劉 維 高德利

中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外PDC鉆頭慣用?13～19 mm的PDC切削齒。在鉆井應(yīng)用時(shí)，隨著地層可鉆性變差，選用的切削齒尺寸也由?19 mm到?13 mm逐步減小，在極難鉆地層甚至還會(huì)使用?11 mm（或者?10 mm）的切削齒。鄒德永等通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法，研究了切削齒尺寸（?10～19 mm）對(duì)PDC鉆頭破巖效率的影響規(guī)律[1-3]。研究結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)相一致：在可鉆性較好地層，大直徑PDC切削齒出刃更大、吃入更深、破巖效果更好，能夠取得更快的機(jī)械鉆速；但隨著地層可鉆性逐漸變差，小直徑PDC切削齒的圓弧曲率大，可產(chǎn)生更大的接觸應(yīng)力，易于吃入難鉆地層，可以獲得更好的破巖效果。

在國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)大于?19 mm PDC切削齒（簡(jiǎn)稱“超大齒”）的鉆井工程應(yīng)用。但在PDC鉆頭技術(shù)的早期發(fā)展階段，國(guó)外鉆頭廠商及聚晶金剛石復(fù)合片生產(chǎn)商積極探索超大齒在油氣鉆探領(lǐng)域的應(yīng)用，例如?22 mm、?24 mm、?25 mm、?38 mm等超大尺寸的切削齒[4-6]。但當(dāng)時(shí)的高壓科學(xué)與超硬材料制備工藝尚不成熟，造成超大齒的耐用性很差。另外，早期的鉆井技術(shù)裝備也無法提供足夠的鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、排量等鉆井參數(shù)條件，致使超大齒在現(xiàn)場(chǎng)試用時(shí)始終無法兌現(xiàn)其理論上的提速優(yōu)越性。因此，在21世紀(jì)初期，超大齒已被國(guó)外鉆頭廠商淘汰。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高溫高壓合成技術(shù)與鉆井技術(shù)裝備均已實(shí)現(xiàn)不少突破，原先限制超大齒應(yīng)用的技術(shù)壁壘也逐漸破除，使得超大齒破巖技術(shù)重新煥發(fā)生機(jī)。近幾年，國(guó)民油井、貝克休斯等國(guó)外油服公司[7-10]積極推進(jìn)?25 mm PDC切削齒的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并獲得顯著提速效果，而且鉆頭出井狀況良好，說明超大齒已經(jīng)具有良好的耐用性。與之相比，國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)超大齒PDC鉆頭的研究報(bào)道及實(shí)際應(yīng)用案例。筆者采用理論分析、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試用等方法，研究超大齒的破巖效果及耐用性，分析超大齒破巖技術(shù)在油氣鉆井工程中的應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)，以期為超大齒PDC鉆頭的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供有益參考。

1 理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 超大齒破巖的機(jī)理分析

在理想鉆進(jìn)條件下，機(jī)械鉆速計(jì)算公式如下：

式中v表示機(jī)械鉆速，m/h；DOC是PDC切削齒旋轉(zhuǎn)一周的吃入深度，m/r；R為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可知，PDC鉆頭的機(jī)械鉆速與PDC切削齒的吃入深度成正相關(guān)性，提高切削齒的吃入深度，能夠有效提高PDC鉆頭的機(jī)械鉆速。在鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)匹配的情況下，PDC鉆頭的極限機(jī)械鉆速與切削齒的最大出刃高度（即最大吃入深度）成正相關(guān)性。如圖1所示，在PDC鉆頭的冠部曲線和切削齒的暴露值都相同的情況下，不同直徑的切削齒將產(chǎn)生不同的出刃高度。很明顯，增加PDC切削齒的（包絡(luò)圓）直徑，將提高其最大吃入深度，從而增大極限切削面積（圖1中的黃色區(qū)域），進(jìn)而提高PDC鉆頭的機(jī)械鉆速上限。如圖2所示，與?16 mm切削齒的工作面積相比， ?22 mm切削齒與地層巖石的接觸面積更大，旋轉(zhuǎn)一周能夠破碎更多巖石，從而增強(qiáng)單齒及鉆頭的破巖效果。

