東海深部高研磨地層沖擊鉆井PDC齒優(yōu)選研究

東海盆地深部地層機(jī)械鉆速（ROP）低、PDC鉆頭鉆齒易磨損、單個(gè)鉆頭進(jìn)尺數(shù)少的問(wèn)題日益突出。為此，開(kāi)展了巖石可鉆性、硬度與塑性系數(shù)、強(qiáng)度、研磨性及組分檢測(cè)試驗(yàn)，明確了導(dǎo)致該區(qū)域深部地層低ROP的主控因素，并對(duì)ROP變化規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證；設(shè)計(jì)了沖擊載荷作用下PDC鉆頭異形齒破巖試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了單齒破巖試驗(yàn)，利用3D掃描技術(shù)量化了三棱齒、斧形齒在不同沖擊速度下的侵徹深度和破巖體積，計(jì)算了沖擊破巖過(guò)程中的能量吸收效率以及破巖比功，對(duì)PDC鉆頭異形齒進(jìn)行了優(yōu)選；同時(shí)結(jié)合優(yōu)選結(jié)果開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：巖石的高研磨性和高強(qiáng)度是東海盆地低ROP的主控因素，當(dāng)沖錘沖擊速度小于7.1 m/s時(shí)，三棱齒侵徹深度和破巖體積更大，提速效果較為明顯；當(dāng)沖錘沖擊速度大于7.1 m/s時(shí)，斧形齒的破巖比功要小于三棱齒，且能量吸收效率更優(yōu)，在高研磨地層作用下磨損較小，能更好地延長(zhǎng)PDC鉆頭的壽命；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也驗(yàn)證了該結(jié)論。研究成果可為東海盆地深部地層沖擊鉆井參數(shù)的確定以及PDC鉆頭鉆齒的優(yōu)選提供有效參考。

高研磨地層；PDC鉆頭；機(jī)械鉆速；鉆齒優(yōu)選；三棱齒；斧形齒；沖擊破巖

TE921

A

010

Optimization of PDC Cutter for Percussive Drilling in Deep

Highly-Abrasive Strata in the East China Sea Basin

Li Jiwei^1，2 Li Qian^1，2 Tian Shenglei^1，2 Huang Da^1，2 Li Yumei³ Xi Yan⁴

（1．Sinopec Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.; 2．Sinopec Shanghai Offshore Oil amp; Gas Company; 3．Beijing Information Science amp; Technology University; 4. Beijing University of Technology）

The problems of low rate of penetration （ROP），easy wear of PDC cutters and small single-bit footage are becoming increasingly prominent in the deep strata of the East China Sea Basin. The rock drillability，hardness and plasticity coefficient，strength，abrasiveness and component detection tests were performed to clarify the main controlling factors for low ROP in the deep strata of the study area，and the results were verified by the changes in ROP. Then，a rock breaking test device for special-shaped cutters of PDC bit under impact load was designed for rock breaking test of single cutter. The 3D scanning technique was used to quantify the penetration depth and rock breaking volume of triangular and axe-shaped cutters at different impact speeds，the energy absorption efficiency and rock-breaking specific energy during the percussive rock breaking process were calculated，and the special-shaped cutters of PDC bit were optimized. Finally，field tests were conducted based on the optimization results. The results show that the high abrasiveness and strength of rocks are the main controlling factors for low ROP in the East China Sea Basin. When the impact speed of the hammer is less than 7.1 m/s，the penetration depth and rock breaking volume of the triangular cutter are greater，and the ROP improving effect is more obvious. When the impact speed of the hammer is greater than 7.1 m/s，the rock breaking specific energy of the axe-shaped cutter is lower than that of the triangular cutter，and the energy absorption efficiency is better; when it is used for drilling in highly-abrasive strata，the wear is smaller，and the service life of PDC bit can be better prolonged. The field tests also verify these conclusions. The research results provide effective references for the determination of percussive drilling parameters and the optimization of cutters of PDC bit in deep formations of the East China Sea Basin.

