PDC鉆頭復(fù)合沖擊破巖機(jī)理研究及應(yīng)用探討

劉曉菲

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163000）

20世紀(jì)80年代我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)PDC鉆頭，經(jīng)過(guò)幾十年的研究和應(yīng)用，目前我國(guó)已經(jīng)能夠研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PDC鉆頭[1-2]。PDC鉆頭是一種新型的鉆頭，通過(guò)在鉆頭胎體上鑲焊聚晶金剛石材質(zhì)的切削齒來(lái)提高破巖效率，在軟地層至中硬地層中，通常使用PDC鉆頭結(jié)合井下動(dòng)力鉆具，能夠大大提高機(jī)械鉆速，是普通牙輪鉆頭機(jī)械鉆速的2倍以上，并且使用PDC鉆頭可靠、鉆頭壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定，單位鉆頭進(jìn)尺成本低，極大節(jié)約了鉆井成本、提高了鉆井效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著[3-4]。因此，加強(qiáng)PDC鉆頭結(jié)構(gòu)及工作原理研究，分析其在復(fù)合鉆具條件下破巖機(jī)理，對(duì)于提高鉆井效率具有重要意義。

1PDC鉆頭結(jié)構(gòu)

PDC（Polycrystalline Diamond Compact）是人造聚晶金剛石復(fù)合片的簡(jiǎn)稱，具有硬度強(qiáng)、耐磨性好的特點(diǎn)，PDC鉆頭在軟地層到中硬地層中使用能夠顯著提高機(jī)械鉆速，且鉆頭工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)。PDC鉆頭一般由鉆頭體、切削齒、水力結(jié)構(gòu)、保徑面和接頭等組成，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，PDC鉆頭功能與結(jié)構(gòu)不斷完善，研制出了全面鉆進(jìn)鉆頭（圖1）、PDC雙心鉆頭及PDC取芯鉆頭等[5]。根據(jù)制造工藝和材料的不同，PDC鉆頭分為胎體式和鋼體式。

（1）胎體式PDC鉆頭本體由碳化鎢粉末燒結(jié)而成，具體制作方法是：首先將鍛造好的碳化鎢粉末與按比例配比的浸漬料放入準(zhǔn)備好的模具中，在無(wú)壓力且高溫的條件下進(jìn)行燒結(jié)而成，在鉆頭體上預(yù)留了切削齒和噴嘴放置的空間，切削件焊接到鉆頭體上。胎體鉆頭加工不需要連接件，鉆頭不易損壞，且保徑作用好，缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，難以保證制造效果。

圖1 PDC全面鉆進(jìn)鉆頭

（2）鋼體鉆頭一般通過(guò)機(jī)械加工制成，具體加工過(guò)程是首先將整塊合金鋼毛坯進(jìn)行加工，制成鉆頭體，然后將帶公扣的接頭焊接在鉆頭體上，再將制作好的切削件焊接在連接柱上，最后將連接柱壓進(jìn)鉆頭體上預(yù)留的孔中。鋼體鉆頭的加工過(guò)程能夠保證加工質(zhì)量，缺點(diǎn)是鉆頭表面耐腐蝕性差，保徑作用差。

2 PDC鉆頭工作原理及性能特點(diǎn)

2.1 PDC鉆頭工作原理

巖石力學(xué)分析表明，巖石的力學(xué)參數(shù)中抗壓強(qiáng)度＞剪切強(qiáng)度＞抗拉強(qiáng)度，且剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，在破巖時(shí)，選擇剪切破巖方式能夠大大提高破巖效率。刮刀鉆頭即是使用剪切應(yīng)力破巖的，但其切削鉆頭使用材質(zhì)是硬質(zhì)合金，切削刃承壓面積較大，鉆頭耐磨性很差。PDC鉆頭是在刮刀鉆頭基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其使用聚晶金剛石復(fù)合片，具有金剛石和硬質(zhì)合金的共同優(yōu)點(diǎn)，硬度強(qiáng)、耐磨、自銳性好[6]。在鉆井過(guò)程中，通過(guò)向鉆頭施加扭矩，復(fù)合片切削刃切入地層，并且在壓力作用下向前鉆進(jìn)，達(dá)到破巖的效果，破巖過(guò)程中正是基于地層巖石剪切強(qiáng)度較低的特性。