圖1 大小齒的出刃高度和單次旋轉(zhuǎn)井底切削面積對(duì)比圖

圖2 大小齒的工作面積對(duì)比圖

PDC切削齒切削巖石力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變狀態(tài)，使用《彈性力學(xué)》相關(guān)理論求解，并借助有限元軟件進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，可以得到在單齒—巖石相互作用截面上的應(yīng)力狀態(tài)示意圖，如圖3所示。計(jì)算所用巖石密度為2.5 g/cm3，彈性模量為40 GPa，泊松比為0.4。由圖3可知，PDC切削齒的吃入深度越大，圖中深色部分的面積就越大，即在實(shí)際三維狀態(tài)中產(chǎn)生的巖屑體積越大。根據(jù)這一破巖機(jī)理，超大齒的破巖能力要顯著優(yōu)于小齒。

圖3 單齒—巖石相互作用截面的應(yīng)力狀態(tài)示意圖

在布齒時(shí)，超大齒可降低PDC鉆頭的布齒密度，減少相同鉆頭尺寸下相同冠部曲線所使用的總齒數(shù)。以?215.9 mm 4刀翼鉆頭為例，可使用?16 mm主齒20顆；如果換成?22 mm的主齒，則最多布齒12顆。齒數(shù)的減少，使得超大單齒可以承受更大載荷，有利于提高單齒的吃入深度以及PDC鉆頭的破巖效率和機(jī)械鉆速。超大齒的優(yōu)點(diǎn)還包括：增加聚晶金剛石層體積，使得PDC切削齒的耐磨持久性及整體散熱更好；增大齒的出刃，降低地層與鉆頭體表面發(fā)生摩擦的概率，使得鉆頭更加穩(wěn)定；在相同吃入深度下，將有更多的聚晶金剛石與地層接觸，可提高PDC切削齒的抗沖擊韌性等。

1.2 超大齒破巖的機(jī)械比能研究

基于立式轉(zhuǎn)塔車床（Vertical Turret Lathe，簡(jiǎn)稱VTL），筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建立了一套單齒破巖實(shí)驗(yàn)裝置，用于研究PDC切削齒破巖效果以及單齒—巖石相互作用力學(xué)模型。單齒破巖實(shí)驗(yàn)裝置主要包括旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)、巖石試樣、三向力傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基于此裝置，筆者團(tuán)隊(duì)開展了PDC切削齒的機(jī)械比能（Mechanical Specific Energy，簡(jiǎn)稱MSE）研究。本次實(shí)驗(yàn)采用直徑為1 100 mm、高度為500 mm的石灰?guī)r作為測(cè)試巖樣。具體實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)可參考筆者團(tuán)隊(duì)的已發(fā)表論文[11,12]。

單齒破巖機(jī)械比能的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下：

式中Ft表示水平方向切削力，N；L表示切削距離，m；V表示破碎巖屑體積，m3。

單齒破巖機(jī)械比能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在吃入深度較淺時(shí)（1 mm），?22 mm超大齒由于圓弧曲率小、攻擊性差、吃入地層相對(duì)困難，需要消耗更多鉆井能量去破碎巖石，導(dǎo)致較大的機(jī)械比能。但隨著吃入深度的增加，大小齒（?16 mm和?22 mm）破巖的機(jī)械比能趨于一致，接近巖石強(qiáng)度。

圖4 單齒破巖機(jī)械比能與其吃入深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖4的另一結(jié)論是，隨著吃入深度的增加，大小齒（?16 mm和?22 mm）破巖的機(jī)械比能均將減小，即破碎相同體積巖石所需的鉆井能量，將隨著吃入深度的增加而減小。原因之一，如圖5所示，當(dāng)PDC切削齒的吃入深度較小時(shí)，單齒切削產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)規(guī)整，未發(fā)現(xiàn)巖屑崩碎的痕跡。隨著切削齒吃入深度的不斷增加，單齒切削過程中出現(xiàn)大塊巖屑剝離的現(xiàn)象越來越多，說明破巖過程中出現(xiàn)巖石體積破碎的情況越來越多。巖石體積破碎占比的增加，將有效降低單齒破巖的機(jī)械比能，提升單齒破巖效果以及鉆頭機(jī)械鉆速。綜上可知，增大單齒的吃入深度，例如通過采用超高鉆壓[13]、超大齒（大于?19 mm），可大幅提高PDC鉆頭的破巖效率和機(jī)械鉆速。

圖5 ?22 mm PDC切削齒在不同吃入深度下的切削痕跡圖

1.3 全尺寸鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)

筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建立了一套全尺寸鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)裝置，能夠真實(shí)模擬鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等鉆井參數(shù)，可用于研究鉆頭的機(jī)械鉆速、穩(wěn)定性、耐用性等鉆進(jìn)性能表現(xiàn)。如圖6所示，全尺寸鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)裝置主要包括水平鉆機(jī)和近鉆頭安裝的隨鉆測(cè)量短節(jié)。水平鉆機(jī)的最大鉆壓為250 kN，最大轉(zhuǎn)速為160 r/min，最大扭矩為10 kN·m。近鉆頭隨鉆測(cè)量短節(jié)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、進(jìn)尺、機(jī)械鉆速、泵壓、流量以及鉆頭的軸向/橫向/周向振動(dòng)。短節(jié)的測(cè)量范圍及測(cè)量精度如表1所示。

圖6 全尺寸鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 近鉆頭隨鉆測(cè)量短節(jié)技術(shù)參數(shù)表

本實(shí)驗(yàn)將轉(zhuǎn)速設(shè)置為恒定的75 r/min，將鉆壓作為實(shí)驗(yàn)變量，在5～40 kN之間取值。以可鉆性較好的石灰?guī)r作為鉆進(jìn)巖樣。巖樣的幾何尺寸為長(zhǎng)度2 000±5 mm、寬度350±5 mm、高度350±5 mm。巖石力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 石灰?guī)r與花崗巖的巖石力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)表

所采用的PDC鉆頭具有相同的主齒冠部曲線和暴露值，鉆頭直徑都為215.9 mm （8.5 in），刀翼數(shù)都是4個(gè)，分別采用?16 mm和?22 mm的PDC切削齒。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的公式（3）可知，鉆壓與PDC鉆頭的平均機(jī)械鉆速成正線性關(guān)系。這一規(guī)律與理論公式（1）符合，鉆壓越大，鉆頭的機(jī)械鉆速越高，而且不同尺寸的PDC切削齒，均符合這一規(guī)律。

圖7 鉆進(jìn)石灰?guī)r時(shí)鉆壓與機(jī)械鉆速對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

式中v22、v16分別表示?22 mm、?16 mm切削齒的PDC鉆頭的機(jī)械鉆速，m/h；p表示鉆壓，kN。

式（3）的另一結(jié)論是，在可鉆性較好地層，采用相同鉆壓和轉(zhuǎn)速，超大齒（?22 mm）PDC鉆頭的機(jī)械鉆速更快，說明增加切削齒尺寸，能夠有效提高PDC鉆頭破巖效率和機(jī)械鉆速。如圖8所示，超大齒（?22 mm）PDC鉆頭產(chǎn)生的巖屑尺寸明顯大于小齒（?16 mm）鉆頭產(chǎn)生的巖屑，表明提高PDC切削齒的尺寸，能夠產(chǎn)生更大體積的巖石破碎，實(shí)現(xiàn)更高的破巖效率，這也與前面的理論分析一致。

圖8 實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的巖屑照片

基于全尺寸鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)裝置，筆者團(tuán)隊(duì)也對(duì)超大齒PDC鉆頭的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。在19 kN鉆壓下，PDC鉆頭在鉆進(jìn)石灰?guī)r時(shí)的軸向、橫向和周向振動(dòng)情況如圖9所示。

圖9中以重力加速度g為計(jì)量單位，表征鉆頭振動(dòng)的幅度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，?16 mm PDC鉆頭與?22 mm PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中受到的軸向振動(dòng)幅度均在－10～10 g之間，而兩者的周向振動(dòng)幅度均在－2～2 g之間。稍有區(qū)別的是橫向振動(dòng)，?22 mm鉆頭的橫向振動(dòng)幅度在－3～3 g之間，略大于?16 mm PDC鉆頭的橫向振動(dòng)幅度（－2～2 g）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，大小齒PDC鉆頭的三向振動(dòng)幅度差別不大，提高切削齒的尺寸，并未造成PDC鉆頭失穩(wěn)及額外振動(dòng)。另外注意到，在鉆進(jìn)石灰?guī)r的過程中，相比于其他兩個(gè)方向的振動(dòng)，大小齒PDC鉆頭的軸向振動(dòng)均是最大的。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與以往的研究認(rèn)識(shí)一致。

