王濱 鄒德永 李軍 楊宏偉 黃濤

1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，淺層易開發(fā)常規(guī)油氣資源越來越少，而深部復(fù)雜非常規(guī)油氣資源正逐步成為勘探開發(fā)的重點(diǎn)，在深井超深井及復(fù)雜地質(zhì)條件下，經(jīng)常會(huì)遇到諸如花崗巖、硬砂巖、礫巖等難鉆巖石，常用的破巖工具（如牙輪、PDC和金剛石鉆頭）在破碎這類巖石時(shí)通常出現(xiàn)破巖速度慢、鉆頭壽命短、破巖成本高等問題，但由于PDC鉆頭相比與牙輪和金剛石鉆頭具有更加優(yōu)良的改進(jìn)空間和潛力，因此越來越多得受到國內(nèi)外研究學(xué)者及鉆頭廠家的重視。為拓寬PDC鉆頭在深部及復(fù)雜地層中的應(yīng)用范圍，筆者通過對(duì)國內(nèi)外PDC鉆頭產(chǎn)品及相關(guān)改進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，從提高破巖效率、延長使用壽命、增強(qiáng)穩(wěn)定性、優(yōu)化定向性4個(gè)方面提出了PDC鉆頭綜合改進(jìn)方法，進(jìn)而采用該方法設(shè)計(jì)多只PDC鉆頭在華北、東北等油田的花崗巖、硬砂巖、礫巖等難鉆地層中進(jìn)行現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)，效果較好。

1 PDC鉆頭改進(jìn)方法

1.1 提高破巖效率

1.1.1 提升PDC齒抗沖擊性和熱穩(wěn)定性 PDC齒主要通過采用六面頂壓機(jī)分層多次投料、多步升溫加壓熱壓而成，PCD層與WC層的交界面往往采用具有尖銳棱邊的凹凸?fàn)睿@樣合成的PDC齒具有工藝簡單、成本低、耗時(shí)短、報(bào)廢率低等優(yōu)勢，在淺-中深井軟～中硬地層及地質(zhì)鉆井中取得了較好的效益，但是在深部復(fù)雜地層中，由于巖石硬、研磨性強(qiáng)，PDC齒與地層的沖擊和摩擦作用較為強(qiáng)烈，會(huì)很快出現(xiàn)崩齒、碎齒、熱磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，因此需要對(duì)PDC齒的抗沖擊和熱穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化，目前比較成熟有效的技術(shù)有聚晶金剛石分層技術(shù)、催化劑（通常為鈷）濾除技術(shù)、兩步投料技術(shù)及非平面界技術(shù)等［1-2］。

1.1.2 優(yōu)選PDC齒型號(hào) 目前常用的PDC切削齒尺寸（外徑）主要有4種，分別為：10 mm、13 mm、16 mm和19 mm，鄒德永等［3］通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于可鉆性Ⅲ級(jí)以下的巖石，?19 mm PDC齒破巖效率最高，而對(duì)于花崗巖、硬砂巖、玄武巖等可鉆性Ⅲ級(jí)以上的硬巖，則?16 mm PDC齒破巖效率最高，因此若設(shè)計(jì)適用于深部硬巖的PDC鉆頭，為提高其破巖效率，PDC齒型號(hào)應(yīng)選用1610。

1.1.3 增布異型加強(qiáng)齒 完好的PDC齒具有剪切破巖效率高的特點(diǎn)，在軟～中硬地層可取得較好的使用效果，但在硬巖及非均質(zhì)地層中，則容易出現(xiàn)崩齒、碎齒等事故，其破巖方式隨之由高效的剪切破巖向低效的磨削破巖方式轉(zhuǎn)變，鉆頭磨損速度加快，破巖效率快速降低，因此單純依靠增布PDC齒難以達(dá)到有效提升鉆頭破巖效率的目的，此時(shí)就需要通過增布異型加強(qiáng)齒來實(shí)現(xiàn)，如金剛石孕鑲塊、錐形、斧形PDC齒等［4-9］，如圖1所示，通過增布異型齒并優(yōu)選布齒參數(shù)，一方面可以形成多級(jí)混合切削結(jié)構(gòu)，輔助主齒進(jìn)行破巖，提高主齒發(fā)生嚴(yán)重磨損后鉆頭的破巖效率，另一方面還可起到控制鉆頭吃入深度（控深）的作用，保護(hù)PDC主齒免受因瞬時(shí)吃入深度過大而發(fā)生的沖擊損壞。

