高德利，劉 維，萬(wàn)緒新，郭 勇

（1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（北京）），北京 102249；2.中石化勝利石油工程有限公司，山東東營(yíng) 257000；3.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

一只鉆頭的進(jìn)尺和機(jī)械鉆速對(duì)于井隊(duì)和鉆頭廠家都很重要，但令人不解的是我國(guó)鉆頭廠家對(duì)于鉆頭目標(biāo)地層和應(yīng)用參數(shù)的相關(guān)規(guī)定甚少，如何使用鉆頭主要取決于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員或操作人員。盡管現(xiàn)場(chǎng)人員擁有深厚的技術(shù)積累和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但某一時(shí)期的先進(jìn)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)難免具有“滯后性”。很多時(shí)候，PDC 鉆頭的應(yīng)用參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量和泵壓等）和底部鉆具組合基本上相對(duì)固定，每趟鉆只是“遵照規(guī)范”在框架內(nèi)簡(jiǎn)單調(diào)整鉆井參數(shù)，隨機(jī)試用不同廠家的鉆頭和工具，對(duì)于PDC鉆頭鉆井提速背后的基本理論與關(guān)鍵因素缺乏深入研究。與之相比，國(guó)外鉆井工程中PDC鉆頭的應(yīng)用參數(shù)范圍更加寬泛靈活，高鉆壓（>200 kN）、高轉(zhuǎn)速（>300 r/min）等鉆井參數(shù)強(qiáng)化已成為常規(guī)設(shè)計(jì)控制內(nèi)容，PDC 鉆頭在國(guó)外難鉆地層的成功應(yīng)用也常常突破國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知，值得我們深思與借鑒。

筆者團(tuán)隊(duì)圍繞國(guó)際鉆井提速技術(shù)最新進(jìn)展，通過(guò)理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、案例分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等，深入分析了鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭設(shè)計(jì)等鉆井提速關(guān)鍵因素及其影響規(guī)律，探討了鉆井參數(shù)強(qiáng)化與PDC 鉆頭磨損的內(nèi)在聯(lián)系，闡釋了造成PDC 鉆頭過(guò)早失效的主因，澄清了因機(jī)理認(rèn)識(shí)不清而引起的PDC 鉆頭的常見使用誤區(qū)，以期為PDC 鉆頭合理使用與鉆井提速技術(shù)創(chuàng)新提供有益參考。

1 影響PDC 鉆頭鉆井提速的直接因素

PDC 鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖可簡(jiǎn)單分為吃入地層和旋轉(zhuǎn)切削巖石2 個(gè)獨(dú)立過(guò)程[1]。鉆頭處于高效破巖狀態(tài)時(shí)，施加的鉆壓應(yīng)與PDC 鉆頭吃入地層的深度呈線性關(guān)系，鉆壓越高，鉆頭吃入地層越深，當(dāng)扭矩充足時(shí)即可破碎相應(yīng)吃入深度的巖石[2–10]。因此，鉆壓（吃入深度）和轉(zhuǎn)速是影響鉆頭機(jī)械鉆速的最直接因素，三者符合以下線性關(guān)系：

式中：v為機(jī)械鉆速，m/h；d為鉆頭旋轉(zhuǎn)一周的吃入深度，m/r；r為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min。

雖然式（1）是對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速三者關(guān)系的定性描述，其計(jì)算結(jié)果也與實(shí)際機(jī)械鉆速相差較大（由于脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐牡仍颍@進(jìn)時(shí)鉆頭在井底壓力下的破巖效率可能只有常壓環(huán)境下的30%～40%），但無(wú)論是在常壓環(huán)境下還是在井底壓力環(huán)境下，PDC鉆頭處于高效破巖狀態(tài)時(shí)的機(jī)械鉆速均應(yīng)與鉆壓保持線性關(guān)系[2–10]，如圖1 所示。

圖1 鉆頭高效破巖時(shí)鉆壓與機(jī)械鉆速的關(guān)系示意Fig. 1 Relationship between WOB and ROP during efficient rock-breaking of the bit

通過(guò)室內(nèi)全尺寸鉆頭破巖試驗(yàn)裝置，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)式（1）進(jìn)行了簡(jiǎn)單驗(yàn)證。選取可鉆性較好的石灰?guī)r（單軸抗壓強(qiáng)度89 MPa）和可鉆性差的花崗巖（單軸抗壓強(qiáng)度204 MPa）作為鉆進(jìn)巖樣，采用相同的?215.9 mm PDC 鉆頭設(shè)計(jì)（4 刀翼、?16.0 mm 切削齒），分別裝配平面圓形齒（基準(zhǔn)）、異形齒1 和異形齒2。試驗(yàn)過(guò)程中以鉆壓為參變量，提供充足排量的清水以清潔井底。試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，無(wú)論鉆遇可鉆性較好的石灰?guī)r或可鉆性差的花崗巖，還是采用不同齒形的切削齒，PDC 鉆頭的機(jī)械鉆速與鉆壓之間都符合線性關(guān)系；而且在相同鉆壓下，地層可鉆性越好，切削齒和鉆頭的攻擊性越強(qiáng)，則鉆頭的機(jī)械鉆速就會(huì)越快。

圖2 巖性和齒形對(duì)鉆壓與機(jī)械鉆速之間關(guān)系曲線的影響Fig. 2 Effects of lithology and cutter shape on relationship curve between WOB and ROP

當(dāng)鉆速較慢時(shí)，提高鉆壓是鉆井工程中常用的提速措施之一，但很多時(shí)候并不會(huì)收到預(yù)期的提速效果，即鉆壓與機(jī)械鉆速之間出現(xiàn)非線性響應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通常將之歸因于鉆頭失效或地層因素，但很多時(shí)候PDC 鉆頭的出井狀況比較好。實(shí)際上，鉆壓與機(jī)械鉆速的非線性響應(yīng)往往是由于鉆井“異?！币蛩豙2–10]，不能單純歸因于難鉆地層固有屬性或鉆頭過(guò)早失效。鉆頭破巖效率低或者鉆頭過(guò)早失效只是鉆井“異?！币蛩禺a(chǎn)生的結(jié)果。

鉆井“異?！币蛩匕ǎ?）直接影響鉆頭表現(xiàn)的因素，例如鉆頭的軸向、扭轉(zhuǎn)、橫向等振動(dòng)（渦動(dòng)、粘滑、跳鉆等），井底清潔不佳，切削齒泥包或鉆頭泥包，地層非均質(zhì)性，破巖方式與地層巖性不匹配等，如圖3 所示；2）影響鉆井能量輸入的非鉆頭因素，例如地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜限制了井下動(dòng)力鉆具的使用，井下管柱屈曲效應(yīng)，頂驅(qū)和工具的抗扭極限低，井斜角大需輕壓吊打，MWD 等工具信號(hào)采集，長(zhǎng)水平段存在攜巖、托壓等問(wèn)題。

圖3 “異?！币蛩刈饔脮r(shí)鉆壓與機(jī)械鉆速的關(guān)系示意Fig. 3 Relationship between WOB and ROP under influences of “abnormal” factors

美國(guó)學(xué)者推薦通過(guò)試鉆法確定并消除這些“異?！币蛩豙5–10]。例如，首先提高鉆壓直至鉆壓與機(jī)械鉆速出現(xiàn)非線性響應(yīng)，然后通過(guò)分析機(jī)械比能（mechanical specific energy，簡(jiǎn)稱MSE）等鉆井?dāng)?shù)據(jù)，確定鉆井“異常”原因，然后消除“異?！笔广@壓與機(jī)械鉆速重回線性關(guān)系；然后再提高鉆壓，以此往復(fù)。在此過(guò)程中，MSE 起著至關(guān)重要的作用，尤其是井下MSE 能夠很好地表征鉆頭破巖效率，可用來(lái)實(shí)時(shí)評(píng)判鉆頭在井底是否高效破巖鉆進(jìn)。2004年?？松梨诠臼紫葘SE 應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)，輔助井隊(duì)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井工況，獲得了較好的提速效果，從而得到廣泛應(yīng)用[3–12]。