圖9 ?16 mm與?22 mm PDC鉆頭的三向振動(dòng)對(duì)比圖

2 超大齒耐用性研究

在PDC鉆頭技術(shù)的早期發(fā)展階段，超大齒的耐磨性和抗沖擊韌性無法滿足實(shí)際鉆井需求。耐用性差是導(dǎo)致超大齒被棄用的主要原因。關(guān)于超大齒的耐用性好壞，也是目前一線鉆井從業(yè)人員首要擔(dān)心的問題，使其無法下定決心使用超大齒PDC鉆頭。為此，筆者團(tuán)隊(duì)采用國(guó)際油服公司通用的立式轉(zhuǎn)塔車床切削花崗巖濕磨實(shí)驗(yàn)（wet VTL test，簡(jiǎn)稱“濕磨實(shí)驗(yàn)”）和漸進(jìn)式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)(progressive drop test)[14,15]，對(duì)?16 mm和?22 mm PDC切削齒的耐磨性和抗沖擊韌性開展室內(nèi)測(cè)試。關(guān)于這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，例如實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)試參數(shù)等，請(qǐng)見筆者團(tuán)隊(duì)的已發(fā)表論文[12,16]。以目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好的?16 mm C30齒為基準(zhǔn)，采用相同的基座材質(zhì)、金剛石配方以及高溫高壓合成技術(shù)，制備?22 mm PDC切削齒，并確保切削齒的直徑是唯一實(shí)驗(yàn)變量。

2.1 濕磨實(shí)驗(yàn)

基于VTL設(shè)備，PDC切削齒按照恒定吃入深度連續(xù)切削花崗巖圓柱。切削齒在整個(gè)測(cè)試過程的行進(jìn)距離共為17 024.25 m，然后采用3D輪廓儀測(cè)量PDC切削齒的磨損體積，并拍攝磨口形貌照片，如圖10所示?；◢弾r的磨損體積由公式（4）計(jì)算：

圖10 濕磨實(shí)驗(yàn)后PDC切削齒的磨口照片

式中Vrock表示花崗巖被磨損體積，mm3；Npass表示PDC切削齒的切削層數(shù)；Arock表示花崗巖圓柱的橫截面積，mm2；本實(shí)驗(yàn)吃入深度DOC采用0.5 mm恒定值。

本文采用體積磨耗比（花崗巖的磨掉體積除以PDC切削齒的磨損體積）來表征PDC切削齒的耐磨性[17,18]。磨耗比越大表明PDC切削齒的耐磨性越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11-a所示，相比于相同材質(zhì)和制備工藝的小齒(?16 mm)，超大齒(?22 mm)的耐磨性降低了15%。

圖11 切削齒耐用性實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

在相同的高溫高壓燒結(jié)條件下，PDC切削齒直徑的增加將降低外部壓力向材質(zhì)中心的傳遞強(qiáng)度及傳遞均勻性，減弱金剛石顆粒之間D-D鍵能以及整體堆積密度，從而削弱PDC切削齒的耐磨性。從材料學(xué)的角度分析，樣品的尺寸越小，其內(nèi)在固有的缺陷尺度和數(shù)量也會(huì)越小，展現(xiàn)出更好的機(jī)械性能，例如強(qiáng)度和硬度，因而會(huì)提高樣品的耐磨性。另一方面，超大齒的耐磨性測(cè)試結(jié)果也需要考慮到幾何參數(shù)的影響。在相同測(cè)試條件下（吃入深度、后傾角等），超大齒與地層的接觸面積更大，被磨損掉的聚晶金剛石體積也更多，這無疑會(huì)降低超大齒的耐磨性。

雖然室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超大齒的耐磨性較弱，但是從下文的6次現(xiàn)場(chǎng)試用效果來看，超大齒的耐磨性足以滿足可鉆性較好地層的實(shí)際鉆井需求。

2.2 漸進(jìn)式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)

采用全自動(dòng)落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，將PDC切削齒以15°傾角進(jìn)行釬焊固定，然后以硬質(zhì)合金塊（WC-14Co，83 HRA）為靶材，遞進(jìn)式?jīng)_擊PDC切削齒的齒尖。完成基準(zhǔn)面定位后，設(shè)置初始沖擊能量2 J，開始沖擊測(cè)試。每次沖擊后，若無裂紋產(chǎn)生，則逐次遞增2 J沖擊能量，直至裂紋出現(xiàn)，并記錄本次沖擊能量。然后，繼續(xù)逐次遞增2 J沖擊能量，直至發(fā)生掉片或大范圍碎裂（大于等于30%），此時(shí)將齒定義為失效，并記錄本次沖擊能量為最終斷裂能量。最終斷裂能量越大說明PDC切削齒的抗沖擊韌性越好。實(shí)驗(yàn)過程中，采用3D輪廓儀拍攝齒的沖擊形貌。

