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(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)①

1971年，GE 公司发明了由聚晶金刚石复合片(PDC)，1976 年向市场提供名为Stratapax的石油地质钻头系列产品。至今，PDC钻头技术有了长足的发展。PDC钻头具有更高的安全性，可以极大地提高钻井工作效率和降低钻井成本，在很多应用情况下逐渐代替了牙轮钻头。目前，PDC市场占有率达到75%～80%，占钻井总进尺90%[1-2]。

为了及时掌握国外PDC钻头技术研发趋势，加快我国PDC钻头技术发展，指导PDC钻头技术研发进展，笔者查阅专利数据，对目前PDC钻头技术研究情况进行分析，并对典型的创新性技术进行详细介绍。

1 专利分析

1.1 专利概况

专利是技术创新的表现，也是技术进步的直接体现，比论文、文献更具有超前性，很多大公司也是通过专利手段抢占技术领先地位。很多学者通过专利数据分析研究公司、技术战略及发展趋势。

笔者对PDC钻头技术相关专利进行统计分析，采用国际专利分类法(IPC)，通过德温特国际专利数据库，统计分析1968—2016年PDC钻头及钻头专利申请数据，得到钻头同族专利29 720件，PDC钻头同族专利12 922件。PDC钻头相关专利比重逐年增加，2006年PDC钻头专利(576件)占总的钻头专利(1 135件)的50.75%。2006年后，PDC钻头专利占比逐年升高，PDC钻头技术创新有了突破性的变化，开启了技术发展的新纪元。钻头及相关专利时序关系如图1。

图1 1963—2016年PDC钻头及钻头相关专利时序关系

Spears and Associates咨询公司在2014年Oil Field Market Report中公布的钻头市场份额报告中，Schlumberger、Baker Hughes、Halliburton、NOV、Varel和Ulterra Drilling Technology公司排名钻头前六位[3]。从专利权人统计分析来看，Schlumberger、BakerHughes、Halliburton排名前三，NOV、Varel排名前十。Ulterra Drilling Technology公司专利数量较少(53项)，但是专利创新性超前。本文重点分析市场份额排名前六位的公司专利文献，对PDC钻头的研发趋势进行研究。

1.2 研发趋势

为了进一步了解PDC钻头的研究热点及趋势，使用Thomson Innovation绘制了PDC钻头领域专利地图，解读各大公司专利创新思路，对专利进行聚类分析，更好地把握各大公司的研发趋势及创新方向[4](如图2)。图2中标示了2014—2016年3年的专利情况。内容相近的文献在图2中距离也相近，形成专利山峰，不同山峰代表不同主体聚集的专利群；区域间的距离表示技术主体间的相关性，等高线山脉表示技术研发重点，用颜色深浅区分重要程度，白色最重要。海拔高的区域即为该领域研究较多、较成熟，而数量逐年增多，且颜色未达到重要的程度，有聚成山包的趋势，这类区域即为研究趋势。

图2 六大公司PDC钻头专利地图

分析得出，传感器、流体、PDC及超耐磨领域的研究较多，研究相对成熟。要达到技术领跑，就必须找出萌芽起步技术，抢占技术创新机遇及知识产权占有先机。虽然材料对于PDC钻头技术至关重要，而且国内一直在PDC材料方面依赖进口，但是国外已经发展相当成熟，从知识产权战略角度来说不适宜从该角度提高国内技术的领先性。而在切削齿、混合钻头方面，刚开始形成山包，且研究逐年增多，所以该领域是一个创新趋势。

2 创新PDC钻头技术

结合当前论文、文献调研结果，验证了上述专利分析结果。各大公司推出了新形状钻齿及具有多种功能的钻头设计，Slim Haieb、Vyacheslav German等学者多次提出混合钻头概念。由此可见，目前在PDC钻头方面的创新主要集中于钻齿的形状，例如锥形齿、双倒角钻齿等；而从钻头结构创新来看，出现了很多的混合钻头，例如PDC固定齿及牙轮的混合钻头、不同钻齿混合布齿的钻头等。当然也有很多相关学科的应用创新。

2.1 钻齿创新

在1973年提出PDC切削齿后，石油工业经历了PDC钻头钻进性能的改进，其材质和设计都有不断地创新，但近年来的创新应当属于PDC切削齿的创新。

2.1.1锥形切削齿

2015年，斯伦贝谢公司锥形金刚石齿钻头技术被评为世界十大科技进展之一。该技术初衷是为了开发结合剪切/犁入破岩机理的固定切削钻头，最后成功研发出了新型的锥形聚晶金刚石齿(CDE)。该切屑齿的聚晶金刚石垫片厚度大约是PDC齿金刚石涂层的2倍，具有非常好的冲击强度和耐磨性，提高了ROP和进尺(如图3)。

