大齒快切PDC鉆頭提速研究與現場試驗

劉 維 高德利

中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

0 引言

目前國內外PDC鉆頭慣用?13～19 mm的PDC切削齒。在鉆井應用時，隨著地層可鉆性變差，選用的切削齒尺寸也由?19 mm到?13 mm逐步減小，在極難鉆地層甚至還會使用?11 mm（或者?10 mm）的切削齒。鄒德永等通過室內實驗方法，研究了切削齒尺寸（?10～19 mm）對PDC鉆頭破巖效率的影響規律[1-3]。研究結果與現場工程經驗認識相一致：在可鉆性較好地層，大直徑PDC切削齒出刃更大、吃入更深、破巖效果更好，能夠取得更快的機械鉆速；但隨著地層可鉆性逐漸變差，小直徑PDC切削齒的圓弧曲率大，可產生更大的接觸應力，易于吃入難鉆地層，可以獲得更好的破巖效果。

在國內尚未發現大于?19 mm PDC切削齒（簡稱“超大齒”）的鉆井工程應用。但在PDC鉆頭技術的早期發展階段，國外鉆頭廠商及聚晶金剛石復合片生產商積極探索超大齒在油氣鉆探領域的應用，例如?22 mm、?24 mm、?25 mm、?38 mm等超大尺寸的切削齒[4-6]。但當時的高壓科學與超硬材料制備工藝尚不成熟，造成超大齒的耐用性很差。另外，早期的鉆井技術裝備也無法提供足夠的鉆壓、扭矩、轉速、排量等鉆井參數條件，致使超大齒在現場試用時始終無法兌現其理論上的提速優越性。因此，在21世紀初期，超大齒已被國外鉆頭廠商淘汰。

隨著科學技術的進步，高溫高壓合成技術與鉆井技術裝備均已實現不少突破，原先限制超大齒應用的技術壁壘也逐漸破除，使得超大齒破巖技術重新煥發生機。近幾年，國民油井、貝克休斯等國外油服公司[7-10]積極推進?25 mm PDC切削齒的現場應用，并獲得顯著提速效果，而且鉆頭出井狀況良好，說明超大齒已經具有良好的耐用性。與之相比，國內尚未發現超大齒PDC鉆頭的研究報道及實際應用案例。筆者采用理論分析、室內實驗及現場試用等方法，研究超大齒的破巖效果及耐用性，分析超大齒破巖技術在油氣鉆井工程中的應用優缺點，以期為超大齒PDC鉆頭的設計與現場應用提供有益參考。

1 理論研究與實驗驗證

1.1 超大齒破巖的機理分析

在理想鉆進條件下，機械鉆速計算公式如下：

式中v表示機械鉆速，m/h；DOC是PDC切削齒旋轉一周的吃入深度，m/r；R為鉆頭轉速，r/min。

由式（1）可知，PDC鉆頭的機械鉆速與PDC切削齒的吃入深度成正相關性，提高切削齒的吃入深度，能夠有效提高PDC鉆頭的機械鉆速。在鉆壓、扭矩、轉速等鉆井參數匹配的情況下，PDC鉆頭的極限機械鉆速與切削齒的最大出刃高度（即最大吃入深度）成正相關性。如圖1所示，在PDC鉆頭的冠部曲線和切削齒的暴露值都相同的情況下，不同直徑的切削齒將產生不同的出刃高度。很明顯，增加PDC切削齒的（包絡圓）直徑，將提高其最大吃入深度，從而增大極限切削面積（圖1中的黃色區域），進而提高PDC鉆頭的機械鉆速上限。如圖2所示，與?16 mm切削齒的工作面積相比， ?22 mm切削齒與地層巖石的接觸面積更大，旋轉一周能夠破碎更多巖石，從而增強單齒及鉆頭的破巖效果。

圖1 大小齒的出刃高度和單次旋轉井底切削面積對比圖

圖2 大小齒的工作面積對比圖

PDC切削齒切削巖石力學模型可簡化為平面應變狀態，使用《彈性力學》相關理論求解，并借助有限元軟件進行結果驗證，可以得到在單齒—巖石相互作用截面上的應力狀態示意圖，如圖3所示。計算所用巖石密度為2.5 g/cm3，彈性模量為40 GPa，泊松比為0.4。由圖3可知，PDC切削齒的吃入深度越大，圖中深色部分的面積就越大，即在實際三維狀態中產生的巖屑體積越大。根據這一破巖機理，超大齒的破巖能力要顯著優于小齒。