每類齒至少測(cè)試6顆同批次樣品，并將所有試樣的最終斷裂能量做成箱型圖，以表征PDC切削齒抗沖擊韌性的強(qiáng)弱及穩(wěn)定性。如圖11-b所示，盡管超大齒（?22 mm）的沖擊測(cè)試數(shù)據(jù)的離散性略大、穩(wěn)定性稍差，但超大齒的最終斷裂能量的中位值是小齒的3.3倍，表現(xiàn)出更好的抗沖擊韌性。雖然這一結(jié)論與國(guó)外油服公司的結(jié)果相一致[7-10]，但我們應(yīng)當(dāng)更加科學(xué)地分析這一測(cè)試數(shù)據(jù)。超大齒抗沖擊韌性的提高在很大程度上是受到齒本身幾何參數(shù)的影響。在漸進(jìn)式?jīng)_擊測(cè)試時(shí)，超大齒的曲率較小，沖擊瞬間與靶材接觸面積更大。在相同沖擊載荷下，超大齒得到的支撐更多而受到的沖擊更小，因而能夠承受更大的齒尖沖擊載荷。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與效果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證超大齒破巖技術(shù)對(duì)鉆井提速的有效性，同時(shí)驗(yàn)證本文的理論分析及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，筆者團(tuán)隊(duì)在中國(guó)石化勝利油田進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。于2021年8月，在勝利油田車西作業(yè)區(qū)塊的車105井，為直井設(shè)計(jì)，采用?22 mm PDC切削齒的鉆頭進(jìn)行了第1次現(xiàn)場(chǎng)試用。此只鉆頭與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用的鉆頭設(shè)計(jì)完全相同。PDC鉆頭鉆遇地層主要包括：新生界第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近系東營(yíng)組和沙河街組。

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，超大齒PDC鉆頭“一趟鉆”完成二開井段所有進(jìn)尺，總進(jìn)尺1 681.5 m，單日最高進(jìn)尺820 m，與同區(qū)塊井單井日進(jìn)尺相比提高了170～210 m；平均機(jī)械鉆速43.12 m/h，與同區(qū)塊井單井平均機(jī)械鉆速16.59～34.89 m/h相比，提高了24%～160%，提速效果顯著，創(chuàng)造車西作業(yè)區(qū)機(jī)械鉆速最快、日進(jìn)尺最高二項(xiàng)紀(jì)錄。

表3 2021年車西作業(yè)區(qū)PDC鉆頭使用數(shù)據(jù)對(duì)比表

從2021年8月至今，筆者團(tuán)隊(duì)在勝利油田下井使用?22 mm PDC鉆頭共計(jì)6次，包括直井和定向井。鉆頭出井狀況如圖12所示。勝利油田各區(qū)塊上部地層的鉆井難點(diǎn)主要是館陶組底部的礫石層，礫石含量及顆粒大小對(duì)PDC鉆頭的出井狀況有很大影響。當(dāng)館陶組底部礫石含量較少時(shí)，超大齒PDC鉆頭的出井狀況良好，如圖12-a所示。如果館陶組底部礫石含量較多，礫石沖擊將對(duì)超大齒造成嚴(yán)重?fù)p傷，如圖12-b所示。雖然鉆頭出井狀況不同，6只鉆頭均“一趟鉆”完成井段鉆進(jìn)?？傮w來說，?22 mm PDC切削齒的耐用性足以滿足可鉆性較好地層的實(shí)際鉆井需求。

圖12 PDC鉆頭出井狀況圖

除了受到齒尖沖擊，PDC切削齒在井下作業(yè)時(shí)也會(huì)遭受齒面沖擊[16]。超大齒出刃大、吃入深、機(jī)械鉆速快；反過來，超大齒受到的沖擊載荷也大，導(dǎo)致在井下發(fā)生齒面沖擊的概率大幅增加，將出現(xiàn)多頻次多角度的齒面沖擊失效。一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，與小齒相比，超大齒表現(xiàn)出更好的自銳性。即使發(fā)生齒面斷裂等失效，超大齒仍具有較高的尖銳度，如圖12-c所示，有利于延續(xù)PDC鉆頭的攻擊性和破巖效果。

