随着全球能源需求一直增长，油气勘探开发日益深入，对钻头的性能要求也慢慢变得高。从传统的牙轮钻头到先进的金刚石钻头，再到结合了新材料、新工艺的复合钻头，每一次技术的革新都意味着钻井效率的提升、成本的降低及作业安全性的增强。本版聚焦国内外油气钻头技术的最新突破，展示相关企业在钻头制造方面的具体实践，希望为未来能源探索之路提供有益的参考和启示。
1611米、1839米、2202米、2334米……在塔里木油田，单井单日进尺正不断被刷新。这背后，离不开小钻头的大功劳。
在油气装备领域，小小的钻头有着举足轻重的地位。石化机械全资子企业江钻公司聚焦油气勘探开发主战场，深耕细作钻头领域，形成了牙轮钻头、金刚石钻头和混合钻头三类特色产品，技术整体处于国内领先、国际领先水平，并持续提升钻井提速关键工具与装备一体化解决能力，为保障国家能源安全贡献力量。
牙轮钻头作为江钻公司的主打产品之一，在特殊井、难钻地层、超高温工况等方面占据绝对领头羊，形成了15项核心技术，包括金属密封、梯度硬质合金齿、耐超高温橡胶、耐260摄氏度抗极压润滑脂等。这些技术全面适配高钻压和高转速工况，构建了全球齐全和可靠的轴承技术和密封技术，有着先进的齿形齿材专利技术，可满足从极软到极硬的各类地层钻井需求。早在2017年，凭借在牙轮钻头领域的显著优势，石化机械被工业与信息化部、中国工业经济联合会确定为第一批制造业单项冠军企业。
自生产线建立以来，江钻公司已累计销售应用超过百万只牙轮钻头。其中，超高速马达系列钻头在大庆流纹岩地层进尺超85米，与进口钻头表现相当；大尺寸混合钻头在库车山前带巨厚砾石层常规使用的寿命超过120小时；桥塞钻头累计钻除桥塞超百万支，创造了单只钻头钻塞262支的世界纪录，成为北美页岩气钻铣桥塞作业的标准配置。
在金刚石钻头方面，江钻公司同样表现出色。在胎体金刚石钻头、钢体金刚石钻头等系列的基础上，该公司创新研制尖脊齿、双倒角等专利异形齿，集成多级破岩技术和高导向技术，推出“先锋”“尖锋”两大异形齿系列新产品。这一些产品对塑性地层、夹层和硬地层拥有非常良好的适应性，破岩效率及钻头寿命大幅度的提高，一趟钻作业能力显著增强。
江钻公司的金刚石钻头生产线配备了德玛吉加工中心、智能烧结炉、自动化组焊机器人等设备20余台，生产能力达到8000只/年。“先锋”系列钻头集成斧形齿、三棱齿等高性能异形齿和超深脱钴、多级切削技术，在复杂难钻地层展现出较好的适应性；“尖锋”系列钻头集成快速钻头设计理念及相关专利技术，采用自主知识产权的尖脊齿，切削过程中能量集中程度更高，提高了钻头在由软至中硬地层，尤其是塑性地层的钻进效率。近5年，江钻公司的金刚石钻头累计服务川渝、新疆及海洋等重点工区8000余口井，并在涪陵、川南、塔里木等勘探开发重点区块创下国内各项技术指标616项，形成了工区国产化和标准化的作业方案。
混合钻头也是江钻公司的一大亮点，被誉为我国油气钻井行业的“功勋产品”，在国内外已累计完成超过9000趟次钻井作业。四大功能型“龙”系列混合钻头，可实现由软至硬地层全覆盖，适应性良好，大范围的使用在软硬交错地层、定向应用、黏滑问题等工况，具有定向工具面稳、造斜率高、穿夹层能力强、常规使用的寿命长等特点，深受市场青睐。
针对复杂难钻地层提速需求，江钻公司首创混合破岩理论，采用“滚动牙轮+固定刀翼”高效破岩结构，兼具金刚石钻头的强攻击性和牙轮钻头的平稳、低扭矩特性，具备长寿命和高机械钻速的卓越性能，同时攻克了防出芯防环磨、高承载镶套轴承、耐超高温密封橡胶、钴相强化硬质合金齿、耐超高温抗极压润滑脂等核心技术，获得国内外授权专利33件，为油气勘探开发提供了有力支撑。
