PDC钻头实践应用分析与探索

劳达纭，胡家森，唐　涛

（中石化西南石油工程有限公司广西钻井分公司，广西南宁530000）

PDC钻头实践应用分析与探索

劳达纭*，胡家森，唐涛

（中石化西南石油工程有限公司广西钻井分公司，广西南宁530000）

PDC钻头具有提高钻井速度、减少起下钻次数、避免掉牙轮等复杂事故的优点，目前在川西、川东北的针对性地层得到了普遍应用。然而，在实际运用中，仍然存在很多问题，如PDC钻头牙齿磨损、钻头环磨、喷嘴堵塞、掉齿—断齿、复合片脱层、牙齿碎裂、钻头出芯、钻头泥包等，在一定程度上制约了机械钻速的提高。通过对PDC钻头在川西、川东北实践应用过程的优点、存在的问题进行综合分析，并从钻头结构、钻井参数、钻井液性能、使用钻头辅助工具、施工操作等技术措施提出改善PDC钻头使用的建议。

PDC钻头；实践应用；应用分析；牙齿磨损；技术措施

为满足快速钻进的需要，目前在川西、川东北钻井工程现场越来越多地使用PDC钻头。生产PDC钻头的厂家也不断增加，PDC钻头的生产与应用呈蓬勃发展态势。从众多厂家生产的PDC钻头结构上看，基本上都采用平衡设计。这个设计要求每个复合片的受力、切削量、磨损量、受力冲洗力和扭矩尽量相等，因此一旦有一两个切削齿出现先期损失，那么其余的切削齿就要承受额外的作用力，加快磨损，钻头的使用寿命大大降低；尤其是出现崩齿、聚晶金刚石层脱落、掉片等，PDC钻头就无法正常工作。

1　PDC钻头的实践应用

PDC钻头在川西、川东北的应用比较普遍的主要尺寸有Ø311.2mm、Ø266.7mm、Ø241.3mm、Ø215.9mm、Ø165.1mm等，尤其以Ø311.2mm、Ø215.9mm大小的甚多。近两年来，各钻头厂家提供的PDC钻头呈百花齐放之势，Ø311.2mm和Ø215.9mm的PDC钻头使用均能达到提高机械钻速的目的。Ø311.2mmPDC钻头基本上使用在直井段，同一厂家的钻头在不同区块的同一地层段机械钻速也有明显的区别，如绵阳1井在蓬莱镇组、遂宁组、上沙溪庙组的机械钻速为5.43m/h，而绵阳2井在该层段的机械钻速达到15.39m/h，与高沙306井同一层段的机械钻速相当。Ø311.2mmPDC钻头在直井段中应用对比见表1。

表1　Ø311.2mmPDC钻头在直井段中应用对比表

根据川东北地区海相地层的特点，钻头厂家优选出适合海相地层PDC钻头的切削齿尺寸和后倾角，从剖面形状设计、布齿设计、力平衡设计和水力设计等方面对PDC钻头进行优化设计。在海相地层中，采用PDC钻头钻进也取得了较高的机械钻速，Ø241.3mm PDC钻头在元坝211井以及Ø266.7mmPDC钻头在新黑池1井的应用对比见表2。

表2　Ø241.3mm、Ø266.7mmPDC钻头在直井段海相地层中应用对比表

陆相地层主产层以Ø215.9mm井眼居多，无论在直井段，还是在造斜段、水平段，Ø215.9mmPDC钻头使用广泛。资料显示，在不同区块同一地层段的机械钻速不同的钻头厂家机械钻速相差较大，同一区块同一地层段的机械钻速相差较少，但差别仍然比较明显；同一厂家的PDC钻头在不同区块同一地层段的机械钻速也有差别，同一区块同一地层段的机械钻速差别不大。Ø215.9mmPDC钻头在直井段、造斜段应用对比见表3、表4。

