新型旋转PDC切削齿钻头技术研究与应用_石建刚
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Abstract： The new rolling PDC cutter drill bit technology could effectively address the fixed cutter eccentric wear issue，prolong durability，improve ＲOP，resulting in improved drilling efficiency and reduced drilling costs， which is a great step of drill bit technology. The defects of traditional fixed PDC cutter and the new rolling PDC cutter’s technical principle，durability testing and drill bit specifications have been introduced. Field applications of the new rolling PDC cutter bit have been analyzed and recommendations for its development trend have been made： research and develop rolling PDC cutter drill bit for harder and more abrasive formations to provide technical support for the hot dry rock reservoir development and to improve ultra-deep well drilling speed and efficiency. Applying rolling PDC cutter technology on hole opener to extend its life is also recommended.
有限元分析软件对固定 PDC 切削齿尖端剪切 岩石时的摩擦热效应研究结果表明，切削齿边刃局 部的热量积累是切削齿严重偏磨的根本原因，从而 导致频繁的起下钻更换钻头［4］。
2 新型旋转 PDC 切削齿技术
目前，斯伦贝谢的 Smith Bits 公司设计研发了 ONYX360°全旋转 PDC 切削齿，可有效解决钻进过 程中固定切削齿边刃局部温度过高问题，降低切削 齿偏磨程度，延长其使用寿命，从而无需频繁起下 钻更换钻头，提高了钻井效率。 2. 1 技术原理
图 1 ONYX360°全旋转 PDC 切削齿 Fig. 1 ONYX360° fully rolling PDC cutter
2. 2 钻头规格 钻头规格见表 1［6］。旋转 PDC 切削齿可集成
到 Smith Bits 公司绝大多数的 PDC 钻头中，钻头设 计 工 程 师 利 用 IDEAS 钻 头 设 计 平 台 从 耐 用 性 、旋
表 1 旋转 PDC 切削齿钻头规格 Table 1 The specification of bit with rolling PDC cutter
型号
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严重，金刚石层被完全磨穿，硬合金垫托层已开始 接触岩石。而旋转 PDC 切削齿在切削 120、300、 480 和 540 层后分别进行了检查，结果表明，在切 削 300 层后切削齿边刃无任何磨损迹象，而在切削 540 层后切削齿边刃才略有磨损，而且周向分布。 因此，耐用性测试结果证实，旋转 PDC 切削齿比 固定 PDC 切削齿耐用性强［1－6］。
ONYX360°全旋转 PDC 切削齿的结构特征是： 专用集成外壳钎焊到钻头的刀翼中，切削齿安装在 完全包含在外壳内的旋转轴上，如图 1 所示。
切削齿在钻头刀翼上的方向相对于其与地层的 接触角可产生有效驱动切削齿旋转的旋转力，侧倾 修正确保了切削齿的持续旋转。侧倾角相对较小， 不会降低综合切削效率或阻止岩石切削。当钻头工 作时，切削齿不仅随着钻头公转，而且还在旋转力
