电动钻具研究现状论文

2.1.2.1 地质岩心钻机

目前，国内固体矿产岩心钻机主要有两种，一种是20世纪70年代发展起来的XY系列液压立轴式钻机［图2.2（a），图2.2（b）］；另一种是后期研发的全液压动力头式钻机［图2.2（c）］。立轴式钻机钻探深度一般在2000m以内，少数机型钻深能力接近3000m，配套工艺方法以普通回转提钻取心为主，钻机的钻进参数仪表配置落后。泥浆固控系统仍停留在传统的泥浆池加循环槽使岩粉自然沉淀的落后状况，不能满足孔底动力钻具对冲洗液固相含量的要求。“九五”期间研制成功液压立轴式双卡盘不停车倒杆和交流变频双卡盘地质岩心钻机。

“十五”期间，中国地质科学院勘探技术研究所（以下简称勘探所）研制成功了YDX-3型全液压动力头式地质岩心钻机［用Φ71mm绳索取心钻杆钻深能力为1000m，图2.2（c）］，钻机适用于金刚石绳索取心、冲击回转、定向钻进、反循环连续取心（样）等多种高效钻探工艺方法。进入“十一五”，YDX系列新一代地质岩心钻机研发全面展开，YDX-2型钻机（钻深能力600m），YDX-1型钻机（钻深能力300m）和YDX-4型钻机（钻深能力1500m）相继研制成功。作为“十一五”“863”计划重点项目“2000m地质岩心钻探关键技术与装备”的核心内容，YDX-5型钻机（钻深能力2000m）于2011年研制成功。至“十一五”末2000m以内新一代全液压动力头式地质岩心钻机形成了完整系列（300～2000m）。目前研制成功的其他型号的全液压动力头式地质岩心钻机主要有：连云港黄海机械厂的HYDX-4、HYDX-5、HYDX-6型，钻深能力分别为800m、1200m和1600m；山东省地质探矿机械厂的XD-3、XD-5型，钻深能力分别为800m和1200m；以及其他一些厂家研制的不同型号的全液压动力头式钻机。

进入“十二五”又相继完成了3000m电动直驱顶驱钻机［图2.3（a）］、3500m地质岩心钻机（YDX-6型）［图2.3（b）］、400m轻便钻机、浅层取样钻机和600m反循环钻机等的研发。至此，我国的地质岩心钻机系列延伸到了3500m，在国家科技计划的支持下，4000m地质岩心钻机也在研制过程中。

图2.2 国内普遍使用的立轴式钻机和新研制的动力头式钻机

图2.3 3000m及3500m地质岩心钻机

2.1.2.2 地质岩心钻探工艺技术现状及新进展

我国的金刚石绳索取心钻探技术自20世纪70年代中期开始推广应用，目前使用深度已接近3000m，最大深度达到4006m。绳索取心钻探技术已成为我国固体矿产岩心钻探工作主要技术方法。

我国的液动潜孔锤钻具研制处于国际领先水平。YZX127型液动潜孔锤在2005年完工的中国大陆科学钻探工程科钻一井施工中创下了总进尺4038.88m、平均小时效率1.13m、平均回次长度6.31m的好成绩。在普通钻探生产和小直径钻孔条件下应用范围也在不断扩大。

我国从20世纪60年代开始金刚石钻头的研制，经过几十年的发展，工艺技术取得了飞速发展和进步。钻头的制造和使用水平大幅度提高，金刚石钻头平均寿命由早期的30～35m提高到100多米，钻进时效提高到新水平。随着钻头切削材料技术的进步，钻头对地层适应性进一步增强。

随着地质工作的整体复苏，岩心钻探工作量在逐年增多。以绳索取心、液动冲击回转、定向钻进等先进钻探技术为主要特征的小口径金刚石地质岩心钻探技术又重新显示出活力。20世纪末至21世纪初，地质岩心钻探技术又有了新的发展。具体表现在如下几个方面。

