王 濱，李 軍，鄒德永，楊宏偉，王 凱

(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；3.中原油田第四高級(jí)中學(xué)，河南 濮陽 457001)

0 引 言

PDC鉆頭在軟—中硬地層中以剪切破巖為主，破巖效率高，使用壽命長(zhǎng)，但在花崗巖、石英巖及硅質(zhì)白云巖等強(qiáng)研磨性硬地層中使用效果并不理想[1-7]，通常只在鉆進(jìn)初期具有高機(jī)械鉆速，但鉆速下降快，壽命短。因此，為改善PDC鉆頭性能，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[8-20]。分析其研究成果發(fā)現(xiàn)，增布異型輔助切削齒，并進(jìn)行布齒參數(shù)優(yōu)選是提升PDC鉆頭性能的一個(gè)重要手段。在借鑒前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適合強(qiáng)研磨性硬巖的PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭，并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以期為復(fù)雜地層中特種PDC鉆頭設(shè)計(jì)提供建議。

1 PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭設(shè)計(jì)思路

合成的金剛石孕鑲塊(以下簡(jiǎn)稱孕鑲塊)為圓柱體，通過熱壓燒結(jié)而成，胎體骨架主要由碳化鎢(WC)粉末、人造金剛石粉及鈷銅等膠結(jié)劑組成，包裹有大小混配的天然金剛石顆粒，粒度約為0.8～1.5 mm(圖1)。其主要具有以下特點(diǎn)：耐磨抗沖擊性能較好；在研磨性地層中由于金剛石顆粒出露體積小，能在滿足一定破巖效率的前提下延長(zhǎng)使用壽命。

圖1 金剛石孕鑲塊設(shè)計(jì)示意圖

將孕鑲塊作為輔助切削齒同軌布置在PDC齒后排進(jìn)行聯(lián)合破巖，即在鉆頭工作初期，以完好鋒銳的PDC齒接觸地層巖石，充分發(fā)揮其剪切破巖效率高的優(yōu)勢(shì)，而低于前排PDC齒布置的后排孕鑲塊此時(shí)并不參與破巖，主要起到控制吃入深度和分擔(dān)軸向沖擊力的作用，以避免前排完好PDC齒避免因瞬時(shí)吃入深度過大而受沖擊損壞，同時(shí)提高鉆頭穩(wěn)定性(圖2a)；當(dāng)前排PDC齒磨損到一定程度，難以有效吃入巖石時(shí)，孕鑲塊開始接觸巖石并承擔(dān)主要破巖任務(wù)，通過其包裹的金剛石顆粒配合PDC齒聯(lián)合破巖，以提高整體破巖效率和使用壽命，從而解決高研磨性硬地層中常規(guī)PDC鉆頭鉆速慢、壽命短等問題(圖2b)。

為達(dá)到提高鉆頭鉆速和延長(zhǎng)使用壽命的雙重目的，孕鑲塊參與破巖的時(shí)機(jī)十分重要，即應(yīng)合理選取后排孕鑲塊和前排PDC齒的布齒高度差(簡(jiǎn)稱布齒高差，圖2)，為確定該關(guān)鍵布齒參數(shù)，需對(duì)PDC-孕鑲塊混合鉆頭破巖規(guī)律開展進(jìn)一步研究。

圖2 PDC-孕鑲塊混合布齒破巖示意圖

2 PDC-孕鑲塊混合鉆頭破巖規(guī)律研究

2.1 實(shí)驗(yàn)鉆頭設(shè)計(jì)

為確定PDC-孕鑲塊最優(yōu)布齒高差，設(shè)計(jì)A、B、C、D 4種鉆頭進(jìn)行室內(nèi)鉆孔實(shí)驗(yàn)，對(duì)PDC-孕鑲塊混合鉆頭破巖規(guī)律進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)中所用PDC齒和孕鑲塊的型號(hào)均為1610，側(cè)轉(zhuǎn)角均約為0°，PDC齒后傾切削角為10°，孕鑲塊切削角為0°，孕鑲塊預(yù)先進(jìn)行了表面酸化處理以減少“打滑”情況發(fā)生，鉆壓設(shè)定為4～15 kN，轉(zhuǎn)速為50 r/min，循環(huán)液為清水，排量為2 L/s，所鉆巖石為桂林紅花崗巖，可鉆性極值約為7.0～8.5。4種鉆頭具體布齒方式如下：①A鉆頭。純PDC鉆頭，前后排PDC切削齒同軌布置，布齒高差為0.0 mm，PDC切削齒的磨損高度變化范圍為0.0～2.5 mm。②B鉆頭。純?cè)需倝K鉆頭，前后排孕鑲塊同軌布置，布齒高差為0.0 mm。③C鉆頭。純PDC鉆頭，前后排PDC切削齒同軌布置，布齒高差變化范圍為0.5～2.0 mm，變化步長(zhǎng)為0.5 mm。④D鉆頭。PDC-孕鑲塊混合鉆頭，孕鑲塊同軌布置在PDC齒后排，布齒高差變化范圍為0.0～2.5 mm，變化步長(zhǎng)為0.5 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 PDC齒磨損高度及鉆壓對(duì)PDC鉆頭鉆速的影響

