国内外破岩工具和井下动力钻具的发展现状及性能分析
作为油气井钻井的主导产品之一，据不完全统计，目前牙轮钻头的钻井进尺约占总钻井进尺的20%。牙轮钻头在旋转时具有冲击、破碎和剪切地层岩石的功能。通过合理选择钻头结构，可以在低转速下钻进中硬地层，是一种广谱性好的钻头，特别是近年来在软硬交错地层中使用了镶金刚石和金属密封的牙轮钻头。实践证明，在裸眼井段，牙轮钻头钻进效率高，钻头寿命令人满意。在深井上部大直径扩眼钻井中，牙轮钻头显示了其制造技术优势。中深孔段硬质结晶岩钻井效率和使用寿命低；在超深孔中，对嵌入式牙轮钻头的特殊要求包括:选择适合硬磨料结晶岩层的牙轮钻头类型；尽可能少或没有轴偏移的钻头结构；钻头应配备密封的滚动和滑动轴承；标准且可变的切削刃(镶齿)嵌入方法，具有同时镶齿的数量、形式和几何形状；保护直径最有效的措施是尽可能减小换挡轴距，增加外镶块和轨距镶块；采用适合孔深和温度条件的材料；圆锥形、椭圆形和球形刀片特别适合在结晶岩层中钻进，而凿形齿、勺形齿和超勺形齿容易折断。牙轮钻头的薄弱环节是它的运动部件——轴承，在深井钻井时，它的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钻头，它是由人造聚晶金刚石切削齿焊接在钻头胎体或钻头钢体上制成的。它采用自锐性PDC切削齿作为切削刃，在低WOB下可获得高机械钻速，比牙轮钻头高一倍。使用寿命长，是牙轮钻头的4 ~ 6倍，主要用于钻软至中硬地层。随着PDC复合质量和焊接技术的提高，PDC钻头的使用范围扩展到可钻性9级的地层。过去，中国大陆唐珂钻井、科拉超深钻井和德国KTB钻井都没有使用PDC钻头，因为钻井岩石坚硬。
金刚石复合片通过压入剪切破碎岩石，通过合理选择钻头结构，可以低速钻进软硬地层。它有点广谱性好。随着近年来PDC性能的大幅度提高，钻井者对PDC钻头的期望越来越高，对PDC钻头的需求也越来越大。据统计，2000年，PDC钻头的钻进进尺占总钻进进尺的26%，2000年。
PDC钻头的研究进展很快，可以概括为:
1)钻头液压系统。利用先进的光学测试技术PDA结合CFD方法研究PDC钻头井底流场已成为钻头水力学研究的一个新方向。CFD是近年来随着计算机技术的进步而发展起来的一种求解流体流动的技术，但国内在这方面的研究相对匮乏。
2)PDC钻头设计。根据不同的地质条件进行个性化设计，如多尺寸截齿钻头设计、双扭矩概念设计钻头等。采用先进的建模方法建立精确的数字模型，通过CFD和CAD对PDC钻头进行优化。
3)3)PDC钻头的加工工艺。实现数控加工，将CAD计算机辅助设计技术与CAM计算机辅助制造技术融合。
4)PDC钻头软模成形技术。目前被国外先进钻头制造商和国内油井钻头制造商广泛使用。实现钻模数控加工后，该方法可大大提高生产效率，保证尺寸精度。
PDC复合钻头在软至中硬地层钻进中发挥了重要作用，并取得了突破性进展。
2001，美国休斯克里斯滕森公司使用BD536PDC复合钻头，一次下钻创下6994m的世界纪录。史密斯公司生产的M91P PDC钻头创下了最高机械钻速202m/h的世界纪录，STR554 PDC钻头起下钻65438次，累计进尺21405m。
