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牙轮钻头与金刚石钻头的角色转换

信息来源:eooaoo.com  时间:2013-04-27  浏览次数:2051

据美国《油气杂志》介绍,纵观整个钻井历史,人们一直把"重金属"置于钻井工具的前缘,将其作为切削元件用以磨碎、破碎或凿碎地层岩石。最初,大多数油井都是采用冲击钻井方式,在19世纪和20世纪,钢材技术的进步导致了能够在软岩层中快速钻进的旋转式钻头的出现。
  即使是在软岩层中,钢材也会快速磨损,所以在钻头上要常常镶以碳化钨齿或整体覆盖碳化钨外层。此类碳化钨材料比钢材更脆,但具有更强的抗冲蚀能力。在美国休斯公司于1909年最早发明了滚动牙轮钻头之后,人们在硬面敷焊方面取得了一些重大的发展,导致开放式轴承钻头的使用寿命大为延长。然后又于1951年出现了第一代"O"形圈和润滑脂密封轴承碳化钨镶齿钻头,再后来又出现了滑动轴承钻头。在这段时期,牙轮钻头是钻井界的必选工具。
  金刚石作为新兴切削元件应运而生
  1910年,在地质学家首次将天然金刚石用于钻井作业后,一种新型切削元件便诞生了。空心的取心钻头被用于钻出圆形井筒并取出岩柱以作分析,这种方法以前多用于矿物勘探作业。在这种用途中,将金刚石用作钻井切削元件应运而生。此后的几年中,人们明显地看到,金刚石钻井技术为油田作业带来了很大的发展潜力。
  作为人类所知的最硬的材料,金刚石的硬度是钢材的10倍;而与硬质合金相比,金刚石的硬度是碳化钨硬质合金的2倍,耐磨性是硬质合金的10倍;金刚石的抗压强度是花岗岩的20倍。所以,在油田钻井作业中使用金刚石已成为不可逆转的趋势。
  尽管早期也出现过一些原型产品,但全井眼金刚石钻井钻头却是在20世纪50年代才首次被作为商业产品在石油工业界推出的。当时在钻头上使用的是工业级天然金刚石,这类金刚石被破碎并处理成一定的规格和标准的圆形颗粒。由于金刚石是在地层深处经由几千年的高温高压过程而形成的,所以它特别适用于在硬岩地层中钻井。
  20世纪70年代早期,当美国GE公司开发出一种制造人造金刚石的工艺后,金刚石技术的发展达到了一个重要的里程碑。被制成圆形薄层的石墨碳片和钴片交替地叠放在一个承受着高温高压的小罐内,通过压机中高温高压的作用,使这两种材料熔合以形成金刚石与金刚石间的粘结,最终生产出聚晶金刚石(PDC)切削元件。这种产品被迅速以"固定切削齿"钻头的形式用于油田钻井作业中。PDC产品为金刚石钻头开辟了一个全新的应用领域。目前,这方面的材料、结构和制造工艺都还在进行着不断改进和完善。
  PDC产品性能不断改进
  在过去的几年间,PDC切削齿的质量和类型都发生了巨大的变化。如果将20世纪80年代的齿与当今的齿进行比较的话,差异是相当大的。由于混合工艺与制造工艺的变化,当今的切削齿的质量性能要好得多,使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。
  工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化,以提高切削齿的韧性。层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。
  除了材料和制造工艺方面的发展以外,PDC产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。现在,PDC产品已可被用于以前所不能应用的地区,如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。这种向新领域中的扩展,对金刚石(固定切削齿)钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。
  最初,PDC钻头只能被用于软页岩地层中,原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化,目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。PDC钻头正越来越多地为人们所选用,特别是随着PDC齿质量的不断提高,这种情况越发凸显。由于钻头设计和齿的改进,PDC钻头的可定向性也随之提高,这进一步削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。目前,PDC钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。
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