国外钻头新技术跟踪报告汇编.docx

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国外钻头新技术跟踪报告汇编

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