第1章 绪论
随着社会经济的快速发展，人类对石油天然气资源的需求也在不断增大。自1993年起我国进入原油净进口国行列，对外依存度逐年增大，截至2020年已突破73%，如图1-1所示。石油与天然气的安全供给是国家的重大战略需求，国内油气资源勘探开发是保障油气安全的重要途径。在我国剩余油气资源中，深层（超深层）油气资源丰富，据全国第三次资源评价统计，深层石油资源量为304亿吨，占石油总资源量的40%；深层天然气资源量为29.12万亿立方米，占天然气总资源量的60%，深层（超深层）油气将成为我国油气勘探的重大接替领域。近年来我国陆上油气勘探不断向深层（超深层）拓展，进入21 世纪，深层（超深层）勘探获得一系列重大突破：在塔里木发现轮南—塔河、塔中等海相碳酸盐岩大油气区及大北、克深等陆相碎屑岩大气田；在四川发现普光、龙岗、高石梯等碳酸盐岩大气田；在鄂尔多斯、渤海湾与松辽盆地的碳酸盐岩、火山岩和碎屑岩领域也获得重大发现。东部地区在4500m以深、西部地区在6000m以深获得重大勘探突破，油气勘探深度整体下延1500～2000m。其中，塔里木油田勘探井深已连续4年超过6000m，且突破了8800m深度关口（轮探1井井深8882m，为亚洲第一深井，截至2020年4月），东部盆地勘探井深突破6000m（牛东1井井深6027m）[1]。我国现阶段是全球深井（超深井）钻探*活跃的地区之一，据不完全统计，年钻深井（超深井）占世界钻井总数的1.2%左右，但占世界深井（超深井）总数的30%左右。2010～2018年，平均年钻4500m以上深井1024口，接近美国陆上水平（1287口）；平均年钻6000m以上超深井246口，与美国陆上超深井数量相当（260口）。由此可见，深层已成为我国陆上油气勘探的重大接替领域，是石油工业未来*重要的发展领域之一，也是我国石油引领未来油气勘探与开发*重要的战略领域。
图1-1 2011～2020年我国石油对外依存度变化趋势
但是，我国深层（超深层）油气藏钻井的难度世界罕见：井底岩石高强度、高研磨性、非均质，由此导致钻头寿命短、钻速慢、钻井成本高的问题异常突出。现场钻井资料表明，深井段的平均机械钻速仅是其上部井段平均机械钻速的 15%～30%，部分地区（如四川元坝）这个比例甚至低于8%。深部地层较低的机械钻速带来较高的钻井成本。以塔里木油田某井为例，钻上部井段时（1000m左右）的花费是1000美元/m，钻下部井段时（5000m左右）的花费则是3400美元/m；四川盆地深层页岩气长水平段钻柱摩阻扭矩大、托压问题严重等导致井下工具能力不足，钻井动力传递不到位，整体机械钻速仅3～4m/h，严重制约着四川盆地页岩气的高效开采；川渝地区须家河/茅口组非均质性强、研磨性高、可钻性差、工具动力不足/不配套，严重影响了钻头破岩效率，机械钻速低于1m/h。深部硬地层的高效低成本钻进是深井（超深井）中的首要技术问题，是制约我国向陆上油田深部地层及深海迈进的技术关键。因此，开展针对深部硬地层的高效破岩方法和破岩机理研究，提高钻头破岩效率是解决深部硬地层提速降本难题的关键。
1.1 石油钻井中常用钻头
图1-2 三牙轮钻头
钻头是破碎岩石打通地面和油气藏通道*直接的工具，目前国内外石油钻头主要有两大类，一类是牙轮钻头，另一类是聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头。牙轮钻头是使用*广泛的一种钻井钻头。牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小、比压高，易于吃入地层，工作刃总长度大。因而减少了钻齿和岩石间的相对磨损。牙轮钻头在钻压和旋转钻柱的作用下，钻齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。