（1）组合钻探技术研究

该技术实现了一套器具满足不同地质环境及不同取样目的的需要，为地质调查快速取样、干旱缺水复杂地层石油地震物探施工提供了可靠的技术手段。特别是在我国新一轮油气勘探中，该技术方法不仅解决复杂地层油气地震物探爆破孔难以成孔的技术难题，而且使施工效率提高5～8倍。为加速我国新一轮油气勘探及发现一批新的油气矿藏异常发挥了重大作用，引起了石油物探界关注。该技术方法直接产值超过10亿元人民币。

（2）西部地区复杂地层中深孔岩心钻探工艺研究

该成果为加速我国西部复杂地层及中东部深部地质矿产资源的勘探评价提供了非常实用的技术手段。该项成果开发的深孔绳索取心钻杆、钻具及施工技术创造了国产器具在固体矿产资源调查钻孔取样深度超过1900m的孔深记录。

（3）资源评价定向钻探施工技术

该技术可以实现一个主孔内完成多个分支孔而穿过矿体的目的，从而节省大量的钻探工作量，对未来特殊施工环境钻探取样施工提供了经济适用的技术手段。该技术已产生了较大的经济效益和社会效益。

（4）地质填图及化探快速取样钻探设备及施工技术

该技术为我国大比例尺地质填图、化探及海洋地质调查快速取样提供了一种高效的装备及技术手段。在我国地质大调查地质填图、化探取样、海洋地质及环境地质调查施工中取得非常好的应用效果，具有较好应用前景。

（5）液动潜孔锤结构有较大改进，性能有很大提高，“三合一”钻具初步研制成功

“十五”期间研制成功的YZX127液动潜孔锤，采用了全新结构，大幅度提高了液动锤的能量利用率和稳定性，其技术成果获得2项国家发明专利。在中国大陆科学钻探工程科钻一井施工中创造了单井连续使用液动锤进尺3485.69m和使用井深5118.2m两项世界纪录。自主研制的液动潜孔锤+螺杆马达+绳索取心“三合一”钻具在科钻一井主孔5000多米孔深成功钻进一个回次并取出3.5m长的完整岩心，证明该套钻具的研究获得初步成功。

（6）对VDS垂钻系统及保真取样钻具进行了有益探索

多用途微机自动定向钻进系统与工艺的研究以自动控制纠偏为主线，探索利用成熟的传感器、液压和机械等技术组成机、电、液一体化的闭环控制垂钻系统，基本解决了由于空间狭小和工作环境恶劣引发的各项技术难题，探索出一套可用于闭环控制系统的主要硬件设计的工作思路。为今后开展高技术自动垂直钻井或自动定向钻进系统研究积累了经验并为进一步研究打下了基础。开发试制出了可获得原始状态水合物样品的取心钻具结构和钻具样机及其他辅助装置，并进行了室内测试，取得了较理想的效果，为进一步开发实用可靠的水合物保真取样钻具奠定了基础。

（7）定向钻探技术及对接井钻井技术有新发展

设计了适应于定向钻进的组合钻具，改进了中低转速螺杆钻具，使之可适应牙轮钻头、金刚石钻头及复合片钻头；编制了定向钻进与水平钻进设计与控制软件；改变了原水溶性矿产的采矿方式，大大提高了采矿效率和矿产资源利用率。完成了2对近3000m深井对接井，开创了我国对接井技术的新纪元，实现采卤对接井的重大技术突破。

2.1.2.3 钻探技术在资源勘探中的应用

钻探技术在我国资源勘探中曾作出过重要贡献而且还将发挥重要作用。新中国成立以来，在已发现的171个矿种和已探明储量的150余个矿种的勘探过程中均不同程度地动用了钻探技术。钻探技术为保证我国经济发展所需要的矿产资源和能源供应作出了重要贡献。

1903～1949年，全国钻探工作量总和仅约17万m，而且几乎全部是由外国公司利用自带的钻探设备完成的。新中国成立后，完成的钻探工作量逐年上升。仅以地质系统为例，1949～2002年累计完成钻探工作量10600万m。“十五”以后，随着国家对地质工作的重视，钻探工作量又进入了一个强劲的增长期。“十一五”以来，历年岩心钻探工作量也屡创新高，2006年865.01万m；2007年1165万m；2008年1555万m；2009年1720.5万m；2010年1800万m；2011年2400万m；2012年3419.19万m。同时，勘探深度也在不断加深。进入21世纪施工完成的1000m以深的钻孔越来越多。据不完全统计，超1000m钻孔已达数百口，超2000m钻孔达数十口。

