混合钻头破岩机理浅析

王 朋

（大庆钻探工程公司钻井四公司，吉林松原138000）

随着我国以及世界油气资源的不断勘探开发，钻井的深度以及水平井水平段的长度不断的增加，钻遇地层的复杂程度也越来越高，因而各个钻井公司对钻井工具的要求也越来越高。钻头在钻井过程中对钻井质量、钻井速度、钻井成本等均有重要影响，因而对钻头的改进和优化提出了更高的要求[1]。

现有常用钻头主要有常规PDC钻头和牙轮钻头。常规PDC钻头价格低，市场占有率较高，约占有70%左右的市场份额，其优势在于在泥砂岩等软地层中钻井速度快，钻井进度平稳，钻井质量较高，但存在PDC钻头遇到火成岩等坚硬地层时，钻头的切削齿磨损太快，导致钻井速度和效率降低。常规牙轮钻头在软地层和较硬地层中均有较好表现，但该类钻头在钻遇极硬地层时，牙轮钻头经常出现断齿甚至切削齿脱落，因而导致钻井速度以及钻井效率低下[2-3]。

近年来，国内外多家机构提出了混合钻头的概念，混合钻头是将PDC钻头和牙轮钻头结构结合，综合了PDC钻头和牙轮钻头的优点，设计出具有两者结构的混合钻头，混合钻头在国内外取得了较好的成果，在现场试验和应用中钻井效率也有明显的提高，特别是在非均质性较强以及极坚硬地层的钻井中效果更好。但混合钻头不仅仅是两种钻头的结构混合，混合钻头在破岩机理等方面与常用的PDC钻头和牙轮钻头有巨大区别，因而需要进一步的深入研究，并且国内对混合钻头的设计与国外相比差距仍巨大，主要原因也是在混合钻头破岩机理方面研究深度不够，对混合钻头破岩的方式、混合后钻头的磨损等研究欠缺[4]，所以混合钻头破岩机理研究对我国的混合钻头的设计、生产、应用均有重要意义。

混合钻头混合了PDC钻头的切削结构和牙轮钻头的冲击、切削结构，其破岩方式也是切削和冲击作用的混合，因而在介绍混合钻头破岩机理前，首先要了解PDC钻头和牙轮钻头的破岩方式。

1 PDC钻头破岩作用

常规PDC钻头的破岩方式类似于金属机床的切削，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：该作用主要是发生在较软地层中，PDC钻头的切削齿由于钻铤、钻杆的压力深入到地层内，随着钻头的转动，切削齿对地层产生剪切力（图1），从而切削地层，形成岩屑，最终岩屑随泥浆流出井口。

图1 PDC钻头切削岩石示意图

（2）破碎作用：该作用主要是具有尖齿和圆齿交替布置结构的PDC钻头所特有，并且在脆性岩石地层中该作用更为明显，其过程为尖齿在接触地层时使地层产生应力缝（图2），在其后的圆齿对已有应力缝的地层削切。破碎作用很好地解决了较硬岩层削切效果不好的问题，首先尖齿在岩石中产生裂缝，使得岩石弱化，以提高破岩效率。

图2 PDC钻头尖齿破岩示意图

（3）犁削作用：该作用主要是PDC钻头的圆齿切削岩石时，由于钻压使得圆形切削齿在岩石内部形成裂纹，并随着切削齿的深入，内部裂纹不断扩张，从而使得岩石破裂。

（4）研磨作用：该作用主要发生于高硬度、高研磨性地层，由于该地层内的岩石密度大、不易破裂，因而PDC钻头的切削齿在钻压下多次重复切削地层，从而将该地层研磨成细颗粒状岩屑，但该破岩方式会极大地磨损PDC钻头的切削齿。

2 牙轮钻头破岩作用

牙轮钻头的切削齿具有围绕钻头轴线公转、围绕牙轮轴线自转的特点，因而牙轮钻头在切削岩石时主要由纵向振动和滑动运动两种形式，因而牙轮钻头的切削作用主要由纵向振动产生的冲击压碎作用和滑动产生的滑动切削作用组成（图3）。