highly-abrasive strata;PDC bit；ROP; cutter optimization; triangular cutter; axe-shaped cutter; percussive rock breaking

0 引 言

李基偉，等：東海深部高研磨地層沖擊鉆井PDC齒優(yōu)選研究

東海盆地西湖凹陷是中國(guó)近海海域最大的新生代沉積盆地，勘探結(jié)果表明，該區(qū)域油氣資源豐富，是未來(lái)海上油氣發(fā)展的重要接替資源帶^［1-2］。近年來(lái)，隨著西湖凹陷區(qū)塊勘探開(kāi)發(fā)層位不斷加深，深部地層花港組和平湖組機(jī)械鉆速（ROP）低、PDC鉆頭鉆齒易磨損、單個(gè)鉆頭進(jìn)尺淺的問(wèn)題日益凸顯，成為制約該區(qū)域油氣高效開(kāi)發(fā)的瓶頸。為此，前人開(kāi)展了一系列的研究：周心懷等^［3-4］針對(duì)花港組地質(zhì)特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究，量化了巖石力學(xué)特征參數(shù)和孔隙發(fā)育情況；謝中成等^［5］結(jié)合機(jī)械鉆速（ROP）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和花港組巖石參數(shù)，指出地質(zhì)因素是PDC鉆頭吃入困難、ROP較低的原因；李乾等^［6］通過(guò)工程實(shí)踐分析，明確了ROP較低的主要原因是PDC鉆頭在深部地層鉆進(jìn)過(guò)程中切削齒磨損嚴(yán)重，指出優(yōu)選合適鉆齒有利于提升鉆井效率；孫承乾^［7］指出，可以采用沖擊鉆具配合PDC鉆頭的方式達(dá)到提升ROP的目的。但以上研究未能明確東海盆地深部地層ROP低、可鉆性差的主控因素。此外，部分研究雖然提出采用沖擊鉆具和PDC鉆頭共同提速的思路，但未對(duì)沖擊載荷作用下不同類(lèi)型鉆齒破巖效果進(jìn)行分析，未能優(yōu)選深部地層沖擊鉆井條件下可提升ROP且適合長(zhǎng)井段使用的PDC鉆齒。

為此，選取東海盆地深部地層低ROP層位花港組巖心，開(kāi)展了可鉆性、硬度與塑性系數(shù)、強(qiáng)度、研磨性及組分檢測(cè)試驗(yàn)，明確了深部地層低ROP的主控因素，并通過(guò)ROP變化規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了沖擊載荷作用下PDC鉆頭異形齒破巖試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了單齒破巖試驗(yàn)，利用3D掃描技術(shù)量化了三棱齒、斧形齒在不同沖擊速度下的侵徹深度、破巖體積，計(jì)算了沖擊破巖過(guò)程中的能量吸收效率以及破巖比功，對(duì)PDC鉆頭異形齒進(jìn)行了優(yōu)選，同時(shí)結(jié)合優(yōu)選結(jié)果開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究成果可為東海盆地深部地層沖擊鉆井參數(shù)的確定以及PDC鉆頭鉆齒類(lèi)型的優(yōu)選提供有效參考。

1 深部地層低ROP主控因素分析

ROP受工程參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)、提速工具及鉆頭類(lèi)型的共同影響^［8-11］，其中影響ROP的地質(zhì)參數(shù)有巖石的可鉆性、硬度、強(qiáng)度、研磨性和組分等，且不同因素對(duì)ROP的影響程度不同。因此，需要明確東海盆地深部地層低ROP的主控因素，以此作為分析提速工具及鉆頭鉆齒與地層配伍性的基礎(chǔ)。

在花港組低ROP（0.62～1.68 m/h）層位進(jìn)行巖心取樣，分別開(kāi)展巖石可鉆性、硬度與塑性系數(shù)、強(qiáng)度、研磨性和組分檢測(cè)試驗(yàn)，每類(lèi)試驗(yàn)組數(shù)為10組。

