特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验

杨顺辉， 武好杰， 牛成成， 侯绪田， 金军斌

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中沙天然气有限公司，沙特库巴 32216)

PDC钻头在软—中硬地层中破岩效率高，使用寿命长，且由于没有运动部件，故障率较低，在石油钻井中得到了越来越广泛的应用。然而，PDC钻头在强研磨性硬地层中使用效果比较差，其主要原因是PDC切削齿的抗冲击性和高温耐磨性较差，冲击损坏和热加速磨损容易导致PDC钻头的寿命短、进尺少。为了提高PDC钻头的破岩效率、延长使用寿命，国内外科研院所和钻头厂家针对具体应用地层的实际情况，在新型PDC齿、刀翼设计、布齿和水力参数等方面进行了诸多优化[1-7]，同时利用流体动力学计算软件来模拟优化后PDC钻头的井底流场，以期取得最优的设计效果[8-9]。由于PDC钻头和牙轮钻头具有不同的破岩方式，为了结合两者的优势，前人研制了一种新型的PDC+牙轮复合钻头，并且取得了良好的应用效果[10]。根据同样的原理，笔者将PDC钻头和孕镶金刚石钻头结合，研制了φ155.6 mm GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头。该钻头既具有PDC钻头破岩效率较高的特点，又具有孕镶金刚石钻头在强研磨性硬地层使用寿命长的特点。

1 设计原理

PDC钻头的破岩方式属于切削破岩，而孕镶金刚石钻头的破岩方式属于磨削破岩，因此，结合两者的特点和优势，研制了特种孕镶块加强PDC钻头，其工作原理如图1所示。

图1 特种孕镶块加强PDC钻头的基本工作原理Fig.1 Principle of combined cutting structure

特种孕镶块加强PDC钻头以PDC切削齿为主切削元件，天然金刚石热压孕镶块为副切削元件。在钻头工作初期，锋锐的PDC切削齿很容易吃入岩石，破岩效率高；此时，具有一定出露高差的金刚石孕镶块，可以起到限制PDC切削齿吃入深度的作用，防止因吃入过深造成PDC切削齿受力过大而崩碎。当PDC切削齿切削到一定程度后，天然金刚石孕镶块开始接触和摩擦井底岩石，金刚石颗粒出露，磨削岩石，形成“犁沟”，井底岩石应力将得到释放，有助于PDC切削齿吃入并切削岩石。这种协调作用的混合切削结构设计，既能弥补常规PDC钻头在强研磨性硬地层中磨损快的缺点，延长其使用寿命，又能充分利用常规PDC钻头破岩效率高的优势，提高机械钻速。

2 特种孕镶块的研制

针对强研磨性硬地层的特点，设计了一种特种金刚石孕镶块，如图2所示。该金刚石孕镶块设计为圆柱形，以大、小混配的天然金刚石颗粒作为切削元件，胎体材料由钨粉、碳化钨粉、硬质合金颗粒、人造金刚石微粉和铜基粘结金属复配而成，采用热压烧结工艺制成。

图2 特种金刚石孕镶块设计Fig.2 Special diamond impregnated section

特种金刚石孕镶块具有以下特点：

1) 几何形状与PDC切削齿完全相同，在软到中硬地层中，可以像PDC切削齿一样切削岩层，充分利用切削破岩效率高的优点；在硬地层中可以像孕镶金刚石钻头一样磨削岩石，延长了使用寿命。

2) 以天然金刚石为主要磨削材料，具有极高的硬度和耐磨性；采用大颗粒与小颗粒金刚石混配，可提高破岩效率。

3) 在胎体中加入铸造碳化钨和人造单晶金刚石，增加了胎体的耐磨性；以铜基合金作为粘结金属，提升胎体对天然金刚石的包镶能力。

4) 采用热压烧结工艺，保证了孕镶块的烧结质量。

3 钻头的设计与制造

3.1 剖面形状设计

φ155.6 mm GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头剖面形状采用了等切削和等磨损原则，设计为中长抛物线，如图3所示。这种剖面形状不仅可以保证钻头有足够的布齿空间，还可以避免过渡段切削齿应力过于集中，保证切削齿的切削量和磨损的均匀程度，延长钻头寿命。

3.2 混合切削结构设计

φ155.6 mm GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头采用与常规PDC钻头相同的刀翼式切削结构和布齿设计。与常规PDC钻头设计的不同之处在于：在钻头冠顶和外锥部分的PDC切屑齿后面镶有天然金刚石热压孕镶齿，构成一个双重切削单元；该钻头为6刀翼、8个φ11.0 mm水眼、双排齿PDC钻头，前排齿为直径16 mm、长13 mm的进口PDC复合片，初期主要靠前排齿切削破岩；后排齿为天然金刚石热压孕镶块，起辅助破岩和提高钻头抗研磨性的作用；使用PDC复合片保径，以提高钻头的抗研磨性。

图3 GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头剖面形状Fig.3 Profile of GFBD6816P1 PDC bit enhanced by special diamond impregnated section