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石油机械
2016 年 第 44 卷 第 2 期
转力、攻击性及磨损平面分析 4 个方面对旋转切削齿 的数量、旋转切削齿在刀翼上的几何方向及位置进行 优化，研发了多种类型的旋转 PDC 切削齿钻头。 2. 3 耐用性测试
3 旋转 PDC 切削齿钻头的应用
旋转 PDC 切削齿钻头技术是钻头技术的一大 进步，与 传 统 固 定 PDC 切 削 齿 钻 头 相 比，旋 转 PDC 切削齿钻头的使用寿命大大延长，可提高单 只钻头的钻井进尺和机械钻速，减少起下钻更换钻 头次数，缩短钻机运行时间，显著提高钻井效率。 目前，旋转 PDC 切削齿钻头已在美国花岗质砂岩 储层和澳大利亚侏罗系 Plover 组地层得到了大量应 用，取得了明显的效果。 3. 1 美国花岗质砂岩储层
—6— 钻井技术与装备
石油机械
CHINA PETＲOLEUM MACHINEＲY
2016 年 第 44 卷 第 2 期
新型旋转 PDC 切削齿钻头技术研究与应用*
石建刚1 武兴勇1 党文辉1 邓 平1 刘 刚2
( 1. 新疆油田公司工程技术研究院 2. 北京阳光杰科科技股份有限公司)
摘要： 新型旋转 PDC 切削齿钻头技术可有效解决固定 PDC 切削齿偏磨问题，延长使用寿命， 提高机械钻速，有利于提高钻井效率，降低钻井施工成本，是钻头技术的一大进步。介绍了传统 固定 PDC 切削齿技术的缺陷和新型旋转 PDC 切削齿技术的技术原理、耐用性测试及钻头规格， 分析了新型旋转 PDC 切削齿钻头的现场应用效果，并针对其发展趋势提出建议： 建议研发能在更 坚硬、研磨性更强的地层岩石中钻进的旋转 PDC 切削齿钻头，为干热岩储层开发和超深井钻井提 速提效提供技术支撑； 建议将旋转 PDC 切削齿技术应用于扩眼器，以延长其使用寿命。
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YX360°全旋转 PDC 切削齿集成到 PDC 钻头上，可 解决固定 PDC 切削齿的偏磨问题，延长使用寿命， 提高机械钻速，有利于提高钻井效率，降低钻井施 工成本。因此，开展新型旋转 PDC 切削齿钻头技 术研究具有重要意义。
1 传统固定 PDC 切削齿技术
的驱动下绕着完全包含在外壳内的旋转轴的轴线自 转。切削齿旋转切削地层岩石，磨损平面产生的摩 擦热周向分布，与固定切削齿的热量局部集中显著 不同，从而不会破坏金刚石中的碳碳键，可显著降 低或消除固定切削齿边刃的严重偏磨，延长金刚石 材料和切削齿的使用寿命［1－5］。
为了评价旋转 PDC 切削齿的耐用性，在坚硬 的花岗岩岩石上进行了优质固定 PDC 切削齿和旋 转 PDC 切削齿的切削测试，花岗岩岩石无侧限抗 压强度为 206. 9 MPa。测试过程中，为保持恒定的 切削深度，需要不断增大轴向载荷。
施加在旋转切削齿与固定切削齿上的轴向载荷 变化对比如图 2 所示。从图可以看出，对于优质固 定切削齿 （ 桔黄色线） ，所需的轴向载荷从最初的 1 960 kN 快速增大，在切削大约 90 层时增大至 11 760 kN，此时终止试验。而对于旋转切削齿 （ 绿 线） ，需要的轴向载荷较小，从最初的约 1 960 kN 逐渐增大至 5 880 kN。在经过相当数量的切削层数 以后，才开始增大轴向载荷。显然，与固定切削齿 相比，在施加较小的轴向载荷的情况下，旋转切削 齿可显著提高切削效率。
剪切岩石时，相对较少的切削齿边刃会发生一 定程度的磨损，磨损平面产生高程度的摩擦热会破 坏金刚石中的碳碳键，而温度升高会导致更多的磨 损。机械磨损与热效应相结合会破坏切削齿边刃。 当磨损贯穿人造金刚石到达硬合金垫托层时，剪切 效率急剧下降，最终导致机械钻速降低。司钻对机 械钻速降低的反应通常是加大钻压，但这会导致切 削齿边刃磨损加剧，从而使机械钻速急剧降低，不 得不起下钻更换钻头［4］。
Key words： fixed PDC cutter； rolling PDC cutter； technical principle； service life； development trend； recommendation