使用A鉆頭研究PDC齒磨損高度及鉆壓對(duì)PDC鉆頭鉆速的影響(圖3)。

圖3PDC鉆頭鉆速隨PDC齒磨損高度及鉆壓變化曲線

由圖3可知：花崗巖中PDC鉆頭鉆速隨PDC齒磨損高度增加呈現(xiàn)先慢后快再慢的下降趨勢(shì)，尤其在鉆壓不小于10 kN時(shí)更為明顯，說明當(dāng)磨損高度小于0.5 mm時(shí)，PDC齒具有良好自銳性，主要通過剪切方式進(jìn)行破巖，破巖效率高，鉆速維持在高值；當(dāng)磨損高度為0.5～1.0 mm時(shí)，由于PDC齒磨損端面積不斷增大，逐漸不能有效吃入巖石，破巖方式由剪切破巖向磨削破巖方式轉(zhuǎn)變，破巖效率隨之快速降低；而當(dāng)磨損高度大于1.0 mm后，PDC齒主要以磨削破巖方式為主，鉆速維持在低值，此時(shí)，通過增大鉆壓也不能有效提升鉆頭的破巖效率。

2.2.2 鉆壓對(duì)純?cè)需倝K鉆頭鉆速的影響

使用B鉆頭研究鉆壓對(duì)純?cè)需倝K鉆頭鉆速的影響(圖4)。由圖4可知：鉆壓小于12 kN時(shí)，隨著鉆壓增大，孕鑲塊鉆頭鉆速平緩上升；當(dāng)鉆壓大于12 kN時(shí)，鉆速穩(wěn)定在1.5 m/h。說明隨著鉆壓增大，孕鑲塊中金剛石顆粒慢慢達(dá)到理想的出露狀態(tài)，并始終保持其初始性能進(jìn)行穩(wěn)定破巖，且破巖效率高于磨損的PDC鉆頭。因此，若將其作為輔助齒布置在主PDC齒后排，可以進(jìn)一步提高磨損后PDC鉆頭的破巖效率，但理想的“參與時(shí)機(jī)”還需通過選取合理的布齒高差來實(shí)現(xiàn)。下面通過C、D鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)優(yōu)選布齒高差，為減少影響因素，C、D鉆頭鉆壓統(tǒng)一取為15 kN。

圖4孕鑲塊鉆頭鉆速隨鉆壓變化曲線

2.2.3 布齒高差對(duì)PDC鉆頭鉆速的影響

使用C鉆頭研究布齒高差對(duì)雙排PDC鉆頭鉆速的影響(圖5)。由圖5可知：PDC鉆頭后排采用PDC齒加強(qiáng)時(shí)，無論二者布齒高差取何值，隨著PDC齒磨損高度的增大，鉆速曲線始終呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這主要是由于當(dāng)PDC主齒發(fā)生磨損以后，即使引入完好的PDC輔助齒，也會(huì)由于磨損PDC齒的存在而不能有效吃入地層，發(fā)揮其剪切破巖效率高的優(yōu)勢(shì)，反而會(huì)因?yàn)椴箭X密度的增大，降低鉆頭的攻擊性和破巖效率。

圖5布齒高差對(duì)雙排PDC齒鉆頭鉆速影響規(guī)律

2.2.4 布齒高差對(duì)PDC-孕鑲塊混合鉆頭鉆速的影響

使用D鉆頭研究布齒高差對(duì)PDC-孕鑲塊混合鉆頭鉆速的影響(圖6)。由圖6可知：鉆頭后排采用孕鑲塊加強(qiáng)時(shí)，隨著前排PDC齒磨損高度的增加，混合鉆頭鉆速呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但對(duì)比圖5可知，當(dāng)前排PDC齒磨損高度大于1.0 mm后，混合鉆頭鉆速均大于相同磨損高度下的PDC鉆頭，說明后排孕鑲塊的引入可在PDC齒發(fā)生較大磨損(磨損高度大于1.0 mm)后提升鉆頭的破巖效率和穩(wěn)定性，因此，可將1.0～1.5 mm作為PDC-孕鑲塊最優(yōu)布齒高差。

使用4種鉆頭在石英砂巖中(可鉆性極值為6.9～7.4)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，PDC-孕鑲塊最優(yōu)布齒高差與花崗巖相比有所減小，約為0.5～1.0 mm。

