PDC钻头最新技术的综述

（８）Ｚ３型切削齿ＰＤＣ钻头 Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ＤＢＳ 生产的ＦＭ３０００系列钻头镶装了耐磨性高的Ｚ３型切 削齿，结合了对力的处理、钻井动力学优化技术和先进的切削齿技 术。该钻头利用ＣＡＤ软件对力进行处理，对切削齿和岩石间的相互作 用能提供精确的三维分析，因此切削齿的布置使力的分布满足了最大 钻井效率。同时，为了使钻头的定向响应更好，切削齿的寿命更长， 钻井动力学优化技术采用了真实的切削动力学精确模型。 除考虑抗冲击性和耐磨性之间的平衡外，Ｚ３型切削齿的开发还 集中考虑了一个新的变量－－切削齿效率。切削齿效率是指切削齿在 整个切削过程中保持切削刃锋利的能力。切削齿效率越大，剪切岩石 所需的能量就越少。这种切削齿的切削齿效率高，热机械完整性好， 特殊的金刚石层与硬质合金的接触界面减小了有害的残余应力成分， 在没有牺牲抗冲击能力的情况下增加了金刚石层的耐磨性，其耐磨性 是标准切削齿的１３．５倍 。 ［１］ （９）定向ＰＤＣ钻头 Ｖａｒｅｌ公司开发出一种Ｎａｖｉｇａｔｏｒ系列定向ＰＤＣ钻头，其中包括点 推式旋转导向系统钻头、推靠式旋转导向系统钻头和常规容积式马达 （ＰＤＭ）系统钻头。这些钻头采用了ＳＰＯＴ ３Ｄ切削力分析工具和“后
（５）超硬热稳定ＰＤＣ切削齿 最近，ＲｅｅｄＨｙｃａｌｏｇ公司发明了一种超硬热稳定ＰＤＣ切削齿。常 规ＰＤＣ切削齿仅由ＷＣ衬底和优质金刚石层组成，而这种超硬热稳定 ＰＤＣ切削齿是在常规ＰＤＣ切削齿的基础上又增加了一薄层超硬热稳定 金刚石，其耐磨性和抗冲击性都有很大提高，因此扩大了ＰＤＣ钻头的 应用范围，在过去认为不适应ＰＤＣ钻头钻进的地层中取得了良好效 果。在墨西哥北部的Ｂｕｒｇｏｓ盆地的Ｃｕｉｔｌａｈｕａｃ油田和Ｓｉｇｍａ油田，采用 了这种超硬热稳定ＰＤＣ切削齿的φ３１１．１５ｍｍＰＤＣ钻头能够成功地钻 穿 最 高 抗 压 强 度 为 ２ ８０Ｍｐａ的 砾 岩 地 层 ， 在 直 井 中 机 械 钻 速 高 达 １４．９ｍ／ｈ，在定向井中机械钻速达到１３．２ｍ／ｈ，分别比邻井提高８７％和 １１８％， 每米钻井成本分别下降２６％和７４％［３］。 （６）新型套管开窗工具 利用造斜器和套管铣鞋对原有井眼进行侧钻作业，通常是将造斜 器和套管铣鞋组合下至预定井深，套管铣鞋剪断造斜器上的销栓后进 行开窗钻铣。在硬研磨性地层，套管铣鞋的金属切削元件磨穿套管之 后必须起钻更换常规钻头，以钻出一个能够容纳ＢＨＡ的井底口袋。目 前这项操作尤为关键，由于钻井底口袋需要进行一次额外的起下钻， 耗费可能多达十几个小时甚至几十个小时，作业费用必将增加。理想 的工艺是用一趟钻完成开窗铣套管和钻井底口袋作业。最近贝克石油 工具公司和休斯克里斯坦森公司联合开发了一种既可铣套管又可钻地 层的铣钻工具—ＰａｔｈＭＡＫＥＲ，该工具应用了休斯克里斯坦森公司的 Ｇｅｎｅｓｉｓ ＰＤＣ技术，使用了一种特殊的ＰＤＣ切削齿，能对金属和地层 进行有效切削。工具上特别设计的螺旋式布齿减小了钻头振动，而大 流道保证了ＰＤＣ切削齿的冷却效果，进而增大了其耐用性能。因此， 该工具能够在一个行程中同时完成开窗和钻井底口袋两项作业。此 外，这种铣钻工具既适合任何类型的造斜装置，也可以作为一项独立 的技术加以使用。在很多硬地层中，它能够提供比常规硬质合金铣鞋 更大的钻进能力。 （７）新型ＰＤＣ双心钻头 ＲｅｅｄＨｙｃａｌｏｇ公司开发了一种新型小井眼（φ２５０．８ｍｍ或更小） ＰＤＣ双心钻头，目的是改进原有双心钻头、减小其在切线段井斜角下 降、增大抵抗钻柱振动的能力、改善其磨损状况。这种双心钻头由导 眼体、扩眼体和中扩眼体组成，中扩眼体的作用是提高钻头的几何稳 定性。为了使中扩眼体能够在双心钻头上起到应有的作用，就必须保
２ 多种ＰＤＣ钻头简介
