异形PDC 齿切削破碎非均质花岗岩机理研究*

刘和兴 罗云旭 刘伟吉 马传华 吴艳辉 祝效华 柳亚亚

(1.中海石油(中国) 有限公司湛江分公司 2.西南石油大学机电工程学院)

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随着石油钻探向深部推进，深部难钻地层岩石的高效破碎问题成为提升钻进速度、制约钻井成本的瓶颈。目前，PDC 钻头凭借其高钻速、长寿命和低成本等特点成为了主流的破岩钻进工具。但常规齿形(即圆柱形) 的PDC 钻头在钻遇深部难钻地层时，其钻齿破岩效率和寿命受到严重挑战[1]。

PDC 钻头破岩效率不仅受钻井参数、地层岩性及PDC 钻头结构的影响，还与PDC 钻齿的齿形密切相关[2－3]。虽然石油服务行业在PDC 齿技术方面取得了较大成功，但大多数PDC 齿的几何形状没有改变:仍然是圆柱形。聚晶金刚石层附着在碳化钨基板上，形成了工作表面和切削刃。这使得PDC 齿在切削过程中存在一些局限性。首先，圆柱齿PDC 齿的切削机制为“剪切”破岩，PDC 齿的耐久性很大程度上依赖于金刚石的耐磨性，当钻遇研磨性地层时，容易受热磨损。其次，平面形的工作面会阻碍岩屑释放，并妨碍液压冷却，从而影响钻井效率。最后，在软－硬交互地层中，常规PDC 切削齿可能受到正面冲击和损伤，并最终导致钻头失效[4]。

为了摆脱常规圆柱形PDC 齿的限制，一些学者和石油公司提出了异形PDC 齿，并就这些齿形的PDC 齿的研制、破岩效率及其机理进行了相关研究。伍开松等[5]对比了圆形和椭圆形PDC 齿的切削效果，结果表明，在同等切削条件下，前倾角在15°～25°之间时，两种齿形对岩石做功相差不大，但圆形PDC 齿比椭圆形PDC 齿更容易受损。……