我国的矿产资源经过数百年的探寻和开发，地表及浅部矿产资源多已被发现和利用。因此，国土资源部关于促进深部找矿工作的指导意见所明确的深部找矿工作战略目标是“开展主要成矿区带地下500～2000m的深部资源潜力评价，重要固体工业矿体勘查深度推进到1500m”。现以全国危机矿山找矿成果和河北省地勘局第四地质大队承德地区M24异常验证矿区ZK2402钻孔为例说明钻探技术在深部矿产资源勘探中的应用。

（1）全国危机矿山找矿成果

国土资源部于2004年选择了9家矿山开展危机矿山找矿试点。在大冶铁矿深部找到760余万吨铁矿，该矿区共钻孔22个，总进尺13980m，10个孔见矿，其中在尖林山矿段ZK15-7孔792.55～819.2m孔段见到326.65m厚的铁矿体，铁的品位为22.73%～51.5%，铁矿资源量达767万t。同时，通过取心钻探在1500m深处找到了与上部同一成因的铁矿，更新了成矿理论。其余8个危机矿山找矿项目也都取得了进展。辽宁省阜新矿业集团八道壕煤矿施工的9个钻孔有4个孔见到可采煤层，展示了该地区良好的找矿前景。国有大型企业云南老厂锡矿现保有储量仅可维持4年，目前初步估算已获铜金属储量84000t，锡金属储量1033t。此外，辽宁红透山铜锌矿、云南省大姚之苴铜矿、云南省鹤庆锰矿、湖南省瑶岗仙钨矿、四川省金河磷矿等6家危机矿山均不同程度地在找矿上获得了新进展。在启动了第一批9个危机矿山试点项目后，2006年又启动了40个危机矿山接替资源找矿项目。

截至2008年底，全国危机矿山接替资源找矿专项实施5年来，在216个矿山开展了深部找矿，共施工钻探158万m，坑探26万m，累计探明新增资源储量：煤46亿t、铁7亿t、锰739万t、铜196万t、铅锌485万t、钨40万t、金426t、银5696t、磷矿7341万t，其中新增资源量达到大型以上的有34个，中型以上的有62个，可延长矿山服务年限5～30年，稳定职工就业60余万人。上述成果的取得，钻探技术发挥了不可替代的重要作用。同时危机矿山找矿专项的实施也在一定程度上促进了钻探技术的进步，金刚石绳索取心钻探技术钻进深度过去多在1000m以内，现提升到2000m以深。5年中完成的158万m危机矿山找矿钻探工作量中，深度超过1000m的钻孔173个，占总钻探工作量的14.46%，1500m以上的钻孔13个，其中在山东莱州市三山岛金矿施工的2060.5m的钻孔创造了我国固体矿产勘探金刚石绳索取心钻孔最深纪录。

（2）承德地区M24异常验证矿区ZK2402孔

承德某矿区位于黑山基性杂岩体西北部边缘，杂岩体由斜长岩和苏长岩组成。主矿层分布在800～1900m之间，矿区为M24地磁组合异常。河北省地勘局第四地质大队在该矿区已完成的M24异常验证矿区ZK2402钻孔于2007年4月15日开钻，2007年7月18日终孔，终孔孔深1905.92m。采用XY-6型立轴式液压钻机，BW-320型泥浆泵，23m加重直管钻塔，150kW发电机组；国产普通材质的Φ89mm和Φ71mm绳索取心钻杆。

ZK2402孔的经济技术指标为时效2.59m/h、台月效率601m、回次长度2.53m、全孔取心率98%、直孔、终孔处孔斜13°、金刚石钻头平均使用寿命90m、提钻间隔平均为50～60m。

遇到的技术问题有XY-6B型钻机的提升力，立轴扭矩基本满足2000m以内深孔的使用要求，但卡盘的夹紧力和立轴（回转器）固定支架部位强度均显不足。钻机缺少必要的钻进参数检测仪表，导致2000m深孔钻进过程中，技术参数只能凭现场操作经验调节控制。该矿区的勘探实践证明，目前急需钻深能力2000m以上的钻探设备和器具。