在14个国家的油田试验中，250个CDE钻头的进尺平均增加55%，ROP增加30%，且钝化情况良好[3-4]。

图3 切削齿轴向剖面

此后，斯伦贝谢公司的Smith公司又研发了Axe脊形切削齿，可以同时实现常规PDC切削齿的剪切作用和碳化钨镶齿(TCI)的压碎作用。基于此研发的AxeBlade钻头(如图4)在Anadarko盆地页岩夹坚硬砂岩和石灰岩地层，一趟钻成功完成Mahler108-1H井22.225 cm的井眼钻进，机械钻速高达29.1 m/h，转矩降低20%。

图4 Axe脊型PDC切削齿

Ulterra Drilling Technology公司在2010年也提出了类似的子弹状螺旋凿齿，类似于锥形齿，但是上面有螺纹，每条螺纹都聚合于钻齿顶部，顶部是长条状的脊状切削面，用于解决钻头泥包问题(如图5)[5]。

图5 螺旋凿齿

2.1.2双齿切削齿

为了避免在较低钻压和较高转速范围下引起的钻头回旋破坏，趋于采用较高的钻压和较低的转速相结合来提高钻进性能，但难以避免在较高的钻压和较低的转速下引起的扭转失稳，造成粘滑振动。切削深度DOC(Depth of Cut)控制技术可以有效消除钻头扭转振动，扩大PDC钻头的应用范围，但限制了钻头的切削能力。当前提出的很多双齿钻头都是基于DOC控制原理[6-7]。

1) 哈里伯顿双齿切削齿。2016-04-19，哈里伯顿公司的公开专利US 9316057B2，发明了一项双齿切削齿，该设计是为了控制切削齿的切削深度(DOC)，与传统的DOC控制钻头在切削齿后合理设计垫片相反，保护齿与主切削齿同心，直径小于主切削齿，从主切削齿延伸出一定长度[8]，如图6所示。

图6 哈里伯顿双齿切削齿

2) Ulterra Drilling双齿切削齿。Ulterra Drilling Technology公司在2006年也提出了类似的专利US7140448B2，副切削齿与主切削齿同心，但是副切削齿轴向剖面为梯形，用于减缓钻头粘滑(如图7)。较贝克休斯自适应PDC钻头来说，对DOC的控制性较差，但是在井下真实环境下更加符合实际应用[9]。

图7 Ulterra Drilling Technology双齿切削齿

3) NOV双齿切削齿。为了延长钻齿的寿命，NOV公司2016-04-18公开的专利NO.US2016/0047170 A1，发明了一种双切削面钻齿(如图8)。该钻齿设计有2个切削结构。副切削结构放置在主切削结构基体预先设的凹槽内。钻进初期，副切削面不会接触地层，首先磨损的是主切削面和基体，随着磨损暴露副切削面，2个切削面一起钻进，从而延长了钻头寿命，为了避免作用于主切削面轴向的压力过大，造成次切削齿被主切削齿的基体夹住或者包围，可以在次切削齿上设计压力传递装置，降低主切削齿的轴向压力[10]。

图8 NOV双齿切削齿

2.1.3切削齿切削边缘创新

PDC切削齿的失效主要是由于残余应力、热载荷、机械载荷或者3种载荷的结合引起的裂纹萌生造成的，加之转矩波动，引起PDC切削齿失效，且破坏会随着转动加剧，一旦发生就很难停止。

1) Baker Hughes双倒角切削齿。2015年Baker Hughes公司在SPE钻探会议及展览中展示了其最新的钻头研究成果。贝克休斯公司提出了双倒角切削齿来增加切削齿支持面，可以减少金刚石起裂和剥落，延长钻头寿命，改进切削齿的流动，从而改善井眼清洁，较标准倒角切削齿对切削刃的压缩性更强，能更好钻进互层和砾岩地层，如图9。在Alfalfa油田用双倒角钻头成功进行了水平钻进，较标准钻头进尺增长156%，钻速加快29%。

图9 标准角与双倒角切削齿示意

2) NOV波浪形切削刃切削齿。切削刃有倒角可以减少金刚石面切削边缘磨损，但是，倒角结构虽然改进了切削齿的耐磨性，却降低了切削效率和钻速。最为理想的切削齿应该同时具有锋利切削刃的切削效率和倒角刃的耐磨性。2015-12-24公开的专利NO.US 2015/0368981 A1，发明了一种具有倒角的波浪形切削刃的钻齿。切削齿侧壁均匀分布贯穿整个钻齿长度的沟槽，在切削面的沟槽处形成了没有倒角的90°切削结构，没有沟槽的倒角边缘则保证了钻齿的耐磨性。圆周倒角边缘的角度可以为10～80°，如图10所示。该结构同时具有了锋利的切削刃和耐磨的切削刃，而且沟槽设计能减少震动破坏[11]。

