适合强研磨性硬地层PDC-金刚石孕镶块混合钻头设计与应用

王 滨，李 军，邹德永，杨宏伟，王 凯

(1.中国石油大学(北京)，北京 102249；2.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；3.中原油田第四高级中学，河南 濮阳 457001)

0 引 言

PDC钻头在软—中硬地层中以剪切破岩为主，破岩效率高，使用寿命长，但在花岗岩、石英岩及硅质白云岩等强研磨性硬地层中使用效果并不理想[1-7]，通常只在钻进初期具有高机械钻速，但钻速下降快，寿命短。因此，为改善PDC钻头性能，国内外学者进行了大量的研究[8-20]。分析其研究成果发现，增布异型辅助切削齿，并进行布齿参数优选是提升PDC钻头性能的一个重要手段。在借鉴前人研究结果的基础上，设计了适合强研磨性硬岩的PDC-金刚石孕镶块混合钻头，并进行室内实验和现场应用，以期为复杂地层中特种PDC钻头设计提供建议。

1 PDC-金刚石孕镶块混合钻头设计思路

合成的金刚石孕镶块(以下简称孕镶块)为圆柱体，通过热压烧结而成，胎体骨架主要由碳化钨(WC)粉末、人造金刚石粉及钴铜等胶结剂组成，包裹有大小混配的天然金刚石颗粒，粒度约为0.8～1.5 mm(图1)。其主要具有以下特点：耐磨抗冲击性能较好；在研磨性地层中由于金刚石颗粒出露体积小，能在满足一定破岩效率的前提下延长使用寿命。

图1 金刚石孕镶块设计示意图

将孕镶块作为辅助切削齿同轨布置在PDC齿后排进行联合破岩，即在钻头工作初期，以完好锋锐的PDC齿接触地层岩石，充分发挥其剪切破岩效率高的优势，而低于前排PDC齿布置的后排孕镶块此时并不参与破岩，主要起到控制吃入深度和分担轴向冲击力的作用，以避免前排完好PDC齿避免因瞬时吃入深度过大而受冲击损坏，同时提高钻头稳定性(图2a)；当前排PDC齿磨损到一定程度，难以有效吃入岩石时，孕镶块开始接触岩石并承担主要破岩任务，通过其包裹的金刚石颗粒配合PDC齿联合破岩，以提高整体破岩效率和使用寿命，从而解决高研磨性硬地层中常规PDC钻头钻速慢、寿命短等问题(图2b)。

为达到提高钻头钻速和延长使用寿命的双重目的，孕镶块参与破岩的时机十分重要，即应合理选取后排孕镶块和前排PDC齿的布齿高度差(简称布齿高差，图2)，为确定该关键布齿参数，需对PDC-孕镶块混合钻头破岩规律开展进一步研究。

图2 PDC-孕镶块混合布齿破岩示意图

2 PDC-孕镶块混合钻头破岩规律研究

2.1 实验钻头设计

为确定PDC-孕镶块最优布齿高差，设计A、B、C、D 4种钻头进行室内钻孔实验，对PDC-孕镶块混合钻头破岩规律进行研究。实验中所用PDC齿和孕镶块的型号均为1610，侧转角均约为0°，PDC齿后倾切削角为10°，孕镶块切削角为0°，孕镶块预先进行了表面酸化处理以减少“打滑”情况发生，钻压设定为4～15 kN，转速为50 r/min，循环液为清水，排量为2 L/s，所钻岩石为桂林红花岗岩，可钻性极值约为7.0～8.5。4种钻头具体布齿方式如下：①A钻头。纯PDC钻头，前后排PDC切削齿同轨布置，布齿高差为0.0 mm，PDC切削齿的磨损高度变化范围为0.0～2.5 mm。②B钻头。纯孕镶块钻头，前后排孕镶块同轨布置，布齿高差为0.0 mm。③C钻头。纯PDC钻头，前后排PDC切削齿同轨布置，布齿高差变化范围为0.5～2.0 mm，变化步长为0.5 mm。④D钻头。PDC-孕镶块混合钻头，孕镶块同轨布置在PDC齿后排，布齿高差变化范围为0.0～2.5 mm，变化步长为0.5 mm。

