国外钻头新技术跟踪报告.docx
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国外钻头新技术跟踪报告
国外钻头新技术跟踪报告
（2004年6月～2005年6月）
编写：
破岩技术研究中心
编写日期：
2005、7、14
国外钻头新技术跟踪报告
（2004年6月～2005年6月）
破岩技术研究中心
一、国外钻头新技术发展概况
1、牙轮钻头发展概况
国外石油钻头新技术发展非常快，总体上来看，休斯公司仍然处于领先地位，2003年以前休斯有八大系列新产品，2004年又成功推出了一个新系列Mini-MX系列，使休斯公司的新产品系列达到9个。
Mini-MX新系列是UltraMax系列与STAR/STX系列的完美结合，这个系列的诞生标志着休斯在单金属密封技术上又有了新突破，成功地将单金属密封技术应用到小尺寸钻头上。
2005年6月接着又推出了三个新系列：
GX、GXHardrok和MXL系列，新产品系列达到12个。
这三个新系列使用20多项新技术，其中最新的单项新技术突破有：
1）合金齿材料的突破。
改进碳化钨等级使合金齿在强度（韧性）基本保持不变的同时，耐磨性提高了50%多，提高了抵抗裂纹扩张的能力，降低了合金齿的破碎的可能性，延长了合金齿的使用寿命，也能使合金齿设计更具进攻性；
2）由于齿材的突破，使合金齿结构设计突破了传统的设计理念，合金齿露齿高度有了很大提高，齿形设计更为优化，高应力区有了很大改善；
3）单金属密封技术有了进一步发展，密封面的耐磨性有了提高，密封面也变宽了，增能圈的设计发生了变化，提供了更大的密封力，使单金属密封的可靠性有了进一步提高；
4）水力结构上的突破，由原来的后喷式改为前喷式，这一结构的设计的改变吸取了REED公司先进水力结构的优点，使钻头具有更好的清洗效果；
5）牙轮壳体保护技术的突破，牙轮壳体上镶有许多小的球头齿，这些齿露高很小，与我们公司的副齿技术有所区别，其主要作用是保护牙轮壳体；
6）掌背保护进一步加强，掌背敷焊面积加大。
从网站信息来看，史密斯公司到目前为止还没有推出新的产品系列，但不可小看该公司的技术进步，SMITH公司95年从西南院花费近五万美圆购置仿真软件和牙轮钻头复合破岩实验机设计，由黄书建和项英等人消化吸收转让成果，聘用印度软件博士组成后期开发小组，研制出了便携式岩屑测试仪，从岩石性质研究入手，建立了岩石性质与切削结构仿真、岩石性质与切削结构有限元分析、岩石性质与切削结构复合破岩实验验证和仿真软件再修正，以及钻头切削结构载荷分布和切削结构破碎功优化的完整的钻头运动学分析系统（IDEAS）和钻头用户服务的DBOS系统。
IDEAS系统的建立，缩短了钻头个性设计周期，打破了传统的设计、试制、现场实验、再修改的设计路线，通过该系统能够预测钻头的使用，不断优化直到钻头最佳性能。
另外，钻头用户服务系统DBOS，又可以不断补充IDEAS系统数据资源，两大系统相互补充，相互提升。
自2002年起，SMITH公司从专利数量来看，超出HUGHES，切削与保径结构专利层出不穷，在产品上成功推出了两种新的齿型，Magnum和Dogbone齿形，这两种齿形明显表现出良好的进攻性和抗折断性，使钻头机械钻速有了大幅度提高，由于齿型的优化设计和齿材的突破带来了SMITH公司钻头设计理念的变化，钻头偏移值的设计打破了传统设计思想，设计值进一步加大。
