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四季交替、大地輪回，春種秋收，這是大自然的規(guī)律；同樣，鉆頭也在輪回，從最初的沖擊性頓鉆鉆頭，到旋轉(zhuǎn)刮切的刮刀鉆頭，再到旋轉(zhuǎn)沖擊的牙輪鉆頭，鉆頭的復(fù)雜度達(dá)到最高，然后接替的是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的PDC鉆頭，一種進(jìn)化了的刮刀鉆頭（旋轉(zhuǎn)刮切型鉆頭），按照這種發(fā)展脈絡(luò)，接替PDC鉆頭的應(yīng)該是進(jìn)化了的沖擊型鉆頭，一種旋轉(zhuǎn)刮切沖擊型鉆頭。鉆頭結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單而功能趨于復(fù)雜。
 
傳統(tǒng)鉆頭
 
鉆頭的輪回是人們對(duì)鉆進(jìn)效率不斷追求的結(jié)果，同時(shí)也是鉆頭鉆鑿對(duì)象及環(huán)境變化的結(jié)果。早期人們?cè)陂_(kāi)采淺的低壓油、氣井時(shí)采用頓鉆的鉆井方式（圖1），鉆頭是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鋼制沖擊型鉆頭（圖2），用鋼絲繩把頓鉆鉆頭送到井底，由動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)游梁機(jī)構(gòu)，使游梁一端帶動(dòng)鋼絲繩和鉆頭產(chǎn)生上下沖擊作用，破碎巖石。公元前八世紀(jì)我國(guó)在冶鐵業(yè)的發(fā)展中形成了頓鉆鉆井技術(shù)，19世紀(jì)中葉西方國(guó)家用蒸汽機(jī)做動(dòng)力，對(duì)頓鉆鉆井技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并用于油氣鉆探中。
 
頓鉆鉆井適用于較軟的地表鉆探，機(jī)械鉆速慢，不能滿足加深鉆井的需求，于是，20世紀(jì)初，人們將1863年法國(guó)土木工程師RudolfLeschot發(fā)明的旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)應(yīng)用于油氣鉆探。旋轉(zhuǎn)鉆井是用鋼制鉆柱將鉆頭送入井底，在地面驅(qū)動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)控制鉆頭上的重力（WeightonBit,WOB）使鉆頭鉆入地層并破碎巖石。目前，這種鉆井方式仍然在用，并從轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)（圖3）升級(jí)到頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)（圖4）。刮刀鉆頭是旋轉(zhuǎn)鉆井使用最早的一種鉆頭，從二十世紀(jì)初開(kāi)始采用旋轉(zhuǎn)鉆井進(jìn)行油氣鉆探時(shí)就開(kāi)始使用這種鉆頭。鉆頭體用中碳鋼材料制成，下端焊接刮刀片和分水帽，上端車有螺紋與鉆柱連接。
 
牙輪鉆頭
 
刮刀鉆頭是一種切削型鉆頭（圖5），其切削巖石的過(guò)程類似于刀具切削軟金屬，刀片在鉆壓的作用下吃入地層，與此同時(shí)刀刃前面的巖石在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下不斷產(chǎn)生塑性流動(dòng)，井底巖石被層層剝起。刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低廉，用于鉆進(jìn)可鉆性4級(jí)的泥巖和頁(yè)巖等軟地層，但在硬研磨性地層鉆進(jìn)，刀片難以吃入，鉆頭磨損快，機(jī)械鉆速低，有時(shí)還出現(xiàn)憋跳現(xiàn)象，對(duì)鉆具和設(shè)備壽命有一定的影響。隨著石油開(kāi)采深度的進(jìn)一步加深，地層硬度增大，地面設(shè)備無(wú)法為刮刀鉆頭提供足夠的破巖扭矩，于是扭矩小、破巖效率高的滾動(dòng)式旋轉(zhuǎn)沖擊破巖的牙輪鉆頭（圖6）問(wèn)世，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)成為石油鉆探的主要破巖工具。
 
1905年出現(xiàn)第一只牙輪鉆頭，隨后的100年里牙輪鉆頭技術(shù)不斷進(jìn)步，從兩牙輪鉆頭到三牙輪鉆頭，從滾動(dòng)非密封銑齒牙輪鉆頭到滑動(dòng)密封鑲齒牙輪鉆頭，使得牙輪鉆頭能夠使用于幾乎所有地層的鉆進(jìn)。常用的三牙輪鉆頭主要由鉆頭體和牙輪組成，其中鉆頭體由三片牙掌組焊而成，牙掌下端凸出的軸頸上安裝牙輪，牙輪外錐車成不同錐角的錐臺(tái)，形成齒圈和齒槽，齒圈或銑成齒狀（銑齒鉆頭）或鉆孔鑲?cè)胗操|(zhì)合金齒（鑲齒鉆頭）。牙輪鉆頭工作時(shí)，牙輪一方面隨鉆頭體旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），另一方面繞軸頸旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）。鉆頭牙齒在鉆壓作用下吃入巖石，同時(shí)對(duì)巖石產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)沖擊或滑移剪切作用，使巖石破碎形成巖屑。由于牙輪鉆頭的滑移剪切作用較弱，因此，主要屬于一種旋轉(zhuǎn)沖擊型鉆頭。盡管牙輪鉆頭的使用具有廣譜性，但存在使用壽命短、鉆頭進(jìn)尺少的缺點(diǎn)，尤其是存在牙輪脫落的風(fēng)險(xiǎn)，使得人們不斷尋找新技術(shù)來(lái)替代它。
 