（１）ＴＯＵＧＨ－ＤＲＩＬＬ钻头 Ｖａｒｅｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ公司开发了一种用于难钻地层的新型ＰＤＣ钻 头，名为ＴＯＵＧＨ－ＤＲＩＬＬ钻头。由于该新型钻头采用了先进的切削结 构和高性能ＰＤＣ切削齿，而且具有良好的稳定性特征，所以克服了硬 研磨性地层对机械钻速和钻头寿命的挑战。作为产品开发的一个步 骤，该钻头经过了精心的计算流体动力学评价，消除了在钻硬度高且 研磨性强的地层时通常会发生的岩屑重复破碎和重复打转问题以及可 能的滞流区域。因此改善了清洗效率、切削齿冷却效果，提高了机械 钻速。 该钻头采用的切削齿结合了先进的碳化钨界面几何形状和先进的 材料科学技术。为了减小具有破坏性的残余应 力（轴向、周向和径 向），应用有限元分析对碳化钨界面几何形状进行了模拟，大大提高 了ＰＤＣ切削齿的抗冲击能力。而且对聚晶金刚石的等级进行了精细选 择和分析，以最大限度提高切削齿的耐磨性。 （２）Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＭ钻头 休 斯 克 里 斯 坦 森 公 司 的 新 系 列 Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＭ钻头 既 具 有 常 规 ＰＤＣ钻头那样高的机械钻速和寿命，又具有牙轮钻头那样良好的可导 性。该钻头能够具有这些优点是因为采用了ＥＺＳｔｅｅｒ切深控制技术， 在钻头中心附近有一个支撑块，在滑动钻进时它接触地层，但在转盘 钻进时不接触地层。这就适当降低了导向状态下钻头的攻击性，而保 持了转盘钻进时的高机械钻速。另外的一些特征，如Ｇｅｎｅｓｉｓ切削 齿、计算流体动力学和高稳定性使新系列Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＭ钻头能够在高 机械钻速情况下钻出平滑的井眼，从而使其成为导向马达钻井应用中 的理想钻头。 （３）Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＲ钻头 Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＲ钻头是休斯克里斯坦森公司开发的一类应用于旋转 导向钻井的新系列ＰＤＣ钻头。每一型号的Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＲ钻头都是根据 某一具体应用而设计制造的，为了具有大的侧切削能力，钻出大狗腿 度的井眼，一般钻头的冠部都比较短，而为了取得寿命、稳定 性和井 眼质量三者之间的最佳平衡，也可以采用常规长度的冠部。这种新系 列 Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＲ钻头 的 尺 寸 范 围 为 φ １４６ｍｍ－ φ ４ ６３．６ｍｍ。 每 一 种 Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＲ钻头的保径结构都是根据具体应用情况而定的，当需要 大狗腿度来完成复杂苛刻的定向要求时，Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＲ钻头的保径是 非常短的。大部分旋转导向钻井要求钻头具有标准的保径结构，对于 某些旋转导向钻井或在缓慢偏斜定向井中井眼质量为主要指标时，一 般使用保径结构较长的钻头 。 ［２］ （４）套管钻头
125 内Ｃ钻头最新技术的综述
王爱江① 潘信众②
（①中石化华北石油局第三普查大队
②胜利石油管理局钻井工艺研究院）