為了了解不同鉆頭破巖方式的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比了牙輪鉆頭、金剛石鉆頭和PDC鉆頭的破巖方式，如圖4所示，（a）為牙輪鉆頭破巖過(guò)程，牙輪鉆頭通過(guò)鉆具的沖擊壓力作用在地層上達(dá)到破巖的目的，隨著鉆壓的增大，破碎的巖石會(huì)對(duì)附近的地層巖石產(chǎn)生側(cè)向壓力，在側(cè)向壓力的作用下，會(huì)形成剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力大于地層抗剪切強(qiáng)度時(shí)，地層巖石就發(fā)生破碎，從而達(dá)到破巖的目的。牙輪鉆頭破巖巖石是以剪切應(yīng)力為主導(dǎo)的，但是這種力的傳導(dǎo)方式效率較低，導(dǎo)致破巖效率不高。圖4中（b）是金剛石破巖示意圖，金剛石鉆頭破巖過(guò)程中鉆頭進(jìn)入地層較淺，一般不超過(guò)0.25mm。圖4中（c）為PDC鉆頭破巖方式示意圖，刀片切削是主要的破巖方式，由于采用聚晶金剛石復(fù)合片，刀片鋒利且自銳性好，破巖效率高，大大提高了機(jī)械鉆速。

圖2 齒柱式切削齒

圖3 復(fù)合片式切削齒

圖4 不同類型切削齒破巖示意圖

2.2 PDC鉆頭的性能特點(diǎn)

早期PDC鉆頭主要在軟地層到中硬性地層中，近年來(lái)隨著工藝技術(shù)及復(fù)合材料的發(fā)展，PDC鉆頭在硬地層應(yīng)用中也具有較好的適應(yīng)性，PDC鉆頭的特點(diǎn)概況起來(lái)主要有以下幾個(gè)：

（1）PDC鉆頭硬度高、耐磨性好。PDC鉆頭切削齒復(fù)合片采用聚晶金剛石復(fù)合材料，硬度高、耐磨性好，因此，PDC鉆頭切削齒同樣具有硬度高、耐磨性好的特性。

（2）PDC鉆頭強(qiáng)度高。PDC鉆頭切削齒復(fù)合片為聚晶金剛石，雖然金剛石性脆，但由于復(fù)合片的襯底為碳化鎢材料，切削齒的承壓能力和抗沖擊能力得到顯著增強(qiáng)，因此鉆頭的強(qiáng)度較高。

（3）PDC鉆頭自銳性好。自銳性是PDC最重要的性能之一，是鉆頭能夠保持高速鉆進(jìn)的重要原因。由于鉆頭切削齒基體是碳化鎢材料，復(fù)合片是聚晶金剛石材料，碳化鎢磨損速度比金剛石快得多，當(dāng)鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)，切削齒出現(xiàn)磨損時(shí)，金剛石層仍然具有很小的出刃量，切削齒始終能夠保持鋒利，在鉆壓作用下，鉆頭很容易鉆進(jìn)地層。由于鉆頭自銳性較好，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭雖然會(huì)有磨損，但鉆進(jìn)速度下降很小，使得機(jī)械鉆速始終能夠保持較高的速度。

（4）PDC鉆頭熱穩(wěn)定性差。PDC鉆頭切削齒采用金剛石材料，強(qiáng)度雖高，韌性卻較差，不能承受逆向載荷。在硬度較高、可鉆性差的地層中，在沖擊載荷作用下，固定金剛石復(fù)合片的材料容易疲勞失效，導(dǎo)致金剛石復(fù)合片脫落。由于組成復(fù)合片的材料為聚晶金剛石，熱膨脹系數(shù)存在差異，當(dāng)鉆頭溫度超過(guò)700℃時(shí)，切削齒會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使得復(fù)合片崩裂。研究表明，鉆頭溫度在350℃～700℃之間時(shí)，隨著持續(xù)鉆進(jìn)，溫度升高，鉆頭切削齒磨損會(huì)加劇。在高速鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭會(huì)與地層巖石摩擦生熱，鉆頭溫度會(huì)快速上升，如不及時(shí)冷卻，會(huì)加快切削齒的復(fù)合片的磨損程度。因此，在鉆井過(guò)程中，必須提供充足的水力，及時(shí)地冷卻鉆頭，還能清洗井眼、搬運(yùn)巖屑，減輕鉆頭磨損，延長(zhǎng)PDC鉆頭的使用壽命，同時(shí)保持較高的機(jī)械鉆速。由于PDC鉆頭熱穩(wěn)定性差，因此不適用于地層硬度高、可鉆性差的地層。