2 高鉆壓對(duì)PDC 鉆頭鉆速和磨損的影響

2020—2021 年，美國(guó)能源部“地?zé)崮芮把赜^測(cè)研究計(jì)劃（FORGE）”在猶他州先后完成3 口干熱巖勘探井（16A（78）-32 井、56-32 井和78B-32 井），通過(guò)采用200 kN 以上高鉆壓和異形齒PDC 鉆頭，實(shí)現(xiàn)了高溫花崗巖地層（單軸抗壓強(qiáng)度207～276 MPa）的優(yōu)快鉆進(jìn)。最后一口井（78B-32 井）更是采用了295 kN 的高鉆壓（最高用到308 kN），在高溫花崗巖地層實(shí)現(xiàn)最大進(jìn)尺643 m，最高機(jī)械鉆速29 m/h，大幅領(lǐng)先于世界其他地區(qū)的干熱巖鉆進(jìn)指標(biāo)[8–13]。FORGE 鉆井?dāng)?shù)據(jù)表明，高鉆壓（>200 kN）下PDC 鉆頭在花崗巖地層的機(jī)械鉆速與施加的鉆壓仍然保持線性關(guān)系，并且鉆頭渦動(dòng)在高鉆壓下也得到了有效抑制，此時(shí)PDC 鉆頭鉆遇花崗巖變成了純磨損問(wèn)題。另外，在頂驅(qū)、井下動(dòng)力鉆具、加粗鉆桿的配合下，高鉆壓并未引發(fā)PDC 鉆頭的憋鉆、粘滑等問(wèn)題。FORGE 項(xiàng)目中，308 kN 的最高鉆壓取自PDC 鉆頭的最大安全承載，如果鉆頭承載進(jìn)一步增大，則鉆壓還會(huì)隨之提高。

與之相比，我國(guó)鉆井工程采用的鉆壓范圍相對(duì)保守：PDC 鉆頭在陸上油田鉆進(jìn)一般地層的推薦鉆壓是40～80 kN，鉆速很快或吊打糾斜時(shí)鉆壓往往只有10～20 kN，采用鉆井參數(shù)強(qiáng)化時(shí)鉆壓可提高至80～120 kN；鉆速較慢時(shí)，如鉆遇硬巖地層，也偶爾嘗試120～150 kN 高鉆壓，但不是常規(guī)操作，PDC 鉆頭施加150 kN 以上鉆壓的案例鮮有報(bào)道。PDC 鉆頭在海上油田的作業(yè)參數(shù)相對(duì)激進(jìn)，在上部地層大尺寸井眼會(huì)使用160～180 kN 的高鉆壓，隨著井深增大，鉆壓會(huì)逐步降低。不得不承認(rèn)，美國(guó)采用200 kN 以上高鉆壓與我國(guó)鉆井技術(shù)人員長(zhǎng)期堅(jiān)持的“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速”PDC 鉆頭使用原則相違背。針對(duì)高鉆壓的一個(gè)主要質(zhì)疑是，低鉆壓能保護(hù)鉆頭，而提高鉆壓會(huì)加速PDC 鉆頭的磨損，縮短其使用壽命。為了探究鉆壓與PDC 鉆頭磨損的真實(shí)關(guān)系，筆者團(tuán)隊(duì)開展了以下相關(guān)研究。

從摩擦學(xué)角度分析，PDC 切削齒和鉆頭的磨損與其所受載荷（鉆壓）、行進(jìn)距離均呈正相關(guān)性。不同于鉆頭進(jìn)尺，行進(jìn)距離是指PDC 切削齒隨鉆頭鉆進(jìn)而行進(jìn)的總運(yùn)動(dòng)距離。所受鉆壓越高、行進(jìn)距離越遠(yuǎn)，鉆頭的磨損就會(huì)越多。另一方面，提高鉆壓會(huì)增加切削齒吃入地層的深度，增大切削齒與井底的接觸面積，無(wú)論鉆壓高低，鉆壓所產(chǎn)生的切削齒與地層接觸面的單位面積載荷應(yīng)與鉆遇巖石的原位強(qiáng)度相等，即切削齒的單位面積所受載荷取決于巖石力學(xué)性能，與鉆壓無(wú)關(guān)，如果兩者尚未達(dá)到平衡狀態(tài)，切削齒的吃入深度會(huì)繼續(xù)增大直至達(dá)到平衡或者巖石發(fā)生破裂。另外，鉆壓的施載區(qū)域是切削齒的整個(gè)接觸面積，而切削齒發(fā)生摩擦的區(qū)域只是切削齒的邊緣（倒角附近）。因此，與鉆壓相比，行進(jìn)距離對(duì)PDC 切削齒和鉆頭磨損的影響更大[8–10,14–16]。PDC 鉆頭本身也提供了一個(gè)很好的證明，雖然PDC鉆頭中心區(qū)域所受載荷最大，但實(shí)際上是鉆頭肩部區(qū)域的切削齒磨損更為嚴(yán)重，這是因?yàn)殂@頭肩部徑向距離大、線速度快，切削齒的行進(jìn)距離要遠(yuǎn)大于鉆頭中心區(qū)域。

利用國(guó)際油服公司通用的立式轉(zhuǎn)塔車床切削花崗巖濕磨試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱VTL 試驗(yàn)）[17]，筆者團(tuán)隊(duì)研究了行進(jìn)距離對(duì)PDC 切削齒磨損量的影響規(guī)律。試驗(yàn)對(duì)象是?16.0 mm 平面圓形齒，研磨對(duì)象是外徑1100 mm、內(nèi)徑280 mm 的圓筒狀花崗巖，PDC 切削齒從巖石外徑到內(nèi)徑切削1 圈的行進(jìn)距離是567.5 m。試驗(yàn)時(shí)，線速度為100 m/min，進(jìn)給速度為1.57 mm/r，吃入深度為0.5 mm，并用清水作冷卻液。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，PDC 切削齒的行進(jìn)距離越遠(yuǎn)，其磨損面積越大，兩者之間呈近線性關(guān)系。

圖4 脫鈷PDC 切削齒的磨損面積與其行進(jìn)距離的關(guān)系Fig. 4 Relationship between wear area and travel distance of leached PDC cutter

從鉆井工程的角度分析，每趟鉆都是一個(gè)有時(shí)限的過(guò)程，期望以最佳鉆具組合和鉆井參數(shù)在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大進(jìn)尺。基于式（1），PDC 鉆頭處于高效破巖狀態(tài)時(shí)，鉆壓越高，鉆頭吃入地層會(huì)越深，機(jī)械鉆速也會(huì)越快，那么完成相同進(jìn)尺所需的行進(jìn)距離就會(huì)越短。如圖5 所示，以? 215.9 mm 鉆頭為例，假設(shè)轉(zhuǎn)速為150 r/min，進(jìn)尺為180 m，吃入深度為2 mm/r，則鉆頭最外側(cè)PDC 切削齒的行進(jìn)距離為61013 m；如果吃入深度為4 mm/r，則切削齒的行進(jìn)距離只有30507 m。再基于行進(jìn)距離與切削齒磨損的關(guān)系（見圖4）可以推出，PDC 鉆頭在井底高效破巖時(shí)，鉆壓越高，鉆頭行進(jìn)距離會(huì)越短，鉆頭磨損會(huì)隨之減少。這一推論與國(guó)外已發(fā)表文獻(xiàn)的推論一致[8–10,14–16,18]，但與我國(guó)以往工程經(jīng)驗(yàn)“提高鉆壓會(huì)加速鉆頭磨損”不一致。