摘 要 为满足钻井市场不断发展的需要、解决钻井难题、提高钻井效率，近年来全世界各大钻头公司设计开发出多种新型 ＰＤＣ切削齿、专用ＰＤＣ钻头及相关技术。本文对ＴＯＵＧＨ－ＤＲＩＬＬ钻头、Ｇｅｎｅｓｉｓ ＨＣＭ钻头、定向井钻头、套管开窗铣钻工具、超硬热 稳定ＰＤＣ切削齿、扭转震击器、内外刀翼式ＰＤＣ钻头等各种新型井底钻井工具进行了简要介绍。
为了配合套管钻井工艺，休斯克里斯坦森公司专门为套管／尾管 钻井开发了一种新型ＥＺ套管钻头。该钻头特点是钻头体完全由合金 钢材组成，ＰＤＣ切削齿固结在刀翼上，保证了锋利的切削结构能够高 效地钻进地层或进行扩眼作业。
这种套管／尾管钻头还采用了一项专利技术，即在钻头端面上的 中心部位设置了一个限制反扭矩的支撑块。每次进行套管／尾管钻井 时，都要对支撑块何时接触地层进行精确调节，这样既能象使用牙轮 钻头一样很好地控制工具面，还能够获得与常规ＰＤＣ钻头相媲美的高 机械钻速。这种套管钻头的另一个特点是开有一个辅助水眼，在注水 泥作业时该水眼打开，可以保证水泥浆以期望的速度排出套管，减小 堵塞的可能性。
关键词 ＰＤＣ钻头 ＰＤＣ切削齿 钻井 机械钻速 进尺
为满足钻井市场不断发展的需要、解决钻井难题、提高钻井效 率，近年来全世界各大钻头公司设计开发出多种新型ＰＤＣ切削齿、专 用ＰＤＣ钻头及相关技术。现将ＰＤＣ钻头开发状况及技术综述如下：
１ ＰＤＣ钻头开发简况
近几年全世界石油天然气钻井活动不断增加，所以对钻井钻头的 需求量也越来越大，而且由于ＰＤＣ钻头在设计技术和操作方面的较大 改进使得人们也越来越喜欢使用ＰＤＣ钻头。在２０００年，ＰＤＣ钻头的钻 井进尺仅占总钻井进尺的２６％，２００３年增加为５０％，而２００６年ＰＤＣ钻 头的钻井进尺已经占到总钻井进尺的６０％。近年来全世界各大钻头公 司根据钻井技术的发展和钻井现场的实际需要，设计开发出多种新型 ＰＤＣ切削齿、专用ＰＤＣ钻头及相关技术。
提高了ＰＤＣ切削齿在钻头冠部表面上的分散程度，因而提高了钻头的 稳定性。
（１１）扭转震击器 Ｕｎｉｔｅｄ Ｄｉａｍｏｎｄ公司新近开发了一种应用于ＰＤＣ钻头的扭转震击 器。使用ＰＤＣ钻头钻一些难钻地层时，ＰＤＣ钻头经常得不到足够大的 扭矩来破碎地层，导致钻头短时间内停止旋转，此时钻柱开始卷绕， 沿钻柱长度储存扭转能量。破碎地层所需要的扭矩值一旦达到，钻柱 就会突然开始旋转，对ＰＤＣ切削齿的冲击载荷要远大于正常值。这个 过程最终引起切削齿破损，导致钻头损坏。扭转震击器直接安装在 ＰＤＣ钻头之上，给钻头施加一个高频扭转冲击载荷，再加上钻柱施加 的稳态的扭矩，使作用于ＰＤＣ钻头上的扭转功率获得了显著提高，大 大减少了滑卡现象，显著提高了机械钻速和钻头寿命。此扭转震击器 的长度很短，对ＢＨＡ特性的影响很小。此扭转震击器的积极作用已在 转盘钻井、定向钻井、高性能马达钻井和旋转导向钻井应用中得到了 证实［２］。 （１２）锐角ＰＤＣ切削齿钻头 胜利石油管理局钻井工艺研究院开发出锐角ＰＤＣ切削齿钻头，其 特点是ＰＤＣ切削齿出露部分的金刚石层平面与切削齿母线之间的夹角 小于９０°。与采用圆柱状ＰＤＣ切削齿的常规ＰＤＣ钻头相比，从几何结 构上确保了ＰＤＣ切削齿的硬质合金磨损平面在钻进过程中增大得较 慢，从而降低了承压面积的增大速率，使该种ＰＤＣ钻头能够在较长的 时间内以恒定的钻压、基本不变的较高的比压切削地层，从而提高了 机械钻速。
凸起”特征两项技术，能够保证钻井工具与所采用的驱动系统及所钻 井眼轨迹相匹配。ＳＰＯＴ ３Ｄ切削力分析工具，不仅能用于ＰＤＣ切削结 构的力平衡设计，而且还能确保切削结构的横向切入能力满足驱动系 统和井眼轨迹的要求。
在定向钻井过程中，司钻经常遇到工具面消失和井底动力钻具失 速的情况，“后凸起”特征能减少此类情况的发生。Ｎａｖｉｇａｔｏｒ系列定 向ＰＤＣ钻头上应用的“后凸起”特征是在ＰＤＣ切削齿的后面安置一种 凸起块，其作用是调节钻头切入地层的能力，凸起块的安装位置和数 量取决于具体的定向钻井应用。