PDC鉆頭復合沖擊破巖機理研究及應用探討

劉曉菲

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163000）

20世紀80年代我國從國外引進PDC鉆頭，經過幾十年的研究和應用，目前我國已經能夠研發出具有自主知識產權的PDC鉆頭[1-2]。PDC鉆頭是一種新型的鉆頭，通過在鉆頭胎體上鑲焊聚晶金剛石材質的切削齒來提高破巖效率，在軟地層至中硬地層中，通常使用PDC鉆頭結合井下動力鉆具，能夠大大提高機械鉆速，是普通牙輪鉆頭機械鉆速的2倍以上，并且使用PDC鉆頭可靠、鉆頭壽命長、工作穩定，單位鉆頭進尺成本低，極大節約了鉆井成本、提高了鉆井效率，經濟效益顯著[3-4]。因此，加強PDC鉆頭結構及工作原理研究，分析其在復合鉆具條件下破巖機理，對于提高鉆井效率具有重要意義。

1PDC鉆頭結構

PDC（Polycrystalline Diamond Compact）是人造聚晶金剛石復合片的簡稱，具有硬度強、耐磨性好的特點，PDC鉆頭在軟地層到中硬地層中使用能夠顯著提高機械鉆速，且鉆頭工作穩定、使用壽命長。PDC鉆頭一般由鉆頭體、切削齒、水力結構、保徑面和接頭等組成，經過多年的發展，PDC鉆頭功能與結構不斷完善，研制出了全面鉆進鉆頭（圖1）、PDC雙心鉆頭及PDC取芯鉆頭等[5]。根據制造工藝和材料的不同，PDC鉆頭分為胎體式和鋼體式。

（1）胎體式PDC鉆頭本體由碳化鎢粉末燒結而成，具體制作方法是：首先將鍛造好的碳化鎢粉末與按比例配比的浸漬料放入準備好的模具中，在無壓力且高溫的條件下進行燒結而成，在鉆頭體上預留了切削齒和噴嘴放置的空間，切削件焊接到鉆頭體上。胎體鉆頭加工不需要連接件，鉆頭不易損壞，且保徑作用好，缺點是制造工藝復雜，難以保證制造效果。

圖1 PDC全面鉆進鉆頭

（2）鋼體鉆頭一般通過機械加工制成，具體加工過程是首先將整塊合金鋼毛坯進行加工，制成鉆頭體，然后將帶公扣的接頭焊接在鉆頭體上，再將制作好的切削件焊接在連接柱上，最后將連接柱壓進鉆頭體上預留的孔中。鋼體鉆頭的加工過程能夠保證加工質量，缺點是鉆頭表面耐腐蝕性差，保徑作用差。

2 PDC鉆頭工作原理及性能特點

2.1 PDC鉆頭工作原理

巖石力學分析表明，巖石的力學參數中抗壓強度＞剪切強度＞抗拉強度，且剪切強度遠遠小于抗壓強度，在破巖時，選擇剪切破巖方式能夠大大提高破巖效率。刮刀鉆頭即是使用剪切應力破巖的，但其切削鉆頭使用材質是硬質合金，切削刃承壓面積較大，鉆頭耐磨性很差。PDC鉆頭是在刮刀鉆頭基礎上發展而來的，其使用聚晶金剛石復合片，具有金剛石和硬質合金的共同優點，硬度強、耐磨、自銳性好[6]。在鉆井過程中，通過向鉆頭施加扭矩，復合片切削刃切入地層，并且在壓力作用下向前鉆進，達到破巖的效果，破巖過程中正是基于地層巖石剪切強度較低的特性。

為了了解不同鉆頭破巖方式的優缺點，對比了牙輪鉆頭、金剛石鉆頭和PDC鉆頭的破巖方式，如圖4所示，（a）為牙輪鉆頭破巖過程，牙輪鉆頭通過鉆具的沖擊壓力作用在地層上達到破巖的目的，隨著鉆壓的增大，破碎的巖石會對附近的地層巖石產生側向壓力，在側向壓力的作用下，會形成剪切應力，剪切應力大于地層抗剪切強度時，地層巖石就發生破碎，從而達到破巖的目的。牙輪鉆頭破巖巖石是以剪切應力為主導的，但是這種力的傳導方式效率較低，導致破巖效率不高。圖4中（b）是金剛石破巖示意圖，金剛石鉆頭破巖過程中鉆頭進入地層較淺，一般不超過0.25mm。圖4中（c）為PDC鉆頭破巖方式示意圖，刀片切削是主要的破巖方式，由于采用聚晶金剛石復合片，刀片鋒利且自銳性好，破巖效率高，大大提高了機械鉆速。