页岩地层具有非均质性及各向异性特点，在钻井过程中，易发生卡钻、埋钻具等工程事故，且定向过程中钻柱托压严重，钻井轨迹控制难度大。近10年，石化机械江钻公司开发了防卡金刚石钻头、超大扭矩螺杆钻具、减摩降阻配套工具、旋转导向钻井配套工具等一系列创新产品，在各示范区钻井公司共同开展8轮钻井提速工作，形成了针对页岩油气不同工况的标志性产品解决方案。其中，在樊页102井一趟钻进尺504米、机械钻速13.09米/小时，刷新胜利页岩油井二开定向段混合钻头机械钻速最优指标，并连续刷新国内页岩油气最短钻井周期纪录。
塔里木盆地油气埋藏深，面临超深、高陡、火成岩白云岩地层难钻、超高温等一系列工程难题，对钻头钻具提出了很高要求。
2017年至今，石化机械江钻公司累计参与190余口8000米以深井钻头钻具服务，刷新各类钻井提速指标521项，助力顺北油气田平均钻井周期缩短14%以上；自主研制的9 1/2英寸四刀翼“游隼”KSF快速钻进“先锋”金刚石钻头，匹配自产197大扭矩等应力螺杆，在塔里木热普901H井高效完成二开钻进，单趟进尺5818米、纯钻304.5小时、平均机械钻速19.1米/小时，刷新国内超深井单趟钻最长进尺纪录，树立了“深地工程”钻井提速典范。
近日，从西北油田传来振奋人心的消息：在TKK3-2-5X井311.2毫米井眼施工中，中原石油工程生产的PDC（聚晶金刚石复合片）钻头以112米/小时的平均机械钻速荣登榜首，展示了强大的钻井能力；在241.3~215.9毫米井眼施工中，其同样表现出色，以25.51%的市场使用率和32.4米/小时的平均机械钻速稳居第一。
成绩背后，是中原石油工程对钻头质量的严格把控和持续创新。作为研发生产PDC钻头的主力军，中原石油工程管具公司紧抓机遇，不断强化服务意识、完善服务方式、提升服务质量，加大PDC钻头产品研发和内销推广力度，实现了产品从研发端到使用端的高效运行和快速反应。
在技术研发方面，管具公司投入大量资源，成立钻头建模与数字化实验室，对钻井数据来进行深入分析总结，建立了PDC钻头选型和应用模型，为产品的精准研发提供了有力支撑。目前，该公司已形成了适用国内各区域的系列钻头产品，包括新型屋脊齿、奔驰齿等3D复合片系列钻头，共有4个系列71种型号，可满足多种区域、不同井况的钻井需求。
在质量管控方面，该公司成立了完善的产品质量管理团队，严抓控制节点、强化过程检验，全方面实施出厂验收制度，确保PDC钻头出厂合格率达到100%。
在服务效能提升方面，该企业成立了提速提效联合攻关组，选派经验比较丰富的技术服务人员深入现场，跟踪使用情况，收集存在问题，有明确的目的性地改进产品设计思路和方案，持续优化生产的基本工艺，努力做到“质量与效率并重，管理与服务同行”。
如今，中原石油工程生产的PDC钻头在新疆市场的应用效果日益显著。多家钻井公司使用该钻头刷新了单只钻头进尺最长、平均机械钻速最高等多项指标，证明了中原石油工程PDC钻头的高性能和可靠性，为进一步拓展市场奠定了坚实基础。
●针对中原区域馆陶组地层含砾石多的特点，中原石油工程配合高泵压、大排量钻井参数，优选钻头复合片，采用5D异形（燕尾形）切削齿取代常规平齿PDC钻头，改善切削方式和岩屑的运移状况，降低先期损坏和崩齿发生率，提高抗冲击能力和钻进效率，成功研制出抗冲击PDC钻头。在中原区域何303斜井二开311.2毫米井眼施工中，使用抗冲击5D异形（燕尾形）切削齿钻头，进尺2627米、纯钻44小时、平均机械钻速59.7米/小时，创该区域二开井段周期最短、进尺最多、平均机械钻速最高等3项纪录，实现二开井段一趟钻目标。
