地熱鑽井都需要哪些鑽頭？

隨著「十三五」地熱規劃的發布，未來將存在著大量的地熱井需要進行鑽探，地熱鑽井與油氣鑽井在鑽遇的地層岩性上基本相同，因此油氣鑽井中根據不同地層選取合適鑽頭的經驗也可以借鑒到地熱鑽井中來。下面對鑽井中使用到的各類鑽頭作下簡單介紹，文章末尾還有各種類型鑽頭的工作原理視頻，歡迎收藏：

鑽頭分類

鑽頭（zuàntóu）是石油鑽井的重要工具，是在開採石油時用於鑽取石油的，其工作性能的好壞將直接影響鑽井質量、鑽井效率和鑽井成本。

按功用分為全面鑽進鑽頭、取心鑽頭和特殊工藝用鑽頭（比如擴眼鑽頭、定向造斜鑽頭等）。

按類型可分為PDC鑽頭、金剛石鑽頭、牙輪鑽頭和刮刀鑽頭等四種；

PDC鑽頭

PDC鑽頭是聚晶金剛石複合片鑽頭的簡稱，亦稱聚晶金剛石切削塊鑽頭或複合片齒鑽頭。自從1973年美國通用電氣公司引入PDC切削塊，研製出第一個PDC鑽頭後，PDC鑽頭便以其鑽速快、壽命長、進尺高等優勢，在石油鑽井中得到了廣泛的應用。幾乎所有鑽頭製造商都採用了這一技術，開始生產自己的PDC鑽頭系列。中國某些油田利用金剛石聚晶複合片鑲焊在刮刀上,也獲得了良好的效果。

PDC鑽頭基體有四種基本冠部外形：魚尾形、淺錐形、短拋物線形和拋物線形。

魚尾形PDC鑽頭的翼片很長，增加了複合片的出刃高度，同時也增加了鑽頭冠部與地層之間的間隙，使岩屑易於排向環形空間不致於粘附於鑽頭體，有利於射流的潔洗。這種鑽頭的最大特點是能減少泥包和與泥包相關的鑽井問題。魚尾形PDC鑽頭適用於轉盤鑽井的直井和定向井鑽進，適於鑽進粘性極高的泥頁岩層。

淺錐形PDC鑽頭在四種冠部形狀中，冠部面積最小，水力能量集中，易於清洗。由於其外形依靠較長的保徑和適當的扶正，因而在快速鑽進中，也能保持方位和井斜的穩定。這種鑽頭複合片密度不易過大，而且只能用於轉盤鑽井，適用於鑽進夾層。

短拋物線形鑽頭有一個帶錐度的冠部，其冠頂相當圓頓。這種設計可使鑽頭外側布置更多數量的切削齒，使鑽頭的磨損更為平衡。短拋物線形PDc鑽頭用於轉盤鑽井、井下動力鑽井及定向鑽井都比較穩定，最適合於鑽可能遇到硬夾層的地區。

拋物線形鑽頭的整個冠部載荷分布均勻，無明顯載荷過渡區，載荷不致過分集中。這種冠部外形可使鑽頭肩部及規徑部位布更多的切削齒，故最適合於高速井下動力鑽進。拋物線形鑽頭具有良好的磨損壽命，但該型鑽頭具有較大的冠部表面，要求較高的流量和水力能量來實現清洗和冷卻，鑽頭的鼻部在鑽夾層時局受損壞。

一、PDC鑽頭的結構特點

PDC鑽頭由鑽頭體、PDC切削齒和噴嘴等部分組成，按結構與製造工藝的不同分為鋼體和胎體兩大系列。

剛體PDC鑽頭的整個鑽頭體都採用中碳鋼材料並採用機械 製造工藝加工成形。在鑽頭工作面上鑽孔，以壓入緊配合方式將PDC切削齒固緊在鑽頭冠部。鑽頭冠部採用表面硬化工藝（噴塗碳化鎢耐磨層、滲碳等）進行處理，以增強其耐沖蝕能力。