图3 牙轮钻头破岩示意图

（1）冲击压碎作用：在钻井过程中，由于牙轮钻头公转和自转产生振动以及井底岩石不平整形成的钻头切削齿与岩石产生振动，钻头的振动带动钻柱形成周期性的弹性形变，该形变又传递给钻头，从而形成对井底的冲击作用，钻头切削齿在钻压和振动双重作用下，使岩石发生破碎。

（2）滑动切削作用：牙轮钻头中牙轮结构在钻井过程中往往由于岩屑、泥浆等的影响，出现较大摩擦力，该摩擦力使得牙轮在井底出现滑动现象，并且随着钻头转速的增加，该摩擦力也相应增大，从而出现了滑动切削作用（图3）。牙轮钻头在不同硬度的地层中，破裂岩石的作用也有差异，在硬地层中，主要靠冲击压碎作用把岩石破碎，滑动切削作用辅助形成岩屑；在较软地层中，以滑动切削作用为主，冲击压碎作用为辅。

3 混合钻头破岩机理

混合钻头具备了PDC钻头和牙轮钻头的混合结构，因而也具备了两者的各种岩石切削、破裂作用，并且由于其结构与两者均有差异，所以其破岩机理相对复杂，主要特点有以下三点：

（1）混合钻头的破岩作用主要有两种情况，第一种是牙轮切削齿的轮廓线在PDC切削齿轮廓线外侧时，以牙轮切削齿结构为主应力接受点，牙轮切削齿利用冲击破岩作用和滑动切削作用对井底地层冲击、切削，并使得井底岩石出现裂纹及破碎坑，并且在钻孔的周边也出现扩展裂纹，该作用使得钻头周缘岩石抗破碎能力降低（图4），从而当PDC切削齿接触该地层时，可以更轻松地切削地层，进而降低了磨损度，加快了钻井速度。第二种是PDC切削齿轮廓线在牙轮切削齿的轮廓线外侧时主应力集中于PDC切削齿上，PDC切削齿切削井底地层，在井底形成环带，使得牙轮牙齿冲击岩石更容易。

图4 混合钻头破岩示意图

（2）钻井过程中遇到软地层与硬地层互层现象时，钻头往往出现强烈振动现象，常规PDC钻头在高冲击力下，PDC切削齿极易发生崩裂，从而造成钻头的快速磨损。在混合钻头中由于牙轮结构承受了大部分的振动冲击力和钻压，起到了较好的缓冲作用，因而混合钻头在钻遇软硬地层互层地层时PDC切削齿得到了较好的保护，降低了其损坏率。另外，在钻遇极硬地层时，牙轮切削结构承受了更大的钻压，此时牙轮结构以滚动冲击方式破岩，因而极易在井底形成岩屑垫层，而混合钻头的PDC切削齿可对井底进行刮切，去除井底垫层，从而提高钻井效率。

（3）混合钻头的保径作用相对于常规PDC钻头以及牙轮钻头均有优势，混合钻头的保径采用了PDC切削结构的主动保径齿单独保径，这种保径结构在保径过程中还起到了限制钻头横向移动的作用，因而混合钻头在钻进过程中更为稳定；在混合钻头中的牙轮切削结构未起到保径作用，特别是在常规牙轮钻头中起保径作用的平头齿在混合钻头中不起保径作用，因而该平头齿的轴承温度较低，从而其密封失效的几率也降低了，有利于延长钻头的实用寿命。

4 结论

在钻井过程中会合理地融合两种钻头的切削作用，使其相互影响，从而在硬地层中利用牙轮钻头切削结构的缓冲作用，较好地减缓了PDC钻头的切削齿的磨损速度，并且当牙轮切削齿出现磨损后，PDC钻头的切削结构承担了较大部分的钻压，因而牙轮切削齿的磨损速度也可以得到较好的缓解，混合钻头可以在多种地层中整体提高钻井效率。总之，混合钻头面对硬度较大岩石、软硬交替地层表现良好，其破岩效率和钻头寿命大幅度提高。