ZK2402钻孔取心钻探证明主矿层比原来预计的要厚，预测铁矿石远景资源量3亿t。

2.1.2.4 钻探技术在国家重大科学工程和地质灾害监测预警及治理中的应用

2005年3月8日，连续钻进1353天终孔深度5158m的中国大陆科学钻探主孔工程竣工。2005年12月17日“中国大陆科学钻探工程新型钻井技术体系的研究与应用”科技成果通过了国土资源部的鉴定。该项目创造性地将“组合式钻探技术”、“灵活的双孔方案”和“超前孔小直径取心钻进方法”有机地结合起来，形成了独具中国特色的科学钻井技术体系。该新型钻井技术体系主要由井底动力驱动的冲击回转取心钻探技术、硬岩大直径长井段扩孔钻进技术、强致斜地层井斜控制技术、性能优良的LBM-SD泥浆体系、小间隙固井及活动套管应用技术、孔内事故预防处理技术、钻探数据采集处理技术等组成。高效碎岩钻进技术、液动潜孔锤冲击回转钻进技术、取心技术和泥浆技术，为中国大陆科学钻探工程提供了强有力的技术支撑作用。取得了突破性成效，创造了国内领先、世界先进水平，为中国大陆科学钻探工程项目的完成作出了重要贡献。同时，中国大陆科学钻探工程科钻一井的成功实施及其所取得的科技成果对我国地质岩心钻探技术水平的提高也起到了极大的推动作用。

环境科学钻探技术研究成果应用于国家重大公益性项目——柴达木盆地资源环境科学钻探、罗布泊环境科学钻探、云南鹤庆环境钻探和松辽盆地科学钻探工程，所取出的样品完整、采取率高、不扰动。鹤庆环境钻探岩心采取率97%，罗布泊环境钻探岩心采取率达90%以上，充分显示了取心新技术在环境钻探中不可替代的护心、取心功能，是目前从事环境钻探工作的主要技术。对所取出的样品分析研究后，正确推理出地球上某一时期地球环境的发展演变规律，为国家宏观经济决策提供了理论依据。

“崩滑体监测新技术与系列仪器开发”、“地质灾害监测数据自动化、网络化采集系统研究”、“地质灾害监测预报的关键技术发展工程方法研究”、“崩滑体监测应用示范”、“高陡边坡地质安全监测预警技术示范”以及“典型时空突发性地灾时空预警（含水量测试仪）”等技术和仪器设备研究成果，提高了我国地质灾害监测预警技术水平。研制的“滑坡光纤推力监测系统”和“QXY-5型钻孔倾斜仪”等仪器实现了自动化监测，并已在三峡库区多个县市及其他地区的滑坡深部位移监测中得到大量应用，“含水量测试仪”也在全国范围内得到了很好的推广应用，为确保当地群众的生命财产安全和指导城市建设规划起到了积极作用。

通过研究探索替代金属锚索的新型非金属锚索，解决金属锚索质量大、运输困难，以及耐腐蚀等问题；通过研究新型高强预应力混凝土结构抗滑桩，提高抗滑桩的承载能力；研究成功的“滑坡勘查技术潜孔锤取心钻进技术”在滑坡勘查取心钻进中大幅度提高了钻进速度，确保了滑坡带取样质量。“江河堤坝防渗加固快速高压旋喷技术研究开发”成果成功用于1998年洪水过后病险水库的防渗加固，提高了施工效率。

2.1.2.5 结论

钻探技术仍然是唯一能从地下取出实物岩矿样品的勘查技术方法。随着现代钻探技术的发展，岩心钻机已发展到全液压动力头钻机以及自动化、智能化地质岩心钻机。孔底动力钻具（潜孔锤、螺杆钻、涡轮钻、孔底电钻等）也从发明到发展，至今已具有一定水平。钻探技术发展到人造金刚石及人造复合超硬材料钻探时代。