2005年史密斯公司申请了8项牙轮钻头方面的专利，其中切削齿结构方面的专利有2项，轴承密封方面的专利有6项，从这个数字可以看出史密斯公司在牙轮钻头密封技术方面在非常努力地追赶休斯，而在切削结构方面仍然具有领先休斯的水平。
从这两项切削结构专利看，SMITH公司在切削结构方面正朝着精细化方向在发展，已经在针对不同齿排切削特征设计相应特征结构的齿形，而且反映其对外排齿及背锥齿的布置方式进行了深入研究，这些都说明SMITH公司在切削结构方面的领先优势。
从休斯公司最近推出的三个新系列的核心新技术来看，也不难发现，休斯公司在切削结构方面，包括切削齿材料也在追赶史密斯，有趋同性。
此外，在钢齿敷焊技术上，SMITH公司推出了两项新的专利，其中一个专利是用一种带有保护层的硬质颗粒改善表面强化材料；另一个专利是将敷焊材料制成浆体采用涂敷的方式或预先成型的方式，将材料与牙轮钢齿基体粘结在一起，再通过一定的高温和压力使耐磨材料与钢齿基体形成冶金结合，也可以成形后烧结再钎焊到牙轮钢齿基体上。
这种钢齿强化技术非常新颖，估计很快会得到推广应用。
从单项技术来看，牙轮钻头的技术格局仍然是：
密封，以HUGHES的第三代金属密封—--最新改进的单金属密封为领先；轴承，以SMITH公司的浮动轴承为领先；切削结构，以SMITH公司的复合齿、Magnum齿形和Dogbone齿形为领先；水力结构，以REED公司的斜向前喷射为领先。
但值得一提的是HUGHES公司在水力结构和切削结构上已经在努力突破对手的技术，而SMITH公司和REED公司在金属密封上没有看到突破的迹象，完全在走另外一条技术道路，不知道是否受20多年前这场知识产权官司的影响？
2、金刚石钻头发展概况
在金刚石钻头方面，技术的发展更快，2003年末，PDC钻头已占到钻头市场总份额的45%，到今天世界各地已经有不少区块PDC金刚石钻头占居了主导地位，金刚石钻头的进尺已经超过了50%，业内大多数专家都认为这种发展态势还会持续。
2005年在金刚石钻头产品方面，仅休斯公司推出了套管钻井钻头，我们国家近几年也在多个油田使用了他们该型号的套管钻头，这种钻井方式在一些井壁不稳定的表层直井段钻进中，可以降低钻井风险，降低钻井成本。
传统的PDC金刚石钻头新产品仍然是2004年6月前介绍的这些产品，没有查到新的产品，这也许是由于PDC金刚石钻头个性化太强，每一只PDC金刚石钻头都有新的东西，所以不象牙轮钻头那样能够非常典型的组成几个新系列。
金刚石钻头的快速发展，不仅从市场占有率说明了这点，从复合片方面的专利申请量上也能说明这一点，2004年6月至2005年6月申请的复合片专利一共有17件，这17件复合片专利主要有Smith，Hughes，ReedHycalog，Rockbit等几家大的钻头公司拥有，说明PDC金刚石钻头的竞争主要是复合片技术的竞争。
复合片的技术思路和发展方向都是围绕着如何最大程度的提高硬质合金和金刚石之间的匹配，以便提高其耐磨性和韧性之间的最佳搭配。
各家思路和方向虽然一致，但方法和手段略有差异。
ReedHycalog公司重点在提高复合片的抗高温能力，其方法和制造TSP的方法相似，通过去除金刚石之间的结合金属Co等，以降低非金刚石相和金属相的不同的膨胀效应，进而提高复合片抗高温能力。
Rockbit公司通过增加金刚石层的方法来提高复合片的抗磨能力。
Smith公司是通过在金刚石层和硬质合金之间增加一个过渡层来提高金刚石和硬质合金的匹配性，过渡层具有中等的膨胀系数。