1.1 基于試驗(yàn)研究的主控因素分析

（1）硬度及塑性系數(shù)試驗(yàn)。巖石的硬度與彈塑性狀態(tài)會(huì)影響鉆齒侵入的深度，進(jìn)而影響ROP。采用圓柱壓入法開(kāi)展巖石硬度及塑性系數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，花港組巖石的硬度級(jí)別為4～6，屬于中軟和中硬之間。此外，結(jié)合巖石塑性測(cè)量結(jié)果，試樣的塑性系數(shù)主要位于1.25～1.65之間，巖石處于低塑性區(qū)間（見(jiàn)圖1a）。

（2）研磨性試驗(yàn)。研磨性是影響鉆齒磨損、崩齒的主要因素，采用鉆磨法開(kāi)展研磨性試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中軸壓為300 N、轉(zhuǎn)速為500 r/min，采用室溫自來(lái)水進(jìn)行冷卻。結(jié)果表明，所取試樣的研磨性位于8～10之間，平均研磨性級(jí)別為9.5（見(jiàn)圖1a），花港組試樣具有極高的研磨性。

（3）圍壓條件下強(qiáng)度試驗(yàn)?？紤]巖石在深部地層承受地應(yīng)力和儲(chǔ)層溫度作用，開(kāi)展三軸圍壓（15和30 MPa）及150 ℃條件下的壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該條件下的抗壓縮強(qiáng)度平均值為193.45和269.10 MPa，巖石的強(qiáng)度處于極硬級(jí)別（見(jiàn)圖1b）。

（4）可鉆性試驗(yàn)。巖石可鉆性是衡量巖石破碎難易程度的重要指標(biāo)之一，可表征巖石抵抗破碎的能力。利用巖石可鉆性評(píng)價(jià)裝置（PDC微鉆頭）開(kāi)展可鉆性試驗(yàn)，結(jié)果表明，巖石可鉆性級(jí)值處于4.3～5.8之間。值得說(shuō)明的是，巖石可鉆性變化規(guī)律與強(qiáng)度變化規(guī)律具有較好的一致性（見(jiàn)圖1b）。

（5）組分檢測(cè)試驗(yàn)。巖石組分是影響巖石力學(xué)參數(shù)的重要因素，開(kāi)展巖石組分及全巖礦物檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，巖石試樣中的主要成分為石英（65.1%～78.2%）和黏土礦物（14.5%～18.3%）。以試樣3為例，其石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了73.5%，黏土礦物為18.0%，斜長(zhǎng)石為4.9%，鉀長(zhǎng)石為2.3%，方解石為13%。研究表明^［12-14］，石英是影響PDC鉆齒復(fù)合片表面磨損的主要礦物成分，而復(fù)合片一旦發(fā)生磨損，必然會(huì)導(dǎo)致ROP的快速下降。

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，東海盆地深部地層巖石的高抗壓強(qiáng)度和高研磨性是低ROP的主要影響因素。為此，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提出了采用沖擊鉆井技術(shù)破碎高強(qiáng)度巖體的思路，但同時(shí)也指出：在高研磨性的作用下，PDC鉆頭常規(guī)切削齒吃入困難且易磨損，進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭壽命短、單個(gè)鉆頭進(jìn)尺數(shù)少。因此，基于沖擊鉆具、鉆頭鉆齒與高研磨地層之間的配伍性，開(kāi)展東海盆地高研磨性地層沖擊鉆井條件下PDC鉆頭異形齒的優(yōu)選成為關(guān)鍵。

1.2 基于ROP統(tǒng)計(jì)的主控因素驗(yàn)證

考慮石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響研磨性的主要因素，對(duì)比6口井花港組試樣石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與所在層位ROP的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，巖石的研磨性不斷增強(qiáng)，ROP則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，三者之間具有較好的對(duì)應(yīng)性。由此可以說(shuō)明，對(duì)PDC鉆頭異形齒進(jìn)行優(yōu)選是破解鉆齒易磨損、進(jìn)尺數(shù)少的關(guān)鍵。