0引言
几十年以来，PDC 钻头从设计技术、材料技 术和制造工艺等方面不断改进，其技术日臻完善， 已成为油气钻探行业最常用的钻井工具之一。PDC 钻头的外形设计由原来的平面转向三维立体设计， 布齿方式由散布式改进成刀翼式设计，水力学研究 由单一的试验方法发展成为数值模拟技术与试验技 术相结合，焊接技术由最初的钎焊技术改进成真空
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新型 旋 转 PDC 切 削 齿 钻 头 技 术 是 将 ON-
* 基金项目： 中国石油天然气股份有限公司重大科技专项 “新疆和吐哈油田油气持续上产勘探开发关键技术研究” （ 2012E－34－13） 。
2016 年 第 44 卷 第 2 期
石建刚等: 新型旋转 PDC 切削齿钻头技术研究与应用
—7—
通常，应用传统固定 PDC 切削齿钻头钻进时， 仅使用相对较少的切削齿边刃。与地层岩石接触的 切削齿边刃所占的比例取决于切削齿尺寸、切削齿 角度和切削深度等诸多因素。在大多数情况下，实 际用来 剪 切 地 层 岩 石 的 切 削 齿 边 刃 仅 为 10% ～ 40%，而其他 60% ～ 90%的切削齿边刃被锁定到钻 头本体中不被使用，即不与地层岩石接触［1－4］。
图 2 施加在不同切削齿上的轴向载荷变化对比 Fig. 2 The axial load on different cutters
旋转 PDC 切削齿和优质固定 PDC 切削齿测试 后的磨损情况对比见图 3。由图可以看出，在切削 大约 90 层后，优质固定 PDC 切削齿边刃偏磨现象
图 3 旋转切削齿与固定切削齿边刃磨损情况对比 Fig. 3 The blade edge wear of the rolling cutter and the fixed cutter
扩散焊及自动焊接技术等。而且用于特殊用途的 PDC 钻头在不断研制开发。近年间，PDC 切削齿 的质量和类型都发生了巨大的变化。由于混合工艺 与制造工艺的变化，当今切削齿的质量越来越好， 使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高，但 PDC 切削齿仍为固定式结构，虽已能够用于钻硬 夹层和长段的硬岩地层，但极易出现偏磨现象，使 用寿命短，需要频繁起下钻更换钻头，造成钻机运 行时间长、钻井效率低、成本高。
Shi Jiangang1 Wu Xingyong1 Dang Wenhui1 Deng Ping1 Liu Gang2
( 1. Engineering Technology Ｒesearch Institute，Xinjiang Oilfield Company; 2. Beijing Sunshine GEO-Tech Co. ，Ltd. )
关键词： 固定 PDC 切削齿； 旋转 PDC 切削齿； 技术原理； 使用寿命； 发展趋势； 建议 中图分类号： TE927 文献标识码： A doi： 10. 16082 / j. cnki. issn. 1001－4578. 2016. 02. 002
New Bit with Ｒolling PDC Cutter
有限元分析软件对固定 PDC 切削齿尖端剪切 岩石时的摩擦热效应研究结果表明，切削齿边刃局 部的热量积累是切削齿严重偏磨的根本原因，从而 导致频繁的起下钻更换钻头［4］。
2 新型旋转 PDC 切削齿技术
目前，斯伦贝谢的 Smith Bits 公司设计研发了 ONYX360°全旋转 PDC 切削齿，可有效解决钻进过 程中固定切削齿边刃局部温度过高问题，降低切削 齿偏磨程度，延长其使用寿命，从而无需频繁起下 钻更换钻头，提高了钻井效率。 2. 1 技术原理
图 1 ONYX360°全旋转 PDC 切削齿 Fig. 1 ONYX360° fully rolling PDC cutter
2. 2 钻头规格 钻头规格见表 1［6］。旋转 PDC 切削齿可集成
到 Smith Bits 公司绝大多数的 PDC 钻头中，钻头设 计 工 程 师 利 用 IDEAS 钻 头 设 计 平 台 从 耐 用 性 、旋
表 1 旋转 PDC 切削齿钻头规格 Table 1 The specification of bit with rolling PDC cutter