圖1 異型加強(qiáng)齒示意圖Fig.1 Sketch of heterotypic enhanced tooth

1.1.4 加強(qiáng)鉆頭中心單元的破巖效率 PDC鉆頭中心布齒空間小，所以PDC齒“切削弧長”較大；布齒半徑小，所以PDC齒切削線速度低，這都會(huì)導(dǎo)致中心巖柱不能被快速破碎而降低鉆頭整體破巖效率。該現(xiàn)象在軟～中硬均質(zhì)地層中并不明顯，但在硬巖及復(fù)雜地層中會(huì)使冠頂附近PDC齒重復(fù)破巖而加速鉆頭磨損，因此應(yīng)對(duì)鉆頭中心布齒參數(shù)及輔助破巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，具體方法如下：（1）減小中心PDC齒直徑，如采用直徑13 mm的PDC齒，降低切削弧長，增加吃入巖石能力；（2）適當(dāng)減小中心PDC齒的后傾角，控制為10～12°，以增大其剪切破巖效率；（3）鉆頭中心布置異型切削齒，如錐形齒等［10］，利用其良好的抗沖擊性能沖擊壓碎中心巖柱；（4）近鉆頭中心處增布高壓水射流噴嘴或適當(dāng)增大近鉆頭中心的噴嘴直徑、減小噴距［11-12］，利用其射流沖擊作用輔助破碎中心巖柱。

1.1.5 優(yōu)化鉆頭水力結(jié)構(gòu) 當(dāng)鉆進(jìn)軟巖及超軟地層時(shí)，防止鉆頭發(fā)生“泥包”是水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考因素，但當(dāng)鉆進(jìn)諸如花崗巖、玄武巖、硬砂巖等地層時(shí)，巖石硬度大、可鉆性差，產(chǎn)生的巖屑顆粒較小且黏附性差，因此鉆頭發(fā)生“泥包”的概率很低，但由于這些巖屑具有較高的強(qiáng)度和研磨性，會(huì)在水射流的作用下包裹在PDC鉆頭周圍，形成強(qiáng)沖蝕作用的“砂包”，從而導(dǎo)致鉆頭發(fā)生嚴(yán)重的磨料磨損和“掉齒”現(xiàn)象，而且由于切削齒與巖石的摩擦更加劇烈，熱磨損也會(huì)更加嚴(yán)重，所以需要對(duì)PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具體方法如下：（1）適當(dāng)增加冠頂肩部及外錐處噴嘴和井底的距離，以增大井底逆流層厚度，減小逆流速度，減弱鉆頭沖蝕［13］；（2）增加噴嘴數(shù)目，做到一個(gè)刀翼至少配置一個(gè)噴嘴，以充分冷卻PDC齒同時(shí)快速清潔井底并輔助破巖；（3）靠近鉆頭中心增布噴嘴，且傾角取值小于45°，通過與外圍噴嘴相互配合，引導(dǎo)鉆頭中心的流體盡快向外流動(dòng)，減少磨料顆粒的滯留；（4）優(yōu)化噴嘴組合，為了保證液流的合理分布從而充分冷卻鉆頭和排屑，應(yīng)盡可能選用等徑噴嘴或相鄰序號(hào)噴嘴并均布在鉆頭冠部，且噴嘴直徑應(yīng)大于8 mm以防發(fā)生堵塞。

