適合強研磨性硬地層PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭設計與應用

王 濱，李 軍，鄒德永，楊宏偉，王 凱

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580；3.中原油田第四高級中學，河南 濮陽 457001)

0 引 言

PDC鉆頭在軟—中硬地層中以剪切破巖為主，破巖效率高，使用壽命長，但在花崗巖、石英巖及硅質白云巖等強研磨性硬地層中使用效果并不理想[1-7]，通常只在鉆進初期具有高機械鉆速，但鉆速下降快，壽命短。因此，為改善PDC鉆頭性能，國內外學者進行了大量的研究[8-20]。分析其研究成果發現，增布異型輔助切削齒，并進行布齒參數優選是提升PDC鉆頭性能的一個重要手段。在借鑒前人研究結果的基礎上，設計了適合強研磨性硬巖的PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭，并進行室內實驗和現場應用，以期為復雜地層中特種PDC鉆頭設計提供建議。

1 PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭設計思路

合成的金剛石孕鑲塊(以下簡稱孕鑲塊)為圓柱體，通過熱壓燒結而成，胎體骨架主要由碳化鎢(WC)粉末、人造金剛石粉及鈷銅等膠結劑組成，包裹有大小混配的天然金剛石顆粒，粒度約為0.8～1.5 mm(圖1)。其主要具有以下特點：耐磨抗沖擊性能較好；在研磨性地層中由于金剛石顆粒出露體積小，能在滿足一定破巖效率的前提下延長使用壽命。

圖1 金剛石孕鑲塊設計示意圖

將孕鑲塊作為輔助切削齒同軌布置在PDC齒后排進行聯合破巖，即在鉆頭工作初期，以完好鋒銳的PDC齒接觸地層巖石，充分發揮其剪切破巖效率高的優勢，而低于前排PDC齒布置的后排孕鑲塊此時并不參與破巖，主要起到控制吃入深度和分擔軸向沖擊力的作用，以避免前排完好PDC齒避免因瞬時吃入深度過大而受沖擊損壞，同時提高鉆頭穩定性(圖2a)；當前排PDC齒磨損到一定程度，難以有效吃入巖石時，孕鑲塊開始接觸巖石并承擔主要破巖任務，通過其包裹的金剛石顆粒配合PDC齒聯合破巖，以提高整體破巖效率和使用壽命，從而解決高研磨性硬地層中常規PDC鉆頭鉆速慢、壽命短等問題(圖2b)。

為達到提高鉆頭鉆速和延長使用壽命的雙重目的，孕鑲塊參與破巖的時機十分重要，即應合理選取后排孕鑲塊和前排PDC齒的布齒高度差(簡稱布齒高差，圖2)，為確定該關鍵布齒參數，需對PDC-孕鑲塊混合鉆頭破巖規律開展進一步研究。

圖2 PDC-孕鑲塊混合布齒破巖示意圖

2 PDC-孕鑲塊混合鉆頭破巖規律研究

2.1 實驗鉆頭設計

為確定PDC-孕鑲塊最優布齒高差，設計A、B、C、D 4種鉆頭進行室內鉆孔實驗，對PDC-孕鑲塊混合鉆頭破巖規律進行研究。實驗中所用PDC齒和孕鑲塊的型號均為1610，側轉角均約為0°，PDC齒后傾切削角為10°，孕鑲塊切削角為0°，孕鑲塊預先進行了表面酸化處理以減少“打滑”情況發生，鉆壓設定為4～15 kN，轉速為50 r/min，循環液為清水，排量為2 L/s，所鉆巖石為桂林紅花崗巖，可鉆性極值約為7.0～8.5。4種鉆頭具體布齒方式如下：①A鉆頭。純PDC鉆頭，前后排PDC切削齒同軌布置，布齒高差為0.0 mm，PDC切削齒的磨損高度變化范圍為0.0～2.5 mm。②B鉆頭。純孕鑲塊鉆頭，前后排孕鑲塊同軌布置，布齒高差為0.0 mm。③C鉆頭。純PDC鉆頭，前后排PDC切削齒同軌布置，布齒高差變化范圍為0.5～2.0 mm，變化步長為0.5 mm。④D鉆頭。PDC-孕鑲塊混合鉆頭，孕鑲塊同軌布置在PDC齒后排，布齒高差變化范圍為0.0～2.5 mm，變化步長為0.5 mm。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 PDC齒磨損高度及鉆壓對PDC鉆頭鉆速的影響

