快速成型工藝,傳

9、統(tǒng)的PDC鉆頭制造工藝在一定程度上制約了PDC鉆,頭性能的進(jìn)一步提高，主要存在以下缺點(diǎn)：,1）壓模成型、銑模成型等傳統(tǒng)制造工藝制造精度不 高，使PDC鉆頭的設(shè)計(jì)水平很難在生產(chǎn)制造中有效體 現(xiàn)；,2）傳統(tǒng)制造工藝不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鉆頭的加工； 3）由于PDC鉆頭對(duì)地層比較敏感，需要針對(duì)不同的 地層開(kāi)發(fā)不同的鉆頭，傳統(tǒng)制造工藝制造周期長(zhǎng)，不 能對(duì)市場(chǎng)作出高效快捷的反應(yīng)。,需要解決以下問(wèn)題：, ,（1）從幾種典型的激光快速成型工藝中選擇 適合胎體PDC鉆頭的模具成型工藝； （2）公模成型材料的選擇及成型工藝研究； （3）燒結(jié)模具成型材料的選擇及成型工藝研 究。,激光快速成型工藝及設(shè)備材料選擇,胎體PD

10、C鉆頭模具激光快速成型工藝選擇 較成熟和典型的工藝有:光固化法（A）、激光選區(qū)燒結(jié)法 （）、熔積法（）、疊層法（） 等。 由于 不同的快速成形技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，因此要根據(jù)不同的使用要 求進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇，選擇中要綜合考慮成型件的尺寸大小、成型 件的精度要求、成型件的用途、成型件的形狀、以及成型件的材 質(zhì)要求等等，還要權(quán)衡制作成本。為了選擇出適合PDC鉆頭模具 成型的最優(yōu)方法，對(duì)四種典型激光快速成型工藝的特點(diǎn)進(jìn)行比 較:SLA工藝精度高，表面質(zhì)量好，材料利用率高，生產(chǎn)效率高， 設(shè)備市場(chǎng)占有率高，是現(xiàn)場(chǎng)較為認(rèn)可的激光快速成型工藝。,激光快速成型機(jī)選擇,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的SLA激光成型機(jī)比較看， 諸

11、如美國(guó)3DSYSTEMS公司的產(chǎn)品價(jià)格昂貴， 一般企業(yè)難以承擔(dān)其高昂費(fèi)用 ，國(guó)內(nèi)西安交 通大學(xué)研究SLA激光快速成型機(jī)較早，已經(jīng)生 產(chǎn)出SPS系列產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量較好 ?，F(xiàn)場(chǎng)所 使用的PDC鉆頭規(guī)格一般在17 1/2以下，選 用SPS600型激光快速成型機(jī)可以滿足生產(chǎn)要 求。,光敏樹(shù)脂選擇,液態(tài)光敏樹(shù)脂在國(guó)內(nèi)常使用的有：進(jìn)口的DSM Somos ProtoTherm 12120光敏樹(shù)脂、DSM Somos WaterShed 11120光敏樹(shù)脂、DSM Somos ProtoTherm 14120光敏樹(shù)脂；國(guó)產(chǎn)的SPR-3010型光 敏樹(shù)脂、SPR-3001型光敏樹(shù)脂。由于進(jìn)口光敏樹(shù)脂 價(jià)格昂貴

12、，國(guó)內(nèi)廠家一般選用國(guó)產(chǎn)光敏樹(shù)脂。綜合各 項(xiàng)指標(biāo)來(lái)看，SPR-3001型光敏樹(shù)脂在線收縮率、拉 伸強(qiáng)度等方面具有優(yōu)勢(shì)，故使用SPR-3001型光敏樹(shù) 脂。,激光快速成型技術(shù)加工的鉆頭陰模,公模成型材料的選擇, ,雙組分室溫硫化硅橡膠具有以下性質(zhì): 良好的化學(xué)穩(wěn)定性、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性。 流動(dòng)性好,能自動(dòng)充滿模具。 可控制硫化速度,室溫常壓下硫化,便于操作。 良好的脫模性。 仿真性強(qiáng),紋飾逼真。 制模速度快,一般在20h 內(nèi)即可制成模具。 因此雙組分室溫硫化硅橡膠是PDC鉆頭公模成型的最 佳材料,固化劑用量變化的影響,溫度對(duì)固化時(shí)間的影響,綜合考慮制模過(guò)程所需時(shí)間及不同溫度和不同 配比固化時(shí)間的不同，