1.2 延長使用壽命

現(xiàn)場應(yīng)用表明，在花崗巖、硬砂巖等強(qiáng)研磨性硬巖中鉆進(jìn)時(shí)，PDC鉆頭普遍磨損嚴(yán)重，PDC齒磨損高度可達(dá)其直徑的40%，同時(shí)冠頂及肩部的個(gè)別PDC齒還常會(huì)出現(xiàn)過早失效等現(xiàn)象，這都會(huì)導(dǎo)致鉆頭提前報(bào)廢，因此保證PDC齒在更長的時(shí)間內(nèi)“完好+鋒銳”是延長鉆頭壽命的一個(gè)重要設(shè)計(jì)思路，可通過調(diào)整冠頂及附近PDC齒的布齒參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 等速磨損原則+平緩冠部弧線+特殊布齒機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)PDC鉆頭時(shí)為了防止冠頂及附近個(gè)別PDC齒過早發(fā)生嚴(yán)重磨損而導(dǎo)致鉆頭整體失效，應(yīng)采用“等速磨損”的設(shè)計(jì)原則，即鉆頭冠部弧線（Bit Profile）盡量平緩，如增大內(nèi)錐角、減小冠頂旋轉(zhuǎn)半徑等，這樣一方面可以增大布齒空間，另一方面則使PDC齒受力更加均勻，促進(jìn)其均勻磨損，提高鉆頭壽命，國外為進(jìn)一步降低冠頂處PDC齒的破巖負(fù)擔(dān)，將冠頂附近曲面設(shè)置為平面，使得每個(gè)破巖周期中冠頂至少有8～16顆PDC齒同時(shí)接觸新地層，有效分?jǐn)偭斯陧擯DC齒所受到軸向和扭轉(zhuǎn)沖擊力，在花崗巖和砂巖中取得了提高鉆頭破巖效率和壽命雙重效果。

鉆頭等速磨損設(shè)計(jì)原則還可通過設(shè)計(jì)特殊的布齒機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，如美國史密斯公司所開發(fā)的“360鉆頭”［14］，其冠頂PDC齒通過采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可進(jìn)行360°自轉(zhuǎn)，從而在不增加冠頂PDC齒切削弧長的前提下提升可用弧長，增加了鉆頭壽命（對(duì)于常規(guī)鉆頭，PDC齒切削弧長等于可用弧長，對(duì)于360鉆頭，PDC齒切削弧長遠(yuǎn)小于可用弧長），但360鉆頭也存在特殊布齒機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜可靠性差等問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

1.2.2 加密布齒 隨著巖石硬度與可鉆性極值的增大，布齒密度對(duì)鉆頭破巖效率的影響逐漸減弱［3］，但通過提高布齒密度可以有效降低單齒載荷，降低崩齒碎齒情況的出現(xiàn)，所以加密布齒可作為延長鉆頭使用壽命的一個(gè)重要手段，目前加密布齒方法有2種：后排加密布齒和二級(jí)加密布齒［15-17］，如圖2所示，其中后排加密布齒方法由于具有軌道選擇靈活、地層適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)簡單可靠、布齒類型多樣、工藝成本低等優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用，因此在鉆進(jìn)硬地層時(shí)建議采用后排加密布齒以保證鉆頭壽命。

圖2 不同加密布齒方法示意圖Fig.2 Sketch of different tooth infilling methods

1.2.3 優(yōu)選后傾角和PDC齒出刃高度 PDC齒后傾角和出刃高度是影響PDC鉆頭破巖效率和使用壽命的重要因素，在軟地層中，隨著PDC齒后傾角減小和出刃高度增加，其破巖效率呈現(xiàn)增大趨勢，最優(yōu)值為10～15°，但大量現(xiàn)場及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，在深井及復(fù)雜地層條件下，隨著巖石硬度和抗鉆性極值的增大，PDC齒后傾角及出刃高度對(duì)鉆頭破巖效率影響程度明顯降低，此時(shí)若后傾角取值較小、出刃高度取值較大，會(huì)使得PDC齒和巖石接觸應(yīng)力快速增加，較大的軸向沖擊力會(huì)導(dǎo)致崩齒碎齒等事故，因此根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在鉆遇硬巖時(shí)，建議冠頂及附近PDC齒后傾角取值15～20°，出刃高度小于5 mm。