圖5 相同進(jìn)尺下PDC 鉆頭吃入深度與切削齒行進(jìn)距離的關(guān)系Fig. 5 Relationship between cut depth of PDC bit and travel distance of cutter under the same drilling footage

利用VTL 試驗(yàn)，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)“鉆壓越高，鉆頭磨損越小”這一推論進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)仍然采用?16.0 mm 平面圓形齒和花崗巖圓柱，使用恒定的切削深度來(lái)模擬相同的進(jìn)尺，通過(guò)增加切削齒的吃入深度來(lái)模擬鉆壓不斷升高以及相同進(jìn)尺下切削齒行進(jìn)距離不斷減小。吃入深度與行進(jìn)距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 中#1–#6 所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示，在相同切削參數(shù)下PDC 切削齒的吃入深度越大（代表鉆壓越高），PDC 切削齒的磨損體積會(huì)越小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明“鉆壓越高，鉆頭磨損越小”的推論是正確的。請(qǐng)注意，本結(jié)論的前提是PDC 鉆頭處于高效破巖狀態(tài)，這時(shí)鉆壓與PDC 切削齒的吃入深度之間以及鉆壓與機(jī)械鉆速之間均呈線性關(guān)系。如果提高鉆壓，PDC 切削齒仍然無(wú)法有效吃入地層，機(jī)械鉆速仍然很慢，如鉆遇極硬地層，那么提高鉆壓只會(huì)加速鉆頭磨損。

表1 VTL 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Vertical turning lathe (VTL) test parameters

圖6 相同進(jìn)尺下PDC 鉆頭吃入深度與切削齒磨損體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 6 Relationship between the wear volume loss of PDC cutter and the cut depth under the same footage

雖然圖6 中很低的鉆壓和很淺的吃入深度（0.5 mm）也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較小的切削齒磨損，但0.5 mm尚未達(dá)到PDC 鉆頭高效破巖的臨界吃入深度，這時(shí)PDC 鉆頭的破巖方式更加接近于研磨而非剪切，導(dǎo)致鉆頭機(jī)械鉆速低而且需要消耗更多的鉆井能量來(lái)破碎巖石（MSE 偏大）[18–20]，例如實(shí)施10～20 kN 鉆壓吊打，撈砂巖屑很細(xì)且不成形，雖然PDC 鉆頭出井磨損較輕，但機(jī)械鉆速很慢。隨著鉆壓和鉆頭吃入深度增加，PDC 鉆頭會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)高效破巖，圖1中的鉆壓與機(jī)械鉆速之間會(huì)形成線性響應(yīng)，MSE 也隨之降低直至趨于某一定值。

PDC 鉆頭處于高效破巖狀態(tài)時(shí)，提高鉆壓可減少鉆頭磨損。那么PDC 鉆頭可施加的極限鉆壓是多少呢？這取決于PDC 鉆頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限（最大承載）、底部鉆具組合各個(gè)組件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限、鉆機(jī)的加載能力、井下管柱屈曲效應(yīng)、頂驅(qū)和井下動(dòng)力鉆具的抗扭極限等諸多因素。美國(guó)鉆井?dāng)?shù)據(jù)顯示，目前?215.9 mm PDC 鉆頭的最大承載可達(dá)350 kN，而過(guò)去經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為這個(gè)數(shù)值不會(huì)超過(guò)159 kN[15]。隨著技術(shù)進(jìn)步，PDC 鉆頭最大承載還將不斷增加，可確保高鉆壓的安全施加。另外，與鉆頭廠商溝通時(shí)建議確定2 個(gè)數(shù)值，一個(gè)是鉆頭的最高推薦鉆壓，另一個(gè)是鉆頭的最大承載。美國(guó)鉆井?dāng)?shù)據(jù)證明，可在這2 個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)選取最佳鉆壓，而不是以最高推薦鉆壓為極限[8–13]。

“PDC 鉆頭+高鉆壓”配合井下動(dòng)力鉆具（大扭矩螺桿等），可有效提升機(jī)械鉆速并降低鉆頭磨損。但是，并非每趟鉆都需要采用高鉆壓。提高鉆壓只是手段，實(shí)現(xiàn)鉆頭有效吃入地層才是目的。上部地層松軟，可鉆性好，20～60 kN 鉆壓配合水力參數(shù)強(qiáng)化（大排量、高泵壓）即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆進(jìn)。隨著地層壓實(shí)致密，巖石抗壓強(qiáng)度和原位強(qiáng)度不斷增大，才需要相應(yīng)提高鉆壓。

在硬巖地層（如花崗巖），PDC 鉆頭機(jī)械鉆速與鉆壓之間仍會(huì)保持線性關(guān)系（見圖2 和FORGE 案例），而且提高鉆壓可有效減緩鉆頭磨損（見圖6）。因此，與我國(guó)以往工程經(jīng)驗(yàn)“硬地層適當(dāng)減壓”不一致，鉆遇硬巖地層，建議采用“鉆井參數(shù)強(qiáng)化（尤其是高鉆壓）+高布齒密度異形齒PDC 鉆頭”，而且在鉆頭新入井、切削齒完好時(shí)，盡快盡可能提高鉆壓、提高排量，以實(shí)現(xiàn)“提鉆速、搶進(jìn)尺”的目標(biāo)。這為大段均質(zhì)硬巖地層提速提供了全新視角和設(shè)計(jì)控制思路。一個(gè)典型反面案例是，鉆遇硬巖采用40～80 kN 常規(guī)加壓或者是低鉆壓鉆進(jìn)，導(dǎo)致PDC鉆頭的吃入深度無(wú)法達(dá)到高效破巖的臨界值[18]，鉆頭在井底打滑，造成鉆頭既沒(méi)有鉆速又無(wú)進(jìn)尺，急劇增加的行進(jìn)距離會(huì)加劇鉆頭磨損，類似于在砂紙上來(lái)回摩擦。而且，鉆壓不足、鉆頭吃入地層淺，極易造成鉆頭在硬巖地層失穩(wěn)，發(fā)生渦動(dòng)和跳鉆，加速鉆頭損傷。

“PDC 鉆頭+高鉆壓”的具體實(shí)施受限于實(shí)際鉆井工況，例如：地層傾角大，高鉆壓易造斜；井下情況復(fù)雜，難以使用螺桿等井下動(dòng)力鉆具；定向糾斜需輕壓吊打等。復(fù)雜工況對(duì)高鉆壓的限制可通過(guò)先進(jìn)鉆井技術(shù)與裝備予以解決，例如在高陡構(gòu)造的順北區(qū)塊，采用垂鉆工具，可實(shí)現(xiàn)PDC 鉆頭、大扭矩螺桿配合高鉆壓的有效實(shí)施[21–22]。

3 高轉(zhuǎn)速對(duì)PDC 鉆頭鉆速和磨損的影響

影響PDC 鉆頭鉆井提速的核心且首選參數(shù)是鉆壓[10,23–24]，但當(dāng)鉆壓受限或提高鉆壓的成本太高時(shí)（如小井眼管柱易屈曲、頂驅(qū)設(shè)有扭矩極限等），可考慮提高轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井提速，見式（1）。請(qǐng)注意，通過(guò)高轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)鉆井提速的前提也是鉆頭能夠有效吃入地層，抑制鉆頭振動(dòng)，保證鉆頭穩(wěn)定鉆進(jìn)。