近年来，科学家和技术人员一直致力于研究切削刀具与地层的相互作用、切削刀具的动力学和下部钻具的动力学。根据钻井技术的发展和钻井现场的实际需要，世界各大钻头公司设计开发了多种PDC切削齿、专用PDC钻头及相关技术。2005年，美国DBS公司的Robert Claytom在美国石油工程师学会上发表了《新的钻头设计和切削刀具技术扩大了PDC钻头在硬岩钻井中的应用》一文，提出了钻头设计中能量平衡的观点，即钻头上切削刀具(PDC)的合理布置可以使钻头形成的径向合力最小化，这也是钻头在硬岩层钻井时的必要条件。随着新一代滤钴耐热PDC切削齿的研制成功，PDC钻头的性能发生了巨大的变化。在钻硬地层时，新一代滤钴耐热PDC切削齿钻头的平均进尺比常规PDC钻头提高了2倍，机械钻速提高了65438±0.5倍，扩大了PDC钻头在硬岩中的应用范围。
(3)天然钻石表面镶嵌有钻头。
目前，在坚硬岩石的深孔取心钻进中，传统的天然金刚石表贴式取心钻头已逐渐被孕镶式钻头或其他新型金刚石取心钻头所取代。究其原因，不仅在于天然金刚石表面取心钻头价格高，还在于孕镶钻头等新型金刚石取心钻头的使用寿命和平均钻速均高于天然金刚石表面取心钻头，这是岩石破碎机理和国内外大量实际数据所证明的。
大陆科学钻探第一口井的实验表明，天然金刚石表贴式钻头钻进效果不理想，机械钻速不高，特别是钻进一段时间后，时效下降很快。钻孔后发现部分天然钻石边缘破碎，大部分变钝，几乎看不到完整的天然钻石。
天然金刚石表贴钻头胎体硬度高、耐磨性强、抗冲蚀性强，更适合石油钻井中大泵量、高泵压的钻井条件。本发明的天然金刚石表贴钻头切削刃高，金刚石颗粒粗，在沉积岩中钻进效率高，钻头寿命长。
对于科钻1井，遇到的岩石是结晶岩，具有高硬度和研磨性。为了获得高的钻削速度，需要采用高的转速和WOB，钻头的复合振动必然增大，这对于表面镶嵌的钻头是不利的，会使刃部以上的金刚石断裂或塌陷，逐渐失去工作能力。许多钻井事实也表明，天然金刚石表贴式钻头不仅钻井成本高，而且不适合在坚硬岩石和破碎岩层中钻井。
为了提高钻进效率，设计采用液压锤冲击回转钻进，表面嵌有钻头的金刚石具有较高的刃口。在较大的冲击功作用下，坚硬岩石的反作用力大，高刃天然金刚石容易开裂，金刚石不能充分发挥作用，钻头使用寿命不长。因此，可以认为天然金刚石表贴式钻头不适合在硬岩中钻进，也不适合在硬岩中冲击回转钻进。
(4)电镀金刚石取心钻头
从大陆科学钻探电镀金刚石取心钻头试验来看，该钻头在试验初期表现出较好的性能、较长的使用寿命和较高的机械钻速。随着取心钻进方式的改变，钻头开始不适应冲击回转钻进，钻头工作层脱落，钻头性能没有得到充分发挥。有的只钻了一次，有的只钻了两次，主井段只用了两个绳索取心钻头。
(5)孕镶金刚石钻头
孕镶金刚石钻头可以钻中硬到硬的岩石，可以钻各种具有研磨性和各种完整程度的岩石。也就是说，孕镶金刚石钻头对结晶岩的适应性广，钻井技术指标好。大多数孕镶金刚石钻头使用人造金刚石，其钻孔成本低。
孕镶金刚石钻头比镶嵌在钻头中的金刚石颗粒细得多，孕镶在胎体中的金刚石切削刃小，像是被多向应力镶嵌，所以能承受冲击载荷而不断裂，适用于冲击回转钻进。
孕镶金刚石钻头的设计制造技术成熟，有几十年的经验和体会。孕镶金刚石钻头有利于单动双管取心钻进，岩心收获率高，岩心质量好，能很好地满足科学钻探的施工要求。因此，科钻1井取心钻井首选孕镶金刚石钻头。