圖2 齒柱式切削齒

圖3 復合片式切削齒

圖4 不同類型切削齒破巖示意圖

2.2 PDC鉆頭的性能特點

早期PDC鉆頭主要在軟地層到中硬性地層中，近年來隨著工藝技術及復合材料的發展，PDC鉆頭在硬地層應用中也具有較好的適應性，PDC鉆頭的特點概況起來主要有以下幾個：

（1）PDC鉆頭硬度高、耐磨性好。PDC鉆頭切削齒復合片采用聚晶金剛石復合材料，硬度高、耐磨性好，因此，PDC鉆頭切削齒同樣具有硬度高、耐磨性好的特性。

（2）PDC鉆頭強度高。PDC鉆頭切削齒復合片為聚晶金剛石，雖然金剛石性脆，但由于復合片的襯底為碳化鎢材料，切削齒的承壓能力和抗沖擊能力得到顯著增強，因此鉆頭的強度較高。

（3）PDC鉆頭自銳性好。自銳性是PDC最重要的性能之一，是鉆頭能夠保持高速鉆進的重要原因。由于鉆頭切削齒基體是碳化鎢材料，復合片是聚晶金剛石材料，碳化鎢磨損速度比金剛石快得多，當鉆頭持續鉆進，切削齒出現磨損時，金剛石層仍然具有很小的出刃量，切削齒始終能夠保持鋒利，在鉆壓作用下，鉆頭很容易鉆進地層。由于鉆頭自銳性較好，鉆進過程中鉆頭雖然會有磨損，但鉆進速度下降很小，使得機械鉆速始終能夠保持較高的速度。

（4）PDC鉆頭熱穩定性差。PDC鉆頭切削齒采用金剛石材料，強度雖高，韌性卻較差，不能承受逆向載荷。在硬度較高、可鉆性差的地層中，在沖擊載荷作用下，固定金剛石復合片的材料容易疲勞失效，導致金剛石復合片脫落。由于組成復合片的材料為聚晶金剛石，熱膨脹系數存在差異，當鉆頭溫度超過700℃時，切削齒會產生內應力，使得復合片崩裂。研究表明，鉆頭溫度在350℃～700℃之間時，隨著持續鉆進，溫度升高，鉆頭切削齒磨損會加劇。在高速鉆進過程中，鉆頭會與地層巖石摩擦生熱，鉆頭溫度會快速上升，如不及時冷卻，會加快切削齒的復合片的磨損程度。因此，在鉆井過程中，必須提供充足的水力，及時地冷卻鉆頭，還能清洗井眼、搬運巖屑，減輕鉆頭磨損，延長PDC鉆頭的使用壽命，同時保持較高的機械鉆速。由于PDC鉆頭熱穩定性差，因此不適用于地層硬度高、可鉆性差的地層。

（5）PDC鉆頭抗沖擊性差。PDC鉆頭在鉆進過程中，在沖擊載荷作用下，切削齒的刃口承擔了大部分鉆壓，沖擊載荷過大容易使其斷裂，因此，鉆頭抗沖擊下較差。

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3 PDC鉆頭復合沖擊破巖機理

復合沖擊破巖就是把鉆頭軸向沖擊與扭轉沖擊2種傳統的沖擊破巖機理相結合，使得PDC鉆頭不單只依靠剪切應力破巖，而是通過剪切應力與沖擊應力的共同作用來達到破巖的目的[7]。在復合鉆井模式下，鉆井機械鉆速得到了極大地提高，分析認為鉆速提高的原因除了轉速提高外，主要的原因是PDC鉆頭破巖方式與理想鉆井破巖方式差異較大，主要表現在以下幾個方面：

（1）在復合鉆井條件下，PDC鉆頭切削齒對地層巖石的吃入深度不斷在變化，總體上處于大吃入深度區間。當PDC鉆頭切削齒刀翼處于大吃入深度區間時，鉆頭上的心部和中部切削齒吃入深度增大，外肩部切削齒表現為脫離井壁，在這種情況下鉆井機械鉆速得到顯著提高。然而，切削齒吃入深度增加使得切削面積變大，切削齒所受到的載荷變大，使得切削齒磨損加劇，影響PDC鉆頭使用壽命。PDC鉆頭切削齒吃入深度較小時，能夠獲得較大的切向速度，此時鉆頭外肩部切削齒線速度高，磨損加劇，這就是PDC鉆頭外肩部切削齒磨損嚴重的原因所在。

（2）復合鉆井條件下，由于存在軸向沖擊與扭轉沖擊應力，PDC鉆頭切削齒與地層巖石呈嚴重不均勻接觸狀態，同一時間只有部分切削齒接觸巖石，對于整個PDC鉆頭來說，其切削齒總承壓面積為所有切削齒承壓面積之和，復合鉆井條件下PDC鉆頭切削齒總承壓面積小于理想鉆井狀態，因此，在鉆壓相同情況下，復合鉆井PDC鉆頭切削齒更容易吃入地層巖石中，從而顯著提高機械鉆速。