“PDC 鉆頭+高轉(zhuǎn)速”在我國(guó)油氣鉆井工程中的應(yīng)用相對(duì)較少：1）對(duì)于一般地層而言，“PDC 鉆頭+高轉(zhuǎn)速鉆具”與“PDC 鉆頭+大扭矩螺桿”、“PDC 鉆頭+鉆井參數(shù)充分釋放”相比并未表現(xiàn)出優(yōu)越性，而且目前井下高轉(zhuǎn)速鉆具仍以高速螺桿和渦輪為主，其經(jīng)濟(jì)性、耐用性、適應(yīng)性等也相對(duì)較差；2）PDC 切削齒自身的抗沖擊性較差，導(dǎo)致PDC 鉆頭在強(qiáng)非均質(zhì)地層的應(yīng)用效果不理想，例如在含礫地層高轉(zhuǎn)速會(huì)加劇PDC 鉆頭的失效；以PDC 鉆頭自身為例，鉆頭肩部區(qū)域的切削齒被礫石沖擊的損傷程度要遠(yuǎn)大于線速度慢的鉆頭中心區(qū)域；3）高轉(zhuǎn)速也不適用于極硬地層，高轉(zhuǎn)速鉆具的承壓和扭矩輸出較小，在深部地層鉆具還會(huì)受到壓耗、排量和泵壓的進(jìn)一步約束，導(dǎo)致PDC 鉆頭在極硬地層難以獲得足夠的鉆井能量來(lái)有效吃入和剪切地層，鉆頭易發(fā)生打滑、跳鉆等[25]，造成過(guò)早失效，例如在新疆石炭系火成巖地層“PDC 鉆頭+高速螺桿”的進(jìn)尺和機(jī)械鉆速均不理想[26]。

以往鉆井資料表明，在大段均質(zhì)中硬—硬地層，例如研磨性強(qiáng)的砂巖，“PDC 鉆頭+高轉(zhuǎn)速”具有較大的提速潛力[27–28]。但是，關(guān)于“PDC 鉆頭+高轉(zhuǎn)速”的擔(dān)憂（高轉(zhuǎn)速會(huì)加劇PDC 切削齒的磨損）限制了其推廣應(yīng)用。利用VTL 試驗(yàn)，筆者團(tuán)隊(duì)研究了轉(zhuǎn)速對(duì)PDC 切削齒磨損的影響規(guī)律。試驗(yàn)采用?16.0 mm 平面圓形齒和花崗巖圓柱，設(shè)定1 mm 吃入深度和34049 m 行進(jìn)距離。通過(guò)線速度的變化來(lái)模擬轉(zhuǎn)速的變化，如表1 中#7–#10 所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，PDC 切削齒的磨損體積隨著線速度（轉(zhuǎn)速）增加而增大，而且當(dāng)線速度超過(guò)某一閾值（本試驗(yàn)為140 m/min）時(shí)，切削齒磨損體積與行進(jìn)距離之間不再是線性關(guān)系，磨損速率明顯增大。與“鉆木取火”原理相同，轉(zhuǎn)速越快，切削齒與巖石的摩擦生熱時(shí)間越短，且摩擦熱不能及時(shí)向外傳導(dǎo)，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)摩擦熱大量積聚，切削齒溫度升高，加速切削齒的磨損（磨粒磨損+熱損傷）。

圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)PDC 切削齒磨損體積的影響Fig. 7 Effect of rotary speed on wear volume of PDC cutter

另外，在高轉(zhuǎn)速下，如果切削齒無(wú)法有效吃入地層，依據(jù)前面的研究結(jié)果可推知PDC 切削齒的磨損會(huì)更加嚴(yán)重（見圖5 和圖6）。國(guó)民油井公司研究了“高轉(zhuǎn)速、低吃入”對(duì)PDC 切削齒磨損的影響[15]，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)與本文的VTL 試驗(yàn)類似，但沒(méi)有采用冷卻液。試驗(yàn)設(shè)定了不同的吃入深度和線速度，也是通過(guò)線速度變化來(lái)模擬轉(zhuǎn)速變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，PDC 切削齒的磨損與摩擦熱緊密相關(guān)，而摩擦熱取決于轉(zhuǎn)速和磨口尺寸；在“高轉(zhuǎn)速、低吃入”下，切削齒的溫度會(huì)快速升高，導(dǎo)致其在很短的行進(jìn)距離內(nèi)磨損失效。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同吃入深度下提高轉(zhuǎn)速會(huì)加劇PDC 切削齒的磨損；如果吃入地層較淺，如在極硬地層，切削齒在高轉(zhuǎn)速下的磨損將更為迅速。值得注意的是，“高轉(zhuǎn)速造成低吃入”主要是由于施加的鉆壓較低，或是井下動(dòng)力鉆具的輸出扭矩較小限制了鉆壓的施加。如果PDC 鉆頭采用高布齒密度，這一現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。因此，采用高轉(zhuǎn)速時(shí)，在扭矩允許范圍內(nèi)，建議盡量提高鉆壓，以便達(dá)到一定的吃入深度，這樣既可以提高機(jī)械鉆速又可以減緩切削齒的磨損。

提高轉(zhuǎn)速將加劇PDC 切削齒的磨損，那么高轉(zhuǎn)速還適用于PDC 鉆頭嗎？這與“地層巖性對(duì)PDC切削齒耐磨性的客觀要求”有關(guān)（后文詳細(xì)論述），也與PDC 切削齒性能不斷提升有關(guān)。以下數(shù)據(jù)可供參考。在大扭矩螺桿興起之前（20 世紀(jì)80 年代早期至2005 年），有30%的渦輪鉆具(500～1500 r/min)是配合PDC 鉆頭一起使用的，兩者創(chuàng)造了很多在今天看來(lái)仍然是非常優(yōu)異的鉆井提速數(shù)據(jù)，包括在砂巖地層單趟鉆進(jìn)尺1368 m[27]。在塔河油田的超深井，我國(guó)的井下渦輪鉆具搭配PDC 鉆頭也多次試用成功[29]。值得注意的是，現(xiàn)在的PDC 切削齒質(zhì)量與2010 年之前相比已不可同日而語(yǔ)，完全可以滿足PDC 鉆頭在400～500 r/min 高轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)久高效鉆進(jìn)大多數(shù)地層[10]。高速螺桿等高轉(zhuǎn)速動(dòng)力鉆具搭配PDC 鉆頭也已成為國(guó)外鉆井的常規(guī)選項(xiàng)[30]。

基于以上研究，筆者團(tuán)隊(duì)提出了“高鉆壓+高轉(zhuǎn)速+高布齒密度PDC 鉆頭”三高提速技術(shù)方案。在井下鉆具允許范圍內(nèi)，盡可能提高鉆壓，以保證PDC鉆頭在高轉(zhuǎn)速下仍然可以有效吃入地層。同時(shí)，也可選擇攻擊性更強(qiáng)的異形齒PDC 鉆頭，在相同鉆壓下異形齒能夠?qū)崿F(xiàn)更大的吃入深度[31]。三高提速技術(shù)方案在新疆瑪南風(fēng)城組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。風(fēng)城組巖性以砂礫巖（粒徑較?。┖蜕皫r為主，砂巖取心巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度為150 MPa。地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，常規(guī)鉆具組合的提速效果不理想?；陲L(fēng)城組地層高效破巖機(jī)理研究及關(guān)鍵影響因素分析，筆者團(tuán)隊(duì)確定了“高速螺桿+高鉆壓+6～8 刀翼PDC 鉆頭”的提速技術(shù)方案，其中高速螺桿可提供高轉(zhuǎn)速且保證相對(duì)較大的輸出扭矩（見表2），80～100 kN 高鉆壓確保鉆頭能有效吃入地層，6～8 刀翼的高布齒密度可延長(zhǎng)PDC 鉆頭在砂巖地層的使用壽命?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果（見表3）顯示，與常規(guī)鉆具組合（鉆頭+轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)、PDC 鉆頭+常規(guī)螺桿、PDC 鉆頭+旋導(dǎo)、孕鑲鉆頭+渦輪）相比，三高提速技術(shù)方案大幅提升了PDC 鉆頭的單趟鉆進(jìn)尺和機(jī)械鉆速。