使用A鉆頭研究PDC齒磨損高度及鉆壓對PDC鉆頭鉆速的影響(圖3)。

圖3PDC鉆頭鉆速隨PDC齒磨損高度及鉆壓變化曲線

由圖3可知：花崗巖中PDC鉆頭鉆速隨PDC齒磨損高度增加呈現先慢后快再慢的下降趨勢，尤其在鉆壓不小于10 kN時更為明顯，說明當磨損高度小于0.5 mm時，PDC齒具有良好自銳性，主要通過剪切方式進行破巖，破巖效率高，鉆速維持在高值；當磨損高度為0.5～1.0 mm時，由于PDC齒磨損端面積不斷增大，逐漸不能有效吃入巖石，破巖方式由剪切破巖向磨削破巖方式轉變，破巖效率隨之快速降低；而當磨損高度大于1.0 mm后，PDC齒主要以磨削破巖方式為主，鉆速維持在低值，此時，通過增大鉆壓也不能有效提升鉆頭的破巖效率。

2.2.2 鉆壓對純孕鑲塊鉆頭鉆速的影響

使用B鉆頭研究鉆壓對純孕鑲塊鉆頭鉆速的影響(圖4)。由圖4可知：鉆壓小于12 kN時，隨著鉆壓增大，孕鑲塊鉆頭鉆速平緩上升；當鉆壓大于12 kN時，鉆速穩定在1.5 m/h。說明隨著鉆壓增大，孕鑲塊中金剛石顆粒慢慢達到理想的出露狀態，并始終保持其初始性能進行穩定破巖，且破巖效率高于磨損的PDC鉆頭。因此，若將其作為輔助齒布置在主PDC齒后排，可以進一步提高磨損后PDC鉆頭的破巖效率，但理想的“參與時機”還需通過選取合理的布齒高差來實現。下面通過C、D鉆頭破巖實驗優選布齒高差，為減少影響因素，C、D鉆頭鉆壓統一取為15 kN。

圖4孕鑲塊鉆頭鉆速隨鉆壓變化曲線

2.2.3 布齒高差對PDC鉆頭鉆速的影響

使用C鉆頭研究布齒高差對雙排PDC鉆頭鉆速的影響(圖5)。由圖5可知：PDC鉆頭后排采用PDC齒加強時，無論二者布齒高差取何值，隨著PDC齒磨損高度的增大，鉆速曲線始終呈現下降趨勢，這主要是由于當PDC主齒發生磨損以后，即使引入完好的PDC輔助齒，也會由于磨損PDC齒的存在而不能有效吃入地層，發揮其剪切破巖效率高的優勢，反而會因為布齒密度的增大，降低鉆頭的攻擊性和破巖效率。

圖5布齒高差對雙排PDC齒鉆頭鉆速影響規律

2.2.4 布齒高差對PDC-孕鑲塊混合鉆頭鉆速的影響

使用D鉆頭研究布齒高差對PDC-孕鑲塊混合鉆頭鉆速的影響(圖6)。由圖6可知：鉆頭后排采用孕鑲塊加強時，隨著前排PDC齒磨損高度的增加，混合鉆頭鉆速呈現下降趨勢，但對比圖5可知，當前排PDC齒磨損高度大于1.0 mm后，混合鉆頭鉆速均大于相同磨損高度下的PDC鉆頭，說明后排孕鑲塊的引入可在PDC齒發生較大磨損(磨損高度大于1.0 mm)后提升鉆頭的破巖效率和穩定性，因此，可將1.0～1.5 mm作為PDC-孕鑲塊最優布齒高差。

使用4種鉆頭在石英砂巖中(可鉆性極值為6.9～7.4)重復上述實驗。實驗表明，PDC-孕鑲塊最優布齒高差與花崗巖相比有所減小，約為0.5～1.0 mm。

圖6布齒高差對PDC-孕鑲塊混合鉆頭鉆速影響規律

3 現場應用

金古1-1HF井是松遼盆地金山區塊一口預探井，鉆探目的層為基底潛山，主要巖性為雜色灰白色花崗巖，夾有少量灰色含礫細砂巖，可鉆性級值為6.0～8.0，單軸抗壓強度約為185.34 MPa；晉古17井為華北油田冀中雷家莊斷層區塊一口預探井，目的層為太古界變質巖潛山地層，主要巖性為石英巖，局部有混合巖、片巖和大理巖等，可鉆性級值為6.9左右，單軸抗壓強度約為177.48 MPa；2個區塊儲層巖石均有硬度大、研磨性強的特點，PDC鉆頭及牙輪鉆頭均存在鉆速慢、壽命短等問題。為提高機械鉆速，縮短鉆井周期，各設計1只PDC-孕鑲塊混合鉆頭進行現場試驗。