圖6布齒高差對(duì)PDC-孕鑲塊混合鉆頭鉆速影響規(guī)律

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

金古1-1HF井是松遼盆地金山區(qū)塊一口預(yù)探井，鉆探目的層為基底潛山，主要巖性為雜色灰白色花崗巖，夾有少量灰色含礫細(xì)砂巖，可鉆性級(jí)值為6.0～8.0，單軸抗壓強(qiáng)度約為185.34 MPa；晉古17井為華北油田冀中雷家莊斷層區(qū)塊一口預(yù)探井，目的層為太古界變質(zhì)巖潛山地層，主要巖性為石英巖，局部有混合巖、片巖和大理巖等，可鉆性級(jí)值為6.9左右，單軸抗壓強(qiáng)度約為177.48 MPa；2個(gè)區(qū)塊儲(chǔ)層巖石均有硬度大、研磨性強(qiáng)的特點(diǎn)，PDC鉆頭及牙輪鉆頭均存在鉆速慢、壽命短等問題。為提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，各設(shè)計(jì)1只PDC-孕鑲塊混合鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.1 PDC-孕鑲塊混合鉆頭設(shè)計(jì)

針對(duì)2個(gè)區(qū)塊儲(chǔ)層巖石特點(diǎn)，對(duì)PDC-孕鑲塊混合鉆頭進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化：①遵循金剛石體積最大化原則，在冠頂PDC主齒后排布置金剛石孕鑲塊，提升鉆頭整體抗沖擊性和耐磨性。②根據(jù)目的層井深和巖性，對(duì)鉆頭刀翼數(shù)目及PDC-孕鑲塊出露高差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。金山區(qū)塊目的層為花崗巖，井深較深，鉆頭采用六刀翼高密度布齒，PDC-孕鑲塊布齒高差為1.0 mm，以提升鉆頭鉆速，同時(shí)最大限度延長(zhǎng)使用壽命；雷家莊斷層區(qū)塊目的層為強(qiáng)研磨性石英巖，井深較淺，鉆頭采用五刀翼中等密度布齒，布齒高差為0.0 mm，以保護(hù)PDC主齒，提高鉆頭破巖效率。③鉆頭內(nèi)錐較淺[12]，冠頂部位平緩，保證鉆頭冠頂部位切削齒受力均勻，避免個(gè)別齒因受力較大而發(fā)生先期損壞，有利于提高鉆頭壽命。④鉆頭外錐較長(zhǎng)，以增大外錐布齒空間和布齒數(shù)量，有利于實(shí)現(xiàn)鉆頭的均勻磨損。⑤為避免切削齒因摩擦溫度過高而出現(xiàn)加速磨損，同時(shí)及時(shí)清除巖屑以防止重復(fù)破碎和泥包，混合鉆頭采用了加強(qiáng)水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；為減輕鉆頭因磨損嚴(yán)重造成直徑縮小誘發(fā)渦動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，采用了“主動(dòng)保徑齒+低摩擦保徑塊”的加強(qiáng)型保徑設(shè)計(jì)。

3.2 混合鉆頭使用及效果分析

金山區(qū)塊金古1-1HF井于三開鉆進(jìn)時(shí)下入1只Φ155.6 mm的PDC-孕鑲塊混合鉆頭，入井深度為2 667.0 m，鉆至井深2 894.0 m，根據(jù)地質(zhì)錄井鉆穿基底花崗巖地層，進(jìn)入營城組泥巖地層，繼續(xù)鉆進(jìn)至井深2 930.0 m完鉆。雷家莊斷層區(qū)塊晉古17井于三開下入1只Φ152.4 mm的 PDC-孕鑲塊混合鉆頭，入井深度為1 475.8 m，鉆至1 510.2 m，由于鉆速下降起鉆。2只PDC-孕鑲塊混合鉆頭與同地層PDC及牙輪鉆頭使用效果對(duì)比情況見表1、2。

表1、2及現(xiàn)場(chǎng)資料表明：金古1-1HF井基底花崗巖地層中PDC鉆頭平均鉆速為1.89 m/h，平均單只鉆頭進(jìn)尺為112.2 m，牙輪鉆頭平均鉆速為1.55 m/h，平均單只鉆頭進(jìn)尺為78.1 m，PDC-孕鑲塊混合鉆頭與PDC鉆頭相比，鉆速提高了197.9%，進(jìn)尺提高234.8%，與牙輪鉆頭相比，鉆速提高184.1%，進(jìn)尺提高236.79%；晉古17井石英巖地層中PDC鉆頭平均鉆速為0.93 m/h，平均單只鉆頭進(jìn)尺為25.1 m，牙輪鉆頭平均鉆速為0.89 m/h，平均單只鉆頭進(jìn)尺為19.6 m，PDC-孕鑲塊混合鉆頭與PDC鉆頭相比，鉆速提高37.6%，進(jìn)尺提高42.2%，與牙輪鉆頭相比，鉆速提高43.8%，進(jìn)尺提高82.5%。