圖3 單齒—巖石相互作用截面的應力狀態示意圖

在布齒時，超大齒可降低PDC鉆頭的布齒密度，減少相同鉆頭尺寸下相同冠部曲線所使用的總齒數。以?215.9 mm 4刀翼鉆頭為例，可使用?16 mm主齒20顆；如果換成?22 mm的主齒，則最多布齒12顆。齒數的減少，使得超大單齒可以承受更大載荷，有利于提高單齒的吃入深度以及PDC鉆頭的破巖效率和機械鉆速。超大齒的優點還包括：增加聚晶金剛石層體積，使得PDC切削齒的耐磨持久性及整體散熱更好；增大齒的出刃，降低地層與鉆頭體表面發生摩擦的概率，使得鉆頭更加穩定；在相同吃入深度下，將有更多的聚晶金剛石與地層接觸，可提高PDC切削齒的抗沖擊韌性等。

1.2 超大齒破巖的機械比能研究

基于立式轉塔車床（Vertical Turret Lathe，簡稱VTL），筆者團隊設計建立了一套單齒破巖實驗裝置，用于研究PDC切削齒破巖效果以及單齒—巖石相互作用力學模型。單齒破巖實驗裝置主要包括旋轉工作臺、數控系統、巖石試樣、三向力傳感器以及數據采集系統。基于此裝置，筆者團隊開展了PDC切削齒的機械比能（Mechanical Specific Energy，簡稱MSE）研究。本次實驗采用直徑為1 100 mm、高度為500 mm的石灰巖作為測試巖樣。具體實驗細節可參考筆者團隊的已發表論文[11,12]。

單齒破巖機械比能的簡化計算公式如下：

式中Ft表示水平方向切削力，N；L表示切削距離，m；V表示破碎巖屑體積，m3。

單齒破巖機械比能的實驗結果如圖4所示。在吃入深度較淺時（1 mm），?22 mm超大齒由于圓弧曲率小、攻擊性差、吃入地層相對困難，需要消耗更多鉆井能量去破碎巖石，導致較大的機械比能。但隨著吃入深度的增加，大小齒（?16 mm和?22 mm）破巖的機械比能趨于一致，接近巖石強度。

圖4 單齒破巖機械比能與其吃入深度的對應關系圖

圖4的另一結論是，隨著吃入深度的增加，大小齒（?16 mm和?22 mm）破巖的機械比能均將減小，即破碎相同體積巖石所需的鉆井能量，將隨著吃入深度的增加而減小。原因之一，如圖5所示，當PDC切削齒的吃入深度較小時，單齒切削產生的運動軌跡相對規整，未發現巖屑崩碎的痕跡。隨著切削齒吃入深度的不斷增加，單齒切削過程中出現大塊巖屑剝離的現象越來越多，說明破巖過程中出現巖石體積破碎的情況越來越多。巖石體積破碎占比的增加，將有效降低單齒破巖的機械比能，提升單齒破巖效果以及鉆頭機械鉆速。綜上可知，增大單齒的吃入深度，例如通過采用超高鉆壓[13]、超大齒（大于?19 mm），可大幅提高PDC鉆頭的破巖效率和機械鉆速。

圖5 ?22 mm PDC切削齒在不同吃入深度下的切削痕跡圖

1.3 全尺寸鉆頭破巖實驗

筆者團隊設計建立了一套全尺寸鉆頭破巖實驗裝置，能夠真實模擬鉆壓、轉速、排量等鉆井參數，可用于研究鉆頭的機械鉆速、穩定性、耐用性等鉆進性能表現。如圖6所示，全尺寸鉆頭破巖實驗裝置主要包括水平鉆機和近鉆頭安裝的隨鉆測量短節。水平鉆機的最大鉆壓為250 kN，最大轉速為160 r/min，最大扭矩為10 kN·m。近鉆頭隨鉆測量短節能夠實時測量鉆壓、扭矩、轉速、進尺、機械鉆速、泵壓、流量以及鉆頭的軸向/橫向/周向振動。短節的測量范圍及測量精度如表1所示。

圖6 全尺寸鉆頭破巖實驗裝置圖

表1 近鉆頭隨鉆測量短節技術參數表

本實驗將轉速設置為恒定的75 r/min，將鉆壓作為實驗變量，在5～40 kN之間取值。以可鉆性較好的石灰巖作為鉆進巖樣。巖樣的幾何尺寸為長度2 000±5 mm、寬度350±5 mm、高度350±5 mm。巖石力學測試數據如表2所示。

表2 石灰巖與花崗巖的巖石力學測試數據表

所采用的PDC鉆頭具有相同的主齒冠部曲線和暴露值，鉆頭直徑都為215.9 mm （8.5 in），刀翼數都是4個，分別采用?16 mm和?22 mm的PDC切削齒。