（5）PDC鉆頭抗沖擊性差。PDC鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，在沖擊載荷作用下，切削齒的刃口承擔(dān)了大部分鉆壓，沖擊載荷過(guò)大容易使其斷裂，因此，鉆頭抗沖擊下較差。

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3 PDC鉆頭復(fù)合沖擊破巖機(jī)理

復(fù)合沖擊破巖就是把鉆頭軸向沖擊與扭轉(zhuǎn)沖擊2種傳統(tǒng)的沖擊破巖機(jī)理相結(jié)合，使得PDC鉆頭不單只依靠剪切應(yīng)力破巖，而是通過(guò)剪切應(yīng)力與沖擊應(yīng)力的共同作用來(lái)達(dá)到破巖的目的[7]。在復(fù)合鉆井模式下，鉆井機(jī)械鉆速得到了極大地提高，分析認(rèn)為鉆速提高的原因除了轉(zhuǎn)速提高外，主要的原因是PDC鉆頭破巖方式與理想鉆井破巖方式差異較大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在復(fù)合鉆井條件下，PDC鉆頭切削齒對(duì)地層巖石的吃入深度不斷在變化，總體上處于大吃入深度區(qū)間。當(dāng)PDC鉆頭切削齒刀翼處于大吃入深度區(qū)間時(shí)，鉆頭上的心部和中部切削齒吃入深度增大，外肩部切削齒表現(xiàn)為脫離井壁，在這種情況下鉆井機(jī)械鉆速得到顯著提高。然而，切削齒吃入深度增加使得切削面積變大，切削齒所受到的載荷變大，使得切削齒磨損加劇，影響PDC鉆頭使用壽命。PDC鉆頭切削齒吃入深度較小時(shí)，能夠獲得較大的切向速度，此時(shí)鉆頭外肩部切削齒線速度高，磨損加劇，這就是PDC鉆頭外肩部切削齒磨損嚴(yán)重的原因所在。

（2）復(fù)合鉆井條件下，由于存在軸向沖擊與扭轉(zhuǎn)沖擊應(yīng)力，PDC鉆頭切削齒與地層巖石呈嚴(yán)重不均勻接觸狀態(tài)，同一時(shí)間只有部分切削齒接觸巖石，對(duì)于整個(gè)PDC鉆頭來(lái)說(shuō)，其切削齒總承壓面積為所有切削齒承壓面積之和，復(fù)合鉆井條件下PDC鉆頭切削齒總承壓面積小于理想鉆井狀態(tài)，因此，在鉆壓相同情況下，復(fù)合鉆井PDC鉆頭切削齒更容易吃入地層巖石中，從而顯著提高機(jī)械鉆速。

（3）復(fù)合鉆井模式下，PDC鉆頭不是理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其切削齒自身切削軌跡存在交叉，并不是同軌刮切巖石，而是呈交叉切割狀態(tài)經(jīng)過(guò)井底巖脊，如圖5所示。

圖5 復(fù)合鉆井與理想鉆井PDC鉆井切削齒破巖機(jī)理示意圖

在復(fù)合鉆井條件下，PDC鉆頭切削齒軌跡為交叉刮切，切削齒間斷地切過(guò)一道道凸起的巖脊，剛切入巖脊時(shí)，切削齒復(fù)合片與巖脊接觸面積較小，切削齒對(duì)巖石的破巖效果不但有剪切應(yīng)力效果，還會(huì)產(chǎn)生張應(yīng)力效果，破巖效果得到提升。由于切削齒接觸的是巖脊，在切削方向上距離相對(duì)較短，且形狀呈坡峰狀，巖石內(nèi)聚力相對(duì)較小，鉆頭破碎巖石所做的功相對(duì)較少，PDC鉆頭破碎巖石效率提高。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

ZS-17井地處松遼盆地東南斷陷區(qū)徐家圍子斷陷，是一口以勘探天然氣為目的的探井，目的層為營(yíng)城組，巖性主要為火山巖、砂質(zhì)礫巖等，巖石可鉆性較差。同時(shí)兼探登樓庫(kù)組、沙河子組。