Hughes公司是通过改变硬质合金基片的层厚、结构等来改善复合片的残余应力，此外值得注意的是，该公司关于孕镶钻头方面的研制，由于在坚硬岩层中孕镶钻头具有较高的钻进速度，可以猜测该种钻头可能是用于极坚硬岩层的钻进。
GE（DiamondInnovations）该公司是世界上最早进行复合片制造的公司，从该公司最近的专利来看，他们注重的是从材料本身改变来提高产品的性能。
该公司生产金刚石、CBN等超硬材料。
在复合片方面，是通过改变金刚石的内部结构、改变复合片金刚石层金刚石的粒度组合。
目前美国合成公司是生产复合片较权威的公司，他们研制了一种在复合片，这种复合在金刚石层表面上压成有两层金属，最外层为钼，次外层为钼铌合金层。
据称，该种复合片具有较强的抗拉能力、抗磨损能力和结合能力。
该公司在复合片方面的工作做的非常细致，包括基片界面结构参数、金刚石原料、金刚石粒度、复合片的倒角、烧结工艺参数等对复合片的影响，以及对复合片的试验手段有冲击试验、磨损试验、线性切削力试验等都做了大量的工作，并采用有限元分析软件对复合片的参与应力进行了大量分析研究。
详细的技术情况参见附件一～附件十。
二、我们公司钻头技术现状及差距
1、公司技术现状
江钻自引进末期到现在，新技术开发走过了十几个春秋，取得了一些可喜的成绩，成功推出了浮动钻头、副齿钻头、单牙轮钻头、宽齿钻头四大系列三牙轮钻头和工程类TBM盘形滚刀、冲击器、潜孔钻头、盾构机刮刀、及多个型号的矿用三牙轮钻头等。
同时，我们还逐步建立起了我们的研发手段，在单元试验设备上我们建立了第二代180轴承试验机、第二代密封试验机、单齿圈试验机、新型复合破岩试验机、MTS材料试验机、扫描电镜和600KN钻头试验台架的二期改造等。
在软件方面，我们还引进了I-DEAS和PRO/E三维设计软件，FLUENT流体分析软件、ABAQUS有限元分析软件、与西南院合作开发的三牙轮钻头仿真软件、自行开发的单牙轮钻头轨迹仿真软件、与乌孜别克专家合作开发的牙轮钻头运动学计算软件等。
目前我们在建的试验设备还有：
便携式岩屑测试仪、复合片复合齿性能检测设备、材料研究的端面摩擦磨损试验机、数字化冲击试验机等，这些设备建成后我们基本具备了牙轮钻头、金刚石钻头结构研究的条件和手段。
目前正在推广的新技术还有：
硬地层弧顶椭凸楔齿技术、第二代浮动轴承技术、低温离子渗硫技术等。
目前在研的科研项目有：
单金属密封技术、流道防冲蚀技术、切削结构破岩效率机理研究、耐高温橡胶密封圈技术、三牙轮钻头水力结构研究、复合片复合齿新技术，以及五大工艺改进项目，两孔热前加工工艺研究、高压内冷却钻铰齿孔工艺研究、三点定位加工工艺研究、刷镀银技术、自动化焊B4工艺研究等。
此外，值得一提的是我们还有很多未得到推广的存量技术：
稀土硬质合金技术、梯度硬质合金技术、浮动密封技术、减速密封技术、镶套轴承技术、滚滑轴承技术，双流道低喷嘴座技术、卡销锁紧技术等。
2、存在的差距
在过去的十几年时间里，我们在新技术开发上应该说取得了很大的成就，但就牙轮钻头和金刚石钻头技术方面，我们与休斯和史密斯公司还存在很大的差距，尤其在金刚石钻头方面差距更大。
在牙轮钻头轴承结构方面，休斯公司有非圆带高质量刷镀银的第三代滑动轴承（G3轴承），史密斯有第二代的spinodal-2浮动式滑动轴承，我们公司也有第二代浮动式滑动轴承，另外轴承刷镀银质量最近也得到了较大提高，应该说差距不是很大。
但形势不容乐观，一方面我们第二代浮动式轴承的推广或进一步研究进展不令人满意，另一方面我们新的轴承刷镀银工艺还没有得到稳定和推广。