表2 高速螺桿與常規(guī)螺桿參數(shù)對(duì)比Table 2 Parameter comparison between high-speed motor and conventional motor

表3 瑪南風(fēng)城組不同鉆具組合的鉆井指標(biāo)Table 3 Drilling performances of various bottom-hole assemblies in Fengcheng Formation on southern slope of Mahu Sag

4 布齒密度對(duì)PDC 鉆頭鉆速的影響

在可鉆性較好地層，如老油田井深3000 m 以淺的井段，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通常要求采用“少刀翼、大片子”PDC 鉆頭以保證機(jī)械鉆速。最常用的鉆頭是?19.0 mm 復(fù)合片四刀翼PDC 鉆頭，甚至是?19.0 mm復(fù)合片三刀翼PDC 鉆頭?！吧俚兑怼⒋笃印盤DC鉆頭的優(yōu)勢(shì)主要包括：1）布齒密度低、齒間距離大，相同鉆壓下單齒承受載荷更高，吃入地層更深，鉆頭旋轉(zhuǎn)一圈所需扭矩小而破巖量多；2）鉆頭擁有更大的排屑槽面積和開面體積，冷卻和排巖效果更好，可減少切削齒和鉆頭泥包。

“少刀翼、大片子”PDC 鉆頭是在鉆井裝備能力有限情況下的一種妥協(xié)和優(yōu)選。由于井深相對(duì)較淺，鉆井成本受限，作業(yè)隊(duì)伍以30 型和40 型鉆機(jī)為主，鉆壓、泵壓、排量等鉆井參數(shù)受限，螺桿質(zhì)量也參差不齊，這時(shí)可以充分發(fā)揮“少刀翼、大片子”PDC 鉆頭的優(yōu)勢(shì)，但隨著鉆井技術(shù)與裝備水平不斷提升，“少刀翼、大片子”PDC 鉆頭的優(yōu)勢(shì)必然會(huì)逐漸淡化，而其劣勢(shì)則不斷顯現(xiàn)：1）刀翼數(shù)少，導(dǎo)致鉆頭穩(wěn)定性和導(dǎo)向性差；2）布齒密度低，鉆頭耐用性差，不利于鉆穿多套不同巖性地層。

為了探究鉆頭布齒密度（刀翼數(shù)、切削齒尺寸）與機(jī)械鉆速的關(guān)系，筆者團(tuán)隊(duì)在勝利油田羅家區(qū)塊開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)井位相鄰，井身結(jié)構(gòu)相似（?241.3 mm 井眼，都是三開次井身結(jié)構(gòu)的二開井段，由井深約300 m 鉆至約2800 m），鉆遇地層相同（平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組及沙河街組的沙一段、沙二段和沙三段），裝備及人員相對(duì)固定。試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，常用?19.0 mm 復(fù)合片四刀翼SK419-YS 型PDC 鉆頭的機(jī)械鉆速最低，?19.0 mm復(fù)合片五刀翼 SK519-YS 型PDC 鉆頭表現(xiàn)較好，機(jī)械鉆速最高的是?22.0 mm 復(fù)合片五刀翼 SK522-YS型PDC 鉆頭，其采用了大齒快切提速設(shè)計(jì)[32]。

圖8 勝利油田羅家區(qū)塊二開鉆井指標(biāo)Fig. 8 Drilling data from Luojia block in Shengli Oilfield

如式（1）所示，布齒密度并不與機(jī)械鉆速直接相關(guān)，即刀翼數(shù)、切削齒尺寸并不是影響PDC 鉆頭機(jī)械鉆速的直接因素?！吧俚兑?、大片子”的鉆頭優(yōu)勢(shì)完全可以通過(guò)鉆井參數(shù)強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)。高鉆壓配合高效PDC 鉆頭，可獲得更大的吃入深度和更多的破巖量；頂驅(qū)或者轉(zhuǎn)盤配合井下動(dòng)力鉆具，可實(shí)現(xiàn)大扭矩切削；采用大排量高泵壓可以及時(shí)清潔井底、排走巖屑，消除切削齒和鉆頭泥包，在上部地層還可發(fā)揮水力破巖作用。圖8 中的SK519-YS 型鉆頭在羅家區(qū)塊的最高日進(jìn)尺是1082 m，而相同設(shè)計(jì)的鉆頭在勝利油田頁(yè)巖油井，通過(guò)采用鉆井參數(shù)強(qiáng)化（見表4），可實(shí)現(xiàn)班進(jìn)尺上千米，日進(jìn)尺1700 m 以上，由此可見鉆井參數(shù)強(qiáng)化的優(yōu)異提速效果。

表4 勝利油田常規(guī)鉆井參數(shù)與強(qiáng)化鉆井參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of conventional and enhanced drilling parameters in Shengli Oilfield

同理，只要提供充足的鉆壓、扭矩、泵壓和排量，保證“吃得進(jìn)去，切得下來(lái)，排得及時(shí)”三者動(dòng)態(tài)平衡，則即便“多刀翼、小齒”的高布齒密度PDC 鉆頭也可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆進(jìn)。以下案例可供參考。美國(guó)FORGE 78B-32 干熱巖井鉆遇高溫花崗閃長(zhǎng)巖，通過(guò)采用鉆井參數(shù)強(qiáng)化配合高布齒密度異形齒PDC 鉆頭（TKC83 型，8 刀翼、?13.0 mm 復(fù)合片），單趟鉆平均機(jī)械鉆速超過(guò)了20 m/h，提速效果優(yōu)異（見表5[13]），超出了以往的工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知（“多刀翼、小齒”PDC 鉆頭的機(jī)械鉆速低）。

表5 美國(guó)FORGE 78B-32 井TKC83 型PDC 鉆頭鉆井指標(biāo)Table 5 Drilling data of TKC83 PDC bit in FORGE Well 78B-32

5 PDC 鉆頭過(guò)早失效的主因

目前，PDC 切削齒的抗壓強(qiáng)度在10 GPa 以上（靜壓測(cè)試），而在幾年前僅約7 GPa[14–15]。隨著高壓科學(xué)和PDC 制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，PDC 切削齒的強(qiáng)度和耐磨性得以大幅提升。在可預(yù)期的未來(lái)，PDC 切削齒的機(jī)械性能還將進(jìn)一步提升。目前，國(guó)外鉆井工程師通常將單軸抗壓強(qiáng)度高于138 MPa 的巖石稱為硬巖[15]。依據(jù)磨粒磨損機(jī)理（PDC 切削齒與巖石的抗壓強(qiáng)度之比）判斷，即便是鉆遇硬巖地層，PDC 切削齒也擁有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。以下數(shù)據(jù)可供參考：PDC 鉆頭在美國(guó)FORGE 高溫花崗巖地層實(shí)現(xiàn)單趟鉆最大進(jìn)尺643 m[9,13]；PDC 鉆頭在瑪南風(fēng)城組砂巖地層實(shí)現(xiàn)單趟鉆最大進(jìn)尺1008 m（見表3）；室內(nèi)環(huán)境下PDC 切削齒可切削數(shù)十萬(wàn)米的花崗巖（見圖4）。

