PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用

张文敏

【摘 要】论文首先介绍了PCD及PDC钻头的优点，继而分析了PCD及PDC钻头所适用的地质环境，然后以某油田为案例对PCD及PDC钻头在石油钻井应用中的参数选择展开了详细分析，最后对PCD及PDC钻头在石油钻井的应用效果与前景展开了分析，旨在提供一些将PCD及PDC钻头更好的应用于石油钻井的参考建议，促进我国石油钻井行业的进一步发展。

【Abstract】This paper first introduces the advantages of PCD and PDC drills， then analyzes the geological environment of PCD and PDC drills applied to， and then analyzes the parameter selection of PCD and PDC drills in the oil field drilling in detail， finally analyzes the application effect and prospect of the PCD and PDC drills in the oil field drilling， in order to provide reference for the PCD and PDC drills in the oil field drilling， to promote the further development of oil drilling industry in China.

【关键词】PCD钻头；PDC钻头；石油钻井；地质环境

【Keywords】 PCD drill； PDC drill； oil drilling； geological environment

【中图分类号】TE19 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0155-02

1 引言

PCD钻头即金刚石聚晶钻头，PDC钻头即金刚石复合片钻头，两者在硬度上很大，因此目前在石油钻井的硬地层中得到了十分广泛的应用。在应用PCD及PDC钻头对硬地层复杂地质环境的石油钻井时，虽然具备诸多优势，但在一些特殊的地质环境中却并不适用，因此对PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用展开分析具有十分重要的现实意义。基于此，文章重点就PCD及PDC钻头在石油钻井行业中的应用分四个部分展开了分析，提出了一些可供参考的观点和建议，以下是具体内容。

2 PCD及PDC钻头在石油钻井应用的特点

PCD钻头采用的是金刚石聚晶模式，在聚晶过程中采用的是黑色金属线和有色金属线材料，和一般的硬质合金拉丝模相比，其在耐用度上提升了数百倍。因此，PCD钻头在使用钻井中应用的主要优势，即在保障硬度的前提下耐用性极高。目前钴是最为常用的一种PCD钻头结合剂，其具有强度高、耐磨性好等诸多优势，同时拉丝的成本也很低，十分适用于石油钻井作业中。

PDC钻头的优点主要集中于钻头结构简单和耐磨性高两点上。PDC钻头所采用的人造金刚石，其比硬质合金的耐磨性更高，在钻头构成上，切削齿是其主要部件，在工作中无需钻头自身钻头，因此PDC钻头也被称作固定式探头。在PDC钻头的使用早期，主要是在一些软页岩层中使用，而随着PDC钻头在性能和结构上的不断优化。目前PDC钻头已经可以在長段中硬岩地层和硬夹层中使用。此外，PDC钻头还有高针对性的优势，可根据钻进地层的各区块地质特征以及地层的深度采用针对性的钻进工艺，选择更为合理的钻进方案[1]。

3 PCD及PDC钻头应用于石油钻井中的适用地质环境

PCD及PDC钻头在石油钻井作业的使用中，并不是所有的地质环境都可以发挥出最大的使用效果，在具体的使用过程中也需要基于不同的地质环境选择不同的PCD及PDC钻头类型。具体而言，主要包括以下几点因素：其一为岩石粒径，PCD及PDC钻头在钻进的过程中采用的是切削破岩的范式，因此岩性的粒度越大导致钻头的磨损越高，而对于松软的地层，岩石的粒径越大，转速却越快；其二为岩石塑性，塑性越大则转速越低，如果同时地层的硬度还很大，则转速更低；其三为岩石硬度，硬度越大则转速越低，对于高等硬度的地层，PCD及PDC钻头并不适用；其四为钻头比压，比压越高则转速越高。综上，PCD及PDC钻头适用于中等硬度及以下、塑性较低、粒径较小且钻头比压大的地质环境，相反则不适用。对于实际的油田，则可以根据油田地层的具体每一个参数的实际情况进行具体调整和型号的选择。

4 PCD及PDC钻头在石油钻井中应用参数选择

文章以北方某一油田为例，其地质环境十分复杂，沉积岩为主要岩性，硬度较大且粒径较大，粗砂岩分布密度高，因此对于钻头的磨损十分严重。PCD及PDC钻头在钻进的过程中是以破岩为主要方式，在面对硬度和密度过大的岩石时，本身也会受到损耗。因此，面对此类石油钻井地层，则适合选择耐磨性更高的刮刀式翼状结构PDC钻头，提升钻进的效率，并降低对钻头的损耗。