型号
直径 / mm 切削齿总数 / 个 旋转切削齿数量 / 个
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严重，金刚石层被完全磨穿，硬合金垫托层已开始 接触岩石。而旋转 PDC 切削齿在切削 120、300、 480 和 540 层后分别进行了检查，结果表明，在切 削 300 层后切削齿边刃无任何磨损迹象，而在切削 540 层后切削齿边刃才略有磨损，而且周向分布。 因此，耐用性测试结果证实，旋转 PDC 切削齿比 固定 PDC 切削齿耐用性强［1－6］。
ONYX360°全旋转 PDC 切削齿的结构特征是： 专用集成外壳钎焊到钻头的刀翼中，切削齿安装在 完全包含在外壳内的旋转轴上，如图 1 所示。
切削齿在钻头刀翼上的方向相对于其与地层的 接触角可产生有效驱动切削齿旋转的旋转力，侧倾 修正确保了切削齿的持续旋转。侧倾角相对较小， 不会降低综合切削效率或阻止岩石切削。当钻头工 作时，切削齿不仅随着钻头公转，而且还在旋转力
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石油机械
2016 年 第 44 卷 第 2 期
转力、攻击性及磨损平面分析 4 个方面对旋转切削齿 的数量、旋转切削齿在刀翼上的几何方向及位置进行 优化，研发了多种类型的旋转 PDC 切削齿钻头。 2. 3 耐用性测试
3 旋转 PDC 切削齿钻头的应用
旋转 PDC 切削齿钻头技术是钻头技术的一大 进步，与 传 统 固 定 PDC 切 削 齿 钻 头 相 比，旋 转 PDC 切削齿钻头的使用寿命大大延长，可提高单 只钻头的钻井进尺和机械钻速，减少起下钻更换钻 头次数，缩短钻机运行时间，显著提高钻井效率。 目前，旋转 PDC 切削齿钻头已在美国花岗质砂岩 储层和澳大利亚侏罗系 Plover 组地层得到了大量应 用，取得了明显的效果。 3. 1 美国花岗质砂岩储层
—6— 钻井技术与装备
石油机械
CHINA PETＲOLEUM MACHINEＲY
2016 年 第 44 卷 第 2 期
新型旋转 PDC 切削齿钻头技术研究与应用*
石建刚1 武兴勇1 党文辉1 邓 平1 刘 刚2
( 1. 新疆油田公司工程技术研究院 2. 北京阳光杰科科技股份有限公司)
摘要： 新型旋转 PDC 切削齿钻头技术可有效解决固定 PDC 切削齿偏磨问题，延长使用寿命， 提高机械钻速，有利于提高钻井效率，降低钻井施工成本，是钻头技术的一大进步。介绍了传统 固定 PDC 切削齿技术的缺陷和新型旋转 PDC 切削齿技术的技术原理、耐用性测试及钻头规格， 分析了新型旋转 PDC 切削齿钻头的现场应用效果，并针对其发展趋势提出建议： 建议研发能在更 坚硬、研磨性更强的地层岩石中钻进的旋转 PDC 切削齿钻头，为干热岩储层开发和超深井钻井提 速提效提供技术支撑； 建议将旋转 PDC 切削齿技术应用于扩眼器，以延长其使用寿命。
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YX360°全旋转 PDC 切削齿集成到 PDC 钻头上，可 解决固定 PDC 切削齿的偏磨问题，延长使用寿命， 提高机械钻速，有利于提高钻井效率，降低钻井施 工成本。因此，开展新型旋转 PDC 切削齿钻头技 术研究具有重要意义。
1 传统固定 PDC 切削齿技术
的驱动下绕着完全包含在外壳内的旋转轴的轴线自 转。切削齿旋转切削地层岩石，磨损平面产生的摩 擦热周向分布，与固定切削齿的热量局部集中显著 不同，从而不会破坏金刚石中的碳碳键，可显著降 低或消除固定切削齿边刃的严重偏磨，延长金刚石 材料和切削齿的使用寿命［1－5］。
为了评价旋转 PDC 切削齿的耐用性，在坚硬 的花岗岩岩石上进行了优质固定 PDC 切削齿和旋 转 PDC 切削齿的切削测试，花岗岩岩石无侧限抗 压强度为 206. 9 MPa。测试过程中，为保持恒定的 切削深度，需要不断增大轴向载荷。
