赵云
中石化江钻石油机械有限公司 湖北 武汉 430223
摘要：为了有效地提高PDC钻头在花岗岩等强磨性地层中的适用性，有必要设计和应用孕镶式金刚石钻头，并且通过必要的使用试验，优化钻头在花岗岩和硬砂岩中的最佳排齿方式。在这过程中，相关试验结果可以有效地表明，让PDC切削齿磨损慢慢增高，纯PDC钻头在岩石中的钻速由慢变快。当PDC切削齿磨损度慢慢超过最大值时，金刚石孕镶块的布置又能提高钻头钻速，在实际应用中还具有孕镶式金刚石钻头有较高的破岩效率，金刚石钻头使用寿命长的特点，在花岗岩中，PDC齿布置在前排，而后排的浸渍嵌件布置在PDC切削主齿0.4mm至0.9mm之中的同一轨道上。在硬砂岩中，PDC齿布置在前排，后排的浸渍嵌件比PDC切削主齿低0.1～0.4mm。在运用和了解适用于强研磨性硬地层的PDC嵌块金刚石钻头的过程中可以知道，该新结构孕镶式PDC钻头比普通钻头具有更好的钻动效率和更持久的使用时间，也大大降低了钻井的时间，让钻井的成本变得更低，让发展的空间有一个更好的未来。
关键词：PDC切削齿；强研磨性硬地层；孕镶式金刚石钻头；
引言：
PDC切削齿磨损较快，也让混合钻头的使用时间变短，钻进效率低。PDC切削齿是石油钻井的重要工具。在火成岩和变质岩强磨硬地层钻井中，严重制约了致密储层的钻进速度和勘探开发效率。
国内专业队伍研究了所有的办法来提高PDC钻头的钻进功能。王滨等试验发现：PDC金刚石块复合钻头能有效破断坚硬地层耐磨性强、降低钻井成本的能力。在现有实验结果的基础上，针对我国16井的地层特点，研究了两种孕镶式PDC混合切削钻头，实践应用能够有效地破断了强研磨性的坚硬地层。
一、新型混合钻头破岩原理
PDC钻头是一种不管是硬还是软的地层中都具备钻进速度快，进尺高的高效切削钻头。但是在研磨性较强的硬地层中，主切削元件磨损度越来越快，会使钻进速度慢，使用得时间较短。带有孕镶结构的金刚石钻头是耐磨性好、耐磨性强的硬质合金钻头[1]中的一种。但是由于由于金刚石成分的颗粒尺寸小，曝光面积低，单圈吃入岩石进尺有限，钻进速度低。孕镶式金刚石钻头不仅不仅发挥了孕镶切削元件的高耐磨性，解决了该种新型结构钻头在坚硬地层中消耗率高、耐磨性强的问题，而且利用了PDC切削齿的高破岩效率[2]。
孕镶式金刚石钻头采用多级多排布置结构：前排以PDC切割齿为主要切削齿，提高破岩效率；该孕镶块金刚石钻头作为一对切削齿放置在后面，以降低磨损率。两种切削齿放在钻头切削同一环带上，钻头主切削元件和孕镶切削元件有不同的出露高度之差。前PDC切削齿的刃口锋利，能有效地咬入地层，让破岩效率高的优点有效发挥出来，后PDC切削齿的孕镶金刚石起到了控制PDC切削齿深度的保护作用；由于井底岩石的摩擦，金刚石颗粒开始出现；当前排关键部位切削齿磨损到难进入坚硬的地层中，后置的孕镶切削元件接触地层分担施加到钻头上的部分钻压，露出的金刚石颗粒很容易吃入岩石，在井底形成犁沟，可以这种新型结构钻头的破岩效率有大大的提升。
二、钻头切削设计
钻头冠部的研究是依据完整的数据的设计的，轮廓形状是通过合理的研究来设计的，为排齿提供有效的工作面。只要确定只要确定了理论冠形，就可以得到理论冠形。为了让钻头承受冲击力平衡，同时使得切削齿达到均匀磨损的目的，优化相对平滑过渡的冠部攻击轮廓。综合考虑，确定钻头应采用内锥角浅和平滑的冠部轮廓结构。
1.所述切削单元为两种以上齿形的切削齿，其中剪切齿为原始片状和脊状，限位齿的齿形为球形和锥形；非主切削元件包括吃入元件和减震保护元件。
2.切削结构由布置在不同部位的主切削齿和被动切削齿组成，每个切削齿的布置位置和工作切削环带不同，因此切削齿的后倾角和侧倾角是不一样的；由于切削齿的工作性能好，必须尽量减少切削齿的磨损。通过数据统计得出，切割齿的后倾角设置为14～24度，侧转角控制在0.1～1.1度之间[3]。