在密封结构方面，休斯公司有第三代单金属密封，史密斯有不断改进的双弹性复合密封（Gemini双密封），我们公司也有最初引进的金属密封，另外，我们的单金属密封技术研究已经通过了台架测试，正准备下井试验，应该说与休斯还有一代的差距，但比史密斯稍强一点或寿命相当。
在切削与保径结构方面，休斯公司有GX系列用的工程合金齿齿形技术、螺旋保径技术、金刚石复合齿技术、“EnduraII”钢齿表面敷焊技术、修边齿、牙轮壳体保护技术等，史密斯公司有复合齿技术、Magnum齿技术、Dogbone齿技术、与休斯类似的修边齿技术、与我们公司类似的副齿技术等，我们公司有副齿技术、宽齿技术、弧顶椭凸楔齿技术、修边齿技术、金刚石复合齿技术等，可以说差距在缩小，而且随着复合破岩试验机的投入使用会加快缩小结构方面的差距。
在齿材方面，由于还没有建立起一套有效的室内检测与评价手段，还无法判断我们的差距到底有多大，但在齿材方面我们与国外两大公司存在差距是可以肯定的。
在牙轮表面处理方面，休斯和史密斯都有类似的技术，都在牙轮表面喷涂或气相沉积一种碳化钨或陶瓷或其它非金属材料，对牙轮壳体起到一种保护和防泥包的作用，我们公司目前还没有这方面的技术。
在水力结构方面，休斯公司有常规水力结构、cleansweep2水力结构、cleansweep3水力结构和Xstream水力结构，瑞德公司有斜向前喷射式水力结构，我们公司有双流道低喷嘴座水力结构，但没有得到推广，还有仿瑞德公司有斜向前喷射式水力结构，差距较大。
但是随着FLUENT流体分析软件的应用及在研项目的不断深入，能够在较短的时间内缩小这种差距。
在钻头设计分析、选型和性能预测系统研究方面，休斯、史密斯都有比较完善的钻头选型系统，我公司有仿真分析系统，也有钻头选型系统，但我们这两个系统都还很不完善，存在较大差距。
金刚石钻头方面，与休斯和史密斯相比，我们没有自主知识产权的复合片技术，仍然是上世纪八十年代引进的技术，金刚石钻头结构方面也基本上没有自主知识产权的技术，应该说差距非常大。
此外，差距不仅表现在产品上，同样也表现在产品之外的多个方面：
在研发手段上还有较大差距，尽管我们基本具备了结构研究的手段，在国内独一无二，但我们极大部分的产品性能评价严重依赖于钻井现场试验，这一点严重制约了我们新技术的开发速度，这一方面与休斯有很大差距，休斯公司有一个地质条件非常好，设备非常先进的钻头测试工厂。
对科研的认识有很大差异性，休斯公司对金属密封技术的研究持续了20多年，金属密封钻头都推出了三代，现在还在不断研究改进；史密斯公司对Gemini双密封的研究也同样持续了十几年，在产品上应用也有近十年时间了，可今年仍然申报了几项有关Gemini双密封的专利，这些都体现了休斯、史密斯在技术研究上的持续性。
我们公司在技术研究思路上，走过了消化吸收、单项开发和系统研究，随着基础研究手段的不断完善，在钻头技术研究认识上正逐步与休斯、史密斯公司靠近。
公司的浮动轴承系列，是轴承技术持续研究改进的结果，是该项技术人力资源相对稳定的结果。
但是，在钻头其它系统的研究方面，我们才刚开始比较深入细致、比较系统的开展研究工作，这需要人力资源的相对稳定和研究人员持续有效的工作。
综观国外两大公司技术特点，越来越体现了研究思路和研究对象的精细化。
还有一点就是钻头结构研究的趋同性越来越强，休斯新的GX系列在切削齿形与史密斯公司切削齿形的相似性以及在水力系统与瑞德公司水力相似性，很好的说明这一点。
这需要我们更加关注技术动态，更多的参与国外市场技术服务，走出去了解钻头技术的变化，毕竟网站信息，是滞后的、不全面的。