2 PDC異形齒沖擊試驗(yàn)裝置及方案設(shè)計(jì)

2.1 低ROP地層巖石試樣

在東海盆地X1井花港組（3 780 m）低ROP層位進(jìn)行巖心取樣，制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣（直徑50 mm、高25 mm），對(duì)試樣的兩端進(jìn)行打磨，使其表面平整度誤差小于0.05 mm；對(duì)所有樣品進(jìn)行聲波測(cè)試，確保縱波速度誤差小于1%，以保證樣品的均質(zhì)性。試樣如圖3所示。

試驗(yàn)時(shí)，樣品分為3組，每組樣品為12塊，分別開(kāi)展常規(guī)SHPB試驗(yàn)以及三棱齒、斧形齒沖擊試驗(yàn)。

2.2 沖擊條件下單齒破巖試驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)了沖擊載荷作用下單齒破巖試驗(yàn)裝置，該裝置包含驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、沖擊系統(tǒng)、鉆齒系統(tǒng)、信息記錄和傳輸系統(tǒng)，如圖4所示。其中沖擊系統(tǒng)包含沖錘、入射桿和透射桿，鉆齒系統(tǒng)中套筒固定在入射桿頂端，鉆齒固定在套筒的頂端，試樣用夾持裝置放置在鉆齒和透射桿中間。試驗(yàn)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使得沖錘以特定速度運(yùn)動(dòng)，撞擊入射桿后產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波傳遞至鉆齒套筒使得鉆齒破碎巖石。

為真實(shí)反映工程實(shí)際，選擇與沖擊鉆具沖錘質(zhì)量相同的試驗(yàn)沖錘（25 kg），同時(shí)將沖錘設(shè)計(jì)為紡錘形，以有效消除動(dòng)態(tài)測(cè)試中應(yīng)力波的高頻振蕩；入射桿選用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼桿（彈性模量為210 GPa），以最大限度地降低應(yīng)力波傳播過(guò)程中的耗散。考慮到PDC鉆頭的成本以及常用的異形齒齒形，選用三棱齒和斧形齒開(kāi)展破巖試驗(yàn)，選擇鉆齒的直徑為13 mm，其中三棱齒的坡角為15°，斧形齒的斧刃角為130°。

在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置方面，考慮到實(shí)際工程中沖錘運(yùn)動(dòng)的末速度為4 ～10 m/s，分別設(shè)定試驗(yàn)過(guò)程中的沖擊速度v為5.0、5.6、6.2、7.6、8.4及9.2 m/s；采用3D掃描儀對(duì)沖擊坑進(jìn)行掃描，用以量化鉆齒的侵徹深度以及破巖體積，表征不同沖擊速度條件下沖擊破巖的效果。

2.3 沖擊破巖過(guò)程中的能量計(jì)算

單齒沖擊破巖過(guò)程中，不同類(lèi)型的異形齒對(duì)于能量的利用效率不同，而能量的利用效率與沖擊鉆具的使用壽命密切相關(guān)。對(duì)不同沖擊速度作用下破巖過(guò)程中的總能量、吸收能和耗散能進(jìn)行計(jì)算：

式中：W_It、W_At、W_Rt和W_Tt分別為總能量、吸收能、反射能和透射能，J，耗散能包含反射能和透射能；η為能量吸收效率，%；σ_It、σ_Rt和σ_Tt分別為t時(shí)刻的入射應(yīng)力波幅值、反射應(yīng)力波幅值和透射應(yīng)力波幅值，MPa；A₀為入、透射桿的橫截面積，m²；C為縱波波速，m/s；E₀為彈性模量，GPa；τ為沖擊持續(xù)的時(shí)間極限值，s。

結(jié)合對(duì)三棱齒和斧形齒沖擊破巖體積的測(cè)量，可以對(duì)巖石的破巖比功進(jìn)行計(jì)算，以此作為PDC鉆頭異形齒選擇的標(biāo)準(zhǔn)：