3.2 討論

大齒快切PDC鉆頭適用于大尺寸井眼、可鉆性較好的上部地層，可以產(chǎn)生“快上加快”的鉆井提速效果。相似地，國(guó)外油服公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也是在?241.3 mm、?311.2 mm、?444.5 mm等大井眼鉆井過程中不斷刷新機(jī)械鉆速記錄[7-10]。隨著井深的不斷增加，地層致密性隨之增強(qiáng)，而超大齒的圓弧曲率小、尖銳度差、難以吃入地層，并且需要更多的鉆井能量以吃入及剪切地層，從而導(dǎo)致超大齒PDC鉆頭的破巖效率低、機(jī)械鉆速慢。此時(shí)，尺寸小且尖銳的異形齒表現(xiàn)出更好的破巖效果和耐用性[19,20]。

為了驗(yàn)證以上結(jié)論，本文利用全尺寸鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)石灰?guī)r、花崗巖兩種巖性的巖樣開展破巖實(shí)驗(yàn)對(duì)比。兩種巖樣的巖石力學(xué)數(shù)據(jù)如表2所示?；◢弾r的單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）約為石灰?guī)r的2.3倍，黏聚力（內(nèi)聚力）約為石灰?guī)r的1.8倍。相對(duì)于石灰?guī)r，PDC切削齒需要消耗更多的鉆井能量來破碎花崗巖地層。石灰?guī)r的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已在式（3）給出?；◢弾r的實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)用鉆頭，都與石灰?guī)r實(shí)驗(yàn)相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 鉆進(jìn)花崗巖時(shí)鉆壓與機(jī)械鉆速的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

通過對(duì)比?16 mm和?22 mm PDC鉆頭在鉆進(jìn)花崗巖時(shí)的機(jī)械鉆速可以發(fā)現(xiàn)，在鉆進(jìn)可鉆性較差的地層時(shí)，超大齒PDC鉆頭的破巖效果較差、機(jī)械鉆速慢。這一結(jié)論也與以往的工程經(jīng)驗(yàn)及研究認(rèn)識(shí)一致，即小齒在可鉆性較差地層具有更高的破巖效率[1-3]，例如壓實(shí)致密的深部泥巖地層、堅(jiān)硬且研磨性強(qiáng)的花崗巖或干熱巖等復(fù)雜難鉆地層。另一方面，如圖13所示，隨著鉆壓的不斷增加（大于30 kN），超大齒PDC鉆頭在花崗巖地層的破巖效果逐漸接近甚至超過小齒PDC鉆頭，這說明超大齒的機(jī)械鉆速與鉆壓關(guān)系曲線更加陡峭。隨著超高鉆壓的使用[13]，超大齒PDC鉆頭擁有更高的提速潛力。

4 結(jié)論

1）理論分析表明，通過增加PDC切削齒尺寸（“包絡(luò)圓”直徑），可有效提高PDC鉆頭的機(jī)械鉆速。全尺寸鉆頭破巖實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試用結(jié)果均證明，與?16 mm PDC切削齒相比，?22 mm PDC切削齒在可鉆性較好地層展現(xiàn)出更大的提速潛力。

2）常規(guī)鉆壓下?22 mm PDC切削齒在破碎花崗巖時(shí)破巖效果不如小齒（?16 mm），導(dǎo)致鉆頭機(jī)械鉆速慢。但超大齒破碎硬巖地層的機(jī)械鉆速與鉆壓關(guān)系曲線更加陡峭，在大鉆壓下可實(shí)現(xiàn)更好的提速效果。

3）從鉆頭與地層適配性的角度分析，?22 mm PDC切削齒適用于可鉆性較好的上部地層，例如?241.3 mm、?311.2 mm、?444.5 mm等大尺寸井眼。受限于當(dāng)前超硬破巖材料和鉆井技術(shù)裝備水平，超大齒尚不適用于深部復(fù)雜地層。

4）室內(nèi)耐用性實(shí)驗(yàn)表明，與相同基材相同制備工藝的?16 mm PDC切削齒相比，?22 mm切削齒的抗沖擊韌性更好，但耐磨性稍差。6次現(xiàn)場(chǎng)試用結(jié)果表明，?22 mm切削齒的耐用性足以滿足可鉆性較好地層的實(shí)際鉆井要求。

5）很多早期的PDC鉆頭創(chuàng)新理念受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)與裝備水平，無法發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)而被暫時(shí)棄用，但其基本原理是正確的。隨著技術(shù)進(jìn)步與裝備改善，這些早期理念將會(huì)煥發(fā)出新的生機(jī)。