1.3 增強(qiáng)穩(wěn)定性

硬地層巖石的高強(qiáng)度、高研磨和非均質(zhì)特性對(duì)PDC鉆頭的穩(wěn)定性提出了更加苛刻的要求，需要在減緩渦動(dòng)、增強(qiáng)鉆頭對(duì)巖石適應(yīng)性、加強(qiáng)保徑等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3.1 減緩渦動(dòng) 鉆遇硬巖時(shí)，由于切削齒吃入巖石深度小、巖石非均質(zhì)性強(qiáng)、螺旋線布齒等原因，使得PDC鉆頭因?yàn)槭芰Σ黄胶舛M(jìn)入渦動(dòng)狀態(tài)，發(fā)生沖擊損壞，因此降低鉆頭所受到的不平衡力、減緩渦動(dòng)的發(fā)生對(duì)提升鉆頭穩(wěn)定性十分重要，可采取如下措施：（1）采用多級(jí)內(nèi)錐的布齒剖面線，即改傳統(tǒng)的單內(nèi)錐為多級(jí)內(nèi)錐，越靠近鉆頭中心內(nèi)錐角越小，在保證鉆頭冠部切削齒等速磨損的前提下，盡量提高其破巖穩(wěn)定性；（2）采用力平衡布齒方式，提升切削齒合力中心的內(nèi)聚性，降低鉆頭受到的側(cè)向力［18-19］；（3）采用非均勻布置刀翼方法［20］，微調(diào)刀翼的周向布置角，打破鉆頭發(fā)生渦動(dòng)時(shí)的固有頻率；（4）在鉆頭后方布置“平衡翼”，來抵消PDC鉆頭鉆遇不同巖石交界面時(shí)產(chǎn)生的不平衡力矩［21］。

1.3.2 增強(qiáng)鉆頭對(duì)巖石適應(yīng)性 當(dāng)?shù)貙臃蔷|(zhì)性較強(qiáng)巖石強(qiáng)度的變化較大時(shí)，相同鉆壓下PDC齒吃入巖石深度會(huì)有所不同，所受沖擊力大小會(huì)隨之劇烈變化，現(xiàn)場試驗(yàn)證明，地層的軟硬交錯(cuò)變化是導(dǎo)致PDC齒發(fā)生嚴(yán)重沖擊損壞的重要原因，因此穩(wěn)定每個(gè)破巖周期內(nèi)PDC齒的吃入深度對(duì)提升鉆頭穩(wěn)定性至關(guān)重要，目前國內(nèi)外研究人員主要是通過在PDC主齒后方布置“控深結(jié)構(gòu)”（見圖3）來實(shí)現(xiàn)鉆頭對(duì)不同性質(zhì)巖石的“等深吃入”，從而最終達(dá)到在復(fù)雜地層中平穩(wěn)鉆進(jìn)目的，“控深結(jié)構(gòu)”有剛性“控深結(jié)構(gòu)”，如硬質(zhì)合金塊、球形 PDC齒等［22］，也有彈性“自適應(yīng)控深結(jié)構(gòu)”，如裝有彈簧的后排輔助PDC齒等［23-24］（圖3），目前剛性“控深結(jié)構(gòu)”因其結(jié)構(gòu)簡單性能可靠，得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)于長井段均質(zhì)硬巖地層具有較好使用效果，“自適應(yīng)控深結(jié)構(gòu)”則對(duì)復(fù)雜地層具有更好的適應(yīng)能力，是未來的發(fā)展趨勢。

1.3.3 加強(qiáng)保徑 當(dāng)鉆進(jìn)軟～中硬地層時(shí)，由于井壁巖石強(qiáng)度低，因此通過降低鉆頭側(cè)向切削能力來防止井眼擴(kuò)徑，進(jìn)而抑制渦動(dòng)失穩(wěn)，是增加鉆頭穩(wěn)定性的重要設(shè)計(jì)原則，此時(shí)保徑主要采用“被動(dòng)保徑”方式，如平置PDC齒、布置硬質(zhì)合金塊或低摩擦保徑塊等，低摩擦保徑塊可采用金剛石孕鑲塊的設(shè)計(jì)方法，通過優(yōu)選金剛石粒度和胎體配方來增強(qiáng)其抗磨和“打滑”性能，“被動(dòng)保徑”通過降低鉆頭與井壁之間摩擦，抑制鉆頭貼向井壁誘發(fā)渦動(dòng)。但當(dāng)鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性硬巖時(shí)，由于保徑齒與井壁摩擦更加劇烈，同時(shí)“砂包［25］”的存在也使沖蝕磨損更加嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆頭保徑齒磨損加劇甚至脫落，更易出現(xiàn)縮徑而發(fā)生渦動(dòng)失穩(wěn)，因此通過增強(qiáng)鉆頭側(cè)向切削能力來防止鉆頭縮徑，是鉆進(jìn)硬巖時(shí)增加鉆頭穩(wěn)定性的主要設(shè)計(jì)原則，此時(shí)就需要對(duì)鉆頭進(jìn)行加強(qiáng)保徑設(shè)計(jì)，如采用“主動(dòng)保徑+被動(dòng)保徑”的混合保徑方式，“主動(dòng)保徑”通過在保徑段加密布置PDC齒（如1308型）或增加主動(dòng)保徑段長L1實(shí)現(xiàn)，從而提升鉆頭主動(dòng)切削井壁巖石性能，抑制鉆頭縮徑，如圖4所示。