優點：製造工藝簡單；

缺點：鑽頭體不耐沖蝕，切削齒難以固牢，目前應用較少。

胎體PDC鑽頭的鑽頭體上部為鋼體，下部為碳化鎢耐磨合金 胎體，採用粉末冶金燒結工藝製造成型。用低溫焊料將PDC切削齒焊接在胎體預留窩槽上。

優點：碳化鎢胎體硬度高，耐沖蝕，進尺高，因而胎體PDC鑽頭壽命長，目前應用比較廣泛。

二、PDC鑽頭的工作原理

PDC鑽頭是以切削方式破碎岩石。能自銳的切削齒在鑽壓的作用下很容易切入地層，在扭矩的作用下向前移動剪切岩石。多個PDC切削齒同時工作，井底岩石的自由面多，岩石在剪切作用下也容易破碎，因此破岩效率高，鑽進速度快。

三、PDC鑽頭的正確使用

PDC鑽頭在大段均質的軟到中硬地層中使用效果最好。不適合鑽礫石層和軟硬交錯地層。

採用低鑽壓、高轉速、大排量鑽進，鑽頭使用效果好。

鑽頭下井前，井底要清潔，確保無金屬落物。

鑽頭剛下井時，要採用小鑽壓和低轉速跑和，待形成井底後恢復正常鑽進。

PDC鑽頭屬於整體式鑽頭，無任何活動部件，適合高轉速的渦輪鑽井。

金剛石鑽頭

金剛石鑽頭是指靠鑲嵌在鑽頭胎體上的金剛石顆粒破碎岩石的鑽頭。金剛石是目前人類所知材料中硬度最大、耐磨性最高的材料，因此金剛石鑽頭用於硬的、高研磨性地層，可獲得比較高的鑽頭進尺。雖然金剛石比較昂貴，但金剛石鑽頭磨損，單只鑽頭進尺高，在當今的石油鑽井仍有較強的競爭力。目前，金剛石鑽頭在普通的旋轉鑽井以及渦輪鑽井和取芯作業中都得到了廣泛的使用，其中應用尤其廣泛是熱穩定聚晶金剛石齒（TSP）。

一、金剛石鑽頭的結構特點

金剛石鑽頭屬一體式鑽頭，整個鑽頭無活動部件，主要有鑽頭體，冠部，水力結構（包括水眼或噴嘴、水槽亦稱流道，排屑槽），保徑、切削刃（齒）五部分 ，??金剛石鑽頭的冠部是鑽頭切削岩石的工作部分，其表面（工作面）鑲裝有金剛石材料切削齒，並布置有水力結構，其側面為保徑部分（鑲裝保徑齒）它和鑽頭體相連，由碳化鎢胎體或鋼質材料製成，是20世紀80年代世界鑽井三大新技術之一，整個鑽頭沒有活動的零部件，結構比較簡單，具有高強度、高耐磨和抗衝擊的能力，現場使用證明，金剛石鑽頭在軟-中硬地層中鑽進時，有速度快、進尺多、壽命長、工作平穩、井下事故少、井身質量好等優點。金剛石鑽頭不但使用時間長，還可以重複利用，返廠修復的金剛石鑽頭使用起來和出廠的 金剛石鑽頭使用效果差不多，能大量的節約鑽井成本。

二、金剛石鑽頭的工作原理

金剛石鑽頭鑽進時，鑽頭表面上的多粒金剛石同時作用於岩石。金剛石破碎岩石的作用在不同性質的岩石中表現出不同的特性。在塑性地層（或岩石在應力作用下呈塑性的地層），金剛石在鑽壓的作用下吃入地層並在鑽頭扭矩的作用下使前方的岩石發生破碎或塑性流動，該破岩過程類似於"犁地"過程，故稱作"犁削"。

