PDC鉆頭異形切削齒研究進展

王光明，李 達，倪驍驊

(1.江蘇油田礦業開發有限公司，江蘇 揚州 225012；2.鹽城市金巨石油機械制造有限公司，江蘇 鹽城 224052；3.鹽城工學院 汽車工程學院， 江蘇 鹽城 224007)

切削齒是PDC鉆頭的基本切削單元，其性能極大影響著PDC鉆頭的機械鉆速和使用壽命。近幾年來，為克服PDC鉆頭常規圓柱狀切削齒的不足，滿足不同硬度、強研磨性及非均質地層巖石的需要，提高鉆井效率，國外一些公司在推出PDC鉆頭異形切削齒——錐形齒[1-3]之后，對PDC鉆頭異形切削齒持續進行了大量研究，取得了突破性進展。研究人員在切削齒幾何形狀、材料優選、制造工藝等方面持續創新，研發了多種創新型幾何設計的新型PDC鉆頭異形切削齒，這些異形切削齒的抗磨蝕性、抗沖擊性、熱穩定性和韌性有了很大提高，極大推動了PDC鉆頭技術的進步，鉆井性能得到不斷提高，顯著提高了機械鉆速。為改變我國PDC鉆頭技術落后的狀態，應及時跟蹤國外PDC鉆頭異形切削齒的發展動向，這對調整和優化當前的PDC鉆頭研發方向，提前做好技術儲備具有重要意義。

1 脊形切削齒

斯倫貝謝公司研發的Axe脊形金剛石元件系列和StrataBlade*金剛石元件、哈里伯頓公司研發的Geometrix 4D異形切削齒系列的ChopperTMPlowed斷屑切削齒和 DaggerTMMulti-Plowed切削齒都屬于脊形切削齒。

1.1 Axe脊形金剛石元件系列

Axe脊形金剛石元件系列包括第1代脊形切削齒——Axe脊形金剛石元件及后續研發的Axe Ultra*脊形金剛石元件、Axe SR*楔-脊形金剛石元件和Axe TR*三角脊形金剛石元件。該元件系列適用于無側限抗壓強度大于35 MPa的中等硬度地層[4]。

Axe脊形元件具有常規圓柱狀PDC切削齒的剪切和碳化鎢鑲齒(TCI)的壓碎雙重破巖功能，與常規PDC切削齒相比，金剛石層厚度增加70%(如圖1)，耐用性顯著增強，穿透深度至少提高22%，鉆進轉矩小，有助于實現高機械鉆速[5]。

圖1 Axe脊形金剛石元件

美國德克薩斯州Eagle Ford頁巖含石灰巖夾層用單只Axe脊形元件AxeBlade鉆頭鉆進1 093 m，機械鉆速31.2 m/h，與鄰井相比提高29%[6]；Anadarko盆地含堅硬砂巖和石灰巖的頁巖用單只AxeBlade鉆頭鉆進953.72 m，機械鉆速29.1 m/h，與鄰井常規PDC鉆頭相比提高27%，轉矩降低20%[7]；厄瓜多爾Tiyuyacu地層由粘土巖、砂巖和礫巖互層組成，用單只AxeBlade鉆頭(直徑406.4 mm)鉆進2 247 m，與鄰井相比，鉆進進尺提高了13.24%，機械鉆速提高19%，比計劃提前2.3 d完鉆[8]。印度玄武巖地層使用2只脊形PDC切削齒和錐形PDC切削齒的混合式AxeBlade鉆頭(直徑311.15 mm)鉆進，第1只鉆進952 m，機械鉆速1.9 m/h，第2只鉆進960 m，機械鉆速1.83 m/h，與使用15只常規PDC鉆頭和牙輪鉆頭的鄰井相比，每米鉆井成本降低40%[9]；巴西Buzios油田2口井的頁巖、碳酸鹽巖、砂巖和硬石膏層互層鉆進過程中使用了Axe脊形元件AxeBlade鉆頭，機械鉆速分別為33.8 m/h和26 m/h，與使用常規PDC鉆頭的鄰井相比分別提高112%和63.5%[10]。

Axe Ultra*脊形元件與Axe脊形元件的區別在于聚晶金剛石層和硬質合金基底之間優化的交界面(如圖2)，不僅耐沖擊和磨損，且可實現有效的切削和散熱，有助于實現最大的機械鉆速[11]。Axe Ultra*脊形元件AxeBlade鉆頭在美國新墨西哥州二疊紀盆地得到成功應用，單只鉆頭(直徑171.45 mm)鉆完水平段，地層為狼營組灰巖與頁巖互層，進尺約3 000 m，平均機械鉆速27.22 m/h，與使用2只常規鉆頭的鄰井相比提高18%[12]。

