PDC取心鉆頭在古潛山儲層的切削齒抗磨性研究

摘要：古潛山儲層作為鉆井取心工藝中的一個世界性難題，是鉆井取心技術人員一直以來關注和研究的對象。本文通過對古潛山儲層特性的分析和研究，對PDC取心鉆頭在古潛山儲層的切削齒抗磨性進行分析研究，確定出更加適合具有古潛山特性的切削齒，在提高PDC取心鉆頭在古潛山儲層中使用壽命的同時，也提高了機械鉆速，為提高巖心收獲率奠定了基礎。

關鍵詞：切削齒抗磨性；古潛山儲層；PDC取心鉆頭；鉆井取心技術

引言

古潛山儲層因巖性堅硬而破碎、研磨性高，是鉆井取心行業取心難度最高的地層之一。該儲層研磨性高，在以往只能應用耐磨性較高的孕鑲或者表鑲取心鉆頭，但因孕鑲或表鑲取心鉆頭機械鉆速低，而古潛山儲層又堅硬而破碎，在低機械鉆速的取心鉆進中很容易出現吊打和巖心受鉆井液沖蝕，導致該地層的巖心收獲率極低。本文通過對PDC取心鉆頭切削齒抗磨性能的研究，設計能更加適應古潛山儲層的切削齒，提高鉆頭壽命的同時，高機械鉆速可以有效防止在進行過程中巖心因破碎的丟失。

1.切削齒的損壞原因

切削齒是PDC鉆頭的切削元件，切削齒的質量好壞直接影響著PDC鉆頭的性能和質量，因此提高切削齒的抗磨、抗扭、抗沖擊等性能是提高PDC鉆頭使用壽命的主要途徑。通過現場施工發現，在古潛山儲層中PDC的研磨性、抗扭、抗沖擊性能顯著下降，是造成PDC取心鉆頭損壞的主要原因。通過對現場的數據進行統計分析可以確定，造成切削齒性能低下的原因主要有：切削齒燒結過程中存在缺陷、切削齒中殘留鈷含量過高、切削齒的熱穩定性差、燒結過程中剩余應力過大等四個方面。

2.提高切削齒性能的措施

從古潛山的儲層特性出發，通過對PDC取心鉆頭在古潛山儲層中的使用數據進行統計和分析，確定出造成鉆頭切削齒損壞的主要原因，并結合古潛山儲層特性，對存在的問題做了一下四個方面的改進。

2.1提高切削齒高溫高壓的燒結工藝

在古潛山儲層中，因巖性堅硬、研磨性高、裂縫發育，普通的PDC鉆頭切削齒在使用過程中因局部溫度高、受力不均勻、局部扭矩大，使得切削齒在高溫高壓壓制過程中因為聚晶金剛石復合片本身存在的微觀缺陷在使用過程中被放大，從而加速了切削齒的破壞。

為了能夠有效降低因在高溫高壓壓制過程中聚晶金剛石復合片的微觀缺陷，使得在使用過程中放大缺陷而造成的切削齒損壞，經過研究發現，在高溫高壓燒結過程中加入表面改性膏劑和防氧化表面活性劑，降低切削齒的磨耗，可以降低金剛石復合片的微觀缺陷，從而提高切削齒的使用壽命。

2.2有效降低切削齒中殘存的鈷催化劑含量

切削齒中殘存的鈷催化劑限制了PDC取心鉆頭在古潛山儲層中的應用，為了有效解決鈷催化劑的含量，引進國外先進全角度鈷濾出工藝提高切削齒的耐磨性能，如圖1所示：

2.3提高切削齒的熱穩定性

當取心鉆頭在井底高速旋轉時，鉆頭與地層之間的高速摩擦會產生巨大的熱量，使得切削齒處于高溫的環境，處于高溫的PDC切削齒會因為過熱而出現應力裂變，使得切削齒出現龜裂，復合片損壞掉落。

為了提高切削齒的熱穩定性，對切削齒進行高溫試驗發現，可以通過優化復合片的二次壓制工藝提高切削齒的熱穩定性，同時應用高性能的低沖蝕取心鉆頭水眼結構，可以有效防止因切削齒與地層之間的摩擦過熱出現的熱龜裂等損壞，如圖2所示：

2.4降低剩余應力

在切削齒聚晶金剛石復合片與硬質合金壓制過程中會存在一定的殘存應力，在鉆頭使用過程中，當磨擦溫度達到一定值時，殘存應力就會釋放，從而造成復合片的脫落或損壞。研究表明，通過應用非平面接觸結構可以降低殘余應力，提高切削齒的穩定性和抗磨、抗扭、抗沖擊性能。非平面接觸結構如圖3所示：

3.效果檢驗

廠家的實驗室中進行新型PDC切削齒的測試。實驗室測試表明，改進后的PDC切削齒的抗磨、抗扭、抗沖擊性能都有很大提高，在鉆壓、水力參數及其他外界條件一定的情況下，對新型的PDC切削齒進行對比試驗，實驗測試結果表明，改進后的新型PDC切削齒的抗磨、抗斷裂、抗破碎、抗沖擊的性能比改進前的普通PDC切削齒的各項性能要提高3倍以上，改進措施顯著。

技術人員將單純改進PDC切削齒的取心鉆頭應用到茨XX和茨XXX井進行測試，測試結果見表1所示：

4.結論

（1）改進后的新型PDC切削齒的抗磨、抗斷裂、抗破碎、抗沖擊的性能比改進前的普通PDC切削齒的各項性能要提高3倍以上，改進措施顯著；

（2）單純提高PDC取心鉆頭的切削齒可以提高PDC鉆頭的整體性能。

參考文獻

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作者簡介：孔志剛（1986-1），男，工程師，學士學位，遼寧盤錦，2010年畢業于中國石油大學（北京）石油工程專業，研究方向：從事鉆井取心研究和技術服務工作。E-mail：lovekongzhigang@126.com。

孔志剛（1986-1），男，工程師，學士學位，從事鉆井取心研究和技術服務工作。E-mail：lovekongzhigang@126.com。

（作者單位：長城鉆探工程有限公司工程技術研究院）