图10 波浪形倒角边缘切削齿

2.1.4切削齿切削面创新

1) 斯伦贝谢Firestorm*PDC切削齿(如图11)。通过材料优选和高温高压聚晶烧结，降低了聚晶金刚石和硬质合金之间的拉伸应力，提高了切削齿的耐冲击能力，适用于所有地层，尤其是互层、研磨性地层和坚硬地层。在加拿大亚伯达的Montney页岩储层钻进水平井，地层研磨性强，利用该切削齿钻头钻进进尺提高42%，机械钻速提高20%[12]。

图11 Firestorm*PDC切削齿

2) 贝克休斯StaySharp切削齿(如图12)。与聚晶金刚石层结合的硬质合金表面微网状结构，强化了切削面与硬质合金柱的结合强度，增加了复合片厚度，同时配合切削齿抛光技术，切削齿表面更光滑，可避免钻头泥包。与常规PDC复合片制造工艺不同，它的制造过程中没有使用金属催化剂，耐磨能力提高了4倍以上[13]。

图12 StaySharp切削齿

3) 贝克休斯StayCool切削齿(如图13)。该设计源于解决钻头钻进硬地层过程中，温度升高快、磨损严重等问题。该切削齿设计有独特的多维几何形状，可以在其切削面磨损的时候，增大后耙角，提高切削齿自锐性能，保持钻齿攻击性。该齿还可以将磨损过程中产生的热量转移到岩屑上，提高了其表面换热效率，从而降低切削齿温度，提高切削效率。试验表明，其相对于常规切削齿产生的热量会减少50%[14]。

图13 StayCool切削齿

2.1.5自适应钻头

2016年贝克休斯公司引入了自适应PDC钻头，该钻头可以随着持续变化的钻井环境自动调节DOC特性，可在提高ROP的情况下缓减粘滑振动，克服了固定齿传统DOC控制技术的局限。通过可调节的DOC控制单元收缩性能避免牙齿与地层的过度啮合，防止钻头过早失效以及引起BHA部件扭断的可能性[8-12]。在Oklahoma油田Wilcox砂岩地层中油田试验井测试表明，自适应钻头在钻速为60 r/min和90 r/min时，改变WOB也没有出现粘滑现象[15-17]。图14为222.25 mm(8英寸)的自适应PDC钻头原型，含有3个可替换的自适应DOC控制装置，通过封装筒隔离钻井液，且能方便的从钻头刀翼上装卸。

图14 8 3/4in自适应PDC钻头

2.2 混合钻头

在过去几十年里，PDC钻头和牙轮钻头性能在设计和材料方面有了很大进步，但是技术发展速度逐步降低。近年来，出现了一系列新的混合钻头，主要包括已存在的技术混合，例如将牙轮齿加到固定齿钻头上，或者是新的切削机理混合，例如刨削等。

1) SHEAR BTIS刮削钻头。SHEAR BITS研发了一款混合钻头技术，具有创新的综合切割结构，有可旋转的刨齿和剪切的PDC齿的2种破岩方法，提供了与牙轮钻头类似的性能，操控性好，持久性又超越了PDC钻头。如图15所示。

图15 混合刨削/剪切齿结构示意

刮削机理与牙轮齿或者是切削结构类似，会形成与PDC切削结构相匹敌的剪切作用，适合多种钻井环境，但耐磨性不够，且容易严重破坏。在混合钻头设计中，刨齿锁死在轴上，可以灵活旋转，缓减钻头反转，在钻进过程中硬质合金齿有自磨刃过程，刨齿形成的裂缝辅助PDC剪切。PDC切削结构又增加了钻头的耐磨性，在硬质合金切削齿磨损后，仍然可以持续钻进。在西加盆地表层钻进互层时，该钻头平均钻速较牙轮钻头增加116%，较应用牙轮+PDC钻头的钻进速度快63%，且井眼清洁非常好，能经济有效地下入套管[18]。