圖2 Axe Ultra*脊形金剛石元件

Axe SR*楔-脊形元件與Axe脊形元件的區別在于增加了楔形(如圖3)，合理地布置在鉆頭錐面中，可高效破碎巖石，在相同的鉆壓下可實現比常規PDC切削齒和Axe脊形金剛石元件更大的切削深度[13]。Axe SR*楔-脊形元件AxeBlade鉆頭(直徑222.25 mm)在美國北達科他州威利斯頓盆地完成了4口井直井段的鉆進施工，地層巖性為硬石灰巖、硬石膏和砂巖互層。在其中相鄰的3口井中，單只鉆頭鉆進進尺分別為1 972、1 913和1 958 m，機械鉆速分別為48.46、51.21和53.34 m/h，與基準井相比提高至少10%[14]；而在另一口井中，單只鉆頭鉆進進尺1 775 m，機械鉆速30.2 m/h，與基準井相比提高11.4%，與常規PDC切削齒和Axe脊形元件切削齒相比，切削效率分別提高34%和18%[15]。

圖3 Axe SR*楔-脊形金剛石元件圖

Axe TR*三角脊形元件的三條脊線(如圖4)夾角呈120°，可有效提高鉆頭的抗沖擊性(沖擊強度提高15%)。在碳酸鹽巖和砂巖中，切削效率可分別提高29%和4%[16]。Axe TR*三角脊形元件AxeBlade鉆頭(直徑311.15 mm)在美國俄克拉荷馬州中南部完成了直井段的鉆進施工，巖性為砂巖、頁巖和石灰巖互層。4只AxeBlade鉆頭平均鉆進進尺621.5 m，平均機械鉆速11.98 m/h，而6只常規鉆頭平均鉆進進尺484.9 m，平均機械鉆速9.93 m/h，與常規鉆頭相比，AxeBlade鉆頭的機械鉆速提高20.64%[17]。

圖4 Axe TR*三角脊形金剛石元件

1.2 StrataBlade*金剛石元件

StrataBlade*金剛石元件的特征為錐形脊(如圖5)，切削刃尖端較厚的金剛石層提高了抗沖擊性，可通過點載荷破巖，中心的凹形減小了有效切削刃的背前角，有助于鉆進更大的深度，適用于中等強度(無側限抗壓強度在35～140 MPa)夾層[18]。在美國賓夕法尼亞州東北部，使用StrataBlade*元件鉆頭(直徑222.25 mm)鉆進直井段，地層為馬塞勒斯頁巖(主要為頁巖和砂巖互層，無側限抗壓強度在68.95～137.9 MPa)，機械鉆速80.4 m/h，與鄰井機械鉆速最大值和平均值相比分別提高10%和15%[19]。

圖5 StrataBlade*金剛石元件

1.3 ChopperTM Plowed斷屑切削齒

ChopperTMPlowed斷屑切削齒的脊形金剛石臺面(如圖6)增加了金剛石層厚度，利于周向預破碎巖石，減少巖屑流經切削齒表面產生的摩擦，且切削齒尖端減少了積聚的熱量，金剛石層磨損與熱降解也相應減少，有助于頁巖地層高效鉆進[20-21]。

圖6 ChopperTM Plowed斷屑切削齒

1.4 DaggerTM Multi-Plowed切削齒

DaggerTMMulti-Plowed切削齒表面上幾個平行排列的凸脊(如圖7)使切削齒與鉆屑之間形成流體邊界層，減少了摩擦，有助于高效排出鉆屑。另外，凸脊的存在還增加了切削齒表面積，有助于散熱，金剛石層磨損與熱降解也相應減少。該切削齒適用于頁巖等塑性巖石[20-21]。

圖7 DaggerTM Multi-Plowed切削齒

2 楔(V)形切削齒

貝克休斯公司研發的OptimusTMApex異形切削齒、哈里伯頓公司研發的Geometrix 4D異形切削齒系列的ChiselTMPlowed 楔(V)形切削齒和 MacheteTM楔(V)形切削齒，以及國民油井華高公司研發的IONTM3D異形切削齒系列都是典型的楔(V)形切削齒。

2.1 OptimusTM Apex異形切削齒

OptimusTMApex異形切削齒(如圖8)通過點載荷將更多的重力分配至體積較小的巖石，有助于穿透延性地層并產生最大的機械鉆速[22]。在美國東北部，馬塞勒斯頁巖水平井鉆進中使用OptimusTMApex異形齒DynamusTMATD506X PDC鉆頭，一趟鉆鉆完切線段和造斜段，進尺1 768 m，機械鉆速36 m/h，與鄰井相比，平均縮短鉆井時間17 h[23]。