式中：V為鉆齒破巖后產(chǎn)生沖擊坑的體積，cm³;δ為破巖比功值，J/cm³。

3 結(jié)果與討論

高研磨地層使得鉆齒吃入困難，降低破巖效率，同時(shí)也會(huì)造成鉆齒磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致頻繁更換鉆頭。因此在鉆齒選型過(guò)程中既要考慮異形齒的破巖效果，也要考慮其磨損后的耐用性。此外，沖擊鉆具與PDC鉆頭聯(lián)合使用時(shí)，還需要考慮鉆齒對(duì)能量的利用效率，最大限度延長(zhǎng)提速工具的壽命。

3.1 基于破巖效果的鉆齒優(yōu)選

3.1.1 不同沖擊速度下巖石強(qiáng)度變化規(guī)律

開(kāi)展霍普金森桿巖石動(dòng)力學(xué)壓縮特性試驗(yàn)，測(cè)量不同沖擊速度條件下巖石抗壓縮強(qiáng)度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，巖石的動(dòng)力學(xué)壓縮強(qiáng)度隨著沖擊速度的增加不斷增加，兩者之間呈指數(shù)關(guān)系。

需要指出的是：當(dāng)沖擊速度小于5.6 m/s時(shí)，巖石在應(yīng)力波作用下并未產(chǎn)生明顯裂紋；沖擊速度增加至7.6 m/s時(shí)，巖石開(kāi)始出現(xiàn)明顯裂紋；速度繼續(xù)增加至8.4 m/s，巖石出現(xiàn)較為明顯的破碎。因此，對(duì)于花港組地層，沖擊鉆具沖錘末速度小于5.6 m/s時(shí)，沖擊載荷輔助破巖的效果不明顯，只有保持較高的沖擊末速度（≥7.6 m/s）才有助于進(jìn)一步提升沖錘的破巖效率。

3.1.2 沖擊載荷作用下異形齒破巖效果

三棱齒和斧形齒在不同沖擊載荷作用下的破巖試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：

（1）沖擊載荷作用下形成的沖擊坑與鉆齒形狀相適應(yīng)。三棱齒與巖石的接觸面積要比斧形齒更大，因而在高研磨地層更容易產(chǎn)生磨損。

（2）高沖擊速度有利于提升異形齒的輔助破巖效果。當(dāng)沖擊速度較低（＜6.2 m/s）時(shí)，雖然產(chǎn)生了沖擊坑，但是沖擊坑周?chē)膸r石損傷不明顯；隨著沖擊速度不斷增加（≥7.6 m/s），鉆齒不僅使沖擊部位發(fā)生了破壞，而且還造成沖擊坑周?chē)膸r石出現(xiàn)了復(fù)雜裂紋及巖屑碎塊。

另外，三棱齒產(chǎn)生的巖屑碎塊較小，有利于井筒的清潔。

3.1.3 異形齒侵徹深度與破巖體積評(píng)價(jià)

采用3D掃描技術(shù)對(duì)沖擊坑的深度、頂部面積以及體積進(jìn)行測(cè)量?？紤]到高速?zèng)_擊時(shí)巖樣已經(jīng)完全碎裂，因此僅對(duì)沖擊速度為5.0、5.6及6.2 m/s時(shí)的巖石試樣進(jìn)行掃描和分析，結(jié)果如表1所示。由表1可得出如下結(jié)論：

（1）隨著沖擊速度的增加，沖擊坑面積增大，三棱齒沖擊過(guò)程中的破壞面積更大。當(dāng)沖擊速度為5.0、5.6及6.2 m/s時(shí)，三棱齒沖擊坑面積分別為124.4、129.4及134.7 mm²，斧形齒沖擊坑面積分別為55.9、76.7及80.3 mm²。這是因?yàn)闆_擊載荷的增加導(dǎo)致鉆齒與巖石接觸更加緊密，產(chǎn)生更大的沖擊坑面積，而三棱齒的齒形結(jié)構(gòu)決定了其接觸面積要高于斧形齒，破壞面積更大。