2.2 实验结果分析

2.2.1 PDC齿磨损高度及钻压对PDC钻头钻速的影响

使用A钻头研究PDC齿磨损高度及钻压对PDC钻头钻速的影响(图3)。

图3PDC钻头钻速随PDC齿磨损高度及钻压变化曲线

由图3可知：花岗岩中PDC钻头钻速随PDC齿磨损高度增加呈现先慢后快再慢的下降趋势，尤其在钻压不小于10 kN时更为明显，说明当磨损高度小于0.5 mm时，PDC齿具有良好自锐性，主要通过剪切方式进行破岩，破岩效率高，钻速维持在高值；当磨损高度为0.5～1.0 mm时，由于PDC齿磨损端面积不断增大，逐渐不能有效吃入岩石，破岩方式由剪切破岩向磨削破岩方式转变，破岩效率随之快速降低；而当磨损高度大于1.0 mm后，PDC齿主要以磨削破岩方式为主，钻速维持在低值，此时，通过增大钻压也不能有效提升钻头的破岩效率。

2.2.2 钻压对纯孕镶块钻头钻速的影响

使用B钻头研究钻压对纯孕镶块钻头钻速的影响(图4)。由图4可知：钻压小于12 kN时，随着钻压增大，孕镶块钻头钻速平缓上升；当钻压大于12 kN时，钻速稳定在1.5 m/h。说明随着钻压增大，孕镶块中金刚石颗粒慢慢达到理想的出露状态，并始终保持其初始性能进行稳定破岩，且破岩效率高于磨损的PDC钻头。因此，若将其作为辅助齿布置在主PDC齿后排，可以进一步提高磨损后PDC钻头的破岩效率，但理想的“参与时机”还需通过选取合理的布齿高差来实现。下面通过C、D钻头破岩实验优选布齿高差，为减少影响因素，C、D钻头钻压统一取为15 kN。

图4孕镶块钻头钻速随钻压变化曲线

2.2.3 布齿高差对PDC钻头钻速的影响

使用C钻头研究布齿高差对双排PDC钻头钻速的影响(图5)。由图5可知：PDC钻头后排采用PDC齿加强时，无论二者布齿高差取何值，随着PDC齿磨损高度的增大，钻速曲线始终呈现下降趋势，这主要是由于当PDC主齿发生磨损以后，即使引入完好的PDC辅助齿，也会由于磨损PDC齿的存在而不能有效吃入地层，发挥其剪切破岩效率高的优势，反而会因为布齿密度的增大，降低钻头的攻击性和破岩效率。

图5布齿高差对双排PDC齿钻头钻速影响规律

2.2.4 布齿高差对PDC-孕镶块混合钻头钻速的影响

使用D钻头研究布齿高差对PDC-孕镶块混合钻头钻速的影响(图6)。由图6可知：钻头后排采用孕镶块加强时，随着前排PDC齿磨损高度的增加，混合钻头钻速呈现下降趋势，但对比图5可知，当前排PDC齿磨损高度大于1.0 mm后，混合钻头钻速均大于相同磨损高度下的PDC钻头，说明后排孕镶块的引入可在PDC齿发生较大磨损(磨损高度大于1.0 mm)后提升钻头的破岩效率和稳定性，因此，可将1.0～1.5 mm作为PDC-孕镶块最优布齿高差。

使用4种钻头在石英砂岩中(可钻性极值为6.9～7.4)重复上述实验。实验表明，PDC-孕镶块最优布齿高差与花岗岩相比有所减小，约为0.5～1.0 mm。

图6布齿高差对PDC-孕镶块混合钻头钻速影响规律

3 现场应用

金古1-1HF井是松辽盆地金山区块一口预探井，钻探目的层为基底潜山，主要岩性为杂色灰白色花岗岩，夹有少量灰色含砾细砂岩，可钻性级值为6.0～8.0，单轴抗压强度约为185.34 MPa；晋古17井为华北油田冀中雷家庄断层区块一口预探井，目的层为太古界变质岩潜山地层，主要岩性为石英岩，局部有混合岩、片岩和大理岩等，可钻性级值为6.9左右，单轴抗压强度约为177.48 MPa；2个区块储层岩石均有硬度大、研磨性强的特点，PDC钻头及牙轮钻头均存在钻速慢、寿命短等问题。为提高机械钻速，缩短钻井周期，各设计1只PDC-孕镶块混合钻头进行现场试验。