既然PDC 切削齒的強(qiáng)度和耐磨性如此優(yōu)異，那么是什么原因造成了PDC 切削齒和鉆頭在難鉆地層的過(guò)早失效呢？以下是一個(gè)極端案例可供參考。日本學(xué)者率先將石墨直接合成毫米級(jí)的納米多晶金剛石塊（NPD）[33]，隨后又合成了厘米級(jí)的NPD 并在刀具行業(yè)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。由于硬度高、熱穩(wěn)定性好且無(wú)需脫鈷，NPD 受到了國(guó)外鉆井技術(shù)人員的高度關(guān)注[34]?；赩TL 試驗(yàn)裝置，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)?6.0 mm NPD 圓柱開展了室內(nèi)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NPD在接觸花崗巖后很快發(fā)生斷裂，且斷口較為光滑（見圖9）。與PDC 切削齒切削數(shù)十萬(wàn)米花崗巖相比（見圖4），NPD 的測(cè)試結(jié)果并不理想。

圖9 NPD 的耐磨性和抗沖擊性測(cè)試示意Fig. 9 Wear resistance and impact resistance tests of nano-polycrystalline diamond (NPD)

在井下鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭等破巖工具時(shí)刻遭受不同幅度不同頻率的不規(guī)律動(dòng)態(tài)沖擊，對(duì)超硬破巖材料的抗沖擊性要求很高。與PDC 切削齒相比，盡管NPD 的硬度高（NPD 的硬度為130～140 GPa，PDC 切削齒的硬度只有50～70 GPa），但從目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，NPD 的抗沖擊性較弱，尚難以適用于鉆井破巖的更高要求。由NPD 案例可以推知，油氣鉆井用破巖材料不能一味追求超高硬度，而是應(yīng)當(dāng)尋求硬度與韌性的最佳平衡，需不斷提高材料強(qiáng)韌性一體化技術(shù)水平。

聚焦到PDC 切削齒本身，動(dòng)態(tài)沖擊也是引起PDC 切削齒和鉆頭過(guò)早失效的主要原因之一。在靜態(tài)加載下PDC 切削齒以20°后傾角不斷壓入硬質(zhì)合金砧板直至破裂，切削齒表現(xiàn)出極高的抗力和強(qiáng)度（>10 GPa），這為PDC 鉆頭承受超高鉆壓提供了保證。而同樣以20°后傾角動(dòng)態(tài)沖擊硬質(zhì)合金砧板（落錘沖擊試驗(yàn)）[32]，相同PDC 切削齒則表現(xiàn)出較差的動(dòng)載沖擊抗力，而且與齒尖沖擊相比，PDC 切削齒在齒面方向的抗沖擊性更差。PDC 切削齒抵抗動(dòng)態(tài)沖擊的能力較差，導(dǎo)致PDC 鉆頭在非均質(zhì)地層的應(yīng)用受限，例如含礫地層、軟硬交替地層等[15,35]。除了地層非均質(zhì)性，鉆頭所受動(dòng)態(tài)沖擊載荷的另一主要來(lái)源是鉆頭失穩(wěn)，即PDC 鉆頭的橫向振動(dòng)（渦動(dòng)）、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（粘滑）、軸向振動(dòng)（跳鉆）以及各種復(fù)合振動(dòng)[15,36–37]。這既包括鉆柱、底部鉆具組合等引起的鉆頭振動(dòng)（如相比于直螺桿，彎螺桿更易引起渦動(dòng)），也包括鉆頭自身的振動(dòng)（如在硬地層，鉆頭吃入淺）。

基于本文數(shù)據(jù)，引起PDC 切削齒和鉆頭過(guò)早失效的另一主要原因是鉆頭的破巖效率低。機(jī)械鉆速低意味取得相同進(jìn)尺所需的行進(jìn)距離大幅增加，摩擦熱難以及時(shí)排走，造成切削齒和鉆頭的過(guò)早磨損（見圖5 和圖6）。而如何實(shí)現(xiàn)PDC 鉆頭高效破巖，則取決于鉆井參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、泵壓）、破巖方式（剪切、剪切+扭沖/旋沖/復(fù)合沖擊等）、切削齒齒形和鉆頭設(shè)計(jì)等諸多因素。

當(dāng)前PDC 鉆頭和切削齒的質(zhì)量已經(jīng)處于較高水平。因此，PDC 鉆頭要發(fā)揮最大功效，關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)鉆頭高效破巖、避免鉆頭振動(dòng)、保證鉆頭平穩(wěn)鉆進(jìn)等。盡管鉆井效果不佳時(shí)，鉆頭受到的指責(zé)、詬病最多，但PDC 鉆頭的鉆進(jìn)效果在很大程度上取決于“如何使用鉆頭”，如井下動(dòng)力鉆具類型、底部鉆具組合搭配、鉆井參數(shù)優(yōu)選、鉆井液性能優(yōu)化、操作技術(shù)水平等諸多因素。當(dāng)進(jìn)行每趟鉆作業(yè)總結(jié)時(shí)，絕不能將鉆頭孤立成單一因素，而是需要進(jìn)行綜合分析與研判。

同時(shí)，鉆井工程也對(duì)PDC 鉆頭提出了綜合需求，如破巖效率、耐用性、導(dǎo)向性、鉆頭自身的穩(wěn)定性等。那么，如何去優(yōu)選PDC 切削齒和鉆頭呢？目前，國(guó)內(nèi)鉆頭廠商主要聚焦于切削齒的性能提升，而鉆井技術(shù)人員則更多著眼于切削齒和鉆頭的破巖效果研究，雙方缺乏深入的相互理解。以圖2（b）中的異形齒2 為例，雖然該異形齒在全尺寸鉆頭破巖試驗(yàn)中獲得了較高的破巖效率和機(jī)械鉆速，但在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該異形齒容易沖擊失效，影響鉆頭的使用壽命，如圖10 所示。筆者團(tuán)隊(duì)的單齒漸進(jìn)式落錘沖擊試驗(yàn)也證明該異形齒的抗沖擊性較差[38]。由此可見，單純依賴鉆頭廠商或鉆井技術(shù)人員的單一評(píng)判方法難以真實(shí)反映鉆井工程對(duì)PDC 鉆頭的綜合需求，而且每種評(píng)判方法的測(cè)試機(jī)理和測(cè)試結(jié)果處理也存在較大的差異性和模糊性，導(dǎo)致在鉆井過(guò)程中常常難以充分發(fā)揮PDC 鉆頭的最大功效。

圖10 135°斧形齒鉆遇花崗巖時(shí)發(fā)生沖擊失效Fig. 10 Impact-induced failure of 135° axe-shaped teeth when encountering granite

國(guó)內(nèi)鉆井技術(shù)人員往往過(guò)多地依賴試錯(cuò)法和工程經(jīng)驗(yàn)，目前缺乏一套準(zhǔn)確、實(shí)用的PDC 切削齒和鉆頭的綜合評(píng)判與優(yōu)選方法。為此，筆者團(tuán)隊(duì)建議采用國(guó)際油服公司通用的測(cè)試方法：其中，鉆頭穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法3 種，分別為全尺寸鉆頭破巖試驗(yàn)[32]、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；切削齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法4 種，分別為立式轉(zhuǎn)塔車床切削花崗巖濕磨試驗(yàn)[17,32]、立式轉(zhuǎn)塔車床切削花崗巖干磨試驗(yàn)[17]、熱敏感性測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；切削齒的抗沖擊性評(píng)價(jià)方法6 種，分別為靜壓試驗(yàn)[39]、動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)（齒尖、齒面）[38]、疲勞沖擊試驗(yàn)[40]、全尺寸鉆頭耐用性試驗(yàn)[41]、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；鉆頭和切削齒的破巖效率評(píng)價(jià)方法6 種，分別為無(wú)圍壓?jiǎn)锡X破巖試驗(yàn)[31]、有圍壓?jiǎn)锡X破巖試驗(yàn)[42]、單齒切削模擬試驗(yàn)[43]、全尺寸鉆頭破巖試驗(yàn)[32]、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

