PDC钻头钻井提速关键影响因素研究.pdf

doi:10.11911/syztjs.2023022引用格式：高德利，刘维，万绪新，等.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究 J.石油钻探技术，2023,51（4）：20-34.GAODeli,LIUWei,WANXuxin,etal.StudyonkeyfactorsinfluencingtheROPimprovementofPDCbitsJ.PetroleumDrillingTechniques，2023,51(4)：20-34.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究高德利1，刘维1，万绪新2，郭勇3（1.石油工程教育部重点实验室（中国石油大学（北京），北京102249；2.中石化胜利石油工程有限公司，山东东营257000；3.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）摘要:为了在钻井工程中发挥出 PDC 钻头的最大功效，通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等，探讨了高钻压、高转速等钻井参数强化对 PDC 钻头钻速和磨损的影响规律，同时分析了 PDC 钻头的磨损机理与过早失效主因。研究结果表明：1）钻压是影响 PDC 钻头机械钻速的直接和首选因素，当钻头处于高效破岩状态时，无论钻遇一般地层还是硬岩地层，钻压与机械钻速均应呈线性关系；钻遇均质硬岩地层时，建议将 200kN 以上高钻压纳入 PDC 钻头的常规应用参数；2）提高转速可实现钻井提速，虽然高转速会加剧 PDC 钻头的磨损，但目前切削齿的质量足以满足 PDC 钻头在高转速（400500r/min）下长时间钻进多数地层的需求；3）布齿密度对钻头机械钻速有影响，但并非直接因素，只要“吃得进去，切得下来，排得及时”三者建立动态平衡，即便是高布齿密度 PDC 钻头也可以实现优快钻进；4）PDC 钻头破岩效率越高，钻头磨损会越小，如提高钻压，会增大切削齿吃入深度、减少钻头磨损；5）动态冲击和低效破岩是造成 PDC 切削齿和钻头过早失效的主因，实现 PDC 钻头高效钻进的核心是提高破岩效率与抑制钻头振动。该研究结果对 PDC 钻头合理使用与钻井提速技术创新具有参考意义。关键词:PDC 钻头；钻井提速；钻井参数；硬岩提速；钻头失效；切削齿磨损机理中图分类号:TE21文献标志码:A文章编号:10010890（2023）04002015Study on Key Factors Influencing the ROP Improvement of PDC BitsGAO Deli1,LIU Wei1,WAN Xuxin2,GUO Yong3(1.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing,102249,China;2.SinopecShengli Oilfield Service Corporation,Dongying,Shandong,257000,China;3.Engineering Technology Research Institute,PetroChina Xinjiang Oilfield Company,Karamay,Xinjiang,834000,China)Abstract:For the maximization of the efficacy of the polycrystalline diamond compact(PDC)bits in drillingengineering,comprehensive research,including theoretical analysis,laboratory test,case study,and on-site trials,wasconductedtoinvestigatehowahighweight-on-bit(WOB),ahighrotaryspeed,andotheroptimizeddrillingparametersworkontherateofpenetration(ROP)andthewearofaPDCbit.Furthermore,thewearmechanismofthePDCbitandtheprimarycauseoftheprematurefailureofthebitwereanalyzed.Theresultsindicatedthat:1)TheROPofthePDCbitwasdirectlyandprimarilyaffectedbytheWOB.Whenthebitwasinanefficientrock-breakingstate,theWOBwasinvariablyinalinearrelationshipwiththeROPwhethertheformationencounteredwasaconventionaloneorahardrockformation.AddingahighWOBover200kNintothenormalpressurizationrangeofthePDCbitwasrecommendediftheformationencounteredwasahomogeneoushardrockformation.2)ROPimprovementcouldbeachievedbyenhancingtherotaryspeed.AlthoughthewearofthePDCbitcouldbeaggravatedbyahighrotaryspeed,therequirementonaPDCbittopenetratemostformationsforalongtimeatahighrotaryspeed(400500r/min)couldbereadilymetbythequalityofthecurrentlyavailablePDCcutter.3)TheROPofthebitwasalsoaffectedbycutterdensity,butnotinadirectmanner.Aslongasadynamicbalanceamong收稿日期:2022-12-05；改回日期:2023-02-01。作者简介:高德利(1958)，男，山东禹城人，1982 年毕业于华东石油学院钻井工程专业，1984 年获西南石油学院石油矿场机械专业硕士学位，1990 年获石油大学油气田开发工程专业博士学位，教授，中国科学院院士，长期从事复杂油气井工程领域的科学研究与实践。系本刊编委。E-mail:。通信作者:刘维，。基金项目：国家自然科学基金重点项目“复杂结构井工厂立体设计建设基础研究”（编号：52234002）、国家自然科学基金创新研究群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究”（编号：51821092）、中国石油大学（北京）科研启动基金项目“高效钻头的研究”（编号：ZX20190065）联合资助。第51卷第4期石油钻探技术Vol.51No.42023年7月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESJul.,2023“capabilitiestobiteintotheformation,cuttherock,andevacuatethecuttingsintime”wasreached,theoptimizedfastdrillingcouldbeachievedevenbyaPDCbitwithahighcutterdensity.4)ThewearofthePDCbitwaslesssevereunderthehigherrock-breakingefficiencyofthebit.TheWOBcouldbeenhancedtoimprovetheROPandreducebitwear.5)Dynamicimpactandinefficientrock-breakingwereconsideredtheprimarycausesoftheprematurefailureofthePDCcutterandbit.ThekeyforthePDCbittoachieveefficientpenetrationwasimprovingrock-breakingefficiencyandrestrainingbitvibration.TheaboveresultscouldbeusedasareferencefortheproperutilizationofPDCbitsandtheinnovationofROPimprovementtechnologies.Key words:PDCbit;ROPimprovement;drillingparameters;ROPimprovementforhardrockformation;bitfailure;wearmechanismofPDCcutter一只钻头的进尺和机械钻速对于井队和钻头厂家都很重要，但令人不解的是我国钻头厂家对于钻头目标地层和应用参数的相关规定甚少，如何使用钻头主要取决于现场技术人员或操作人员。尽管现场人员拥有深厚的技术积累和丰富的实践经验，但某一时期的先进技术和实践经验难免具有“滞后性”。很多时候，PDC 钻头的应用参数（钻压、转速、排量和泵压等）和底部钻具组合基本上相对固定，每趟钻只是“遵照规范”在框架内简单调整钻井参数，随机试用不同厂家的钻头和工具，对于 PDC钻头钻井提速背后的基本理论与关键因素缺乏深入研究。与之相比，国外钻井工程中 PDC钻头的应用参数范围更加宽泛灵活，高钻压（200kN）、高转速（300r/min）等钻井参数强化已成为常规设计控制内容，PDC 钻头在国外难钻地层的成功应用也常常突破国内经验认知，值得我们深思与借鉴。笔者团队围绕国际钻井提速技术最新进展，通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等，深入分析了钻压、转速、钻头设计等钻井提速关键因素及其影响规律，探讨了钻井参数强化与 PDC 钻头磨损的内在联系，阐释了造成 PDC 钻头过早失效的主因，澄清了因机理认识不清而引起的 PDC 钻头的常见使用误区，以期为 PDC 钻头合理使用与钻井提速技术创新提供有益参考。1影响 PDC 钻头钻井提速的直接因素PDC 钻头旋转破岩可简单分为吃入地层和旋转切削岩石 2 个独立过程1。钻头处于高效破岩状态时，施加的钻压应与 PDC 钻头吃入地层的深度呈线性关系，钻压越高，钻头吃入地层越深，当扭矩充足时即可破碎相应吃入深度的岩石210。因此，钻压（吃入深度）和转速是影响钻头机械钻速的最直接因素，三者符合以下线性关系：v=60dr（1）v式中：为机械钻速，m/h；d 为钻头旋转一周的吃入深度，m/r；r 为钻头转速，r/min。