3.1 PDC-孕镶块混合钻头设计

针对2个区块储层岩石特点，对PDC-孕镶块混合钻头进行了针对性优化：①遵循金刚石体积最大化原则，在冠顶PDC主齿后排布置金刚石孕镶块，提升钻头整体抗冲击性和耐磨性。②根据目的层井深和岩性，对钻头刀翼数目及PDC-孕镶块出露高差进行适当调节。金山区块目的层为花岗岩，井深较深，钻头采用六刀翼高密度布齿，PDC-孕镶块布齿高差为1.0 mm，以提升钻头钻速，同时最大限度延长使用寿命；雷家庄断层区块目的层为强研磨性石英岩，井深较浅，钻头采用五刀翼中等密度布齿，布齿高差为0.0 mm，以保护PDC主齿，提高钻头破岩效率。③钻头内锥较浅[12]，冠顶部位平缓，保证钻头冠顶部位切削齿受力均匀，避免个别齿因受力较大而发生先期损坏，有利于提高钻头寿命。④钻头外锥较长，以增大外锥布齿空间和布齿数量，有利于实现钻头的均匀磨损。⑤为避免切削齿因摩擦温度过高而出现加速磨损，同时及时清除岩屑以防止重复破碎和泥包，混合钻头采用了加强水力结构设计；为减轻钻头因磨损严重造成直径缩小诱发涡动现象的发生，采用了“主动保径齿+低摩擦保径块”的加强型保径设计。

3.2 混合钻头使用及效果分析

金山区块金古1-1HF井于三开钻进时下入1只Φ155.6 mm的PDC-孕镶块混合钻头，入井深度为2 667.0 m，钻至井深2 894.0 m，根据地质录井钻穿基底花岗岩地层，进入营城组泥岩地层，继续钻进至井深2 930.0 m完钻。雷家庄断层区块晋古17井于三开下入1只Φ152.4 mm的 PDC-孕镶块混合钻头，入井深度为1 475.8 m，钻至1 510.2 m，由于钻速下降起钻。2只PDC-孕镶块混合钻头与同地层PDC及牙轮钻头使用效果对比情况见表1、2。

表1、2及现场资料表明：金古1-1HF井基底花岗岩地层中PDC钻头平均钻速为1.89 m/h，平均单只钻头进尺为112.2 m，牙轮钻头平均钻速为1.55 m/h，平均单只钻头进尺为78.1 m，PDC-孕镶块混合钻头与PDC钻头相比，钻速提高了197.9%，进尺提高234.8%，与牙轮钻头相比，钻速提高184.1%，进尺提高236.79%；晋古17井石英岩地层中PDC钻头平均钻速为0.93 m/h，平均单只钻头进尺为25.1 m，牙轮钻头平均钻速为0.89 m/h，平均单只钻头进尺为19.6 m，PDC-孕镶块混合钻头与PDC钻头相比，钻速提高37.6%，进尺提高42.2%，与牙轮钻头相比，钻速提高43.8%，进尺提高82.5%。

2只PDC-孕镶块混合钻头起钻后，只有冠顶和外锥部位的个别齿磨损较为严重，内锥及其他部位的齿只有轻微磨损，钻头整体新度均超过70%，仍具有继续钻进的能力。

表1 金古1-1HF井花岗岩地层PDC-孕镶块混合钻头使用效果

表2 晋古17井石英砂岩地层PDC-孕镶块混合钻头使用效果

4 结 论

(1) 通过布置后排具有高耐磨性的金刚石孕镶块并优选布齿高差，可以有效提升PDC钻头在花岗岩及石英岩中的适用性，PDC-孕镶块混合钻头同时具有PDC钻头破岩效率高和镶金刚石钻头工作寿命长的双重优点，室内实验表明，花岗岩中PDC-孕镶块最优布齿高差为1.0～1.5 mm，石英砂岩中最优布齿高差为0.5～1.0 mm。

(2) 现场应用表明，在金山区块基底花岗岩和雷家庄断层区块石英岩钻进中，相比于常规PDC钻头和牙轮钻头，PDC-孕镶块混合钻头具有更高的机械钻速和更长的使用寿命，有效缩短了钻井周期，节约了钻井成本，具有广阔的应用前景。

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