13、決定采用3號(hào)配方。,燒結(jié)模具成型材料優(yōu)選及成型工藝, ,1燒結(jié)模具殼體材料選擇 2燒結(jié)模具成型材料選擇 從覆膜砂模具成型工藝和陶土成型工藝的特點(diǎn)可以看出：覆膜砂模具成 型工藝需要200 300的溫度，而用于形成PDC鉆頭燒結(jié)模具的母模 由硅橡膠制成，不能承受覆膜砂模具成型工藝所需要的溫度，因而覆膜 砂模具成型工藝不能用于PDC鉆頭燒結(jié)模具的成型，但由于燒結(jié)模具中 噴嘴流道替代塊不受溫度限制，覆膜砂比陶土潰散性好，便于流道的清 理，適于作流道替代塊。陶土成型工藝簡(jiǎn)單，沒(méi)有溫度要求滿足PDC鉆 頭燒結(jié)模具的成型要求。但陶土導(dǎo)熱性差，研制了導(dǎo)熱材料與其混合使 用，基本消除了產(chǎn)品廢品的產(chǎn)生。 3 燒結(jié)

14、模具成型工藝研究,PDC鉆頭模具激光快速成型工藝效果 分析, ,與傳統(tǒng)工藝的加工精度對(duì)比 由表中數(shù)據(jù)可以看出新工藝加工成的燒結(jié)模具 精度大幅度提高,與傳統(tǒng)工藝的加工周期對(duì)比,從表中可以看出，采用新工藝的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期較壓模成型工藝和銑模成型 工藝的開(kāi)發(fā)周期分別縮短了391.67%和100%；批量生產(chǎn)的生產(chǎn)用時(shí)較兩者分 別縮短了100%和1500%。,由以上對(duì)比分析可以看出：新工藝可以實(shí)現(xiàn)復(fù) 雜形狀鉆頭的制造生產(chǎn)，并可保證較高的精度 要求。新工藝的生產(chǎn)周期比傳統(tǒng)工藝的生產(chǎn)周 期大大縮短，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率， 降低了生產(chǎn)成本。,鋼體PDC鉆頭之鉆頭體加工, ,鋼體PDC鉆頭具有刀翼韌性高，

15、可以加工深水 槽鉆頭，所使用材料成本低等優(yōu)點(diǎn)。 鋼體PDC鉆頭的鉆頭體是應(yīng)用Pro- E,Solidwork,UG等三維軟件在五軸數(shù)控機(jī)床上 加工出來(lái)的。其切削齒位置、切削齒角度等有 關(guān)參數(shù)精度較胎體鉆頭高。,五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床,數(shù)控機(jī)床,數(shù)控中心加工的鉆頭體,鉆頭體,鉆頭體表面硬化,鉆頭體表面硬化就是在鉆頭體表面覆焊一層硬 質(zhì)材料，以免鉆頭體被沖蝕損壞。,變頻低溫釬焊技術(shù), ,1設(shè)備及改裝 2釬料的研制 3釬焊工藝,設(shè)備及改裝, ,設(shè)計(jì)思想 1）由于鉆頭基體較大，使其均勻受熱難度較大，使 鉆頭基體均勻受熱是設(shè)備改裝的重點(diǎn)。 2）在鉆頭切削齒的過(guò)程中，基體散熱較快，影響焊 接溫度，保證基體的溫度

