混合鉆頭破巖機(jī)理淺析

王 朋

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林松原138000）

隨著我國以及世界油氣資源的不斷勘探開發(fā)，鉆井的深度以及水平井水平段的長度不斷的增加，鉆遇地層的復(fù)雜程度也越來越高，因而各個(gè)鉆井公司對鉆井工具的要求也越來越高。鉆頭在鉆井過程中對鉆井質(zhì)量、鉆井速度、鉆井成本等均有重要影響，因而對鉆頭的改進(jìn)和優(yōu)化提出了更高的要求[1]。

現(xiàn)有常用鉆頭主要有常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭。常規(guī)PDC鉆頭價(jià)格低，市場占有率較高，約占有70%左右的市場份額，其優(yōu)勢在于在泥砂巖等軟地層中鉆井速度快，鉆井進(jìn)度平穩(wěn)，鉆井質(zhì)量較高，但存在PDC鉆頭遇到火成巖等堅(jiān)硬地層時(shí)，鉆頭的切削齒磨損太快，導(dǎo)致鉆井速度和效率降低。常規(guī)牙輪鉆頭在軟地層和較硬地層中均有較好表現(xiàn)，但該類鉆頭在鉆遇極硬地層時(shí)，牙輪鉆頭經(jīng)常出現(xiàn)斷齒甚至切削齒脫落，因而導(dǎo)致鉆井速度以及鉆井效率低下[2-3]。

近年來，國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)提出了混合鉆頭的概念，混合鉆頭是將PDC鉆頭和牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)結(jié)合，綜合了PDC鉆頭和牙輪鉆頭的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出具有兩者結(jié)構(gòu)的混合鉆頭，混合鉆頭在國內(nèi)外取得了較好的成果，在現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)用中鉆井效率也有明顯的提高，特別是在非均質(zhì)性較強(qiáng)以及極堅(jiān)硬地層的鉆井中效果更好。但混合鉆頭不僅僅是兩種鉆頭的結(jié)構(gòu)混合，混合鉆頭在破巖機(jī)理等方面與常用的PDC鉆頭和牙輪鉆頭有巨大區(qū)別，因而需要進(jìn)一步的深入研究，并且國內(nèi)對混合鉆頭的設(shè)計(jì)與國外相比差距仍巨大，主要原因也是在混合鉆頭破巖機(jī)理方面研究深度不夠，對混合鉆頭破巖的方式、混合后鉆頭的磨損等研究欠缺[4]，所以混合鉆頭破巖機(jī)理研究對我國的混合鉆頭的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用均有重要意義。

混合鉆頭混合了PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和牙輪鉆頭的沖擊、切削結(jié)構(gòu)，其破巖方式也是切削和沖擊作用的混合，因而在介紹混合鉆頭破巖機(jī)理前，首先要了解PDC鉆頭和牙輪鉆頭的破巖方式。

1 PDC鉆頭破巖作用

常規(guī)PDC鉆頭的破巖方式類似于金屬機(jī)床的切削，主要包括了切削作用、破碎作用、犁削作用、研磨作用等。

（1）切削作用：該作用主要是發(fā)生在較軟地層中，PDC鉆頭的切削齒由于鉆鋌、鉆桿的壓力深入到地層內(nèi)，隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動，切削齒對地層產(chǎn)生剪切力（圖1），從而切削地層，形成巖屑，最終巖屑隨泥漿流出井口。

圖1 PDC鉆頭切削巖石示意圖

（2）破碎作用：該作用主要是具有尖齒和圓齒交替布置結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭所特有，并且在脆性巖石地層中該作用更為明顯，其過程為尖齒在接觸地層時(shí)使地層產(chǎn)生應(yīng)力縫（圖2），在其后的圓齒對已有應(yīng)力縫的地層削切。破碎作用很好地解決了較硬巖層削切效果不好的問題，首先尖齒在巖石中產(chǎn)生裂縫，使得巖石弱化，以提高破巖效率。

圖2 PDC鉆頭尖齒破巖示意圖

（3）犁削作用：該作用主要是PDC鉆頭的圓齒切削巖石時(shí)，由于鉆壓使得圓形切削齒在巖石內(nèi)部形成裂紋，并隨著切削齒的深入，內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)張，從而使得巖石破裂。

（4）研磨作用：該作用主要發(fā)生于高硬度、高研磨性地層，由于該地層內(nèi)的巖石密度大、不易破裂，因而PDC鉆頭的切削齒在鉆壓下多次重復(fù)切削地層，從而將該地層研磨成細(xì)顆粒狀巖屑，但該破巖方式會極大地磨損PDC鉆頭的切削齒。

2 牙輪鉆頭破巖作用

牙輪鉆頭的切削齒具有圍繞鉆頭軸線公轉(zhuǎn)、圍繞牙輪軸線自轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，因而牙輪鉆頭在切削巖石時(shí)主要由縱向振動和滑動運(yùn)動兩種形式，因而牙輪鉆頭的切削作用主要由縱向振動產(chǎn)生的沖擊壓碎作用和滑動產(chǎn)生的滑動切削作用組成（圖3）。