表3　Ø215.9mmPDC钻头在直井段中应用对比表

表4　Ø215.9mmPDC钻头在造斜段中应用对比表

2　PDC钻头应用存在的问题

PDC钻头在使用过程中不能正常工作的主要原因是复合片切削齿磨损严重，如牙齿磨损、掉齿—断齿、钻头环磨、复合片脱层、牙齿碎裂、钻头出芯等造成钻头不能正常工作。当然，钻头泥包、喷嘴堵塞等，也使钻头工作不正常。

2.1牙齿磨损

PDC钻头在使用过程中，由于牙齿高度减小而不能正常工作称为牙齿磨损。牙齿磨损是正常失效，用0～8来表示牙齿磨损等级，0表示无磨损，8表示全部磨掉［1］。造成牙齿磨损的原因很多，若钻头使用时间不长，而出井钻头磨损严重，往往是由于钻头选型、钻进转速不当，相对所用钻头地层太硬、研磨性太高、转速过大所致；若钻头使用的有效时间长，符合正常牙齿磨损的情况，但是如果钻进过程中，排量不足，钻进岩屑未及时排离井底，岩屑反复在井底徘徊也会加速钻头牙齿磨损。

2.2掉齿—断齿与钻头环磨

钻头环磨一般发生在钻头的鼻部以及鼻部以下内侧，是由于钻头上某一圈的切削齿磨损、断裂或脱落后刀翼被地层明显磨损［2］。钻头环磨的直接原因是断齿，如井底有落物、钻头不适合高研磨地层、钻压过大以及用PDC钻头直接钻套管附件等，都容易造成断齿，断齿后继续长时间钻进就容易引起钻头环磨。

2.3复合片脱层

复合片脱层指金刚石层脱离基片。地层与钻头不匹配，相对钻头地层太硬、钻压过大、溜钻、顿钻、起下钻或接单根时碰井壁、钻头振动等都容易引起脱层［3］。脱层大多发生在鼻部，如果钻头复合片脱层出现肩部齿，主要是由于定向钻井，钻压大，肩部齿相对普通钻进受力较大，同时肩部速度较大，易造成钻头复合片脱层。

2.4牙齿碎裂

切削齿缺损少于1/3称为牙齿碎裂。钻头选型不当、使用时间长热疲劳、钻压过大、转速过大、溜钻、顿钻、热裂纹等，容易出现PDC钻头牙齿碎裂。

2.5钻头出芯

钻头出芯指钻头中心的齿磨损、断裂或脱落，以致内锥显著磨损［4］。钻头出芯是一种很严重的磨损，在上只钻头的井底、过大的钻压和转速会在切削结构产生高的载荷，从而引起断齿，这种情况在取芯后特别容易发生。这种磨损往往是从掉牙齿、断牙齿开始的，加之钻压过大，使用过程中未能及时发现井下异常，时间越长磨损得越厉害。钻头出芯属于严重磨损，在钻井现场发生几率较少。

2.6钻头泥包

钻头泥包指岩屑附着在刀翼和钻头体上或者附着在切削齿表面导致机械钻速降低。钻头本体可能有损伤也可能没有损伤。切削齿泥包后不能有效地吃入地层，通常扭矩减小而泵压增大。PDC钻头泥包在钻井施工现场遇到的几率很高，而且在发生钻头泥包后，往往也发生水眼赌赛，一般都具有以下现象：（1）钻进中，钻时明显增加，从每米几分钟上涨至几十分钟。（2）下钻或短起下后，钻时较快，钻进几米后，钻时明显变慢。（3）钻进中，其它参数不变的情况下，泵压上涨，扭矩变小。（4）起出钻头后，切削齿、流道槽、保径部分有滤饼［1，4-5］。

3　提高PDC钻头应用效率的措施

3.1改变钻头结构

钻头结构使用优良的材料并适合于硬岩层。首先要使用优质材料，提高复合片的厚度与各项力学指标，使用优质的钢体材料。其次，PDC钻头要使用多翼结构，使用小复合片，并在主切削齿后设置副齿来限制复合片切入岩层的深度［6］。钻头结构采用二元切削结构，即将辅助切削元件TSP（热稳定聚晶）或硬质合金齿柱放在主切削元件复合片后面，且出露高度低于复合片，PDC切削齿支撑部分增加，则可以使用较大的钻压，而降低过载损坏齿的机率。对于定向井段、水平井段使用的PDC钻头，钻压大，肩部齿相对普通钻进受力较大，同时肩部速度较大，易造成钻头复合片脱层，建议钻头设计鼻部内移，并在肩部适量增加后排齿或者防碰节。