●针对新疆塔河地区上部地层可钻性好、胶结性差、渗透性强、弱膨胀、强分散的特点，中原石油工程自主研发直径241.3毫米脉冲高喷射钻头，配合高泵压、大排量、高钻速、大钻压等钻井参数，在TH10451X井创塔河区块单日进尺1609米的最高纪录；在TP1117X井实现单只钻头进尺5230.58米、纯钻168小时、平均机械钻速31.13米/小时，刷新托甫台区块单只钻头进尺最多、平均机械钻速最高等多项指标。
随着材料性能慢慢的提升、异形切削齿破岩机理突破和个性化钻头设计方法改进，PDC钻头无论在软地层、硬地层，还是直井、水平井，应用场景范围更广、寿命更加长、机械钻速更高，使用数量占绝对主力。
近年来，国外以斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯为代表的石油综合服务企业在异形齿PDC钻头研究领域取得了诸多进展。斯伦贝谢的Axe斧形齿系列、贝克休斯的Optimus尖圆齿系列、国民油井的ION™切削齿系列和哈里伯顿的Geometrix™异形齿系列，在北美、非洲和中东等地区的坚硬砂岩、灰岩和泥页岩地层中应用效果较好，钻头进尺和机械钻速均比常规圆形平面齿PDC钻头大幅提高。
国内各大钻头公司和复合片公司也相继研发了多种类型的异形切削齿PDC钻头。有代表性的有石化机械江钻公司的“先锋”系列、胜利石油工程的“胜利天工”系列异形齿金刚石钻头，以及其他国内钻头公司的异形齿PDC钻头，在西南地区须家河组、茅口组，新疆油田二叠系玄武岩地层、胜利油田馆陶组、太古界片麻岩，东北地区营城组、火石岭组等难钻地层均取得了较大突破性进展。其中，在川深1井二开444.5毫米大尺寸井眼、自流井组-小塘子组2909~4166米使用国产钻头，先后4次打破进口钻头指标纪录；深地塔科1井使用国产PDC钻头钻进至1万米，创造了国产钻头在国内最深使用纪录。总体而言，在同区块比较，国产PDC钻头与国外同种类型的产品使用效果基本持平，因此，国内市场基本以国产PDC钻头为主，国外钻头数量占比较少。
同时也要看到，即使国产PDC钻头在跟跑国外技术上取得了长足进步，但国外公司研发基础雄厚，在异形齿破岩机理的理论和实验研究方面始终走在前列，依靠个性化钻头不断细分市场。贝克休斯的Kymera混合钻头将牙轮与PDC结合，能在软硬交错地层、非均质地层的钻进中保持稳定，为定向作业提供更高的造斜率和精确导向性；斯伦贝谢的旋导PDC钻头，可大幅度提高钻头定向效率；哈里伯顿、贝克休斯、国民油井等公司研发的参数采集钻头，为钻头优选、钻头优化设计和工程参数优化等提供了可靠数据支撑。
目前，针对国外PDC钻头的发展的新趋势和钻井需求，国内各大钻头公司也对标研发了很多类型的个性化钻头，包括胜利石油工程的PDC-滚轮混合钻头、参数采集PDC钻头、切深自调节PDC钻头、微芯PDC钻头和孕镶金刚石钻头，以及江钻公司的PDC-牙轮混合钻头等。在跃进3-3XC井，江钻小尺寸混合钻头钻至8438米，创造了世界纪录；胜利石油工程孕镶金刚石钻头作为新疆哈山区块火成岩地层提速首选工具，创下多个区块进尺最多纪录。
未来，要继续加强PDC切削齿材料研究、PDC异形齿破岩机理基础研究和PDC钻头创新设计理念研究，努力实现由跟跑向领跑转变，切实把能源的饭碗牢牢端在自己手中。
面对不一样的地区的油气资源特性，如何精准选择正真适合的钻头类型及参数，以确保钻井作业安全高效？