圖8 OptimusTM Apex異形切削齒

2.2 MacheteTM楔(V)形切削齒

MacheteTM楔(V)形切削齒(如圖9)通過點載荷軸向預破碎巖石，適合于堅硬、脆性地層。楔(V)形幾何形狀提高了熱穩定性，鉆進過程中有助于保持切削齒尖端更鋒利，從而減少了積聚的熱量，金剛石層磨損與熱降解也相應減少[20-21]。

圖9 MacheteTM楔(V)形切削齒

2.3 ChiselTM Plowed楔(V)形切削齒

ChiselTMPlowed楔(V)形切削齒(如圖10)利用三維尖角形狀有效地預破碎巖石，同時還減少了巖屑經過切削齒表面產生的摩擦，有助于高效鉆進[20-21]。

圖10 ChiselTM Plowed 楔(V)形切削齒

2.4 IONTM 3D異形切削齒系列

IONTM3D異形切削齒系列以高性能ION切削技術為基礎，與高度拋光表面相結合，使巖屑在金剛石表面滑動而不粘著，有助于減少摩擦，產生的熱量少。根據齒端形狀不同，該切削齒有IONTM3D、IONTM3DS、IONTM3DSE和IONTM3DE 4種類型(如圖11)，適用于砂巖、碎屑巖和碳酸鹽巖，在同時需要剪切的延性巖石和破碎的脆性巖石互層地層中表現出色[24]。

圖11 IONTM 3D異形切削齒系列

3 鑿形切削齒

貝克休斯公司研發的Stay TrueTM異形金剛石元件、國民油井華高公司研發的IONTM4D異形切削齒系列及ION+TMPDC切削齒都屬于鑿形切削齒。

3.1 Stay TrueTM異形金剛石元件

Stay TrueTM異形金剛石元件(如圖12)利用獨特的鑿形增強了作用于巖石的應力，有助于裂縫生成和延伸，并可減小鉆頭振動和渦動，有助于穩定鉆頭，實現高效鉆進，適用于硬地層和軟硬交替地層[25]。在美國俄克拉荷馬州，Hogshooter地層主要為砂巖、石灰巖和白云巖互層，直井段鉆進中使用Stay TrueTM元件Talon ForceTMPDC鉆頭(直徑311.15 mm)，一趟鉆鉆進至目的層——伍德福德頁巖生產層，與使用常規PDC鉆頭的鄰井相比，橫向振動減小40%，節約起下更換鉆頭時間12 h，鉆進進尺提高142%[26]。在美國特拉華盆地，頁巖、石灰巖和砂巖互層鉆進中使用Stay TrueTM元件Talon ForceTMPDC鉆頭(直徑222.25 mm)，一趟鉆鉆完直井段，鉆進進尺1 932.43 m，機械鉆速30.78 m/h，與使用常規PDC鉆頭的鄰井相比，橫向振動減小42%，鉆進進尺提高66.8%，機械鉆速提高40.28%[27]。

圖12 Stay TrueTM異形金剛石元件

3.2 IONTM 4D異形切削齒系列

IONTM4D和4DX異型切削齒(如圖13)的4D非平面切削面可產生犁削效應，可增大剪切方向上的點載荷，有助于減小阻力并產生較小鉆屑。IONTM4DC和4DXC混合式異型切削齒(如圖13)的鑿形齒端可在軸向上產生點載荷，促進了裂縫擴展和延伸，并通過低扭矩進一步降低了機械比功，有助于提高機械鉆速。IONTM4D異形切削齒系列適用于中等硬度—堅硬易碎砂巖、中等硬度—堅硬韌性石灰巖、軟而有韌性鹽巖和軟卻韌性極大的頁巖。目前，IONTM4D異形齒TektonicTMPursuit系列鉆頭已在中東、北非、拉丁美洲、加拿大等多個國家和地區的油氣勘探中得到成功應用，取得了良好的提速提效效果[28]。

圖13 IONTM 4D異形切削齒系列

3.3 ION+TM PDC切削齒

ION+TMPDC切削齒(如圖14)基于IONTM切削齒改進而成，涉及多種特定應用的切削齒等級，采用新型非平面界面和較厚的金剛石層，制造壓力高、熱穩定性好、韌性強。高度拋光的金剛石表面有助于減少摩擦，提高切削效率，避免鉆頭泥包[29]。