取芯孕镶金刚石钻头的运动特点和取芯质量:孕镶金刚石钻头由于切削刃小、颗粒细、金刚石多，所以切入岩石的深度有限，每转破碎岩石量少。所以它在孔底旋转时，不会像牙轮钻头一样，因为刀具本身的运动而振动。通常，为了获得有效的钻井速度，钻头必须高速旋转。旋转体高速旋转时会产生陀螺效应(简单来说就是物体旋转时的离心力会使自己保持平衡)，所以金刚石钻头在孔底旋转时比牙轮钻头稳定得多。实践还表明，金刚石钻头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，它最适合钻进可钻性高的结晶岩层；机械钻速高，钻井效果好，使用寿命长，综合成本低；钻头心率高，岩心质量好；在科钻1井螺杆马达液压锤驱动的双管取心钻井中表现最佳。德国KTB，中国大陆科学深钻，最常用的是孕镶金刚石取芯钻头。
(6)扩孔钻头
辊齿通过冲击、挤压和剪切来破碎岩石，在坚硬地层中产生体积破岩效果，特别是在扩孔钻进阶段，由于存在小孔形成的自由面，在冲击方式下可以有效利用自由面，产生更大的体积破岩效果。如果用金刚石钻头钻孔，每转切削量很小，需要较高的转速，这是现场转盘钻孔无法满足的。如果使用PDC钻头，由于地层极其坚硬，切削刃难以进入地层，刮削效果难以实现。地层的不平整也会导致这种刀具在旋转过程中受到冲击载荷而断裂。
在铰削钻孔中，钻头切削刀具的受力条件非常恶劣，因此必须尽可能使用直径较大的锥掌。但使用过大的钻头掌会减少钻头导向体与钻头体的连接面积，从而降低钻头的强度。
扩孔钻头可以制成三牙轮、四牙轮和六牙轮。四牙轮扩孔钻头稳定性差，钻进时容易振动。三牙轮和六牙轮扩孔钻头钻进时稳定性好，但如果牙轮数量比较多，在有限的布置空间内选择较大的牙轮掌，势必影响导向器本体与本体的连接强度，不利于提高刀具和钻头的整体强度(渐康，2008)。
科钻一井采用导向三牙轮扩孔钻头。KTB主孔采用三牙轮扩眼钻头，扩眼时应采取以下措施:采用金属密封轴承、最佳合金齿形优化钻头设计，优先考虑钻头结构设计和材料，加强钻头保径保护；采取减震措施，尽量减少钻柱系统的振动，以保证钻井过程的稳定性和工具的长寿命；金刚石扩孔器用于保持钻孔直径长期稳定。科钻一井制作扩孔钻头时，选用的锥掌具有以下特点:轴承具有压力平衡润滑系统，适合深钻；轴承密封采用性能优异的金属浮动密封结构。
(7)涡轮电机
由于涡轮电机的部件几乎都是金属材料制成的，所以配有适当轴承的涡轮基本上是无摩擦的，可以在275 ~ 300℃的温度范围内使用。为了适应高温的使用，研制了一种特殊的滑动轴承，轴承与定、转子的接触面镶嵌有人造金刚石(PCD)。为了尽可能避免冲击载荷造成的损坏，PCD轴承采用了滑枕轴承的结构。装有这种轴承的涡轮马达已成功地用于温度高达280℃的地热钻井。
涡轮钻具最大的优点是不含橡胶件，耐高温(工作温度可达250 ~ 300℃)。适用于深井、超深井、高温高压井钻井。涡轮钻具也有一些固有的缺点，限制了它的应用。比如涡轮直径大，很难制造小直径大功率的涡轮钻具；涡轮转速很高，不能直接驱动钻头，往往需要减速器减速，增加了装置的复杂性，降低了可靠性。因此，涡轮钻具已在一些直井中使用，在定向斜井、小直径井和弯曲半径相对较小的水平井中使用不太方便。
为了提高牙轮钻头的进尺，成功地将涡轮钻具应用于深井钻井，应尽量降低涡轮钻具的转速，增加其轴上的扭矩。目前已成功采用低速减压涡轮涡轮钻具、液压制动级涡轮钻具和行星减速器涡轮钻具。