3.2选择合理切削齿布置

适当增大外锥主齿前倾角，优化切削齿布置，将钻头侧向不平衡力降低在2%以内，增强外锥切削齿的抗冲击性能可延长钻头寿命。将辅助齿前倾角控制在低于主齿1°～2°以内，高度低于主齿2.3～3.1mm，可以限制主齿吃入深度，避免因切削断面忽大忽小带来的载荷波动，同时分担主齿应力冲击，对钻头平稳工作具有明显效果［4-7］。

3.3优化钻井液性能

钻井液性能是否良好是防PDC钻头泥包的重要因素。钻进中，应降低钻井液失水，避免地层吸水后形成厚滤饼阻卡等。加入大分子包被剂、聚合醇等，抑制泥岩地层造浆、分散。钻井液要做到粘性泥岩的钻屑在PDC钻头上粘不起，必须加足润滑剂、清洁剂，加量与在用钻井液密度有关系，清洁剂加足是以钻井液不起泡为准，润滑剂加量一般为1%～3%［1］。钻进过程中，应加强固相控制，只有尽量清除劣质固相，才能实现优良的钻井液性能。

3.4使用PDC钻头辅助工具

PDC钻头辅助工具原理在于通过施加额外的破岩能量，减轻PDC钻头不良工况的发生，水力辅助破岩技术在国内比较成熟，有射流与水力脉冲等形式，如扭力冲击器，基本原理是在常规PDC钻头上部安装一个高频扭转冲击发生器，在钻井的同时不断给钻头施加高频低幅周向冲击载荷，再加上钻柱施加的稳态扭矩，可使PDC复合片获得稳定的切削动力，达到理想的切入岩石深度并提高切削效果，最重要的是可以随时释放由于PDC钻头切削地层做功造成的钻具蓄能［6-8］。

3.5工程措施

根据不同厂家PDC钻头的实际应用情况，加强PDC钻头选型，以适应新钻地层高机械钻速的需要，如在易泥包地层选用排水槽大的PDC，使钻屑能容易及时地排出，减少发生泥包。在PDC钻头入井之前，应测量起出的牙轮钻头外径，防止PDC钻头下入小井眼遇卡，或者磕碰井壁，造成钻头牙齿先期磨损［1，9］。钻进中，根据井下的情况加钻压，如井深质量好，加大钻压有利于提高钻速，但也不能盲目加压，防止因加压过大造成掉齿、断齿、牙齿碎裂等，还要防止遛钻、顿钻；在软泥岩地层切勿盲目加压，加大钻压易形成泥包，并且要求送钻均匀，避免送钻不均匀造成PDC钻头泥包［10］。Ø215.9mm井眼应尽量提高排量，保持在30～35L/s之间，避免高硬度、高研磨性颗粒重复破碎，划擦伤害钻头，同时也减少压持作用对机械钻速的负面影响。每钻进300m要进行短起下，消除厚滤饼、阻卡。钻进中若钻时变慢，怀疑PDC钻头泥包，应将PDC钻头上提，离井底1～2m，增大排量，提高转速，争取将部分泥包的钻屑甩掉，便于继续钻进，如果通过上述措施仍无效，尽快安排起钻，避免PDC钻头已经发生损坏而没有及时发现，造成更严重的后果。

4　总结与建议

结合PDC钻头在川西、川东北使用的情况，对PDC钻头的使用有以下总结与建议：

（1）收集更多不同厂家的PDC钻头使用情况钻完井资料，根据川西、川东北、陆相地层、海相地层、同一区块、同一地层分类总结，统计分析不同厂家的PDC钻头的使用情况，根据使用情况优选相应型号的钻头。在搬运、装卸时应采用相应的保护措施以免切削齿和丝扣被碰受损。