3.1 PDC-孕鑲塊混合鉆頭設計

針對2個區塊儲層巖石特點，對PDC-孕鑲塊混合鉆頭進行了針對性優化：①遵循金剛石體積最大化原則，在冠頂PDC主齒后排布置金剛石孕鑲塊，提升鉆頭整體抗沖擊性和耐磨性。②根據目的層井深和巖性，對鉆頭刀翼數目及PDC-孕鑲塊出露高差進行適當調節。金山區塊目的層為花崗巖，井深較深，鉆頭采用六刀翼高密度布齒，PDC-孕鑲塊布齒高差為1.0 mm，以提升鉆頭鉆速，同時最大限度延長使用壽命；雷家莊斷層區塊目的層為強研磨性石英巖，井深較淺，鉆頭采用五刀翼中等密度布齒，布齒高差為0.0 mm，以保護PDC主齒，提高鉆頭破巖效率。③鉆頭內錐較淺[12]，冠頂部位平緩，保證鉆頭冠頂部位切削齒受力均勻，避免個別齒因受力較大而發生先期損壞，有利于提高鉆頭壽命。④鉆頭外錐較長，以增大外錐布齒空間和布齒數量，有利于實現鉆頭的均勻磨損。⑤為避免切削齒因摩擦溫度過高而出現加速磨損，同時及時清除巖屑以防止重復破碎和泥包，混合鉆頭采用了加強水力結構設計；為減輕鉆頭因磨損嚴重造成直徑縮小誘發渦動現象的發生，采用了“主動保徑齒+低摩擦保徑塊”的加強型保徑設計。

3.2 混合鉆頭使用及效果分析

金山區塊金古1-1HF井于三開鉆進時下入1只Φ155.6 mm的PDC-孕鑲塊混合鉆頭，入井深度為2 667.0 m，鉆至井深2 894.0 m，根據地質錄井鉆穿基底花崗巖地層，進入營城組泥巖地層，繼續鉆進至井深2 930.0 m完鉆。雷家莊斷層區塊晉古17井于三開下入1只Φ152.4 mm的 PDC-孕鑲塊混合鉆頭，入井深度為1 475.8 m，鉆至1 510.2 m，由于鉆速下降起鉆。2只PDC-孕鑲塊混合鉆頭與同地層PDC及牙輪鉆頭使用效果對比情況見表1、2。

表1、2及現場資料表明：金古1-1HF井基底花崗巖地層中PDC鉆頭平均鉆速為1.89 m/h，平均單只鉆頭進尺為112.2 m，牙輪鉆頭平均鉆速為1.55 m/h，平均單只鉆頭進尺為78.1 m，PDC-孕鑲塊混合鉆頭與PDC鉆頭相比，鉆速提高了197.9%，進尺提高234.8%，與牙輪鉆頭相比，鉆速提高184.1%，進尺提高236.79%；晉古17井石英巖地層中PDC鉆頭平均鉆速為0.93 m/h，平均單只鉆頭進尺為25.1 m，牙輪鉆頭平均鉆速為0.89 m/h，平均單只鉆頭進尺為19.6 m，PDC-孕鑲塊混合鉆頭與PDC鉆頭相比，鉆速提高37.6%，進尺提高42.2%，與牙輪鉆頭相比，鉆速提高43.8%，進尺提高82.5%。

2只PDC-孕鑲塊混合鉆頭起鉆后，只有冠頂和外錐部位的個別齒磨損較為嚴重，內錐及其他部位的齒只有輕微磨損，鉆頭整體新度均超過70%，仍具有繼續鉆進的能力。

表1 金古1-1HF井花崗巖地層PDC-孕鑲塊混合鉆頭使用效果

表2 晉古17井石英砂巖地層PDC-孕鑲塊混合鉆頭使用效果

4 結 論

(1) 通過布置后排具有高耐磨性的金剛石孕鑲塊并優選布齒高差，可以有效提升PDC鉆頭在花崗巖及石英巖中的適用性，PDC-孕鑲塊混合鉆頭同時具有PDC鉆頭破巖效率高和鑲金剛石鉆頭工作壽命長的雙重優點，室內實驗表明，花崗巖中PDC-孕鑲塊最優布齒高差為1.0～1.5 mm，石英砂巖中最優布齒高差為0.5～1.0 mm。

(2) 現場應用表明，在金山區塊基底花崗巖和雷家莊斷層區塊石英巖鉆進中，相比于常規PDC鉆頭和牙輪鉆頭，PDC-孕鑲塊混合鉆頭具有更高的機械鉆速和更長的使用壽命，有效縮短了鉆井周期，節約了鉆井成本，具有廣闊的應用前景。

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