胡群爱：钻头的选择与使用直接影响钻井速度、井身质量及施工安全。面对不同的地质条件，利用工程板块一体化优势，可开源使用钻井工程数据库、地质综合数据库和测井数据库，充分掌握井位及井身结构数据、岩性及测井数据、钻头特征及使用数据、动力钻具及提速工具数据等参数，对地层岩石可钻性做综合分析评价，为钻头优选提供数据支撑。同时，通过大数据分析技术指导钻头的选型、设计和使用，并合理配比钻井参数，使钻头的选用从依赖经验转向依据科学的结构特征分析和大数据优选，建立PDC钻头数字化选型技术体系及配套钻井参数，有效缩短钻井周期，确保钻井作业安全高效。
涂关富：在极端或复杂地质环境中，钻井作业面临诸多挑战，如夹层多、掉块多、地层研磨性强、可钻性差，钻头失效严重、单趟行程进尺少、机械钻速低等问题，选择正真适合的钻头类型和参数设计特别的重要。要提前分析所钻地层的岩石力学特性，包括岩石的抗住压力的强度、研磨性、塑性、均质性等，同时结合钻井施工工艺参数和同区块同层位钻头的失效特征，综合考量，优化钻头选型与参数设计。
针对硬地层与砾石层，推荐采用锥球齿、三棱齿、斧形齿等异形齿金刚石钻头，能明显提升在硬夹层钻进中的抗冲击能力。在须家河组等强研磨性地层，则应选择高耐磨、高热稳定性的复合片，配合小规格及高密度布齿结构，搭配低速钻进工具，以增强钻头稳定性与耐磨性，延长常规使用的寿命。对于掉块多、可钻性差的地层，推荐使用“先锋”系列防卡金刚石钻头，能大大降低卡钻风险，提高切削效率。在三维定向钻井施工中，高承载定向混合钻头成为优选，不仅能满足强化、激进参数钻井工艺的需求，而且能明显提升钻井效率，确保高效安全作业。
钻井工艺的进步是否会影响油气钻头的选择与应用？新的钻井技术是否对钻头性能提出了更高的要求？
涂关富：钻井工艺的持续进步推动钻头技术不停地改进革新发展。不同钻井工艺对钻头性能的需求各异，例如直井钻进强调钻头的稳定性与攻击性，定向钻进则更看重钻头的导向性、稳定性及造斜率。此外，钻井工具与钻头的匹配也至关重要，如旋导工具需要与旋导金刚石钻头相配、扭冲工具则需匹配强化攻击性的钻头。应对不同地层特点，需要考虑钻井工艺、钻头钻具组合的应用效果，以最大化提升钻进效率。
高压喷射钻井、激进参数科学钻井等新型钻井技术的出现，也对钻头性能提出了更为严苛的要求。如在高压喷射钻井中，需平衡钻头的水力破岩能力与防冲蚀性能，以提升机械钻速、延长钻头常规使用的寿命；在激进参数科学钻井中，要最大限度地考虑高钻压、高转速、高泵压、大排量等参数对钻头切削地层时反作用力的影响，优化切削结构、水力结构、保径结构、稳定结构等设计，并提升切削齿的抗冲击能力、耐磨能力及热稳定能力，在机械钻速与常规使用的寿命间找到最佳平衡点。
胡群爱：随着钻井工艺进步，为满足特殊工艺井、特殊区域、特殊层位的要求，充分的发挥PDC钻头的最大效能，中原石油工程金刚石钻头厂针对不一样区块、不同井型、不同地层、不同井段实施“一井一策、一段一策”的个性化钻头设计与应用方案，能有效提升机械钻速、延长钻头寿命、降低钻井成本。我们推出了诸多个性化定制的新型钻头，并形成了产品系列，如能提高水力能量利用率的脉冲高喷射钻头，用于定向井造斜的定向钻头，用于水平段施工的防卡钻头，适用于砾石层、夹层中的Stinger切削齿和抗磨损抗冲击的5D异形切削齿系列钻头，适用于通井、扫塞、套管内钻附件的锥形钻头，适用于旋转导向钻井的高速PDC钻头等，为实现石油工程“四提一降”施工目标提供了高性能超高的性价比的提速工具，加快推进自研提速新利器、新工艺、新理念成果转化为低成本、高水平发展的新动能。