钻探技术在我国资源勘探、国家重大科学工程、地质灾害监测预警及治理中做出过重要贡献而且还将发挥更重要的作用。

（1）牙轮钻头

牙轮钻头作为油气井钻探的主导产品之一，据不完全统计目前牙轮钻头的钻井进尺占总钻井进尺的20%左右，牙轮钻头在旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，通过合理选择钻头结构，在较低的转速下，可以钻进中硬—硬地层，是一种广谱性较好的钻头，尤其是近年来使用复合有金刚石的镶齿、金属密封牙轮钻头，在软硬交错地层及硬地层取得较好效果，为钻进硬岩提供一种技术支撑。实践证明，在开孔段牙轮钻头钻进效率高，钻头寿命还算令人满意；在深井上部大直径扩孔钻进中，牙轮钻头从制造工艺上显示其优越性。中深、深孔段钻硬结晶岩效率较低、寿命也低；在超深孔中，对镶齿牙轮钻头提出的特殊要求包括：选择适用于坚硬研磨性结晶岩层的牙轮钻头的类型；尽可能少产生或不产生轴偏距（偏移）的钻头结构；钻头要配装密封的滚动及滑动轴承；标准的、同时镶齿的数量、形式及几何形状，可改变的切刃（镶齿）镶嵌方法；最有效的保径措施是尽可能减小移轴距并加大外镶齿和保径镶齿；采用适合孔深及温度条件的材料；圆锥型、卵型及球型镶齿特别适用于结晶岩地层的钻进工作，凿形齿、勺形齿和超勺形齿则较易折断。牙轮钻头其薄弱环节就是有活动件——轴承，在深井钻进其寿命和耐温性要经得起考验。

（2）PDC钻头

PDC钻头是一种新型切削型钻头，它是通过把人造聚晶金刚石切削齿镶焊于钻头胎体或钻头钢体上而制成的。它以能自锐的PDC切削齿作为切削刃，能够在较低的钻压下获得高钻速，是牙轮钻头的2倍；有较长的使用寿命，是牙轮钻头的4～6倍，主要用于软到中硬地层的钻进。随着PDC复合片质量的提高和焊接工艺的改进，PDC钻头的使用范围延伸到可钻性等级达9级的地层中，以往中国大陆科钻、科拉超深钻、德国KTB钻探中由于钻进岩石比较硬，均未使用PDC钻头。

金刚石复合片以压入剪切方式破碎岩石，通过合理选择钻头结构，在较低的转速下，可以钻进软—硬地层，是一种广谱性较好的钻头，近几年PDC性能的大幅提高，使钻探工作者对PDC钻头的期望值越来越高，对钻头的需求量也越来越大，据统计，在2000年，PDC钻头的钻井进尺占总钻井进尺的26%，2003年增加为50%，而在2009年PDC钻头的钻井进尺已经占到总进尺的80%。

PDC钻头的研究进展很快，归纳为以下几个方面：

1）钻头水力学。利用先进的光学测试技术PDA并结合CFD的方法对PDC钻头井底流场进行研究成了钻头水力学研究的新方向，CFD是近年来随着计算机技术的进步而发展起来的一种解决流体流动方面的技术，而我国在这方面的研究比较匮乏。

2）PDC钻头设计。针对不同的地质条件进行个性化设计，如多尺寸切削齿钻头设计、双扭矩概念设计钻头等。采用先进的建模方式建立精确的数字模型，运用CFD和CAD对PDC钻头进行优化设计。

3）PDC钻头机械加工工艺。实现机械加工数控化，将CAD计算机辅助设计技术与CAM计算机辅助制造技术集成。

4）PDC钻头软模成型技术。国外先进钻头厂家普遍采用，国内油井钻头生产厂家目前也普遍采用，在实现钻头模具的数控加工后，此方法可以大大提高生产效率和保证尺寸精度。

PDC复合片钻头在钻探软至中硬地层中发挥了重大的作用，取得了突破性的进展。

2001年美国休斯克里斯坦森公司用BD536PDC复合片钻头，一次下井钻井6994m的世界纪录，史密斯公司生产的M91P PDC钻头创造了202m/h最高钻速的世界纪录，STR554型PDC钻头起下钻16次累计进尺达21405m的世界纪录。