16、基本不變。 3）切削齒的溫度不能超過(guò)750，否則鉆頭壽命會(huì)受 到較大影響，需要有溫度控制系統(tǒng)。,設(shè)備的改裝, ,1）感應(yīng)器的設(shè)計(jì) 感應(yīng)器是感應(yīng)加熱的關(guān)鍵，感應(yīng)器的好壞直接 影響到電熱轉(zhuǎn)換效率、升溫速度及加熱溫度，影響著切削齒的 焊接質(zhì)量。根據(jù)切削齒的焊接要求和具體條件如鉆頭尺寸、極限 加熱溫度、升溫速度和時(shí)間等，涉及不同結(jié)構(gòu)的感應(yīng)圈以滿足使 用要求。 2）溫控系統(tǒng) 溫控系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的溫度控制，保證切 削齒的焊接質(zhì)量，為此，該裝置配置了紅外線測(cè)溫系統(tǒng)，將溫度 限定在涉及要求范圍內(nèi)。 3）其他輔助機(jī)構(gòu) 為了鉆頭切削齒焊接的方便快捷，特別設(shè)計(jì)了 液壓升降工作臺(tái)及行走機(jī)構(gòu)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)

17、度。,釬料的研制,對(duì)研制的釬料要求是：,1）釬料應(yīng)能很好的潤(rùn)濕硬質(zhì)合金，具有良好的 冶金相容性； 2）有足夠的接頭強(qiáng)度、塑性，能耐泥漿侵蝕； 3）盡量不使用貴金屬，成本要低。,各種釬料釬焊的焊縫的抗剪強(qiáng)度,釬焊工藝,1 焊前準(zhǔn)備, ,配片 配保徑片 凈化處理, ,2 焊接 3 焊后處理 4 釬縫的超聲波探傷,焊接過(guò)程,Zuantou,六、兩種新型鉆頭,空氣錘鉆頭,空氣錘鉆頭端面,1.凹面型 能很好地控制井斜, 而且鉆速較高, 清潔能力良好,2.深凹面型 深凹面鉆頭的井斜控制效果最好, 機(jī)械鉆速最高, 但由于 其存在深部?jī)?nèi)表面的排粉槽, 中心凹陷型鉆頭要比其他形狀鉆頭 強(qiáng)度弱一些。該型鉆頭主要用

18、于中硬均質(zhì)地層, 需要低至中高的空氣 壓力來(lái)保持井底攜巖和正常鉆進(jìn)。,3.平面型 平面型最適合用于破碎非常堅(jiān)硬的巖層和溶洞性地層, 在 井斜要求不是很高的條件下也可用于松軟地層, 但對(duì)鉆孔直線度 要求高及鉆覆蓋巖層時(shí)不適用該型鉆頭,4.凸面型 凸面型又稱雙斜面鉆頭, 是為非常堅(jiān)硬和研磨性非常強(qiáng)的,巖層而開(kāi)發(fā)的最新的端面設(shè)計(jì),5.增強(qiáng)齒金剛石平底鉆頭 增強(qiáng)齒平底鉆頭耐磨性增強(qiáng), 鉆速更高, 壽,命更長(zhǎng)，主要解決了鉆頭徑向磨損問(wèn)題,混合式鉆頭,混合式鉆頭是牙輪和PDC鉆頭合成的一種鉆頭。,混合式鉆頭的優(yōu)點(diǎn), ,1.同時(shí)具有了牙輪和PDC鉆頭的兩種破巖方式， 使其可以適用于地層的寬度增加 2.混合式鉆頭大幅度提高導(dǎo)向鉆井的速度，導(dǎo) 向性能大幅度提高 3.混合式鉆頭大幅度提高復(fù)雜地層的鉆井速度,七、石油鉆頭技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向, ,1.高耐磨、高韌性的牙齒和長(zhǎng)壽命鉆頭軸承是牙輪鉆頭永恒的追求目標(biāo)。 牙齒技術(shù)的關(guān)鍵在于材料，軸承技術(shù)的關(guān)鍵在于密封，所以