科研机构或科研力量的分散不利于缩小我们技术上差距，这点突出表现在材料研究和金刚石钻头研究上，在金刚石钻头研究方面与牙轮钻头长期分开，在材料研究方面，自新材料事业部成立以来，研究人员的分散，对钻头专用材料研究没有形成一个统一的规划，稀土合金、硬质合金、梯度硬质合金、复合片和复合齿的深入研究没有取得突破。
导致了我们在齿材方面与国外的差距不能有效缩小。
三、我们建议的对策
1、紧盯我们的竞争对手，找出我们的差距，统一我们的认识。
我们现在做的就是这项工作，但我们仅仅是查阅国外专利申请信息、竞争对手的网站信息、公开发表的文章等信息资料以及收集及少量的国外钻头解剖分析，这还远远不够，还要多走出去，参与国内、外技术服务，去了解钻井技术的发展动态和用户需求，去了解对手，并有针对性地去收集对手钻头的详细使用资料加于综合分析，找准我们存在的差距。
2、围绕钻头“可靠、高效”的目标，我们应该在六大方向长期持续地开展研究工作，不断提高我们的技术水平。
这六大方向为：
1）牙轮钻头密封技术。
这个方向建议围绕金属密封的性能的提高来开展研究工作，包括其中橡胶件和金属件材料性能的提高；2）牙轮钻头轴承技术。
建议从三个方面开展研究，一是继续开展浮动轴承的深入研究，二是开展滚动轴承的深入研究，三是以刷镀银为基础的轴承表面强化改性研究，包括轴承结构研究和摩擦副材料研究；3）牙轮钻头和金刚石钻头切削与保径技术，要从岩石分析、室内试验、运动学计算、有限元评价、仿真分析等方面入手，建立一套系统的研究方法、实验方法、评价方法。
做到个性设计、快速反应，这也是近期各家技术竞争的焦点；4）材料技术。
包括硬质合金齿、复合齿和复合片技术，材料表面强化改性技术，如牙轮壳体表面强化改性、流道表面强化等；5）水力结构研究。
包括牙轮钻头和金刚石钻头的外形设计和水力分配；6）钻头设计分析、选型和性能预测系统研究。
3、进一步完善材料研究开发的手段。
在材料方面，尤其是合金齿材料技术、复合齿和复合片技术研究方面，我们过去几年建立起了一些研究开发的手段，如扫描电镜、MTS材料试验机、以及将要采购的端面摩擦磨损试验机、材料冲击试验机等，这些都是性能检测和评价设备，还不具备做配方研究和工艺研究的条件和手段，建议公司按照研发中心实验室规划尽快建立起材料专业实验室。
此外，还应该尽快采购硬质合金Kic指标检测的仪器设备。
4、要结合向服务型企业转型，深入到用户、深入到钻井现场去发现问题寻找课题。
六大方向只是我们研发工作的一个指南，确保我们的研发工作不要偏离我们的长期目标，但是这六大方向包含了许多的研究工作，全面铺开我们的资源不够，因此，在目前转型这个特殊时期我们只能结合市场抓重点，集中优势资源来突破，要对现场暴露的问题加于分析与分别，要区别局部暴露的问题与普遍暴露的问题，并且要善于发现普遍问题。
5、充分利用社会资源，帮助我们开展一些基础性的研究工作。
如超硬材料方面的基础研究、切削齿与不同岩石的相互作用过程及破岩机理研究，钻头性能预测的仿真系统研究与完善等。
6、要整合公司现有的人力资源，改变这种单兵作战的技术开发方式，从公司的层面来统一协调技术开发工作，尽可能清除技术开发过程中的障碍，倡导全员创新理念，人人都能为公司的技术创新工作贡献一份力量。
附件一、休斯公司三个新系列钻头技术介绍
近期，休斯公司新推出GX、GXHardrok和MXL三个系列产品，现将这个三个系列产品的技术特点分别介绍如下：
