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四季交替、大地輪回，春種秋收，這是大自然的規(guī)律；同樣，鉆頭也在輪回，從最初的沖擊性頓鉆鉆頭，到旋轉刮切的刮刀鉆頭，再到旋轉沖擊的牙輪鉆頭，鉆頭的復雜度達到最高，然后接替的是結構較簡單的PDC鉆頭，一種進化了的刮刀鉆頭（旋轉刮切型鉆頭），按照這種發(fā)展脈絡，接替PDC鉆頭的應該是進化了的沖擊型鉆頭，一種旋轉刮切沖擊型鉆頭。鉆頭結構趨于簡單而功能趨于復雜。
 
傳統(tǒng)鉆頭
 
鉆頭的輪回是人們對鉆進效率不斷追求的結果，同時也是鉆頭鉆鑿對象及環(huán)境變化的結果。早期人們在開采淺的低壓油、氣井時采用頓鉆的鉆井方式（圖1），鉆頭是結構簡單的鋼制沖擊型鉆頭（圖2），用鋼絲繩把頓鉆鉆頭送到井底，由動力機驅動游梁機構，使游梁一端帶動鋼絲繩和鉆頭產(chǎn)生上下沖擊作用，破碎巖石。公元前八世紀我國在冶鐵業(yè)的發(fā)展中形成了頓鉆鉆井技術，19世紀中葉西方國家用蒸汽機做動力，對頓鉆鉆井技術進行了改進，并用于油氣鉆探中。
 
頓鉆鉆井適用于較軟的地表鉆探，機械鉆速慢，不能滿足加深鉆井的需求，于是，20世紀初，人們將1863年法國土木工程師RudolfLeschot發(fā)明的旋轉鉆井技術應用于油氣鉆探。旋轉鉆井是用鋼制鉆柱將鉆頭送入井底，在地面驅動鉆柱旋轉，同時控制鉆頭上的重力（WeightonBit,WOB）使鉆頭鉆入地層并破碎巖石。目前，這種鉆井方式仍然在用，并從轉盤旋轉（圖3）升級到頂驅旋轉（圖4）。刮刀鉆頭是旋轉鉆井使用最早的一種鉆頭，從二十世紀初開始采用旋轉鉆井進行油氣鉆探時就開始使用這種鉆頭。鉆頭體用中碳鋼材料制成，下端焊接刮刀片和分水帽，上端車有螺紋與鉆柱連接。
 
牙輪鉆頭
 
刮刀鉆頭是一種切削型鉆頭（圖5），其切削巖石的過程類似于刀具切削軟金屬，刀片在鉆壓的作用下吃入地層，與此同時刀刃前面的巖石在旋轉扭矩的作用下不斷產(chǎn)生塑性流動，井底巖石被層層剝起。刮刀鉆頭結構簡單，制造方便，成本低廉，用于鉆進可鉆性4級的泥巖和頁巖等軟地層，但在硬研磨性地層鉆進，刀片難以吃入，鉆頭磨損快，機械鉆速低，有時還出現(xiàn)憋跳現(xiàn)象，對鉆具和設備壽命有一定的影響。隨著石油開采深度的進一步加深，地層硬度增大，地面設備無法為刮刀鉆頭提供足夠的破巖扭矩，于是扭矩小、破巖效率高的滾動式旋轉沖擊破巖的牙輪鉆頭（圖6）問世，在很長一段時間內(nèi)成為石油鉆探的主要破巖工具。
 
1905年出現(xiàn)第一只牙輪鉆頭，隨后的100年里牙輪鉆頭技術不斷進步，從兩牙輪鉆頭到三牙輪鉆頭，從滾動非密封銑齒牙輪鉆頭到滑動密封鑲齒牙輪鉆頭，使得牙輪鉆頭能夠使用于幾乎所有地層的鉆進。常用的三牙輪鉆頭主要由鉆頭體和牙輪組成，其中鉆頭體由三片牙掌組焊而成，牙掌下端凸出的軸頸上安裝牙輪，牙輪外錐車成不同錐角的錐臺，形成齒圈和齒槽，齒圈或銑成齒狀（銑齒鉆頭）或鉆孔鑲入硬質合金齒（鑲齒鉆頭）。牙輪鉆頭工作時，牙輪一方面隨鉆頭體旋轉（公轉），另一方面繞軸頸旋轉（自轉）。鉆頭牙齒在鉆壓作用下吃入巖石，同時對巖石產(chǎn)生旋轉沖擊或滑移剪切作用，使巖石破碎形成巖屑。由于牙輪鉆頭的滑移剪切作用較弱，因此，主要屬于一種旋轉沖擊型鉆頭。盡管牙輪鉆頭的使用具有廣譜性，但存在使用壽命短、鉆頭進尺少的缺點，尤其是存在牙輪脫落的風險，使得人們不斷尋找新技術來替代它。
 