近几年，科技工作者一直致力于研究切削具和地层之间的相互作用，切削具钻头动力学及下部钻具动力学等方面的课题。世界各大钻头公司根据钻井技术的发展和钻井现场的实际需要，设计开发出多种PDC切削齿、专用PDC钻头和相关技术。2005年美国DBS公司Robert Claytom 在美国石油工程师协会发表了论文《新型钻头设计和切削具技术扩大了PDC钻头在硬岩钻进中的应用》提出了钻头设计的能量平衡观点，即钻头上切削具（PDC）的合理排布可使钻头最终形成的径向合力最小，这也正是硬岩地层钻进时对钻头必须要的条件。而随着新一代滤钴热稳定PDC切削齿的研制成功，使PDC钻头性能发生了突破性改变，在钻进硬地层，新一代滤钴热稳定PDC切削齿钻头较常规PDC钻头平均单只进尺提高2倍，机械钻速提高1.5倍，扩大了PDC钻头在硬岩的应用范围。

（3）天然金刚石表镶钻头

目前，在硬岩深孔取心钻探中，传统的天然金刚石表镶取心钻头已逐步被孕镶钻头或其他新型金刚石取心钻头所取代，其原因不仅在于天然金刚石表镶钻头价格上的昂贵，更主要的还在于孕镶和其他新型金刚石取心钻头在寿命和平均钻速上高于天然金刚石表镶钻头，无论从碎岩机理上或者大量的国内外实践资料表明了这一些。

大陆科学钻探一井试验表明：天然金刚石表镶钻头的钻进效果不理想，机械钻速不高，特别是钻进一段时间后，时效下降很快，提钻后发现一部分天然金刚石崩刃，大部分金刚石被磨钝，几乎看不到一颗完整的天然金刚石。

天然金刚石表镶钻头的胎体硬度高，耐磨能力强，耐冲蚀性强，比较适应于石油钻井中的大泵量、高泵压的钻井条件。天然金刚石表镶钻头的出刃高，金刚石的颗粒粗，在沉积岩层中钻进的时效高，钻头的寿命长。

对于科钻一井来说，所钻遇的岩石为结晶岩，岩石的硬度高、研磨性强，钻进中希望获得高的钻进速度，必然要采用高的转速和钻压，也必然出现钻头的复合振动增加，这对于表镶钻头是不利的因素，它将促使高出刃的金刚石碎裂或崩刃，逐渐失去工作能力。许多钻探事实也说明，天然金刚石表镶钻头不仅钻进成本高，而且不适应在硬岩和裂隙发育的岩层中钻进。

科钻一井施工中为了提高钻进效率，按设计采用了液动锤冲击回转钻进，表镶钻头的金刚石出刃高，在较大冲击功作用下，坚硬岩石的反作用力大，容易使出刃高的天然金刚石崩裂，金刚石不能充分发挥作用，钻头的使用寿命不高。由此可以认为，天然金刚石表镶钻头不适应于硬岩层的钻进，亦不适应于硬岩中冲击回转钻进。

（4）电镀金刚石取心钻头

从大陆科钻对电镀金刚石取心钻头的试验情况来看，在试验初期钻头表现较好的性能，钻头寿命和机械钻速较高。随着取心钻进方法的改变，钻头开始出现不太适应冲击回转钻进的情况，钻头的工作层出现掉块现象，钻头的性能没有得到充分的发挥，有的只钻进一个回次，有的只钻进二个回次，在主孔段只使用了2只绳索取心钻头。

（5）孕镶金刚石钻头

孕镶金刚石钻头能够钻进中硬至坚硬的岩石，能够钻进各类研磨性和各种不同程度完整性的岩石，也就是说，孕镶金刚石钻头对结晶岩具有较广泛的适应性，具有好的钻进技术指标。绝大部分孕镶金刚石钻头采用人造金刚石，钻进成本低。

孕镶金刚石钻头采用的金刚石远比表镶钻头的金刚石颗粒细，金刚石孕镶在胎体中出刃部分小，如同受到多向应力的包镶作用，因此能够承受住冲击载荷的作用而不碎裂，适用于冲击回转钻进。