（2）隨著沖擊速度的增加，鉆齒侵徹深度增大，三棱齒沖擊坑深度要大于斧形齒。當(dāng)沖擊速度為5.0、5.6及6.2 m/s時(shí)，三棱齒沖擊坑深度分別為14.10、14.23及16.32 mm，斧形齒沖擊坑深度為4.20、5.79及8.91 mm。這是因?yàn)橥葢?yīng)力波條件下，三棱齒與巖石的接觸面更大，導(dǎo)致作用在巖石上的動(dòng)載荷也更大，所以侵徹的深度更大。與此同時(shí)鉆齒所承受的反作用力也更大，使得鉆齒更容易發(fā)生磨損。

在此基礎(chǔ)上對(duì)破巖體積進(jìn)行計(jì)算和分析，同等沖擊條件下，三棱齒和斧形齒破巖體積分別為630.93、616.77、1 011.16 mm³和109.73、169.15、354.10 mm³。由此可知，沖擊載荷作用下三棱齒在破巖體積方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是隨著沖擊速度的增加，這種差距不斷降低。

3.2 基于能量傳輸效率的鉆齒優(yōu)選

3.2.1 異形齒破巖能量吸收效率

沖擊鉆具破巖時(shí)，提升沖擊速度有利于提升破巖效率，但同時(shí)也會(huì)加速鉆具核心構(gòu)件的磨損，縮短沖擊鉆具的使用壽命；當(dāng)沖擊速度保持不變時(shí)，鉆齒對(duì)于能量的利用效率越充分，沖擊鉆具的使用壽命就會(huì)得到延長(zhǎng)。

不同沖擊速度下的總能量以及耗散能變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知：隨著沖擊速度的增加，入射能（總能量）增加，2種鉆齒破巖試驗(yàn)過(guò)程中總能量基本保持一致；與此同時(shí)，耗散能也隨著速度的增加而增加，三棱齒耗散的能量要高于斧形齒。

三棱齒和斧形齒在不同沖擊速度下吸收能和能量吸收效率的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知：隨著沖擊速度的增加，2種類(lèi)型鉆齒的吸收能和能量吸收效率呈非線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)；同等沖擊速度條件下，斧形齒的吸收能和能量吸收效率明顯高于三棱齒。

因此，沖擊鉆具與PDC鉆頭聯(lián)合使用過(guò)程中，在同種沖擊條件下，斧形齒對(duì)于能量的利用效率更加充分，使用斧形齒鉆頭更利于沖擊鉆具壽命的延長(zhǎng)。

3.2.2 破巖比功變化規(guī)律

結(jié)合能量吸收和破巖體積的計(jì)算，對(duì)沖擊載荷作用下破巖比功進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：隨著沖擊速度的增加，斧形齒的破巖比功不斷降低，三棱齒的破巖比功變化不明顯。當(dāng)沖擊速度為5.6 m/s時(shí)，三棱齒和斧形齒的破巖比功分別為59.5和226.3 J/cm³，三棱齒展現(xiàn)出較好的破巖效果；當(dāng)沖擊速度持續(xù)升高至7.1 m/s時(shí)，2種類(lèi)型鉆齒的破巖比功相等，說(shuō)明該情況下鉆齒的破巖效果相同。但是考慮到斧形齒的能量吸收效率更高，該情況下斧形齒需要的總能量較低。因此，該沖擊速度下斧形齒與沖擊鉆具、地層具有更好的配伍性。

3.3 考慮鉆齒磨損影響的鉆齒優(yōu)選

東海盆地深部地層為高研磨性地層，需要考慮研磨性對(duì)鉆齒的影響，三棱齒與斧形齒在同等傾角條件下的切削破巖形態(tài)如圖10所示。

從與巖石的接觸面積上看，三棱齒的投影面積（6.41 mm²）要比斧形齒（5.18 mm²）高23.7%；同等磨損條件下，三棱齒承受的反作用力更大，磨損面積也更大，且磨損之后接觸面積會(huì)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致鉆齒吃入巖石的能力變?nèi)酢?/p>