圖14 ION+TM PDC切削齒

4 其他異形齒

4.1 IONTM 2D異形切削齒

IONTM2D異形切削齒(圖15)由國民油井華高公司研發，專為頁巖鉆井作業而設計。該切削齒的非切削側面增加了1個大倒角，減少了切削齒與鉆屑的接觸面積，從而減少了摩擦能損失，并作為流動通道，可引導流體沖擊破碎巖石[30]。

圖15 IONTM 2D異形切削齒

4.2 StayCoolTM 2.0多維切削齒

StayCoolTM2.0多維切削齒(如圖16)由貝克休斯公司研發，旨在提高切削齒表面的熱轉換效率，即將切削產生的熱量轉移至巖屑排出，有助于降低切削齒溫度，避免切削齒過熱導致的熱裂失效，以提高切削效率。該切削齒具有獨特的幾何形狀，當切削齒磨損至切削面剖面部分時，后耙角有效增大，使切削齒呈現出自銳性能，從而可補償切削面積增大帶來的不利影響，保持了切削齒的鋒利性，適用于砂巖和碳酸鹽巖互層等堅硬、研磨性地層[31-32]。

圖16 StayCoolTM2.0多維切削齒

4.3 OptimusTMPrism異形切削齒

OptimusTMPrism異形切削齒(如圖17)由貝克休斯公司研發，通過點載荷將更多的重力分配至體積較小的巖石，且獨特的三維形狀還可產生犁溝效應，有助于穿透頁巖等延性地層并產生最大的機械鉆速。此外，貝克休斯還在該切削齒中融入了StayCoolTM2.0多維切削齒技術，以提高在堅硬研磨性地層中的耐用性。在硬砂巖互層和碳酸鹽巖中，鉆頭性能與切削齒耐熱能力直接相關。StayCool 2.0技術降低了切削齒與/巖石界面產生的熱量，具有極耐磨的工作面，保持了鋒利的切削刃，有助于提高鉆井效率[33]。在美國二疊紀盆地，交互層鉆進中僅使用了一只OptimusTMPrism異形齒D506WS DynamusTM長壽命鉆頭(直徑311.15 mm)，平均機械鉆速70.8 m/h，與目標平均機械相比提高37%[34]。

圖17 OptimusTMPrism異形切削齒

4.4 HyperBlade*雙曲面金剛石元件

HyperBlade*雙曲面金剛石元件(如圖18)由斯倫貝謝公司研發，該元件精密成型的厚金剛石層及鎧裝切削刃提高了抗沖擊性和耐用性，中心的雙曲面形狀和斷屑剖面有助于產生小的鉆屑，可緩解泥包，提高鉆屑清除效率。與常規PDC切削齒相比，該元件切削刃的正前角增大，在軟塑性地層中無需較大的軸向載荷和周向力穿透和剪切巖石，利于定向控制，切削深度提高20%，平均機械鉆速提高21%[35]。在挪威北海，使用HyperBlade*元件鉆頭(直徑406.4 mm)鉆進，巖性為非膠結砂巖和綠泥石，進尺1 183 m，機械鉆速101 m/h，與鄰井平均機械鉆速相比提高167%[36]。在泰國灣，使用HyperBlade*元件鉆頭(直徑215.9 mm)鉆進，地層為頁巖和砂巖互層，平均機械鉆速390.75 m/h，與鄰井平均機械鉆速相比提高17%[37]。

圖18 HyperBlade*雙曲面金剛石元件

4.5 HatchetTM錐面切削齒

HatchetTM錐面切削齒(如圖19)由哈里伯頓公司研發，屬于Geometrix 4D異形切削齒系列。該切削齒專為克服PDC鉆頭錐面中切削力的約束而設計，有助于提高錐面的切削效率和耐用性[20-21]。

圖19 HatchetTM錐面切削齒

5 結論

1) 多種創新型幾何形狀異形切削齒的研發使PDC鉆頭由原始的剪切破巖方式向具有剪切破巖、點載荷破巖和犁削破巖等多重破巖功能的混合破巖方式轉變，為提高不同硬度、強研磨性及非均質地層巖石的破巖效率提供了有效的技術手段。

2) 大多數異形切削齒是專為達到不同的應用目的(如提高抗沖擊性、韌性、克服鉆頭錐面中切削力學的約束、減少巖屑摩擦和金剛石層磨損與熱降解等)而量身定制的，因此，個性化異形切削齒是未來發展的主要方向。

3) 建議深入開展常規圓柱狀切削齒和各種異形切削齒混合式個性化PDC鉆頭的研發，對鉆頭的切削結構進行優化，合理布置各種切削齒，充分發揮各自的優勢，以解決深部地層可鉆性差導致的機械鉆速慢、鉆井效率低的難題。