實驗結果如圖7所示。由實驗數據擬合得到的公式（3）可知，鉆壓與PDC鉆頭的平均機械鉆速成正線性關系。這一規律與理論公式（1）符合，鉆壓越大，鉆頭的機械鉆速越高，而且不同尺寸的PDC切削齒，均符合這一規律。

圖7 鉆進石灰巖時鉆壓與機械鉆速對應關系圖

式中v22、v16分別表示?22 mm、?16 mm切削齒的PDC鉆頭的機械鉆速，m/h；p表示鉆壓，kN。

式（3）的另一結論是，在可鉆性較好地層，采用相同鉆壓和轉速，超大齒（?22 mm）PDC鉆頭的機械鉆速更快，說明增加切削齒尺寸，能夠有效提高PDC鉆頭破巖效率和機械鉆速。如圖8所示，超大齒（?22 mm）PDC鉆頭產生的巖屑尺寸明顯大于小齒（?16 mm）鉆頭產生的巖屑，表明提高PDC切削齒的尺寸，能夠產生更大體積的巖石破碎，實現更高的破巖效率，這也與前面的理論分析一致。

圖8 實驗過程中產生的巖屑照片

基于全尺寸鉆頭破巖實驗裝置，筆者團隊也對超大齒PDC鉆頭的穩定性進行了研究。在19 kN鉆壓下，PDC鉆頭在鉆進石灰巖時的軸向、橫向和周向振動情況如圖9所示。

圖9中以重力加速度g為計量單位，表征鉆頭振動的幅度。實驗結果顯示，?16 mm PDC鉆頭與?22 mm PDC鉆頭在鉆進過程中受到的軸向振動幅度均在－10～10 g之間，而兩者的周向振動幅度均在－2～2 g之間。稍有區別的是橫向振動，?22 mm鉆頭的橫向振動幅度在－3～3 g之間，略大于?16 mm PDC鉆頭的橫向振動幅度（－2～2 g）。實驗結果說明，大小齒PDC鉆頭的三向振動幅度差別不大，提高切削齒的尺寸，并未造成PDC鉆頭失穩及額外振動。另外注意到，在鉆進石灰巖的過程中，相比于其他兩個方向的振動，大小齒PDC鉆頭的軸向振動均是最大的。此實驗結果也與以往的研究認識一致。

圖9 ?16 mm與?22 mm PDC鉆頭的三向振動對比圖

2 超大齒耐用性研究

在PDC鉆頭技術的早期發展階段，超大齒的耐磨性和抗沖擊韌性無法滿足實際鉆井需求。耐用性差是導致超大齒被棄用的主要原因。關于超大齒的耐用性好壞，也是目前一線鉆井從業人員首要擔心的問題，使其無法下定決心使用超大齒PDC鉆頭。為此，筆者團隊采用國際油服公司通用的立式轉塔車床切削花崗巖濕磨實驗（wet VTL test，簡稱“濕磨實驗”）和漸進式沖擊實驗(progressive drop test)[14,15]，對?16 mm和?22 mm PDC切削齒的耐磨性和抗沖擊韌性開展室內測試。關于這兩項實驗的實驗細節，例如實驗裝置、測試參數等，請見筆者團隊的已發表論文[12,16]。以目前現場應用效果較好的?16 mm C30齒為基準，采用相同的基座材質、金剛石配方以及高溫高壓合成技術，制備?22 mm PDC切削齒，并確保切削齒的直徑是唯一實驗變量。

2.1 濕磨實驗

基于VTL設備，PDC切削齒按照恒定吃入深度連續切削花崗巖圓柱。切削齒在整個測試過程的行進距離共為17 024.25 m，然后采用3D輪廓儀測量PDC切削齒的磨損體積，并拍攝磨口形貌照片，如圖10所示。花崗巖的磨損體積由公式（4）計算：

圖10 濕磨實驗后PDC切削齒的磨口照片

式中Vrock表示花崗巖被磨損體積，mm3；Npass表示PDC切削齒的切削層數；Arock表示花崗巖圓柱的橫截面積，mm2；本實驗吃入深度DOC采用0.5 mm恒定值。

本文采用體積磨耗比（花崗巖的磨掉體積除以PDC切削齒的磨損體積）來表征PDC切削齒的耐磨性[17,18]。磨耗比越大表明PDC切削齒的耐磨性越強。實驗結果如圖11-a所示，相比于相同材質和制備工藝的小齒(?16 mm)，超大齒(?22 mm)的耐磨性降低了15%。