2) 斯伦贝谢CDE与PDC切削齿混合钻头。为了消除冲击引起的切削结构破坏，研发在高钻速下有效钻进超硬/研磨性地层，斯伦贝谢公司通过战略分布的锥形金刚石齿和传统的PDC切削齿设计了混合钻头，融合了CDE切削齿的形状、抗冲击和耐磨性能，提供高剪切作用。在俄罗斯Perm区域的油田测试中，混合CDE钻头提高了钻进碳酸盐岩/硅质灰岩地层的钻进效率，性能稳定、转矩输出光滑，快速提高了定向钻井的钻速。图16为斯伦贝谢的215.9 mm(8英寸)813CDE钻头，有53个PDC切削齿，用27个战略分布的锥形齿来强化钻头。

图16 813CDE钻头

3) 斯伦贝谢的PDC/TSP混合钻头。PDC切削齿在钻进高磨损地层时，易形成热损坏；当钻进非均质性地层时，易造成冲击破坏，降低钻速，造成钻头环出。PDC钻头在相对均称和磨损性小的地层应用效果好。相反，孕镶钻头的人造/天然金刚石具有很好的热稳定性和耐磨性，改善了钻头寿命和进尺，缺点是在软/中硬地层中的ROP比PDC低，易造成钻头泥包。

斯伦贝谢公司提出了一种混合钻头，结合了PDC和孕镶钻头的优点。混合钻头由PDC切削齿、TSP齿和金刚石孕镶材料的刮刀组成，PDC切削齿充满整个井眼，TSP切削齿较低于PDC切削齿暴露，当PDC切削齿磨损到一定程度后，TSP切削齿接触地层。当PDC和TSP都磨光了，切削机理就从剪切变为研磨，如图17。该钻头具有三重切削结构。该混合钻头已经在Algeria、墨西哥湾、巴西、英国、USA、Angola和俄罗斯等地成功的进行了应用，大幅降低了成本[19-21]。

图 17 具有各种切削结构的混合钻头

2.3 其他创新

2.3.1纳米陶瓷涂层

哈里伯顿海洋服务公司用纳米陶瓷(Al2O3-TiO2纳米陶瓷粉末)通过等离子喷涂法应用于钻头，能显著减少磨损和剪切，保护基体不被破坏，且磨损钻头加以新的纳米陶瓷涂层可重复利用。该技术通过调整涂层的纳米化学结晶结构、涂敷过程来控制涂层的力学性能，喷涂纳米涂层后，钻头起裂显著减少，粘结强度是传统涂层的2倍，强度是传统涂层的2～4倍。该技术能减少频繁起下钻，频繁替换钻头，为作业者节省巨大开支[22]。

2.3.2纳米纤维强化PDC钻齿基体

哈里伯顿公司2017-01-12公开的发明专利US2015/039564，是对钻齿基体进行纤维强化。为了让钻头的热稳定性更好，降低其致裂风险。纤维可以均匀分布在基体内，也可以根据钻齿受力情况或者是损坏情况分布。纤维可以是絮状、棒状、线状、骨头状或者是环状。其材料可以是金属、合金或者是任何熔点高于基体胶结熔点的材料，例如钨、钼、钛、铬、锰等[23]。

3 结论

1) PDC钻头在钻头技术中的比例逐年升高，国外大型石油服务公司对PDC钻头技术研发及创新越来越重视。我国应跟上国际创新步伐，从延长钻头寿命、通过一个钻头适应多种地层钻进、减少起下钻入手，把改进钻头性能、提高钻进效率作为研发重点，重视基础研究，注重相关技术知识产权，开发具有创新性的可商业化应用产品。

2) 各大公司在PDC钻头创新研发方面各具特色，实行差异化发展，快速提高公司竞争力。有些公司(例如Ulterra Drilling Technology公司)虽然占有相当大的市场份额，但是专利数量不多，该公司可能为了保护技术(技术申请专利后，就必须公开技术细节，对技术的保密程度不够)会采取避免申请专利的方式来提高技术的隐蔽性。我国也应在PDC钻头技术方面开展战略性的技术创新及研发，从而提高技术竞争力及领先程度。

3) 当前PDC钻头技术研发创新主要趋于钻齿和混合钻头技术创新。钻齿方面从保护切削刃、DOC控制、切削效率、钻齿寿命等方面入手，提出了双倒角切削刃、波浪形切削刃、自适应DOC控制技术、各种保护齿创新等；混合钻头方面主要从一种钻头适应多种地层入手，将多种切削机理，例如PDC钻头、牙轮钻头、孕镶钻头等钻头混合设计与同一钻头上，实现多种切削机理，扩大钻头使用范围。

4) 相关学科的快速发展促进了石油工程技术的发展。在钻头方面，针对地层对其破岩性能、钻井效率、成本等要求，将相关学科，例如纳米、陶瓷材料等应用于改进传统钻头的性能，扩大其使用范围，延长钻头寿命，减少钻头替换及起下钻的非钻井时间。

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