在脆性較大的地層中鑽進時，金剛石破碎岩石的作用主要是"壓碎"，在鑽壓和扭矩作用下所產生的應力可使刃下岩石沿最大剪應力面開裂，在金剛石移動的後部形成被壓裂了溝槽，這種情況下岩石破碎的體積遠大於金剛石吃入後破碎的體積，岩石破碎具有體積破碎的性質，破岩效率較高。

在堅硬地層（如燧石、硅質白雲岩等）中，一般採用將細顆粒金剛石包鑲在胎體內部的孕鑲式金剛石鑽頭鑽進，其破岩過程同砂輪的磨削相似。鑽頭上每一個包孕的金剛石都是小刃齒，鑽頭可看作有無數個刃的刀具。鑽頭鑽進岩石時，鑽頭上出露的稜角鋒利的金剛石刃齒以微切削、刻劃等方式來破碎岩石。磨削破岩屬於表面破碎，破岩效率較低。

三、金剛石鑽頭的正確使用

金剛石鑽頭適用鑽中到堅硬、研磨性地層和渦輪鑽井、深井超深井鑽井以及取芯作業。使用金剛石鑽頭前，井底要打撈乾凈，保證沒有金屬落物。鑽頭剛下到井底時，要先用小鑽壓、低轉速跑合。然後採用相對較低的鑽壓（和牙輪鑽頭相比），較高的轉速和較大的排量鑽進。應盡量避免劃眼。如果必須進行劃眼，應採用低鑽壓和低轉速，操作要均勻，防止鑽頭規徑部分金剛石碎裂和過度磨損。

牙輪鑽頭

從1909年第一隻牙輪鑽頭問世後，牙輪鑽頭便在全世界範圍內得到了最廣泛的應用。三牙輪鑽頭是目前旋轉鑽井作業中使用地最普遍的鑽頭。 這種類型的鑽頭具有不同的牙齒設計和軸承結類型，牙輪鑽頭工作時切削齒交替接觸井底，破岩扭矩小，切削齒與井底接觸面積小，比壓高，易於吃入地層;工作刃總長度大，相對減少磨損，因此能夠適應各種類型地層。在鑽井作業中，根據所鑽地層性質正確選用合適結構的牙輪鑽頭，就可獲得令滿意的鑽進速度和鑽頭進尺。牙輪鑽頭是使用最廣泛的一種鑽井鑽頭。

一、三牙輪鑽頭的基本結構

鑽頭本體：有三 片牙掌組裝焊接在一起,上部有連接絲扣。

牙輪：由牙輪體和牙齒組成 錐形的 金屬體。牙齒分銑齒和鑲齒兩種類型

軸承及其儲油密封裝置

噴嘴

二、牙輪鑽頭的工作原理

牙輪鑽頭在井底工作時，鑽頭整體圍繞鑽頭軸線旋轉稱之為公轉，三個牙輪則依其自己的軸線在井底滾動稱之為自轉。鑽頭承受的鑽壓通過牙齒作用在岩石上，使岩石破碎（壓碎作用）。 牙輪在滾動過程中，以單齒、雙齒交替接觸井底，牙輪中心的位置忽高忽低，使鑽頭產生縱向振動。這種縱向振動使鑽柱不斷壓縮與伸張，下部鑽柱把這種周期性變化的彈性變形能通過牙齒轉化為對地層的衝擊作用力用以破碎岩石。這種衝擊、壓碎作用是牙輪鑽頭破碎岩石的主要方式。

牙輪鑽頭除了對井底岩石產生衝擊、壓碎作用外，還對井底岩石產生剪切作用。牙輪在井底滾動的同時還產生牙齒對井底的滑動，牙齒的滑動對井底岩石形成剪切作用， 像刮刀鑽頭那樣刮削井底。牙齒的滑動主要是由牙輪的超頂、副錐和移軸布置引起的。牙輪的超頂布置復錐牙輪引起切線方向的滑動， 牙輪的移軸布置則引起軸向方向的滑動。一般地，鑽軟到中硬地層的鑽頭兼有超頂、復錐和移軸；鑽中硬到硬地層的鑽頭在設計上有超頂和復錐；鑽極硬和研磨性較強地層的鑽頭常採用單錐牙輪，不超頂也不移軸。