3.切削齿的周向轮廓采用不同轨结构。切削齿的径向轮廓沿钻头的牙冠轮廓。其原理是保证各保径块工作面的磨削量相等。
三、孕镶新型结构钻头现场应用及效果分析
（一）孕镶新型结构钻头现场应用
晋古17井第三次钻进1号混合钻头，钻头深度1357.25m。底部钻具组合：? 168.1毫米直流电+? 119mm螺杆钻具+塔盘+? 120mm无磁钻铤× 1+ ? 120mm钻铤× 14+ ? 87.6mm钻杆。钻井参数：钻压35~70kn，转速50-60R/min，排量15~17L/s，泵压16Mpa。钻至1498.19m，机械钻速慢。
然后下入第一种类型新型钻头, 下钻井深1565.11m。钻具组合: ? 161.3mm混合钻头 + ? 121mm双扶正器螺杆钻具+无磁钻铤×1根+? 119mm钻铤×17根+ ? 87.8mm钻杆。钻进参数采用钻压10~30kN 、排量15L / s、转盘转速 20r / min, 划眼30m到井底, 钻进0.5m完成井底造型。提高钻压至 30~80kN 、转盘转速 50r / min 、排量 16 ~17L / s 、泵 13~16MPa , 正常钻进。钻至1652.00m , 岩石开始产生变化，接录井通知起钻取心，起钻井1652.00m。
（二）新型混合钻头效果分析
1357.25m至1498.19m的石英岩井段的钻头使用情况。在晋古17井地层中，1号混合钻头从1357.25m钻到1498.19m钻头进尺33.35m，纯钻时间24.0h，ROP为1.30m/h。同层位牙轮钻头平均ROP为0.76m/h，平均一只钻头钻进进尺为16.58m。1号新型钻头和牙轮钻头指标相比，平均进尺提高了96.20%，钻速提高了50.78%。钝钻头外锥部位切削齿磨损量在2-3级，其余的切削齿基本没有太大的磨损，钻头新度85%，能够再次使用。
1498.19m到1652.00m的石英岩井段的钻头使用情况。2号混合钻头钻进为1565.11m到1652.00m，钻头进尺36.00m，纯钻进时间29.0h，机械钻速 1.31m / h。在同井段中使用的牙轮钻头的运转速度为0.85m/h，平均单只钻进尺20.23m；PDC钻头的运转速度为0.89m/h，单只钻头进尺为24.87m。与牙轮钻头的平均指标相比，平均ROP和平均进尺分别提高了29.78%、69.78%；与PDC钻头相比，平均ROP和平均进尺分别提高了31.29%、46.39%。
结束语：孕镶式金刚石钻头具有切削效率高、使用时间较长的优点，是适合强研磨性硬地层的一种高效破岩重要工具；金刚石孕镶块的运转能力直接影响混合钻头的钻进性能。因此，提高金刚石孕镶块性能是优化PDC镶块复合钻头的关键技术。
在现场应用中，两种新型孕镶式金刚石钻头很好解决了高研磨性地层钻进问题，试验效果较好。在试验井位石英岩高研磨性地层中，1号钻头比同地段使用的牙轮钻头高50.78%，单钻头平均进尺提高96.20%，钻头整体新度约85%。2号混合钻头和牙轮钻头运转钻速相比，平均钻速比牙轮钻头提高29.78%，单钻头平均进尺提高69.78%；与PDC钻头相比，平均钻速提高了31.29%，单钻头进尺提高了47.40%。
在整体数据分析现场效果的基础上，结合孕镶式金刚石钻头的工作机理设计，孕镶式金刚石钻头具有较高的机械钻速和较长的使用寿命，可显著降低钻井成本。
参考文献：
[1]于金平,邹德永,刘笑傲.适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用[J].金刚石与磨料磨具工程,2020,40(03):67-71.
[2]巫刚.基于混合布齿技术的新型PDC钻头设计与应用[J].西部探矿工程,2016,28(11):30-33.
[3]王欣倩,王健伟.一种新型混合齿钻头的设计及可用性分析[J].甘肃科技,2019,35(04):14-16.