利用上述國(guó)際油服公司的測(cè)試方法，針對(duì)目標(biāo)層段巖性，以PDC 鉆頭的破巖效果、耐用性和穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)判并優(yōu)選切削齒與鉆頭設(shè)計(jì)，如圖11 所示。當(dāng)然，如果現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用亟需鉆頭的其他性能（如導(dǎo)向性），可將圖11 擴(kuò)展為多元評(píng)價(jià)體系。

圖11 PDC 鉆頭的破巖、耐用、穩(wěn)定一體化綜合評(píng)價(jià)體系示意Fig. 11 Comprehensive evaluation system integrating rockbreaking efficiency,durability,and stability of PDC bit

6 PDC 切削齒的磨損機(jī)理

脫鈷可有效延長(zhǎng)PDC 切削齒在研磨環(huán)境下的使用壽命。目前，最常用的脫鈷方法是酸洗。通過(guò)氫氟酸、鹽酸等酸液，將鈷、鎢等金屬（見圖12（a）中灰色和白色孤島）從聚晶金剛石層中洗出，只保留金剛石骨骼和部分金屬殘余（見圖12（b）），能夠有效消除因金剛石與金屬熱膨脹系數(shù)不同而引發(fā)的熱損傷。利用VTL 試驗(yàn)，筆者團(tuán)隊(duì)研究了脫鈷對(duì)PDC 切削齒耐磨性的影響。試驗(yàn)設(shè)定與圖4 相同。試驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示，脫鈷后PDC 切削齒的耐磨性和熱穩(wěn)定性得到了有效提升，而且隨著磨口的不斷增大，脫鈷的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。

圖12 PDC 切削齒聚晶金剛石層的橫截面Fig. 12 Cross-sections of polycrystalline diamond layer of PDC cutter

圖13 脫鈷和未脫鈷PDC 切削齒的磨損體積與行進(jìn)距離的關(guān)系Fig. 13 Relationships between wear volumes and travel distances of leached and non-leached PDC cutters

然而脫鈷也有副作用：1）隨著鈷、鎢等軟相的流失，聚晶金剛石層將損失部分抗沖擊性和抗疲勞強(qiáng)度；2）隨著酸液流出，聚晶金剛石層內(nèi)存在眾多的內(nèi)外貫通孔隙（見圖12（b）），雜質(zhì)殘余會(huì)污染破壞聚晶金剛石性能；3）脫鈷需要的時(shí)間長(zhǎng)，增加了經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本?；赩TL 試驗(yàn)裝置，筆者團(tuán)隊(duì)采用無(wú)倒角PDC 切削齒切削花崗巖，以此測(cè)試脫鈷對(duì)PDC 切削齒抗沖擊性的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，與未脫鈷的PDC 切削齒相比，脫鈷PDC 切削齒的聚晶金剛石層邊緣更容易發(fā)生崩片，說(shuō)明脫鈷PDC 切削齒的抗沖擊性相對(duì)較差。

圖14 抗沖擊性測(cè)試后的未脫鈷PDC 切削齒形貌Fig. 14 Morphology of non-leached PDC cutter after impact resistance test

目前，國(guó)內(nèi)鉆頭廠商和鉆井技術(shù)人員都要求PDC切削齒脫鈷，而且脫鈷越深越好。然而，所有鉆井工況都需要PDC 切削齒脫鈷嗎？針對(duì)這一問(wèn)題，筆者團(tuán)隊(duì)研究了185 口井的363 只PDC 鉆頭的出井狀況，并將其分為以下3 個(gè)狀態(tài)。

狀態(tài)1：鉆頭出井后PDC 切削齒近乎無(wú)損（見圖15（a））或者輕微磨鈍（見圖15（b））。如果鉆遇可鉆性較好地層，PDC 切削齒基本不會(huì)出現(xiàn)大的磨損損傷（參見本文第5 部分），這時(shí)脫鈷對(duì)于PDC 切削齒的耐磨性影響不大，如圖13 淺綠色虛線的左邊區(qū)域。鉆遇此類地層，PDC 切削齒無(wú)需脫鈷，或只需中輕度脫鈷即可（見圖16（a））。為了驗(yàn)證未脫鈷PDC 切削齒鉆進(jìn)可鉆性較好地層的可行性，筆者團(tuán)隊(duì)在勝利油田K53-X17 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：PDC 鉆頭單趟鉆完成進(jìn)尺1674 m（井深306～1980 m），鉆遇明化鎮(zhèn)、館陶組、東營(yíng)組、沙一段、沙三段和沙四段（未穿）；鉆頭出井照片如圖17 所示，未脫鈷的PDC切削齒表現(xiàn)出良好的耐磨性，即使在鉆頭磨損潛力最大的肩部區(qū)域也未出現(xiàn)明顯的磨損損傷，說(shuō)明未脫鈷PDC 切削齒完全適用于鉆進(jìn)此類地層；整只鉆頭的主要損傷形式是齒面沖擊。截至目前，未脫鈷PDC 鉆頭已應(yīng)用23 口井，出井后鉆頭磨損形貌與圖17 類似。

圖15 PDC 切削齒的典型出井狀況Fig. 15 Typical dull conditions of PDC cutters pulled out of hole

圖16 X 射線檢測(cè)的PDC 切削齒脫鈷深度Fig. 16 Leached depth of PDC cutters detected by X-ray

圖17 未脫鈷PDC 切削齒的出井形貌Fig. 17 Morphology of non-leached PDC cutters pulled out of hole

狀態(tài)2：鉆頭出井后PDC 切削齒邊緣出現(xiàn)磨損，但磨口不大，并未進(jìn)入切削齒的未脫鈷區(qū)域，如圖15（c）和圖15（d）所示。此類地層具有一定的研磨性，但研磨性有限，PDC 切削齒的磨損機(jī)理仍為“磨粒磨損”，尚未出現(xiàn)熱損傷。這時(shí)，推薦采用綜合性能較好或抗研磨性能較好的PDC 切削齒，并采用中度脫鈷深度，如0.6～0.8 mm（見圖16（a））。

狀態(tài)3：鉆頭出井后PDC 切削齒邊緣出現(xiàn)大磨口，且磨口已進(jìn)入未脫鈷區(qū)域（見圖15（e）），甚至進(jìn)入硬質(zhì)合金基體（見圖15（f））。隨著磨口進(jìn)入未脫鈷區(qū)域以及摩擦熱不斷積累，PDC 切削齒的磨損機(jī)理將由“磨粒磨損”變?yōu)椤澳チＤp+熱損傷”。在摩擦熱的作用下聚晶金剛石層內(nèi)金屬材質(zhì)發(fā)生膨脹，導(dǎo)致未脫鈷區(qū)域出現(xiàn)熱應(yīng)力和微裂紋[44]。微裂紋的擴(kuò)展造成未脫鈷區(qū)域金剛石層的剝落和磨損加速。隨著磨口進(jìn)入硬質(zhì)合金基體，聚晶金剛石層的剝落將進(jìn)一步加劇，在已脫鈷金剛石層和硬質(zhì)合金基體之間可能會(huì)出現(xiàn)斷層（見圖15（f）），導(dǎo)致PDC切削齒的抗沖擊性極差。這時(shí)如果遭受齒尖或者齒面方向沖擊，整個(gè)金剛石層會(huì)發(fā)生剝離或斷裂。