PDC鉆頭
 
1971年，美國通用電氣公司發(fā)明了PDC鉆頭即聚晶金剛石復合片鉆頭，首次應用于1973年，但由于金剛石復合片性能差，設計技術不成熟，在早期約15年時間內(nèi)PDC鉆頭發(fā)展緩慢，到1988年其在世界油氣鉆井市場總進尺所占比例僅為5%。PDC鉆頭本質上屬于旋轉刮切式鉆頭，以切削方式破碎巖石。上世紀90年代，定向井、水平井技術發(fā)展起來，改變了之前以垂直井為主要井型的模式，單井長度顯著增加，而且深井也逐漸增多，壽命較低的牙輪鉆頭越來越不適應了，而隨著技術的進步，高耐磨人造金剛石加持的PDC鉆頭結合彎殼體螺桿鉆具（圖7）的使用效果凸顯出來，其機械鉆速、單趟進尺都遠遠高于牙輪鉆頭，而且沒有牙輪鉆頭掉牙輪的風險，于是很快就完成了對牙輪鉆頭的替代。從以上油氣鉆探鉆頭的迭代過程來看，沖擊和剪切是破碎巖石最有效的方式。單一的沖擊型鉆頭，包括完全沖擊型的頓鉆鉆頭和以沖擊為主的牙輪鉆頭，單一的剪切型鉆頭，包括合金刮刀鉆頭和PDC鉆頭，在其規(guī)模應用階段都取得了不錯的使用效果，但需求總是不斷在提高，技術也不斷在進步，近年，沖擊和剪切復合型鉆頭或鉆頭工具組合便陸續(xù)推出。
 
貝克休斯公司2011年推出的牙輪和PDC混合鉆頭（圖8）就是一種沖擊和剪切復合型鉆頭，其將牙輪的旋轉沖擊作用與金剛石復合片的剪切作用結合起來，在軟硬交錯、夾層等不均質地層使用，取得了非常好的效果。而近年國內(nèi)推出了復合沖擊器（圖9），在鉆進過程中給鉆頭施加一定頻率的軸向沖擊和扭轉沖擊，結合高抗沖PDC鉆頭，在硬研磨性地層也取得一定成效。
 
目前，中國頁巖油氣、致密油氣開采方興未艾，深井、超深井，井深直指萬米，鉆頭面對的是“開次一趟鉆”的進尺目標、不斷提高機械鉆速的需求以及高溫、高壓和特性差異較大的多套地層的鉆井環(huán)境，螺桿鉆具+PDC鉆頭組合由于其耐溫性受限，旋轉切削難以高效破碎極硬地層、硬研磨性地層和沖擊性地層等因素已無法勝任，人工智能加持的電動鉆具+剪切沖擊復合型鉆頭將是油氣鉆探鉆頭鉆具組合的發(fā)展趨勢。通過混合鉆頭和復合沖擊器的應用，已證明剪切沖擊復合型鉆頭較單一的沖擊型或剪切型鉆頭機械鉆速高，但混合鉆頭仍存在牙輪壽命低的問題，復合沖擊器的可控性也非常不足，高抗沖、抗磨的PDC鉆頭還需要進一步提升性能。最近，人工智能技術爆發(fā)式發(fā)展，給油氣鉆探技術的迭代提供了新的途徑，通過電動鉆具提升井底鉆頭鉆具組合的可控性，人工智能模型+鉆頭前側及周邊巖石特性超前探測提升鉆進的智能性，由此必將使油氣鉆探技術得到跨越式發(fā)展。