具体而言，在石油钻井PCD及PDC钻头的翼数确定参考因素下，将翼数提升，可以提升PCD及PDC钻头在钻进过程中的稳定性，同时在耐磨性上也较好，因此如果钻进地层的硬度较高，且粒径较小情况下适合选择多翼钻头。相反的如果钻进地层的硬度较低，但是塑性大，且粒径较大，则更加适用于少翼钻头。此外因为该油田属于碳酸盐岩地层，因此在粒度上较为固定，多以塑性和硬度作为PCD及PDC钻头选择的参考因素。如果在碳酸盐岩中的泥岩含量较大，导致地层的塑性较强，则PCD及PDC钻头并不适用；如果泥岩较少脆性较大则PCD及PDC钻头使用。如果硬度过高则需要选择肩部加强和保颈的PCD及PDC钻头。

5 PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用效果与前景endprint

5.1 PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用效果

以文章背景油田为例，在通过上文的PCD及PDC钻头参数选择分析后，选择刮刀式翼状结构PDC钻头，一共累积钻进110次，使用刮刀式翼状结构PDC钻头80只，总共累积钻进深度56324.21m，平均钻进速度9.64m/h，累积钻进时间5841h，平均单只钻头钻进深度达到704m。在刮刀式翼状结构PDC钻头的应用效果上，和一般的牙轮钻头相比，钻速上提升了55%以上，在每节纯钻进时间上达到3500h，其中有效缩短石油钻井时间420h左右，增加钻进的深度超过32000m。此外因为整体钻进时间的缩短，因此在钻井过程中使用的钻井油也大幅度降低，该油田在使用刮刀式翼状结构PDC钻头作为油田钻井钻头后，全年经济效应达到了2000万元，在整体的油田开采行业内都取得了十分丰硕的成绩。这一成绩也充分说明了PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用较之一般常规钻头所具有的优异成绩，值得我国油田开采行业广泛使用[2]。

5.2 PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用前景

因为现阶段PCD及PDC钻头所具备的诸多优势，在石油钻井作业的进行过程中，得到了十分广泛的应用。但是不可回避的是在PCD及PDC钻头的使用过程中也逐渐出现一些问题，而面对这些问题则需要石油钻井和PCD及PDC钻头开发两个领域内的技术人员共同进行研发攻克。石油被称作工业的血液，虽然近几年世界的石油需求较为疲软，但是随着工业4.0的不断推进，以及全球居民汽车拥有量的不断增加，可预期在未来的很长一段时间内人类难以摆脱对石油的依赖，甚至会比现在的需求更高。因此，石油钻井作为石油化工行业中的重要环节，本身也在未来的大趋势上，呈现出需求提升、要求提升的双趋势。对于石油钻井中的PCD及PDC钻头而言，则在性能的要求上也会更高。从这一层面上观察，未来PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用，一方面会呈现出需求提升的前景，另一方面也会呈现出要求提高的态势，需要相关人员在现有的技术基础上继续研发创新，不断提升PCD及PDC钻头的性能，以符合未来石油钻井对钻头性能的要求[3]。

6 结语

综上所述，PCD钻头（金刚石聚晶钻头）及PDC钻头（金刚石复合片钻头）在硬度上极大，且具有很好的耐磨性及耐用性等诸多优点，目前在石油钻井行业中得到了十分广泛的应用。但同时也要注意，在将PCD及PDC钻头应用于油田钻井作业中时，也需要基于油田的实际地质环境选择具体的型号，以起到保护钻头和提升使用效果的目的[4]。此外，随着石油工业的快速发展，在钻井作业上的要求不断提升，未来PCD及PDC钻头还需要在现有技术优势的基础上，进行进一步的研发，不断提升性能降低成本，符合时代所需，促进石油行业的进一步发展。

【参考文献】

【1】全新PCD钻头提升复合材料的孔加工性能[J].工具技术，2014，48（2）：11.

【2】师润平，王成勇，林升旭，等.碳纤维——钛超混杂复合材料孔加工刀具研究[J].机械设计与制造，2013（8）：117-119.

【3】铁晓锐.烧结与钎焊工具中金刚石/结合剂结合特性及垂直轴磨削石材研究[D].厦门：华侨大学，2012.

【4】丁希軍，何育光，丁世清，等.三角形PCD的质量状况及应用前景[J].金刚石与磨料磨具工程，2007（6）：73-75.endprint