（3）復合鉆井模式下，PDC鉆頭不是理想的運動狀態，其切削齒自身切削軌跡存在交叉，并不是同軌刮切巖石，而是呈交叉切割狀態經過井底巖脊，如圖5所示。

圖5 復合鉆井與理想鉆井PDC鉆井切削齒破巖機理示意圖

在復合鉆井條件下，PDC鉆頭切削齒軌跡為交叉刮切，切削齒間斷地切過一道道凸起的巖脊，剛切入巖脊時，切削齒復合片與巖脊接觸面積較小，切削齒對巖石的破巖效果不但有剪切應力效果，還會產生張應力效果，破巖效果得到提升。由于切削齒接觸的是巖脊，在切削方向上距離相對較短，且形狀呈坡峰狀，巖石內聚力相對較小，鉆頭破碎巖石所做的功相對較少，PDC鉆頭破碎巖石效率提高。

4 現場應用分析

ZS-17井地處松遼盆地東南斷陷區徐家圍子斷陷，是一口以勘探天然氣為目的的探井，目的層為營城組，巖性主要為火山巖、砂質礫巖等，巖石可鉆性較差。同時兼探登樓庫組、沙河子組。

4.1 同井不同鉆頭對比

ZS-17井鉆至3192.58m進行完井作業，下完技術套管即進行三開，三開從3192.58～3246.16m使用同一只牙輪鉆頭，進尺53.58m，接下來使用PDC鉆頭結合扭力沖擊器，鉆至3730m完鉆，進尺483.84m，對于2只鉆頭鉆進情況，進行了對比，數據如表1所示。

表1 PDC鉆頭與牙輪鉆頭對比情況

由表1可知，三開后使用一只牙輪鉆頭平均機械鉆速為1.57m/h，使用一只PDC鉆頭結合扭力沖擊器后，機械鉆速提高到了4m/h，提速達到156%，且一只PDC鉆頭較一只牙輪鉆頭純鉆時間由34.33h延長至121h，進尺多了430.26m，鉆頭壽命大大提高，機械鉆速得到極大提升，反映PDC鉆頭復合鉆井沖擊破巖能夠顯著提升鉆井效率，且對于本井地層巖石適應性較好。

4.2 與鄰井對比

為了進一步分析PDC鉆頭復合沖擊破巖效果，將ZS-17井PDC鉆井井段與2口鄰井使用牙輪鉆頭的相同井段鉆井情況進行了對比，結果如表2所示。從結果可以看出，相鄰2口井使用牙輪鉆頭鉆井平均機械鉆速為1.88m/h，而相同井段使用PDC鉆頭復合鉆井技術機械鉆速可達4m/h，機械鉆速提高了113%。使用一只PDC鉆頭鉆進的井段耗時7.2d，如果使用常規牙輪鉆頭，相同進尺大概需要15.3d，在此期間牙輪鉆頭大概更換了5次，算上節省的鉆進時間及起下鉆時間，使用PDC鉆頭復合鉆井技術大大縮短了鉆井周期。

5 結束語

表2 與鄰井牙輪鉆頭使用情況對比

（1）PDC鉆頭由鉆頭體、切削齒、水力結構、保徑面和接頭等組成，根據制造工藝和材料的不同，分為胎體式和鋼體式，前者由碳化鎢粉末燒結而成，鉆頭不易損壞，且保徑作用好，但制造工藝復雜；后者通過機械加工制成，能夠保證加工質量，但鉆頭表面耐腐蝕性差。PDC鉆頭切削齒分為齒柱式和復合片式，切削齒上的復合片是聚晶金剛石材質，具有硬度高、耐研磨、抗沖擊等特性。

（2）PDC鉆頭在鉆進過程中，通過向鉆頭施加扭矩，復合片切削刃切入地層，并且在壓力作用下向前鉆進，達到破巖的效果，刀片切削是其主要破巖方式。PDC鉆頭具有硬度高、耐磨性好、強度高、自銳性好、穩定性差、抗沖擊性差的特性。

（3）PDC鉆頭復合沖擊破巖把鉆頭軸向沖擊與扭轉沖擊2種傳統的沖擊破巖機理相結合，通過剪切應力與沖擊應力的共同作用來達到破巖的目的。在復合鉆井條件下，PDC鉆頭切削齒與地層巖石呈嚴重不均勻接觸狀態，承壓面積減小，切削齒對地層巖石的吃入深度增加，加之切削軌跡呈交叉狀態，顯著提升了鉆頭破巖效率。

（4）在鉆井現場應用PDC鉆頭復合鉆井技術，通過與本井及相鄰井牙輪鉆頭鉆井情況對比，結果表明，PDC鉆頭復合鉆井技術能夠顯著提高機械鉆速，鉆頭使用壽命長，經濟效益明顯。