根据涡轮钻具组合的转速，可分为高速涡轮钻具组合、中高速涡轮钻具组合和中低速涡轮钻具组合。高速组合涡轮钻具没有配备减速器，所以钻头速度高；中高速和中低速组合涡轮钻具在轴承接头和钻头之间装有减速器，可以降低涡轮的输出速度。此时对应的转速分别为:600 ~ 1000转/分，300 ~ 600转/分，100 ~ 300转/分。
在实际操作中，涡轮钻具(包括减速器涡轮钻具)的工作速度可以根据现场需要进行调整。因此，涡轮钻具不仅可用于牙轮钻头(工作速度低)，还可用于PDC钻头和各种类型的金刚石钻头(工作速度相对较高，可达1200 ~ 2000 r/min)。
大扭矩低压短长度变径涡轮钻具的工作转速为100 ~ 300 r/min，适用于不同转速的牙轮钻头和PDC钻头。大扭矩中速涡轮钻具的工作转速为300 ~ 500 r/min，适用于PDC钻头和天然金刚石钻头。大扭矩高速涡轮钻具的工作转速为500 ~ 2000 r/min，主要适用于孕镶金刚石钻头。
使用涡轮钻具-减速器系统进行井底驱动钻井是前苏联深井钻井的三大技术特征之一。涡轮钻具输出速度高，减速后只能用来驱动牙轮钻头。涡轮钻具使用时，装有转速遥测系统，安装在涡轮马达上方，测量马达转速后，以泥浆压力脉冲的形式将信息传回地面。根据这些信息，地面工作人员可以调整泵量和控制电机速度，以确保最佳的钻井进度。
(8)螺旋电机
螺杆马达是以钻井液为动力的井底动力机，是一种容积式马达。泥浆泵输出的钻井液通过旁通阀进入螺杆马达，在马达的进出口形成一定的压差，带动马达的转子转动，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到破岩的目的。
螺杆马达的工作特性与涡轮马达有很大不同，它们具有硬特性，例如大扭矩和低转速。转速只与排量和结构有关，与工况(WOB、扭矩等)无关。).它的转速与输入钻井液流量成正比，输出扭矩与电机压降成正比，而与转速无关。压降越大，扭矩越大，但压降和扭矩变化时转速变化不大。因此，由此不难知道，当螺杆马达用于钻井作业时，泵压力表可以作为井下工况的监测器，通过压力变化来判断和显示井下工况，通过调节排量来调节转速。螺杆电机的定子由橡胶制成，耐高温性能差。一般用丁腈橡胶，耐温约150℃。如果需要耐高温，就需要使用特种橡胶，成本较高。
科钻1井钻井施工中，采用螺杆马达作为金刚石取心钻井系统的井底旋转驱动装置。
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，国外逐渐引入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和井下动力(高速螺杆和高速涡轮)相结合，通过强化钻井参数来提高机械钻速。与牙轮钻头相比，该技术可提高机械钻速3 ~ 10倍以上，大大提高了机械钻速。
从目前的市场调研来看，使用进口涡轮钻具和孕镶金刚石钻头是提高钻井速度的最佳途径，并取得了良好的效果。未来，通过对钻头切削结构设计、胎体材料、制造方法和制造工艺的研究，孕镶金刚石钻头将在高硬度、强研磨性地层中发挥巨大作用。
各种钻头的破岩方式和性能特征见表6.1。
表6.1破岩工具的类型和特点