3.3 水力结构设计

为加强井底的水力作用，φ155.6 mm GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头采用了一种特殊的水力结构。该水力结构由6个φ11.0 mm常规喷嘴、2个φ11.0 mm旋转射流喷嘴组成。旋转射流喷嘴安装在钻头中部的水眼位置，喷嘴内部有旋流槽，可产生具有轴向、切向和径向三维流动的旋转射流，改善井底流场，增强水射流对井底的清洗，减少岩屑的重复破碎，提高破岩效率。

3.4 钻头制造工艺

φ155.6 mm GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头的制造工艺与钢体PDC钻头相同。

4 现场试验

2014年4月，φ155.6 mm GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头在东北金山气田金古 1-1HF 水平井基地花岗岩硬地层中进行了现场试验。

4.1 金古 1-1HF 井井身结构

金古 1-1HF 井是部署在松辽盆地金山气田的一口评价水平井，其主要地质目的是评价基底花岗岩储层的产能情况，为下一步水平井开发提供地质依据。该井设计井深2 930.00 m(垂深2 270.78 m)，其井身结构为φ311.1 mm钻头×257.00 m+φ215.9 mm钻头×2 427.00 m+φ155.6 mm钻头×2 930.00 m。

4.2 现场试验情况

试验井段为三开φ155.6 mm井段，大部分地层为基底花岗岩硬地层，共使用2只PDC钻头，第1只为M1653FG型双排齿PDC钻头，第2只为GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头。2只钻头的水力参数见表1。2只钻头采用相同的钻具组合：φ155.6 mm钻头+φ120.6 mm 1.0°螺杆+311×310回压凡尔+φ88.9 mm无磁承压钻杆+311×310MWD短节+φ101.6 mm钻杆×60根+φ101.6 mm加重钻杆×30根+φ101.6 mm钻杆。

表1 特种孕镶块加强PDC钻头与常规PDC钻头的水力参数

2只钻头总进尺503.00 m，其中M1653FG型钻头在花岗岩地层的进尺240.00 m,机械钻速2.97 m/h，GFBD6816P1型钻头在花岗岩地层的进尺227.00 m,机械钻速4.46 m/h。

4.3 钻头磨损情况分析

M1653FG型双排齿PDC钻头在花岗岩地层钻进240.00 m后起出，钻头新度为30%，磨损情况为6-6-RO-A-T-X-1/16-WT-HR，表面有明显的环形槽，磨损严重，基本报废。GFBD6816P1型特种孕镶块加强PDC钻头在钻进227.00 m花岗岩地层和36.00 m泥岩地层后因钻至完钻井深起出，钻头新度为60%，磨损情况为1-2-WT-T-A-X-0-WO-TD，PDC齿磨损正常，无崩齿现象。由此可以看出，特种孕镶块加强PDC钻头在基底花岗岩硬地层中具有更强的抗研磨性。虽然特种孕镶块加强PDC钻头在花岗岩地层中的进尺小于常规PDC钻头，但这是钻至完钻井深的原因，并非钻头本身损坏所致。该次试验没有很好体现出特种孕镶块加强PDC钻头的优势，但从其新度和磨损情况预测，该钻头还可在花岗岩地层中钻进100.00 m以上。

4.4 和邻井对比分析

邻井金古1井的基底花岗岩硬地层井段为2 197.00～2 509.00 m，共使用4只牙轮钻头，平均单只钻头进尺78.00 m，平均单只钻头纯钻时间41.50 h，平均单只钻头机械钻速1.88 m/h，特种孕镶块加强PDC钻头的平均机械钻速、进尺分别是其2.37倍和2.91倍。

邻井金古2井的基底花岗岩硬地层井段为2 372.54～3 700.00 m，去除2只取心钻头，共使用15只钻头(PDC钻头4只，牙轮钻头11只)。金古2井PDC钻头平均单只进尺98.75 m，平均单只纯钻时间50.98 h，平均单只机械钻速1.94 m/h。牙轮钻头平均单只进尺83.86 m，平均单只纯钻时间55.14 h，平均单只机械钻速1.52 m/h。特种孕镶块加强PDC钻头的机械钻速、进尺分别是PDC钻头的2.30倍和2.30倍，牙轮钻头的2.93倍和2.71倍。

5 结论和建议

1) 新型特种孕镶块加强PDC钻头既有PDC钻头切削破岩效率高的特点，又有孕镶金刚石钻头适合强研磨性硬地层的特点，钻进硬地层时既能保证破岩效率，又能延长钻头使用寿命。

2) 现场试验情况表明，新型特种孕镶块加强PDC钻头能有效适应花岗岩硬地层破岩的需要，和同井段常规PDC钻头相比，机械钻速是其1.5倍，和邻井牙轮钻头、PDC钻头相比，机械钻速均为其2倍以上。

3) 建议根据实际地层情况、井型以及井眼轨道，对孕镶块天然金刚石的布齿密度、前排齿和后排孕镶块的高度差、保径长度等进行进一步优化，并形成系列化产品，使其适合不同地层条件和井况。

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