圖3 鉆頭控深結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of bit depth control structure

圖4 鉆頭加強(qiáng)保徑結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of enhanced bit diameter retention structure

1.4 優(yōu)化定向性

鉆頭定向性是非常規(guī)資源采用定向井勘探過程中PDC鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要設(shè)計(jì)方面［26］，PDC鉆頭定向性可由“導(dǎo)向性”和“操控性”2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，“導(dǎo)向性”表示為鉆頭鉆進(jìn)時(shí)主動(dòng)改變前進(jìn)軌跡的能力，可用“前進(jìn)角（Walk angle）”模型進(jìn)行定量描述［27］；“操控性”表示為鉆頭工具面控制的難易程度，目前還沒有合適的定量描述模型。理想情況下，定向性良好的PDC鉆頭應(yīng)同時(shí)具有良好的導(dǎo)向性和操控性，但實(shí)際上，鉆頭的導(dǎo)向性和操控性往往相互制約，如導(dǎo)向性越好的PDC鉆頭其工具面通常也越難控制，此時(shí)就需要根據(jù)地層特性對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并輔助以井下定向工具和鉆壓優(yōu)選，以綜合優(yōu)化鉆頭的定向性。

1.4.1 優(yōu)選“主動(dòng)保徑”和“被動(dòng)保徑”配合方式及參數(shù) 國內(nèi)外大量理論研究及現(xiàn)場實(shí)踐表明，PDC鉆頭保徑類型和保徑段長對(duì)其定向性能有著重要影響，S.Menand等人通過研究發(fā)現(xiàn)［28-29］，“主動(dòng)保徑”方式對(duì)鉆頭定向性的調(diào)節(jié)能力明顯強(qiáng)于“被動(dòng)保徑”方式，且隨著二者長度的減小，鉆頭的定向性隨之增強(qiáng)。為此建議：（1）當(dāng)?shù)貙訋r性單一均質(zhì)性好、井斜角設(shè)計(jì)較小且只進(jìn)行小范圍改變時(shí)，建議采用混合保徑方式（保徑長度取L2＞＞L1）或單一的“被動(dòng)保徑”方式（L2取較大值），以適當(dāng)降低鉆頭的導(dǎo)向性增加操控性；（2）當(dāng)?shù)貙訋r性單一均質(zhì)性好且需要進(jìn)行大角度定向鉆井時(shí)，建議采用混合保徑方式（保徑長度取L2≥L1）或單一的“主動(dòng)保徑”方式（L1取較小值），以適當(dāng)降低鉆頭的操控性增加導(dǎo)向性；（3）當(dāng)?shù)貙訋r性復(fù)雜均質(zhì)性差且需要進(jìn)行大角度定向鉆井時(shí)，則建議采用混合保徑方式（保徑長度取L2≥L1，L2和L1長度適當(dāng)增加）并配合使用井下定向工具，以同時(shí)增加鉆頭導(dǎo)向性和操控性。

1.4.2 調(diào)整布齒參數(shù) 鉆頭冠頂PDC主齒及保徑齒后傾角大小會(huì)對(duì)鉆頭定向性產(chǎn)生影響：（1）當(dāng)增大冠頂PDC齒后傾角（＞15°）并減小保徑PDC齒的后傾角（＜10°）時(shí)，鉆頭側(cè)向切削性能提升，導(dǎo)向性隨之升高，但是由于鉆頭趨向于貼附井壁，所以更易進(jìn)入渦動(dòng)狀態(tài)，操控性下降，此時(shí)就需要適當(dāng)減小鉆壓以加強(qiáng)對(duì)鉆頭工具面的控制，這種配合方式比較適用于單一均質(zhì)地層；（2）當(dāng)減小冠頂PDC齒后傾角（＜15°）并增大保徑PDC齒的后傾角（＞10°）時(shí)，鉆頭側(cè)向切削性能減弱，導(dǎo)向性隨之降低，但操控性上升，此時(shí)可以通過配合井下定向工具對(duì)鉆頭的定向性進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜非均質(zhì)地層中定向鉆進(jìn)。鉆頭保徑PDC齒完整與否也會(huì)對(duì)鉆頭定向性產(chǎn)生影響，當(dāng)保徑齒進(jìn)行預(yù)切齒處理后，切齒深度越大，其破巖性能越差，鉆頭側(cè)向切削能力越低，導(dǎo)向性也降低。因此通過調(diào)節(jié)冠頂PDC主齒和保徑齒后傾角及保徑齒切齒深度可實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同地層性質(zhì)優(yōu)化鉆頭定向性的目的。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證PDC鉆頭綜合改進(jìn)方法的使用價(jià)值，設(shè)計(jì)了6只PDC鉆頭分別在華北、東北等油田的花崗巖、硬砂巖、礫巖等難鉆地層進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