孕镶金刚石钻头的设计与制造工艺成熟，已经有了几十年的经历与经验。孕镶金刚石钻头有利于单动双管取心钻进，岩心采取率高，岩心质量好，能够很好地满足科学钻探的施工要求。因此，科钻一井取心钻进的首选钻头是孕镶金刚石钻头。

取心孕镶金刚石钻头的运动特性与取心质量：孕镶金刚石钻头，由于其金刚石的出刃小、颗粒细而数量多，所以切入岩石深度有限，每转的碎岩量很小。因而，当其在孔底旋转时，不会像牙轮钻头那样因为切削具本身的运动而产生振动。通常为获得有效的钻进速度，钻头必须高速回转。旋转体在高速回转时会产生陀螺效应（简单说就是物体转动时的离心力会使自身保持平衡），因此金刚石钻头在孔底转动时，相对于牙轮钻头要稳定得多。实践也表明，金刚石钻头所钻取的岩心表面光滑、连续，岩心更完整，取心质量更好。

实践证明：最适合钻进可钻性级别较高的结晶岩地层；机械钻速高，钻进效果好，寿命长，综合成本低；钻头取心率高，岩心品质好；在科钻一井螺杆马达液动锤驱动双管取心钻进中表现出最优异的性能；德国的KTB，中国的大陆科学深钻，使用最多的是孕镶金刚石取心钻头。

（6）扩孔钻头

牙轮齿以冲击、压入、剪切方式破碎岩石，在坚硬的地层中产生体积碎岩效果，尤其在扩孔钻进阶段，由于已经有小井眼形成的自由面，在冲击方式作用下可有效地利用自由面，产生较大的体积碎岩效果。如果采用金刚石钻头进行钻进，每转的切削量非常小，需要较高的转速，这是现场转盘钻进无法满足的。如果采用PDC钻头，则由于地层极其坚硬，切削刃很难吃入地层，刮削作用难以实现，地层的不均匀性也会导致该类切削具在回转过程中由于承受冲击载荷而碎裂。

扩孔钻进中钻头切削具的受力状况非常恶劣，因此需要尽可能采用直径较大的牙轮掌。但是采用太大的牙轮掌，则会减小钻头导向体与钻头本体之间的连接面积，从而降低钻头的强度。

扩孔钻头可做成三牙轮、四牙轮、六牙轮等形式，四牙轮扩孔钻头钻进时稳定性差，容易产生振动。三牙轮、六牙轮扩孔钻头钻进时稳定性好，但是牙轮数量如果比较多，在有限的布置空间内如果选择比较大的牙轮掌，势必会影响导向体与本体的连接强度，不利于提高切削具和钻头整体的强度（康健，2008）。

科钻一井中使用的是导向式三牙轮扩孔钻头。KTB主孔使用的是三牙轮扩孔钻头，扩孔钻进时应采取以下措施：通过采用金属密封轴承、最佳的合金齿齿形、钻头结构设计和材质优先以及加强钻头保径等措施优化钻头设计；采取减震措施将钻柱系统的震动降至最低，以保证钻进过程的平稳以及工具的长使用寿命；采用金刚石扩孔器，使钻孔直径在较长的时间内保持稳定。科钻一井扩孔钻头制作时，选用的牙轮掌有如下特点：轴承带有压力平衡润滑系统，适用于深井钻进；轴承密封采用金属浮动密封结构，性能优异。

（7）涡轮马达

由于涡轮马达的构件几乎全是用金属材料制成的，配有适当轴承的涡轮基本上是无摩擦的运行，可在275～300℃的温度范围内用。为适应高温度的使用，研制了特种滑动轴承，轴承与定子及转子的接触面上镶有合成金刚石（PCD）。为了尽可能避免冲击负荷造成的伤害，PCD轴承采用滑枕轴承的结构形式。配有这种轴承的涡轮马达在温度高达280℃的地热钻进工作中得以成功使用。

涡轮钻具的最大优点是不含橡胶件、耐高温（工作温度可达250～300℃），适用于深井、超深井和高温高压井的钻井作业。涡轮钻具也有一些固有的缺点，限制了它的应用。例如：涡轮的直径较大，很难制造出直径小、功率足够大的涡轮钻具；涡轮的转速很高，不能直接驱动钻头，往往需要减速器进行减速，增加了装置的复杂性，降低可靠性。因此，涡轮钻具除了在某些直井中使用过，在弯曲半径比较小的定向斜井、小直径的井、水平井等处使用并不方便。