圖3 牙輪鉆頭破巖示意圖

（1）沖擊壓碎作用：在鉆井過程中，由于牙輪鉆頭公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動以及井底巖石不平整形成的鉆頭切削齒與巖石產(chǎn)生振動，鉆頭的振動帶動鉆柱形成周期性的彈性形變，該形變又傳遞給鉆頭，從而形成對井底的沖擊作用，鉆頭切削齒在鉆壓和振動雙重作用下，使巖石發(fā)生破碎。

（2）滑動切削作用：牙輪鉆頭中牙輪結(jié)構(gòu)在鉆井過程中往往由于巖屑、泥漿等的影響，出現(xiàn)較大摩擦力，該摩擦力使得牙輪在井底出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，并且隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的增加，該摩擦力也相應(yīng)增大，從而出現(xiàn)了滑動切削作用（圖3）。牙輪鉆頭在不同硬度的地層中，破裂巖石的作用也有差異，在硬地層中，主要靠沖擊壓碎作用把巖石破碎，滑動切削作用輔助形成巖屑；在較軟地層中，以滑動切削作用為主，沖擊壓碎作用為輔。

3 混合鉆頭破巖機(jī)理

混合鉆頭具備了PDC鉆頭和牙輪鉆頭的混合結(jié)構(gòu)，因而也具備了兩者的各種巖石切削、破裂作用，并且由于其結(jié)構(gòu)與兩者均有差異，所以其破巖機(jī)理相對復(fù)雜，主要特點(diǎn)有以下三點(diǎn)：

（1）混合鉆頭的破巖作用主要有兩種情況，第一種是牙輪切削齒的輪廓線在PDC切削齒輪廓線外側(cè)時(shí)，以牙輪切削齒結(jié)構(gòu)為主應(yīng)力接受點(diǎn)，牙輪切削齒利用沖擊破巖作用和滑動切削作用對井底地層沖擊、切削，并使得井底巖石出現(xiàn)裂紋及破碎坑，并且在鉆孔的周邊也出現(xiàn)擴(kuò)展裂紋，該作用使得鉆頭周緣巖石抗破碎能力降低（圖4），從而當(dāng)PDC切削齒接觸該地層時(shí)，可以更輕松地切削地層，進(jìn)而降低了磨損度，加快了鉆井速度。第二種是PDC切削齒輪廓線在牙輪切削齒的輪廓線外側(cè)時(shí)主應(yīng)力集中于PDC切削齒上，PDC切削齒切削井底地層，在井底形成環(huán)帶，使得牙輪牙齒沖擊巖石更容易。

圖4 混合鉆頭破巖示意圖

（2）鉆井過程中遇到軟地層與硬地層互層現(xiàn)象時(shí)，鉆頭往往出現(xiàn)強(qiáng)烈振動現(xiàn)象，常規(guī)PDC鉆頭在高沖擊力下，PDC切削齒極易發(fā)生崩裂，從而造成鉆頭的快速磨損。在混合鉆頭中由于牙輪結(jié)構(gòu)承受了大部分的振動沖擊力和鉆壓，起到了較好的緩沖作用，因而混合鉆頭在鉆遇軟硬地層互層地層時(shí)PDC切削齒得到了較好的保護(hù)，降低了其損壞率。另外，在鉆遇極硬地層時(shí)，牙輪切削結(jié)構(gòu)承受了更大的鉆壓，此時(shí)牙輪結(jié)構(gòu)以滾動沖擊方式破巖，因而極易在井底形成巖屑墊層，而混合鉆頭的PDC切削齒可對井底進(jìn)行刮切，去除井底墊層，從而提高鉆井效率。

（3）混合鉆頭的保徑作用相對于常規(guī)PDC鉆頭以及牙輪鉆頭均有優(yōu)勢，混合鉆頭的保徑采用了PDC切削結(jié)構(gòu)的主動保徑齒單獨(dú)保徑，這種保徑結(jié)構(gòu)在保徑過程中還起到了限制鉆頭橫向移動的作用，因而混合鉆頭在鉆進(jìn)過程中更為穩(wěn)定；在混合鉆頭中的牙輪切削結(jié)構(gòu)未起到保徑作用，特別是在常規(guī)牙輪鉆頭中起保徑作用的平頭齒在混合鉆頭中不起保徑作用，因而該平頭齒的軸承溫度較低，從而其密封失效的幾率也降低了，有利于延長鉆頭的實(shí)用壽命。

4 結(jié)論

在鉆井過程中會合理地融合兩種鉆頭的切削作用，使其相互影響，從而在硬地層中利用牙輪鉆頭切削結(jié)構(gòu)的緩沖作用，較好地減緩了PDC鉆頭的切削齒的磨損速度，并且當(dāng)牙輪切削齒出現(xiàn)磨損后，PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)承擔(dān)了較大部分的鉆壓，因而牙輪切削齒的磨損速度也可以得到較好的緩解，混合鉆頭可以在多種地層中整體提高鉆井效率。總之，混合鉆頭面對硬度較大巖石、軟硬交替地層表現(xiàn)良好，其破巖效率和鉆頭壽命大幅度提高。