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工程技術
牙輪鉆頭與金剛石鉆頭的角色變換
發布日期:2015-9-23
縱觀整個鉆井歷史, 據美國《油氣雜志》介紹。人們一直把“重金屬”置于鉆井工具的前緣,將其作為切削元件用以磨碎、破碎或鑿碎地層巖石。最初,大多數油井都是采用沖擊鉆井方式,19世紀和20世紀,鋼材技術的進步導致了能夠在軟巖層中快速鉆進的旋轉式鉆頭的呈現。
鋼材也會快速磨損,即使是軟巖層中。所以在鉆頭上要經常鑲以碳化鎢齒或整體覆蓋碳化鎢外層。此類碳化鎢材料比鋼材更脆,但具有更強的抗沖蝕能力。美國休斯公司于1909年最早發明了滾動牙輪鉆頭之后,人們硬面敷焊方面取得了一些重大的發展,導致開放式軸承鉆頭的使用壽命大為延長。然后又于1951年出現了第一代 “O”形圈和潤滑脂密封軸承碳化鎢鑲齒鉆頭,再后來又出現了滑動軸承鉆頭。這段時期,牙輪鉆頭是鉆井界的必選工具。金剛石作為新興切削元件應運而生。地質學家首次將天然金剛石用于鉆井作業后,1910年。一種新型切削元件便誕生了空心的取心鉆頭被用于鉆出圓形井筒并取出巖柱以作分析,這種方法以前多用于礦物勘探作業。這種用途中,將金剛石用作鉆井切削元件應運而生。爾后的幾年中,人們明顯地看到金剛石鉆井技術為油田作業帶來了很大的發展潛力。金剛石的硬度是鋼材的10倍;而與硬質合金相比,作為人類所知的最硬的資料。金剛石的硬度是碳化鎢硬質合金的2倍,耐磨性是硬質合金的10倍;金剛石的抗壓強度是花崗巖的20倍。所以,油田鉆井作業中使用金剛石已成為不可逆轉的趨勢。但全井眼金剛石鉆井鉆頭卻是20世紀50年代才首次被作為商業產品在石油工業界推出的當時在鉆頭上使用的工業級天然金剛石,盡管早期也出現過一些原型產品。這類金剛石被破碎并處理成一定的規格和標準的圓形顆粒。由于金剛石是地層深處經由幾千年的高溫高壓過程而形成的所以它特別適用于在硬巖地層中鉆井。
當美國GE公司開發出一種制造人造金剛石的工藝后,20世紀70年代早期。金剛石技術的發展達到一個重要的里程碑。被制成圓形薄層的石墨碳片和鈷片交替地疊放在一個承受著高溫高壓的小罐內,通過壓機中高溫高壓的作用,使這兩種資料熔合以形成金剛石與金剛石間的粘結,最終生產出聚晶金剛石(PDC)切削元件。這種產品被迅速以 " 固定切削齒 " 鉆頭的形式用于油田鉆井作業中。PDC產品為金剛石鉆頭開辟了一個全新的應用領域。目前,這方面的資料、結構和制造工藝都還在進行著不斷改進和完善。
PDC產品性能不斷改進
PDC切削齒的質量和類型都發生了巨大的變化。如果將20世紀80年代的齒與當今的齒進行比較的話,過去的幾年間。差別是相當大的由于混合工藝與制造工藝的變化,當今的切削齒的質量性能要好得多,使鉆頭的抗沖蝕以及抗沖擊能力都大為提高。層狀金剛石工藝方面的革新也被用于提高產品的抗磨蝕性和熱穩定性。工程師們還對碳化鎢基片與人造金剛石之間的界面進行了優化。
PDC產品在齒的設計技術和布齒方面也實現了重大的突破。現在PDC產品已可被用于以前所不能應用的地區,除了資料和制造工藝方面的發展以外。如更硬、磨蝕性更強和多變的地層。這種向新領域中的擴展,對金剛石(固定切削齒)鉆頭和牙輪鉆頭之間的平衡發生了很大的影響。
PDC鉆頭只能被用于軟頁巖地層中,最初。原因是硬的夾層會損壞鉆頭。但由于新技術的出現以及結構的變化,目前PDC鉆頭已能夠用于鉆硬夾層和長段的硬巖地層了PDC鉆頭正越來越多地為人們所選用,特別是隨著PDC齒質量的不時提高,這種情況越發凸顯。自大約一個世紀前金剛石鉆頭被用于鉆井工業以來,無論是天然金剛石還是人造金剛石鉆頭的總進尺一直都在穩定的增長,至今已達到與牙輪鉆頭平分秋色的程度。雖然統計數字不同,但根據美國賽克瑞特DBS公司于2003年的統計,當時全球鉆井界的牙輪鉆頭總進尺占60%,而固定切削齒鉆頭的總進尺占40%。但向硬巖地層中的過渡(PDC鉆頭對牙輪鉆頭的取代)卻使這一進尺劃分發生了很大的變化。根據該公司目前的估計,到2008年,固定切削齒鉆頭的總進尺份 額將會達到60%,而該公司的牙輪鉆頭銷售額屆時將只會保持在目前的水平。該公司認為,各種鉆頭都將會在世界鉆井業中繼續承擔一種關鍵的角色,無論是牙輪鉆頭還是金剛石鉆頭,人們總是會對這兩種鉆頭的機械鉆速、鉆頭成本、井眼質量、鉆頭的耐用性以及可操縱性進行比較。
由于PDC鉆頭租賃和修復業務的發展,金剛石鉆頭的進尺(在單只鉆頭壽命期間)于1995年發生了很大的提升。而牙輪鉆頭的總進尺于2004年開始下降,原因是前期總是用牙輪鉆頭所鉆的較軟因而可鉆較長的井段被PDC鉆頭所取代,使得牙輪鉆頭只能鉆較硬的地層,而牙輪鉆頭在較硬地層中的使用壽命則會較短。早期的天然金剛石鉆頭被用于鉆硬的研磨性地層時,主要是靠磨削破碎方式,機械鉆速通常僅為每小時0.9~1.2。而PDC鉆頭對巖層的破碎方式則是剪切破碎。隨著PDC鉆頭的改進,一只PDC鉆頭可以取代5只同類牙輪鉆頭。然而,明顯的事實是,目前一半的地層都是由金剛石鉆頭所鉆的。另一方面,在某些鉆井作業中,牙輪鉆頭的切削作用仍然優于PDC鉆頭的剪切破碎方式。
金剛石鉆頭市場自身也在細分
有一種現象十分有趣,那就是鉆頭市場中的金剛石部分也在發生著細分。20世紀80年代,與天然金剛石鉆頭相比,PDC鉆頭僅占金剛石鉆頭市場的較小份額。但是,PDC鉆頭成長很快,且單只鉆頭的進尺也有大幅增加。近年來,PDC鉆頭性能的大幅度提高,使得在市場上形成了就這種鉆頭的租賃及修理業務的概念,這使得PDC鉆頭的單只進尺得以進一步提升。特別是最近兩年,美國和加拿大境內的PDC鉆頭業務更是飛速發展。這種鉆頭的使用壽命相當長,以至于可以將其出租、修整、再用于鉆井作業。目前,一只PDC鉆頭打2438~2743米已很常見。近期的有關報告顯示,美國落基山脈地區75%的鉆井進尺都是PDC鉆頭完成的。

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