2只PDC-孕鑲塊混合鉆頭起鉆后，只有冠頂和外錐部位的個(gè)別齒磨損較為嚴(yán)重，內(nèi)錐及其他部位的齒只有輕微磨損，鉆頭整體新度均超過70%，仍具有繼續(xù)鉆進(jìn)的能力。

表1 金古1-1HF井花崗巖地層PDC-孕鑲塊混合鉆頭使用效果

表2 晉古17井石英砂巖地層PDC-孕鑲塊混合鉆頭使用效果

4 結(jié) 論

(1) 通過布置后排具有高耐磨性的金剛石孕鑲塊并優(yōu)選布齒高差，可以有效提升PDC鉆頭在花崗巖及石英巖中的適用性，PDC-孕鑲塊混合鉆頭同時(shí)具有PDC鉆頭破巖效率高和鑲金剛石鉆頭工作壽命長(zhǎng)的雙重優(yōu)點(diǎn)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，花崗巖中PDC-孕鑲塊最優(yōu)布齒高差為1.0～1.5 mm，石英砂巖中最優(yōu)布齒高差為0.5～1.0 mm。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，在金山區(qū)塊基底花崗巖和雷家莊斷層區(qū)塊石英巖鉆進(jìn)中，相比于常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭，PDC-孕鑲塊混合鉆頭具有更高的機(jī)械鉆速和更長(zhǎng)的使用壽命，有效縮短了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 楊明合，夏宏南，蔣宏偉，等.火山巖地層優(yōu)快鉆井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2009，37(6)：44-47.

[2] 張立剛.松遼盆地深層火成巖破碎機(jī)理及破巖效率評(píng)價(jià)[D].大慶：東北石油大學(xué)，2014.

[3] BRETT J F，WARREN T M，BEHR S M.Bit whirl：a new theory of PDC bit failure[C].SPE19571，1989：1-16.

[4] 孫明光，陳庭根.PDC鉆頭切削齒磨損規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1996，20(增刊)：26-29.

[5] 孫明光，張?jiān)七B，馬德坤.適合多夾層地層PDC鉆頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油學(xué)報(bào)，2001，22(5)：95-99.

[6] 鄒德永，曹繼飛，袁軍，等.硬地層PDC鉆頭切削齒尺寸及后傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(6)： 91-94.

[7] 楊迎新，曾恒，馬捷，等.PDC鉆頭內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)[J].石油學(xué)報(bào)，2008，29(4)：612-614.

[8] CHEN X，GAO D，GUO B.A method for optimizing jet-mill-bit hydraulics in horizontal drilling[J].SPE178436，2016：1-8.

[9] GALARRAGA C，F(xiàn)IERRO J C，RIYAMI I A，et al.An unconventional fixed cutter cutting structure layout todrill through hard，abrasive conglomerates in deep wells—a case study[C].SPE182879，2016：1-14.

[10] CHEN S，ARFELE R，ANDERLE S，et al.A new theory on cutter layout for improving PDC bit performance in hard and transit formation drilling[J].SPE Drilling & Completion，2013 28(4)：338-349.

[11] AZAR M，WHITE A，SEGAL S，et al.Pointing towards improved PDC bit performance： innovative conical shaped polycrystalline diamond element achieves higher ROP and total footage[C].SPE163521，2013：1-10.

[12] 馬鳳清.哈山3井火成巖地層快速鉆井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014， 42(2)：112-116.

[13] 鄒德永，徐城凱，易楊，等.PDC 鉆頭布齒參數(shù)與地層適應(yīng)性的試驗(yàn)研究[J].天然氣工業(yè)，2017，37(9)：85-90.

[14] 鄒德永，王瑞和.刀翼式PDC鉆頭的側(cè)向力平衡設(shè)計(jì)[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，29(2)：42-44.

[15] 王瑞和，沈忠厚.PDC 鉆頭沖蝕機(jī)理分析與研究[J].石油鉆采工藝，1992，14(3)：1-6.

[16] 鄒德永，孫源秀，于鵬，等.錐形齒PDC鉆頭臺(tái)架試驗(yàn)研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，39(2)：48-52.

[17] 楊迎新，林敏，張德榮.牙齒刮切實(shí)驗(yàn)破碎坑的幾何建模[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9)：1392-1394.

[18] 李百勝，孫明光.用于含礫石且軟硬交錯(cuò)地層的新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2004，32(9)：32-34.

[19] LU Y，TANG J，GE Z，et al.Hard rock drilling technique with abrasive water jet assistance[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2013，60：47-56.

[20] CRANE D，ZHANG Y，DOUGLAS C，et al.Innovative PDC cutter with elongated ridge combines shear and crush action to improve PDC bit performance[C].SPE183984， 2017：1-17.