（2）充分利用地层可钻性差异，自然造斜规律优化井眼轨迹，尽量减少在石英砂岩等可钻性差的地层滑动钻进，减少PDC外锥肩部和规径面磨损。

（3）维护处理好钻井液性能。

（4）优化钻井参数，强化井眼净化。快速钻进段确保排量达到33L/s以上，定期使用高粘大排量清扫液清扫井筒，避免高硬度、高研磨性颗粒重复破碎，划擦钻头。

（5）下井时确保井下无金属等较硬落物，更换钻头时先必须对井底进行造型；禁止PDC钻头长距离划眼；使用时操作要平稳、送钻要均匀，避免顿钻溜钻现象。

（6）当钻头钻进非均质地层时应采取高转速，钻进硬地层时，转速适当降低，避免过高的转速使切削齿产生高温而迅速磨损，同时必须有足够的流量来冷却切削齿。

［1］邓传光，朱明玉，黄焰，聂浪.PDC钻头泥包原因分析及对策［J］.钻采工艺，2006，29（6）：127-129.

［2］元智勇.PDC钻头切削齿磨损分析［J］.科技信息（机械与电子），2012（1）：247-248.

［3］曹文学，曹继飞.川东北海相地层PDC钻头优化设计及应用［J］.石油机械，2012，40（4）：12-16.

［4］李宬晓，顾从越，李荣，周杨，王振乾，李澍，段书龙.鄂尔多斯盆地南梁油田西区PDC钻头切削齿磨损分析及应用研究［J］.钻采工艺，2012，35（6）：71-75.

［5］李宬晓，董学成，梁红军，王春，许红林，卓智川.泥砾岩地层PDC钻头失效研究［J］.西部探矿工程，2012（12）：86-92.

［6］王红波，舒尚文，孙起昱，段隆臣.硬岩地层PDC钻头不良工况原因分析与改善措施［J］.金刚石与磨料磨具工程，2012，32（3）：41-45.

［7］陈胜，余可芝，邱文发，狄明利，杨波.预防PDC钻头泥包的钻井液工艺技术［J］.钻井液与完井液，2013，30（1）：38-40.

［8］王红波，舒尚文，孙起昱，段隆臣.PDC钻头不良工况分析［J］.金刚石与磨料磨具工程，2012，32（2）：51-56.

［9］曲冠政，曲大伟，郭瑞，祝晓华，姬忠民.PDC钻头复合片磨损速度模型研究［J］.复杂油气藏，2013，6（1）：62-65.

［10］樊洪海，冯广庆，肖伟，马金良，叶志，赵聪.基于机械比能理论的钻头磨损监测新方法［J］.石油钻探技术，2012，40（3）：116-120.

Analysis and Exploration of PDC Bit PracticalApplication

LAO Da-yun，HU Jia-sen，TANG Tao
（Sichuan Drilling Branch Company，Southwest Petroleum Engineering Co.，Ltd.，SINOPEC，Nanning Guangxi 530000，China）

With the advantages of dealing with complex accident such as improving the drilling speed，reducing the number of the lifting and dropping bit and avoiding cone falling etc.PDC bit has been widely used in targeted strata in Western and Northeast Sichuan at present.However many problems still exist in practice such as PDC bit cutter wear，bit ring grinding，nozzle clogging，falling out of the teeth and broken teeth，delamination of composite sheet，teeth fragmentation，drill core，bit balling etc.，which to some extent restricts the improvement of mechanical drilling speed.Based on the review analysis on advantages and existing problems of PDC bit applied in Western and Northeast Sichuan，the paper puts forwards suggestions to improve PDC bit from technical aspects of bit structure，drilling parameters，drilling fluid property，auxiliary tool of bit and construction operation.

PDC bit；practice application；application analysis；bit teeth abrasion；technical measures

P634

A

1004-5716（2016）07-0046-04

2015-07-09

2015-07-14

国家自然科学基金“页岩气开发条件下泥页岩井壁稳定与破裂机理研究”（51174036）。

劳达纭（1976-），男（汉族），广西百色人，工程师，现从事钻井工艺技术管理工作。