世界上第一只牙轮钻头由美国休斯公司创始人霍华德？休斯先生于 1909 年研制成功，此后牙轮钻头得到飞速发展。1925 年出现了钻齿相互交错啮合的自洁式两牙轮钻头。由于都采用无密封的简易滑动轴承，这种钻头在硬地层的磨粒性环境中工作寿命较短。1932年出现了滚动轴承的两牙轮钻头，相对于简易滑动轴承，轴承寿命大大延长；1933年三牙轮钻头代替两牙轮钻头，钻齿齿面寿命和钻进速度显著增长；1935年移轴式三牙轮钻头的成功研制，将冲击压碎作用和刮削作用结合应用于中硬和中软地层，将进尺速度增加了30%，单只钻头进尺增加20%，牙轮钻头自此进入大发展阶段。三牙轮钻头如图1-2所示。
牙轮钻头能够适应从软到坚硬的多种地层，因此其成为应用*广泛的钻头。随着型号的增多，牙轮钻头的使用份额也逐渐超过了刮刀钻头成为钻头的主导产品。
随着石油行业的发展，对牙轮钻头的性能提出了更高的要求。20世纪60年代，喷射式牙轮钻头开始推广，牙轮钻头的钻井速度大大提升，这是牙轮钻头发展的一次重大革命。1951年第一只硬质合金镶齿钻头由美国休斯克里斯坦森（Hughes Christensen）公司制造出，并投入市场。然而当时的深井数量不多，加之很少在极硬和研磨性很强的地层中钻井，且此时钻齿与轴承寿命并不匹配，因此该钻头并未推广开。20世纪60年代初期，储油补偿密封系统首次出现，其后出现了大量有关密封轴承系统的专利。1970年正式出现了密封储油滑动轴承牙轮钻头，牙轮钻头寿命大增。
之后牙轮钻头朝着轴承密封性能、钻头布齿结构以及切削齿强度方向发展。隶属于斯伦贝谢的Reed-Hycalog公司推出的Titan系列大直径牙轮中采用轴承结构，能承受超过400r/min的转速以适应井下马达驱动钻进技术。Reed-Hycalog公司研制的固定切削齿钻头，集热稳定、超强耐磨切削齿技术及高稳定钻头结构特征于一体，配合改良的钻机和钻井液，在美国得克萨斯州东部硬岩地层钻井中的钻井时间平均降低了37%。休斯克里斯坦森公司在推出带有人造金刚石增强层的Genesis钻头系列基础上，研制出带有Endura Ⅱ硬敷焊材料的XLX钢齿钻头。Endura Ⅱ中富含大量球形铸造碳化钨，其几何形状能增强钻头牙齿和保径部位的强度及耐磨性，在强研磨性地层中保护钻头掌尖部位。
直到1979年，牙轮钻头配齐了从极硬到极软的完整系列。在这期间硬质合金材料、齿形、固齿工艺等多方面的问题得到解决，轴承寿命不断提高。采用硬质合金镶齿的优越性逐步体现出来。牙轮钻头此时已是世界上使用*广泛的钻头。
此后牙轮钻头的改进主要围绕改进制造处理工艺、开发完善各种品种系列上。休斯克里斯坦森公司生产的牙轮钻头材料也由20世纪70年代的EX30、EX55钢发展到了90年代的EX9310钢。这为钻头的综合优良性能奠定了坚实基础。随着钻井向着深层位，复杂地层发展，这些复杂工况对牙轮钻头又提出了新的要求。80年代，休斯克里斯坦森公司推出了一系列高速牙轮钻头。
“优胜劣汰”是机械工程技术发展的一条必然法则。随着PDC钻头的崛起，20世纪90年代时，牙轮钻头在某些地层中的钻速及寿命已远远落后于PDC钻头。但作为应用*广泛且使用历史*悠久的钻头，截至2009年，牙轮钻头仍占油田钻头总消耗量的70%左右，常配合中低速大扭矩涡轮钻具进行深井钻进。在硬岩钻井过程中，牙轮钻头齿容易损坏，牙轮-PDC复合钻头也是目前油气井钻头发展的主要趋势之一。
PDC钻头是随着复合材料的发展而发展起来的一种新型切削型钻头。PDC是在高温高压条件下将聚晶金刚石和硬质合金基体烧结而成的一种复合超硬材料。该材料具有金刚石的高耐磨性和硬质合金的高抗冲击韧性，被广泛应用于地质钻探、机械加工等领域的切削元件。人造聚晶金刚石*早于20世纪50年代末由南非德比尔斯公司研制而成，此后得到不断完善和发展。1971年美国通用电气公司研制出PDC切削齿。1973年，美国克里斯坦森公司生产出适用于石油钻井的PDC钻头，并于同年11月18日进行了现场实验。在首批钻头的实验过程中发现，其存在的缺陷是复合片黏结不牢固，导致切削齿过早脱落，*终钻头失效。1975年，PDC钻头的研制开始向工业化发展，并于20世纪70年代末取得成功，在实际勘探开发中获得了巨大的经济效益。80年代，钻探（井）界开始大面积推广运用PDC钻头，如图1-3所示。