圖11 切削齒耐用性實驗結果圖

在相同的高溫高壓燒結條件下，PDC切削齒直徑的增加將降低外部壓力向材質中心的傳遞強度及傳遞均勻性，減弱金剛石顆粒之間D-D鍵能以及整體堆積密度，從而削弱PDC切削齒的耐磨性。從材料學的角度分析，樣品的尺寸越小，其內在固有的缺陷尺度和數量也會越小，展現出更好的機械性能，例如強度和硬度，因而會提高樣品的耐磨性。另一方面，超大齒的耐磨性測試結果也需要考慮到幾何參數的影響。在相同測試條件下（吃入深度、后傾角等），超大齒與地層的接觸面積更大，被磨損掉的聚晶金剛石體積也更多，這無疑會降低超大齒的耐磨性。

雖然室內實驗結果表明超大齒的耐磨性較弱，但是從下文的6次現場試用效果來看，超大齒的耐磨性足以滿足可鉆性較好地層的實際鉆井需求。

2.2 漸進式沖擊實驗

采用全自動落錘沖擊試驗機，將PDC切削齒以15°傾角進行釬焊固定，然后以硬質合金塊（WC-14Co，83 HRA）為靶材，遞進式沖擊PDC切削齒的齒尖。完成基準面定位后，設置初始沖擊能量2 J，開始沖擊測試。每次沖擊后，若無裂紋產生，則逐次遞增2 J沖擊能量，直至裂紋出現，并記錄本次沖擊能量。然后，繼續逐次遞增2 J沖擊能量，直至發生掉片或大范圍碎裂（大于等于30%），此時將齒定義為失效，并記錄本次沖擊能量為最終斷裂能量。最終斷裂能量越大說明PDC切削齒的抗沖擊韌性越好。實驗過程中，采用3D輪廓儀拍攝齒的沖擊形貌。

每類齒至少測試6顆同批次樣品，并將所有試樣的最終斷裂能量做成箱型圖，以表征PDC切削齒抗沖擊韌性的強弱及穩定性。如圖11-b所示，盡管超大齒（?22 mm）的沖擊測試數據的離散性略大、穩定性稍差，但超大齒的最終斷裂能量的中位值是小齒的3.3倍，表現出更好的抗沖擊韌性。雖然這一結論與國外油服公司的結果相一致[7-10]，但我們應當更加科學地分析這一測試數據。超大齒抗沖擊韌性的提高在很大程度上是受到齒本身幾何參數的影響。在漸進式沖擊測試時，超大齒的曲率較小，沖擊瞬間與靶材接觸面積更大。在相同沖擊載荷下，超大齒得到的支撐更多而受到的沖擊更小，因而能夠承受更大的齒尖沖擊載荷。

3 現場試驗與效果分析

3.1 現場試驗

為了驗證超大齒破巖技術對鉆井提速的有效性，同時驗證本文的理論分析及室內實驗結論，筆者團隊在中國石化勝利油田進行了一系列的現場應用試驗。于2021年8月，在勝利油田車西作業區塊的車105井，為直井設計，采用?22 mm PDC切削齒的鉆頭進行了第1次現場試用。此只鉆頭與室內實驗用的鉆頭設計完全相同。PDC鉆頭鉆遇地層主要包括：新生界第四系平原組、新近系明化鎮組和館陶組、古近系東營組和沙河街組。

試驗結果如表3所示，超大齒PDC鉆頭“一趟鉆”完成二開井段所有進尺，總進尺1 681.5 m，單日最高進尺820 m，與同區塊井單井日進尺相比提高了170～210 m；平均機械鉆速43.12 m/h，與同區塊井單井平均機械鉆速16.59～34.89 m/h相比，提高了24%～160%，提速效果顯著，創造車西作業區機械鉆速最快、日進尺最高二項紀錄。

表3 2021年車西作業區PDC鉆頭使用數據對比表

從2021年8月至今，筆者團隊在勝利油田下井使用?22 mm PDC鉆頭共計6次，包括直井和定向井。鉆頭出井狀況如圖12所示。勝利油田各區塊上部地層的鉆井難點主要是館陶組底部的礫石層，礫石含量及顆粒大小對PDC鉆頭的出井狀況有很大影響。當館陶組底部礫石含量較少時，超大齒PDC鉆頭的出井狀況良好，如圖12-a所示。如果館陶組底部礫石含量較多，礫石沖擊將對超大齒造成嚴重損傷，如圖12-b所示。雖然鉆頭出井狀況不同，6只鉆頭均“一趟鉆”完成井段鉆進。總體來說，?22 mm PDC切削齒的耐用性足以滿足可鉆性較好地層的實際鉆井需求。