为了提高牙轮钻头的进尺，并把涡轮钻具成功地应用于深井钻井，应设法降低涡轮钻具的转速，增加其轴上的力矩。目前已成功地采用了具有低速降压涡轮的涡轮钻具、带水力制动级的涡轮钻具和带有行星减速器的涡轮钻具。

根据涡轮钻具组合后的转速高低，可以分为高速涡轮钻具组合、中高速涡轮钻具组合和中低速组合涡轮钻具组合。高速组合涡轮钻具未配置减速器，钻头转速高；中高和中低速组合涡轮钻具在轴承节和钻头之间装有减速器，可降低涡轮输出转速。此时对应的转速分别为：600～1000r/min、300～600r/min和100～300r/min。

在实际操作中，涡轮钻具（包含减速器涡轮钻具）的工作转速可以根据现场需要调整。因此，涡轮钻具既能适用于牙轮钻头（工作转速较低），又能适用于PDC钻头及各种类型的金刚石钻头（工作转速相对较高，最高可达1200～2000r/min）。

扭矩大、压降低、长度短的减速器涡轮钻具工作转速为100～300r/min，适应于高、中、低不同转速牙轮钻头和PDC钻头；大扭矩的中速涡轮钻具工作转速为300～500r/min，适应于PDC钻头和天然金刚石钻头；大扭矩高速涡轮钻具工作转速为500～2000r/min，主要适应于孕镶金刚石钻头。

采用涡轮钻具-减速器系统进行井底驱动钻进，是前苏联施工科学深钻的三大技术特色之一。涡轮钻具输出转速高，经减速后才能用于驱动牙轮钻头。涡轮钻具使用时配有转速遥测系统，该系统装在涡轮马达上方，测出马达的回转速度后以泥浆压力脉冲的方式将信息传回至地表。地表工作人员可根据这一信息，调节泵量，控制马达转速，进而保证最优规程钻进。

（8）螺杆马达

螺杆马达是以钻井液为动力的一种孔底动力机，是一种容积式马达。泥浆泵输出的钻井液经旁通阀进入螺杆马达，在马达的进出口形成一定的压差，推动马达的转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。

螺杆马达的工作特性与涡轮马达有较大不同，具有硬特性，表现为大扭矩、低转速，转速只与排量和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关，其转速与输入的钻井液流量成正比，输出扭矩与马达压降成正比，而与转速无关，压降越大，扭矩越大，但在压降与扭矩变化的同时，转速变化很小，因此，在具体使用过程中，只要控制泥浆泵的排量与泵压，就基本上控制了马达的输出扭矩和转速。因此不难得知，在使用螺杆马达进行钻井作业时，泵压表可作为井底工况的监视器，由压力变化来判断和显示井下工况，通过调节排量进行转速调节。螺杆马达的定子由橡胶制成，耐高温性能差，一般采用丁腈橡胶，耐温约150℃；如需耐高温，需要采用特殊的橡胶，成本较高。

科钻一井钻探施工采用螺杆马达为金刚石取心钻进系统的井底回转驱动装置。

在油气勘探开发中，随着钻头和井下工具技术的发展和实践，针对高抗压强度和高研磨性的地层，国外目前逐步推出了一套提高机械钻速的技术途径，即采用特殊设计的人造金刚石孕镶钻头与井底动力（高速螺杆和高速涡轮）组合，依靠强化钻井参数的办法提高钻速，与牙轮钻头相比，该项技术可提高机械钻速3～10倍以上，大幅度提高了深井在高抗压强度和高研磨性地层的机械钻速。

从目前市场调研的情况，采用进口涡轮钻具+孕镶金刚石钻头复合钻进是提高钻进速度的最佳方法，取得了较好效果，未来一段时间，通过对钻头的切削结构设计、胎体材料、制造方法和制造工艺的研究，金刚石孕镶钻头将在高硬度、强研磨性地层发挥巨大作用。

各类钻头碎岩方式及其性能特点见表6.1。

表6.1 碎岩工具种类及特点