4.1 同井不同鉆頭對(duì)比

ZS-17井鉆至3192.58m進(jìn)行完井作業(yè)，下完技術(shù)套管即進(jìn)行三開(kāi)，三開(kāi)從3192.58～3246.16m使用同一只牙輪鉆頭，進(jìn)尺53.58m，接下來(lái)使用PDC鉆頭結(jié)合扭力沖擊器，鉆至3730m完鉆，進(jìn)尺483.84m，對(duì)于2只鉆頭鉆進(jìn)情況，進(jìn)行了對(duì)比，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 PDC鉆頭與牙輪鉆頭對(duì)比情況

由表1可知，三開(kāi)后使用一只牙輪鉆頭平均機(jī)械鉆速為1.57m/h，使用一只PDC鉆頭結(jié)合扭力沖擊器后，機(jī)械鉆速提高到了4m/h，提速達(dá)到156%，且一只PDC鉆頭較一只牙輪鉆頭純鉆時(shí)間由34.33h延長(zhǎng)至121h，進(jìn)尺多了430.26m，鉆頭壽命大大提高，機(jī)械鉆速得到極大提升，反映PDC鉆頭復(fù)合鉆井沖擊破巖能夠顯著提升鉆井效率，且對(duì)于本井地層巖石適應(yīng)性較好。

4.2 與鄰井對(duì)比

為了進(jìn)一步分析PDC鉆頭復(fù)合沖擊破巖效果，將ZS-17井PDC鉆井井段與2口鄰井使用牙輪鉆頭的相同井段鉆井情況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表2所示。從結(jié)果可以看出，相鄰2口井使用牙輪鉆頭鉆井平均機(jī)械鉆速為1.88m/h，而相同井段使用PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)機(jī)械鉆速可達(dá)4m/h，機(jī)械鉆速提高了113%。使用一只PDC鉆頭鉆進(jìn)的井段耗時(shí)7.2d，如果使用常規(guī)牙輪鉆頭，相同進(jìn)尺大概需要15.3d，在此期間牙輪鉆頭大概更換了5次，算上節(jié)省的鉆進(jìn)時(shí)間及起下鉆時(shí)間，使用PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)大大縮短了鉆井周期。

5 結(jié)束語(yǔ)

表2 與鄰井牙輪鉆頭使用情況對(duì)比

（1）PDC鉆頭由鉆頭體、切削齒、水力結(jié)構(gòu)、保徑面和接頭等組成，根據(jù)制造工藝和材料的不同，分為胎體式和鋼體式，前者由碳化鎢粉末燒結(jié)而成，鉆頭不易損壞，且保徑作用好，但制造工藝復(fù)雜；后者通過(guò)機(jī)械加工制成，能夠保證加工質(zhì)量，但鉆頭表面耐腐蝕性差。PDC鉆頭切削齒分為齒柱式和復(fù)合片式，切削齒上的復(fù)合片是聚晶金剛石材質(zhì)，具有硬度高、耐研磨、抗沖擊等特性。

（2）PDC鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)向鉆頭施加扭矩，復(fù)合片切削刃切入地層，并且在壓力作用下向前鉆進(jìn)，達(dá)到破巖的效果，刀片切削是其主要破巖方式。PDC鉆頭具有硬度高、耐磨性好、強(qiáng)度高、自銳性好、穩(wěn)定性差、抗沖擊性差的特性。

（3）PDC鉆頭復(fù)合沖擊破巖把鉆頭軸向沖擊與扭轉(zhuǎn)沖擊2種傳統(tǒng)的沖擊破巖機(jī)理相結(jié)合，通過(guò)剪切應(yīng)力與沖擊應(yīng)力的共同作用來(lái)達(dá)到破巖的目的。在復(fù)合鉆井條件下，PDC鉆頭切削齒與地層巖石呈嚴(yán)重不均勻接觸狀態(tài)，承壓面積減小，切削齒對(duì)地層巖石的吃入深度增加，加之切削軌跡呈交叉狀態(tài)，顯著提升了鉆頭破巖效率。

（4）在鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)，通過(guò)與本井及相鄰井牙輪鉆頭鉆井情況對(duì)比，結(jié)果表明，PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)能夠顯著提高機(jī)械鉆速，鉆頭使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。