2.1 鉆頭技術(shù)指標(biāo)

6只PDC鉆頭均使用了本文的改進(jìn)方法，在PDC齒布齒參數(shù)、冠部曲線參數(shù)、水力及保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了優(yōu)化。PDC鉆頭具體技術(shù)指標(biāo)如表1，設(shè)計(jì)及實(shí)物圖如圖5，A～D鉆頭用于直井段鉆進(jìn)，E和F鉆頭用于定向井段鉆進(jìn)。

2.2 鉆頭使用效果分析

6只實(shí)驗(yàn)PDC鉆頭與同地層的常規(guī)PDC鉆頭及牙輪鉆頭的使用效果對(duì)比見表2所示。

圖5 6只實(shí)驗(yàn)PDC鉆頭設(shè)計(jì)及實(shí)物圖Fig.5 Design and object of 6 tested PDC bits

表1 6只PDC鉆頭技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of 6 PDC bits

表2 6只實(shí)驗(yàn)PDC鉆頭與同地層常規(guī)PDC鉆頭及牙輪鉆頭使用效果對(duì)比Table 2 Application effect comparison between 6 tested PDC bits and the conventional PDC bits and cone bits in the same formation

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，A、B、E、F這4只實(shí)驗(yàn)鉆頭在破巖效率（鉆速）和使用壽命（進(jìn)尺）兩方面均獲得了優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭的使用效果，C、D鉆頭雖然破巖效率比常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭提升并不明顯，但使用壽命有明顯提升。另外，6只鉆頭起鉆后整體新度較新，仍具有繼續(xù)鉆探的能力。

需要說明的是，雖然沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)鉆頭的穩(wěn)定性和定向性進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，但穩(wěn)定性的提升和定向性的優(yōu)化也會(huì)對(duì)鉆頭整體破巖效率和使用壽命的提升起到促進(jìn)作用，因此可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)鉆頭在破巖效率、使用壽命、穩(wěn)定性和定向性等4個(gè)方面均得到了一定程度的提升或優(yōu)化。這說明PDC鉆頭綜合改進(jìn)方法具有良好的適用性和使用價(jià)值。

3 結(jié)論及建議

（1）通過對(duì)國內(nèi)外PDC鉆頭最新產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，從提高破巖效率、延長使用壽命、增強(qiáng)穩(wěn)定性、優(yōu)化定向性4個(gè)方面提出了深部及復(fù)雜地層條件下PDC鉆頭綜合改進(jìn)方法，應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)了6只PDC鉆頭用于華北、東北等油田的花崗巖、硬砂巖、礫巖等難鉆地層，均取得了優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭及牙輪鉆頭的破巖效率和使用壽命，說明該綜合改進(jìn)方法具有良好的適用性和使用價(jià)值。

（2）PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)深部及復(fù)雜地層油氣資源高速高效鉆探開發(fā)的重要手段之一，但是目前關(guān)于深部硬巖及礫巖的破巖機(jī)理及規(guī)律仍存在認(rèn)識(shí)不到位等不足，還需要從實(shí)驗(yàn)和理論研究等角度進(jìn)一步深入探究；另外對(duì)于復(fù)雜未知地層，對(duì)鉆頭本身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化同時(shí)，還應(yīng)將井下工具、鉆頭、鉆進(jìn)參數(shù)三者作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合優(yōu)化，以期提高鉆頭本身性能的同時(shí)，綜合降低鉆井成本，這也是下步重點(diǎn)研究方向。

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