施加在旋转切削齿与固定切削齿上的轴向载荷 变化对比如图 2 所示。从图可以看出，对于优质固 定切削齿 （ 桔黄色线） ，所需的轴向载荷从最初的 1 960 kN 快速增大，在切削大约 90 层时增大至 11 760 kN，此时终止试验。而对于旋转切削齿 （ 绿 线） ，需要的轴向载荷较小，从最初的约 1 960 kN 逐渐增大至 5 880 kN。在经过相当数量的切削层数 以后，才开始增大轴向载荷。显然，与固定切削齿 相比，在施加较小的轴向载荷的情况下，旋转切削 齿可显著提高切削效率。
剪切岩石时，相对较少的切削齿边刃会发生一 定程度的磨损，磨损平面产生高程度的摩擦热会破 坏金刚石中的碳碳键，而温度升高会导致更多的磨 损。机械磨损与热效应相结合会破坏切削齿边刃。 当磨损贯穿人造金刚石到达硬合金垫托层时，剪切 效率急剧下降，最终导致机械钻速降低。司钻对机 械钻速降低的反应通常是加大钻压，但这会导致切 削齿边刃磨损加剧，从而使机械钻速急剧降低，不 得不起下钻更换钻头［4］。
Key words： fixed PDC cutter； rolling PDC cutter； technical principle； service life； development trend； recommendation
0引言
几十年以来，PDC 钻头从设计技术、材料技 术和制造工艺等方面不断改进，其技术日臻完善， 已成为油气钻探行业最常用的钻井工具之一。PDC 钻头的外形设计由原来的平面转向三维立体设计， 布齿方式由散布式改进成刀翼式设计，水力学研究 由单一的试验方法发展成为数值模拟技术与试验技 术相结合，焊接技术由最初的钎焊技术改进成真空
158. 750
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新型 旋 转 PDC 切 削 齿 钻 头 技 术 是 将 ON-
* 基金项目： 中国石油天然气股份有限公司重大科技专项 “新疆和吐哈油田油气持续上产勘探开发关键技术研究” （ 2012E－34－13） 。
2016 年 第 44 卷 第 2 期
石建刚等: 新型旋转 PDC 切削齿钻头技术研究与应用
—7—
通常，应用传统固定 PDC 切削齿钻头钻进时， 仅使用相对较少的切削齿边刃。与地层岩石接触的 切削齿边刃所占的比例取决于切削齿尺寸、切削齿 角度和切削深度等诸多因素。在大多数情况下，实 际用来 剪 切 地 层 岩 石 的 切 削 齿 边 刃 仅 为 10% ～ 40%，而其他 60% ～ 90%的切削齿边刃被锁定到钻 头本体中不被使用，即不与地层岩石接触［1－4］。
图 2 施加在不同切削齿上的轴向载荷变化对比 Fig. 2 The axial load on different cutters
旋转 PDC 切削齿和优质固定 PDC 切削齿测试 后的磨损情况对比见图 3。由图可以看出，在切削 大约 90 层后，优质固定 PDC 切削齿边刃偏磨现象
图 3 旋转切削齿与固定切削齿边刃磨损情况对比 Fig. 3 The blade edge wear of the rolling cutter and the fixed cutter
扩散焊及自动焊接技术等。而且用于特殊用途的 PDC 钻头在不断研制开发。近年间，PDC 切削齿 的质量和类型都发生了巨大的变化。由于混合工艺 与制造工艺的变化，当今切削齿的质量越来越好， 使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高，但 PDC 切削齿仍为固定式结构，虽已能够用于钻硬 夹层和长段的硬岩地层，但极易出现偏磨现象，使 用寿命短，需要频繁起下钻更换钻头，造成钻机运 行时间长、钻井效率低、成本高。
Shi Jiangang1 Wu Xingyong1 Dang Wenhui1 Deng Ping1 Liu Gang2
( 1. Engineering Technology Ｒesearch Institute，Xinjiang Oilfield Company; 2. Beijing Sunshine GEO-Tech Co. ，Ltd. )
关键词： 固定 PDC 切削齿； 旋转 PDC 切削齿； 技术原理； 使用寿命； 发展趋势； 建议 中图分类号： TE927 文献标识码： A doi： 10. 16082 / j. cnki. issn. 1001－4578. 2016. 02. 002
New Bit with Ｒolling PDC Cutter