PDC鉆頭
 
1971年，美國(guó)通用電氣公司發(fā)明了PDC鉆頭即聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，首次應(yīng)用于1973年，但由于金剛石復(fù)合片性能差，設(shè)計(jì)技術(shù)不成熟，在早期約15年時(shí)間內(nèi)PDC鉆頭發(fā)展緩慢，到1988年其在世界油氣鉆井市場(chǎng)總進(jìn)尺所占比例僅為5%。PDC鉆頭本質(zhì)上屬于旋轉(zhuǎn)刮切式鉆頭，以切削方式破碎巖石。上世紀(jì)90年代，定向井、水平井技術(shù)發(fā)展起來(lái)，改變了之前以垂直井為主要井型的模式，單井長(zhǎng)度顯著增加，而且深井也逐漸增多，壽命較低的牙輪鉆頭越來(lái)越不適應(yīng)了，而隨著技術(shù)的進(jìn)步，高耐磨人造金剛石加持的PDC鉆頭結(jié)合彎殼體螺桿鉆具（圖7）的使用效果凸顯出來(lái)，其機(jī)械鉆速、單趟進(jìn)尺都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于牙輪鉆頭，而且沒(méi)有牙輪鉆頭掉牙輪的風(fēng)險(xiǎn)，于是很快就完成了對(duì)牙輪鉆頭的替代。從以上油氣鉆探鉆頭的迭代過(guò)程來(lái)看，沖擊和剪切是破碎巖石最有效的方式。單一的沖擊型鉆頭，包括完全沖擊型的頓鉆鉆頭和以沖擊為主的牙輪鉆頭，單一的剪切型鉆頭，包括合金刮刀鉆頭和PDC鉆頭，在其規(guī)模應(yīng)用階段都取得了不錯(cuò)的使用效果，但需求總是不斷在提高，技術(shù)也不斷在進(jìn)步，近年，沖擊和剪切復(fù)合型鉆頭或鉆頭工具組合便陸續(xù)推出。
 
貝克休斯公司2011年推出的牙輪和PDC混合鉆頭（圖8）就是一種沖擊和剪切復(fù)合型鉆頭，其將牙輪的旋轉(zhuǎn)沖擊作用與金剛石復(fù)合片的剪切作用結(jié)合起來(lái)，在軟硬交錯(cuò)、夾層等不均質(zhì)地層使用，取得了非常好的效果。而近年國(guó)內(nèi)推出了復(fù)合沖擊器（圖9），在鉆進(jìn)過(guò)程中給鉆頭施加一定頻率的軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊，結(jié)合高抗沖PDC鉆頭，在硬研磨性地層也取得一定成效。
 
目前，中國(guó)頁(yè)巖油氣、致密油氣開(kāi)采方興未艾，深井、超深井，井深直指萬(wàn)米，鉆頭面對(duì)的是“開(kāi)次一趟鉆”的進(jìn)尺目標(biāo)、不斷提高機(jī)械鉆速的需求以及高溫、高壓和特性差異較大的多套地層的鉆井環(huán)境，螺桿鉆具+PDC鉆頭組合由于其耐溫性受限，旋轉(zhuǎn)切削難以高效破碎極硬地層、硬研磨性地層和沖擊性地層等因素已無(wú)法勝任，人工智能加持的電動(dòng)鉆具+剪切沖擊復(fù)合型鉆頭將是油氣鉆探鉆頭鉆具組合的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)混合鉆頭和復(fù)合沖擊器的應(yīng)用，已證明剪切沖擊復(fù)合型鉆頭較單一的沖擊型或剪切型鉆頭機(jī)械鉆速高，但混合鉆頭仍存在牙輪壽命低的問(wèn)題，復(fù)合沖擊器的可控性也非常不足，高抗沖、抗磨的PDC鉆頭還需要進(jìn)一步提升性能。最近，人工智能技術(shù)爆發(fā)式發(fā)展，給油氣鉆探技術(shù)的迭代提供了新的途徑，通過(guò)電動(dòng)鉆具提升井底鉆頭鉆具組合的可控性，人工智能模型+鉆頭前側(cè)及周邊巖石特性超前探測(cè)提升鉆進(jìn)的智能性，由此必將使油氣鉆探技術(shù)得到跨越式發(fā)展。