三、牙輪鑽頭的分類及選用

牙輪鑽頭生產廠商眾 多，這些鑽頭廠商提供了多種類型和結構的鑽頭。為了便於牙輪鑽頭的選擇和使用， 國際鑽井承包商學會(IADC)制定了全世界統一的牙輪鑽頭分類標準及編號方法。

IADC規定，每一類鑽頭用三位數字代表，個數字意義如下：

第一位數字表示牙齒類型及適鑽地層：

1- 銑齒，軟地層； 2- 銑齒，中到中硬地層； 3- 銑齒，硬、研 磨性或半研磨性地層； 4- 備用； 5- 鑲齒，軟到中等地層； 6- 鑲齒，中硬地層； 7- 鑲齒，硬、研磨性或半研磨性地層； 8- 鑲齒，極硬、高研磨性地層。

第二位數字表示所鑽地層再細分為1，2，3，4四個硬度等級。

第三位數字表示鑽頭的結構特徵：

1- 無密封滾動軸承； 2- T型外排齒保徑；3- 規 徑上有鑲齒保徑；4- 密封滾動軸承； 5- 密封滾動軸承，規徑上有鑲齒保徑； 6- 密封滑動軸承； 7- 密封滑動軸承，規徑上有鑲齒保徑；8- 定向井造斜鑽頭； 9- 其它。

刮刀鑽頭

刮刀鑽頭是旋轉鑽井使用最早的一種鑽頭，從十九世紀開始採用旋轉鑽井方法的時候就開始使用這 種鑽頭，而且直到現在某些油田仍在使用。 這種鑽頭主要用在軟地層和粘軟地層，具有很高的機械鑽速和鑽頭進尺。 刮刀鑽頭最大的優點是結構簡單，製造方便，成本低，各油田可自行設計和製造。

一、刮刀鑽頭的結構

刮刀鑽頭由鑽頭體、刮刀片、分水帽和噴嘴四部分組成。鑽頭體是刮刀鑽頭焊接刮刀片和分水帽的 本體，採用中碳鋼材料 加工而成。下端焊接 刮刀片和分水帽，上端車有絲扣和鑽柱連接 。 刮刀片又稱刀翼，是刮刀鑽頭主要工作部件。

二、刮刀鑽頭工作原理

刮刀鑽頭以切削方式破碎岩石。刮刀鑽頭在 軟的塑性地層工作時，其切削過程類似於刀具切削軟金屬。刀片在鑽壓的作用下吃入地層，與此同時刀刃前面的岩石在扭轉力的作用下不斷產生塑性流動， 井底岩石被層層剝起 。刮刀鑽頭鑽進脆性較大的地層時，破碎岩石的過程則分為碰撞 、壓碎及小剪切和大剪切三個階段：

碰撞:刃前岩石破碎後，岩石對刀片的扭轉 阻力減小， 刀片向前推進，碰撞刃前岩石；

壓碎及小剪切:刀片在扭轉 力作用下壓碎前方的岩石，使其產生小剪切破碎；

扭轉力增大:刀片繼續 擠壓前方岩石，當扭轉力增大到極限值時，岩石沿剪切面產生大剪切破碎，然後扭轉力突然減小 。

碰撞、壓碎及小剪切、大剪切這三個過程反覆進行，形成刮刀鑽頭破碎塑脆性岩石的全過程。

三、刮刀鑽頭的正確使用

刮刀鑽頭適用於軟地層和粘軟地層。鑽進時需要適當控制鑽壓與轉速，注意防斜、防蹩、防止刀翼斷裂。由於刮 刀鑽頭在軟地層中的機鑽速較快，岩屑量較大，宜採用 大排量鑽進，充分清洗井底和冷卻鑽頭。刮刀鑽頭鑽進時 ，刀翼外側線速度較高，磨損速度較快，鑽頭容易磨損成錐形，此時要特別注意防斜和防止井徑縮小。

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