圖12 PDC鉆頭出井狀況圖

除了受到齒尖沖擊，PDC切削齒在井下作業時也會遭受齒面沖擊[16]。超大齒出刃大、吃入深、機械鉆速快；反過來，超大齒受到的沖擊載荷也大，導致在井下發生齒面沖擊的概率大幅增加，將出現多頻次多角度的齒面沖擊失效。一個值得注意的現象是，與小齒相比，超大齒表現出更好的自銳性。即使發生齒面斷裂等失效，超大齒仍具有較高的尖銳度，如圖12-c所示，有利于延續PDC鉆頭的攻擊性和破巖效果。

3.2 討論

大齒快切PDC鉆頭適用于大尺寸井眼、可鉆性較好的上部地層，可以產生“快上加快”的鉆井提速效果。相似地，國外油服公司的現場應用也是在?241.3 mm、?311.2 mm、?444.5 mm等大井眼鉆井過程中不斷刷新機械鉆速記錄[7-10]。隨著井深的不斷增加，地層致密性隨之增強，而超大齒的圓弧曲率小、尖銳度差、難以吃入地層，并且需要更多的鉆井能量以吃入及剪切地層，從而導致超大齒PDC鉆頭的破巖效率低、機械鉆速慢。此時，尺寸小且尖銳的異形齒表現出更好的破巖效果和耐用性[19,20]。

為了驗證以上結論，本文利用全尺寸鉆頭破巖實驗裝置，對石灰巖、花崗巖兩種巖性的巖樣開展破巖實驗對比。兩種巖樣的巖石力學數據如表2所示。花崗巖的單軸抗壓強度（UCS）約為石灰巖的2.3倍，黏聚力（內聚力）約為石灰巖的1.8倍。相對于石灰巖，PDC切削齒需要消耗更多的鉆井能量來破碎花崗巖地層。石灰巖的相關實驗結果，已在式（3）給出。花崗巖的實驗裝置、實驗參數及實驗用鉆頭，都與石灰巖實驗相同，實驗結果如圖13所示。

圖13 鉆進花崗巖時鉆壓與機械鉆速的對應關系圖

通過對比?16 mm和?22 mm PDC鉆頭在鉆進花崗巖時的機械鉆速可以發現，在鉆進可鉆性較差的地層時，超大齒PDC鉆頭的破巖效果較差、機械鉆速慢。這一結論也與以往的工程經驗及研究認識一致，即小齒在可鉆性較差地層具有更高的破巖效率[1-3]，例如壓實致密的深部泥巖地層、堅硬且研磨性強的花崗巖或干熱巖等復雜難鉆地層。另一方面，如圖13所示，隨著鉆壓的不斷增加（大于30 kN），超大齒PDC鉆頭在花崗巖地層的破巖效果逐漸接近甚至超過小齒PDC鉆頭，這說明超大齒的機械鉆速與鉆壓關系曲線更加陡峭。隨著超高鉆壓的使用[13]，超大齒PDC鉆頭擁有更高的提速潛力。

4 結論

1）理論分析表明，通過增加PDC切削齒尺寸（“包絡圓”直徑），可有效提高PDC鉆頭的機械鉆速。全尺寸鉆頭破巖實驗和現場試用結果均證明，與?16 mm PDC切削齒相比，?22 mm PDC切削齒在可鉆性較好地層展現出更大的提速潛力。

2）常規鉆壓下?22 mm PDC切削齒在破碎花崗巖時破巖效果不如小齒（?16 mm），導致鉆頭機械鉆速慢。但超大齒破碎硬巖地層的機械鉆速與鉆壓關系曲線更加陡峭，在大鉆壓下可實現更好的提速效果。

3）從鉆頭與地層適配性的角度分析，?22 mm PDC切削齒適用于可鉆性較好的上部地層，例如?241.3 mm、?311.2 mm、?444.5 mm等大尺寸井眼。受限于當前超硬破巖材料和鉆井技術裝備水平，超大齒尚不適用于深部復雜地層。

4）室內耐用性實驗表明，與相同基材相同制備工藝的?16 mm PDC切削齒相比，?22 mm切削齒的抗沖擊韌性更好，但耐磨性稍差。6次現場試用結果表明，?22 mm切削齒的耐用性足以滿足可鉆性較好地層的實際鉆井要求。

5）很多早期的PDC鉆頭創新理念受限于當時的技術與裝備水平，無法發揮其優勢而被暫時棄用，但其基本原理是正確的。隨著技術進步與裝備改善，這些早期理念將會煥發出新的生機。