熱損傷加劇PDC 切削齒的磨損。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)某一閾值時(shí)，這一現(xiàn)象會(huì)更為嚴(yán)重。如圖18 所示，在線速度較低（低轉(zhuǎn)速）時(shí)，PDC 切削齒磨口相對(duì)光滑規(guī)整，然而在140 m/min 線速度（高轉(zhuǎn)速）時(shí)，磨口表面逐漸出現(xiàn)龜裂紋和金剛石層剝落，導(dǎo)致切削齒磨損量與行進(jìn)距離之間脫離線性關(guān)系（見圖7），切削齒磨損速率明顯提高。如果PDC 切削齒沒(méi)有進(jìn)行脫鈷處理，切削齒在很短的行進(jìn)距離內(nèi)磨損就會(huì)加速，例如圖13 中未脫鈷齒在低轉(zhuǎn)速（線速度為100 m/min）下從第15 圈磨損開始加速，與之相比圖7 中脫鈷齒在高轉(zhuǎn)速（線速度140 m/min）下直到第30 圈磨損才開始加速。

圖18 與圖7 對(duì)應(yīng)的切削齒磨口形貌Fig. 18 Wear scar morphology of PDC cutter corresponding to Fig.7

綜合以上磨損數(shù)據(jù)可以得出，PDC 切削齒的快速磨損（磨損量與行進(jìn)距離之間脫離線性關(guān)系）取決于2 個(gè)條件：1）切削齒出現(xiàn)大的磨口，且磨口已進(jìn)入未脫鈷區(qū)域；2）磨口與巖石摩擦產(chǎn)生的熱量足夠多，例如采用高轉(zhuǎn)速（見圖7）。如果摩擦熱量積累不足，盡管磨口已進(jìn)入未脫鈷區(qū)域，PDC 切削齒的磨損速率也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，與行進(jìn)距離仍然呈近線性關(guān)系，例如圖4、圖7、圖13 中線速度≤100 m/min的情況。

大磨口出現(xiàn)后，PDC 切削齒的熱穩(wěn)定性成為影響其使用壽命的關(guān)鍵因素。切削齒熱穩(wěn)定性強(qiáng)可以延緩磨損與行進(jìn)距離之間的非線性關(guān)系，這時(shí)建議采用深脫鈷（見圖16（b））、大粒度、金剛石層加厚等熱穩(wěn)定性提升方法。另一方面，基于前文研究還可從破巖方式和鉆井參數(shù)著手，鉆頭機(jī)械鉆速快，說(shuō)明鉆頭吃入地層深，產(chǎn)生的巖屑大，巖屑排走也及時(shí)。巖屑及時(shí)排走會(huì)帶走大量的摩擦熱，降低PDC 切削齒的熱損傷速率[15]。相反，如果鉆頭機(jī)械鉆速低，切削齒“原地打轉(zhuǎn)”，會(huì)導(dǎo)致行進(jìn)距離大幅增加，摩擦熱也會(huì)大量積累，造成PDC 切削齒過(guò)早磨損。這時(shí)若采用高轉(zhuǎn)速，只會(huì)使磨損進(jìn)一步加快。

依據(jù)PDC 切削齒的磨損機(jī)理，建議在PDC 切削齒入井初期采用鉆井參數(shù)強(qiáng)化（提高鉆壓、提高排量等），縮短取得相同進(jìn)尺所需的行進(jìn)距離，及時(shí)排走巖屑和摩擦熱，從而減緩切削齒的磨損。相反，若在PDC 切削齒出現(xiàn)大磨口以后再提升鉆壓或轉(zhuǎn)速，則只會(huì)使磨損加快，造成熱損傷與磨粒磨損的雙重傷害[15]。一個(gè)常見案例是，由于直井糾斜需要，新鉆頭入井后實(shí)施輕壓吊打（鉆壓10～20 kN），后期再恢復(fù)鉆壓正常鉆進(jìn)，這時(shí)PDC 切削齒很大概率會(huì)因前期鉆速慢、行進(jìn)距離長(zhǎng)而發(fā)生過(guò)早磨損，后期提高鉆壓又會(huì)加快磨口的擴(kuò)展，導(dǎo)致PDC 鉆頭在研磨性不強(qiáng)地層出現(xiàn)“異?！蹦p。

7 結(jié)論與建議

1）提高鉆壓可實(shí)現(xiàn)鉆井提速。與美國(guó)鉆井?dāng)?shù)據(jù)相比，國(guó)內(nèi)施加的鉆壓仍偏于保守，建議將200 kN以上高鉆壓納入PDC 鉆頭正常施加鉆壓范圍。不過(guò)，提高鉆壓只是手段，實(shí)現(xiàn)鉆頭有效吃入地層才是目的，一般地層并不需要過(guò)高鉆壓。

2）鉆井參數(shù)強(qiáng)化適用于硬巖提速。在均質(zhì)硬巖地層，如花崗巖，建議嘗試“高鉆壓+低轉(zhuǎn)速+大扭矩+高布齒密度異形齒PDC 鉆頭”。而且在鉆頭剛?cè)刖畷r(shí)，建議盡快盡可能提高鉆壓和排量，實(shí)現(xiàn)“提鉆速、搶進(jìn)尺”；如果入井前期采用低鉆壓，后期再提高鉆壓，只會(huì)使鉆頭磨損加快。

3）增大轉(zhuǎn)速會(huì)提高鉆頭機(jī)械鉆速。在均質(zhì)中硬—硬地層，如砂巖，建議嘗試“高鉆壓+高轉(zhuǎn)速+高布齒密度PDC 鉆頭”。雖然高轉(zhuǎn)速會(huì)加劇PDC 切削齒的磨損，但隨著切削齒性能不斷提升，這一問(wèn)題可得到有效解決。

4）布齒密度（刀翼數(shù)、切削齒尺寸、齒間距等）是影響PDC 鉆頭機(jī)械鉆速的因素之一，但并非直接因素。鉆井提速的關(guān)鍵在于鉆頭能否有效吃入地層，是否有充足扭矩切削巖石，巖屑能否及時(shí)排走。這背后既取決于鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、排量和泵壓等鉆井參數(shù)，又取決于切削齒與鉆頭的設(shè)計(jì)、破巖方式與地層巖性是否匹配等諸多因素。

5）目前，PDC 切削齒的耐磨性較好，足以保證鉆頭在砂巖、花崗巖等均質(zhì)硬巖地層的長(zhǎng)時(shí)間鉆進(jìn)。但是，地層非均質(zhì)性、井下鉆具或鉆頭振動(dòng)、鉆頭吃入地層淺、破巖方式與地層巖性不匹配、復(fù)雜工況等諸多因素會(huì)造成PDC 鉆頭遭受動(dòng)態(tài)沖擊和低效破巖，導(dǎo)致PDC 切削齒和鉆頭發(fā)生過(guò)早失效。

6）鉆遇一般地層，PDC 切削齒的磨損較小，磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，這時(shí)切削齒無(wú)需脫鈷或只需中度脫鈷。對(duì)于強(qiáng)研磨性地層，PDC 切削齒磨損快，磨損機(jī)理以磨粒磨損和熱損傷為主，建議采用熱穩(wěn)定性好且耐磨性強(qiáng)的PDC 切削齒，并深度脫鈷。

7）建議實(shí)時(shí)關(guān)注和學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)的鉆井技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐，洞悉鉆井提速背后的創(chuàng)新理論和原理，勇于破除過(guò)時(shí)的設(shè)計(jì)控制框架束縛，通過(guò)科學(xué)分析與優(yōu)化，不斷提高優(yōu)快鉆井的技術(shù)水平。