從PDC復(fù)合片與巖石的接觸看，斧形齒端部呈屋脊?fàn)钔怀?、?fù)合片厚度更大，具有更好的耐磨性能。破巖過(guò)程中，三棱齒主要是通過(guò)點(diǎn)接觸切削巖石，斧形齒的斧刃與巖石接觸后逐漸楔入巖石產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞，而巖石的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度。因此，斧形齒更不易產(chǎn)生磨損。

綜上分析，采用沖擊鉆具和PDC鉆頭在高研磨性地層使用時(shí)：

（1）當(dāng)沖錘沖擊速度小于7.1 m/s時(shí)，三棱齒侵徹深度和破巖體積更大，提速效果較為明顯；但三棱齒易磨損，適合以較快ROP突破復(fù)雜壓力體系井段，以確保井筒安全。

（2）在沖錘沖擊速度大于7.1 m/s時(shí)，斧形齒的破巖比功要低于三棱齒，且能量吸收效率更優(yōu)，在高研磨地層作用下磨損較小，能夠更好地延長(zhǎng)PDC鉆頭壽命和沖擊鉆具壽命。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于前述分析結(jié)果及工程現(xiàn)場(chǎng)使用的沖擊鉆具沖錘的末速度為7.6 m/s，選用斧形齒PDC鉆頭在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展應(yīng)用，并且與常規(guī)切削齒鉆頭進(jìn)行對(duì)比。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，選用直徑為212.7 mm的斧形齒PDC鉆頭，試驗(yàn)井為東海盆地西湖凹陷S3井。鉆進(jìn)過(guò)程中鉆遇花港組地層，該地層以細(xì)砂巖、泥巖為主，與前述所開(kāi)展的力學(xué)試驗(yàn)樣品巖石力學(xué)特性相近。鉆井過(guò)程中，鉆壓為50～80 kN，轉(zhuǎn)速為80～120 r/min；入井深度3 760 m，出井深度4 360 m，進(jìn)尺600 m，進(jìn)尺大幅度增加，且相比鄰井ROP得到了顯著提升（26.65%）。常規(guī)切削齒與斧形齒鉆頭入井前、后的對(duì)比如圖11所示。由圖11可知，PDC鉆頭出井后，常規(guī)切削齒磨損嚴(yán)重；斧形齒內(nèi)排齒無(wú)磨損，外排齒磨損較輕，磨損評(píng)價(jià)為：0-1-WT-A-X-I-NO-TD，鉆頭鉆齒磨損情況得到顯著地改善。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)開(kāi)展巖石強(qiáng)度、硬度與塑性系數(shù)、研磨性、可鉆性與組分檢測(cè)試驗(yàn)，明確了東海盆地深部地層ROP較低的主要影響因素是巖石的高研磨性和高強(qiáng)度。其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)高是高研磨性的主要原因，隨著石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，ROP不斷降低。

（2）開(kāi)展了沖擊載荷作用下PDC三棱齒和斧形齒破巖試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)沖錘沖擊速度小于7.1 m/s時(shí)，三棱齒破巖比功較小，且同等條件下侵徹深度和破巖體積更大，破巖效果較為明顯。

（3）當(dāng)沖錘沖擊速度大于7.1 m/s時(shí)，斧形齒的破巖比功要低于三棱齒，且能量吸收效率更優(yōu)，在高研磨地層作用下磨損較小，能更好地延長(zhǎng)PDC鉆頭的壽命。

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李基偉，高級(jí)工程師，生于1983年，2016年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣井工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事鉆完井技術(shù)研究工作。地址：（200120）上海市浦東新區(qū)。email：lijiwei. shhy@ sinopec. com。

通信作者：席巖，副教授。email：xiyan@bjut.edu.cn。

2024-02-09

任武