一、GX系列（优质弹性密封三牙轮钻头）
图1
1、GX切削结构
其切削结构有四个主要的创新点：
a）优化的碳化物等级
通过改善碳化物合金的物理和化学性质，使合金齿在保持韧性不下降的前提下耐磨性有很大提高（如图2所示）。
图2
b）工程合金齿齿形
其主要变化是在齿顶突出部位、碳化物等级、鼻部半径、肩部半径、冠部半径、相贯处半径和半锥角（如图3、4所示）。
图3
图4
c）多位置背锥
消除背锥与背锥相邻齿排间的空白区域（如图5所示）。
图5
d）牙轮保护器
在没有损害穿透率的情况下保护切削结构的完整性（如图6所示）。
图6
2、GX水力
是第一个提供两种偏斜和非偏斜水力配置微调的三牙轮钻头。
偏斜（常规）、非偏斜（cleansweep2和cleansweep3）和XStream分别如下图所示。
a）、标准喷嘴配置使射流直接作用在牙轮朝井壁角，水力能量集中在地层上。
b）、在cleansweep2和cleansweep3里，喷嘴的位置是使射流清洗背锥和背锥相邻齿排，水力能量集中在切削结构上。
c）、在Xstream里，喷嘴的位置使多个齿排被清洗，并且高能是在井底产生的。
图7
3、G3轴承
主要技术特征：
a）、新的非圆柱几何结构帮助消除接触面的高应力点
b）、牙轮轴承表面镀银层
c）、硬金属合金磨损垫
d）、定制润滑脂
e）、增强的弹性材料
图8
4、GX排除器组件
主要技术特征：
a）、斜掌尖轮廓
b）、掌尖敷焊
c）、刮泥齿
d）、斜遮板
图9
5、掌背保护
主要技术特征：
a）、强化的掌尖敷焊
b）、掌背镶齿
c）、补偿器保护
图10
二、GXHardrok系列（适用于硬和研磨性地层）
图12
该系列产品是为硬地层和研磨性地层设计的，主要技术特点包括：
1、更坚韧的合金齿等级
图13
2、新的切削结构
图14
3、设计柔性
图15
三、MXL系列（长寿命马达钻头）
1、SEM二代轴承包
a）、新的、更宽的金属密封面使密封能力提高20%
b）、新的耐磨表面能延迟密封面磨损
c）、新的robustbackup环能延长运行时间、改善防碎屑的能力
d）、重新设计的能量密封结构改善密封效果、确保在任何工况下最适合的密封力作用在密封面上。
图16
2、切削结构
a）、优化的碳化物等级
图17
b）、工程合金齿齿形
图18
c）、牙轮保护器
图19
3、XLX敷焊包
图20
4、MLX水力
图21
5、MLX强化
a）、BOSS稳定性
图22
b）、马达敷焊
图23
c）、金刚石保径强化特征
图24
四、三个新系列钻头的使用情况
1、GX在北德克萨斯州的使用情况
GX-20的进尺比竞争对手多29%。
图25
GX-20比最好的竞争对手进尺多13%、机械钻速快15%。
图26
2、GXHardrok在西德克萨斯州/墨西哥州的使用情况
图2783/4GX-45C型号钻头
图2883/4GX-44C型号钻头使用情况
图2977/8GX-44C型号钻头使用情况
3、MLX在墨西哥湾、墨西哥和Suez湾的使用情况
图30
88%的81/2MLX钻头在墨西哥湾使用达到600，000转密封没有失效，而仅有25%的竞争钻头可相比较。
图31
在墨西哥州，97%的171/2钻头能超过800，000转而密封没有失效，仅50-75%的竞争对手钻头能达到这个水平。
图32
在Suez海湾，MLX钻头在动转一百万转后从井内取出密封仍有效。
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