图1-3 PDC钻头
PDC钻头是20世纪钻井工程的重大技术突破。作为新型破岩工具，自问世以来，凭借其在软到中硬地层中具有破岩效率高、机械钻速快、可靠性高、寿命长等特点在世界石油、天然气等地质钻探开发领域得到了越来越广泛的应用。而且随着其需求量的逐年增加，对钻头的性能要求也越来越高。数据统计表明，现阶段在油田勘探开发中，PDC钻头的进尺量占世界钻井总进尺的比例已超过90%。
PDC钻头进入市场四十多年来，其对世界范围内的石油、天然气钻井行业产生了重大影响。PDC钻头与硬质合金牙轮钻头相比，其使用寿命长，钻进速度快，且结构简单，没有活动部件。这在很大程度上降低了钻井成本，提高了效率，还从结构上消除了事故隐患。在地层相同时，PDC钻头与牙轮钻头相比，机械钻速可以提高33%～100%，成本可以降低30%～50%，单只进尺可增加3～4倍。随着PDC制造水平和质量的提高，PDC钻头的适用地层和用量也不断扩大。PDC钻头的进尺量占油田钻探总进尺的比例已由二十年前的不足16%增加到了目前的超过90%；目前PDC钻头在世界油气市场的份额已达80%。
图1-4 刮切-牙轮复合钻头示意图
然而，在钻进硬地层和软硬交错地层时，PDC钻头的使用仍然受到限制。PDC钻头的使用领域仅局限于软、中硬地层，未能有效钻进深部坚硬地层和研磨性地层。工程技术及研发人员通过对现场经验的不断总结，对本领域技术的开拓创新，在传统PDC钻头的基础上进行了进一步优化设计，使其能够适应于各种典型地层，推出了系列个性化提速钻头。
1984年，Schumacher等[2]提出了如图1-4所示的刮切-牙轮复合钻头结构。其至少包含一个刀翼和一个牙轮，刀翼的端面布置有用于刮切破岩的刮切齿，刮切齿用以切削岩石与牙轮相互作用后所形成的齿坑脊。该结构的钻头与常规的牙轮钻头或PDC钻头相比，能够有效提高破岩效率。然而，由于当时刮切齿材料的技术水平不高，其抗冲击的性能不能满足钻井的需要，该复合钻头技术并未得到很好的推广应用。
2010年，位于美国休斯敦的贝克休斯公司申请了将PDC钻头和牙轮钻头合二为一的Kymera复合钻头专利技术。图1-5展示的该切削结构由固定的PDC切削齿和可转动的牙轮切削齿组成[3， 4]。该复合钻头既具有PDC钻头的持久工作能力和优越的切削性能，又拥有牙轮钻头的强度。一方面，Kymera复合钻头具有比PDC钻头更平稳、更低的钻进扭矩，钻进寿命更长、扭转振动更弱、可靠性更高；另一方面，Kymera复合钻头比传统牙轮钻头具有更高的机械钻速，更小的轴向振动，所需的钻进钻压也更小。现场实钻结果表明该复合钻头能够有效降低钻井成本。随后研究人员又根据现场的需要对该复合钻头进行了优化改进。
图1-5 Kymera复合钻头示意图
2013年，国民油井华高（National Oilwell Varco，NOV）公司将图1-6所示的用于钻进难钻地层的FuseTek复合钻头推向市场[5]。该钻头将具有高转速的PDC钻头和高耐磨性的孕镶金刚石钻头的优势融合在一起，在刀翼面布置PDC复合片，在刀翼顶部孕镶金刚石材料。这样的设计使得该钻头钻遇硬夹层时能够增强钻头的抗冲击能力。钻头的钻进地层范围从中硬地层扩大到坚硬高研磨性地层。当复合片磨损之后孕镶金刚石成为主切削结构，钻头能够继续保持良好的钻进能力。现场应用表明其既能够显著提高钻井效率，又能延长钻头的使用寿命。
图1-6 Fuse Tek复合钻头
2013年，为了解决PDC切削齿上聚集的摩擦热、提高PDC切削齿的刮切效率、延长钻头的使用寿命，Smith公司采用自己独*的360°旋转P
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