虽然式（1）是对钻压、转速和机械钻速三者关系的定性描述，其计算结果也与实际机械钻速相差较大（由于脆性破坏转变为延性破坏等原因，钻进时钻头在井底压力下的破岩效率可能只有常压环境下的 30%40%），但无论是在常压环境下还是在井底压力环境下，PDC钻头处于高效破岩状态时的机械钻速均应与钻压保持线性关系210，如图 1 所示。机械钻速钻压O高转速、地层可钻性好、齿/钻头攻击性强低转速、地层可钻性差、齿/钻头攻击性弱图 1 钻头高效破岩时钻压与机械钻速的关系示意Fig.1 Relationship between WOB and ROP during effi-cient rock-breaking of the bit通过室内全尺寸钻头破岩试验装置，笔者团队对式（1）进行了简单验证。选取可钻性较好的石灰岩（单轴抗压强度 89MPa）和可钻性差的花岗岩（单轴抗压强度 204MPa）作为钻进岩样，采用相同的215.9mmPDC 钻头设计（4 刀翼、16.0mm 切削齿），分别装配平面圆形齿（基准）、异形齿 1 和异形齿 2。试验过程中以钻压为参变量，提供充足排量的清水以清洁井底。试验结果如图 2 所示，无论钻遇可钻性较好的石灰岩或可钻性差的花岗岩，还是采用不同齿形的切削齿，PDC 钻头的机械钻速与钻压之间都符合线性关系；而且在相同钻压下，地层可钻性越好，切削齿和钻头的攻击性越强，则钻头的机械钻速就会越快。当钻速较慢时，提高钻压是钻井工程中常用的提速措施之一，但很多时候并不会收到预期的提速第51卷第4期高德利等.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究21效果，即钻压与机械钻速之间出现非线性响应。现场技术人员通常将之归因于钻头失效或地层因素，但很多时候 PDC 钻头的出井状况比较好。实际上，钻压与机械钻速的非线性响应往往是由于钻井“异常”因素210，不能单纯归因于难钻地层固有属性或钻头过早失效。钻头破岩效率低或者钻头过早失效只是钻井“异常”因素产生的结果。钻井“异常”因素包括：1）直接影响钻头表现的因素，例如钻头的轴向、扭转、横向等振动（涡动、粘滑、跳钻等），井底清洁不佳，切削齿泥包或钻头泥包，地层非均质性，破岩方式与地层岩性不匹配等，如图 3 所示；2）影响钻井能量输入的非钻头因素，例如地质结构复杂限制了井下动力钻具的使用，井下管柱屈曲效应，顶驱和工具的抗扭极限低，井斜角大需轻压吊打，MWD 等工具信号采集，长水平段存在携岩、托压等问题。机械钻速钻压涡动井底泥包钻头泥包地层不均质粘滑PDC 钻头高效钻进图 3 “异常”因素作用时钻压与机械钻速的关系示意Fig.3 Relationship between WOB and ROP under influ-ences of“abnormal”factors美国学者推荐通过试钻法确定并消除这些“异常”因素510。例如，首先提高钻压直至钻压与机械钻速出现非线性响应，然后通过分析机械比能（mechanicalspecificenergy，简称 MSE）等钻井数据，确定钻井“异常”原因，然后消除“异常”使钻压与机械钻速重回线性关系；然后再提高钻压，以此往复。在此过程中，MSE 起着至关重要的作用，尤其是井下 MSE 能够很好地表征钻头破岩效率，可用来实时评判钻头在井底是否高效破岩钻进。2004年埃克森美孚公司首先将 MSE 应用于钻井现场，辅助井队人员实时监测钻井工况，获得了较好的提速效果，从而得到广泛应用312。2高钻压对 PDC 钻头钻速和磨损的影响20202021 年，美国能源部“地热能前沿观测研究计划（FORGE）”在犹他州先后完成 3 口干热岩勘探井（16A（78）-32 井、56-32 井和 78B-32 井），通过采用 200kN 以上高钻压和异形齿 PDC 钻头，实现了高温花岗岩地层（单轴抗压强度 207276MPa）的优快钻进。最后一口井（78B-32 井）更是采用了 295kN 的高钻压（最高用到 308kN），在高温花岗岩地层实现最大进尺 643m，最高机械钻速29m/h，大幅领先于世界其他地区的干热岩钻进指标813。FORGE 钻井数据表明，高钻压（200kN）下 PDC 钻头在花岗岩地层的机械钻速与施加的钻压仍然保持线性关系，并且钻头涡动在高钻压下也得到了有效抑制，此时 PDC 钻头钻遇花岗岩变成了纯磨损问题。另外，在顶驱、井下动力钻具、加粗钻杆的配合下，高钻压并未引发 PDC 钻头的憋钻、粘滑等问题。FORGE 项目中，308kN 的最高钻压取自 PDC 钻头的最大安全承载，如果钻头承载进一步增大，则钻压还会随之提高。与之相比，我国钻井工程采用的钻压范围相对保守：PDC 钻头在陆上油田钻进一般地层的推荐钻压是 4080kN，钻速很快或吊打纠斜时钻压往往只有 1020kN，采用钻井参数强化时钻压可提高90807060504030201005101520钻压/kN2530354045机械钻速/（mh1）花岗岩平面圆齿石灰岩平面圆齿y=2.06x5.71R2=0.93y=1.16x12.03R2=0.96（a）岩性的影响45403530252015105015102025钻压/kN3035机械钻速/（mh1）花岗岩平面圆齿y=1.76x14.30R2=1.00y=1.37x11.48R2=0.97y=1.16x12.03R2=0.96（b）齿形的影响花岗岩异形齿 1花岗岩异形齿 2图 2 岩性和齿形对钻压与机械钻速之间关系曲线的影响Fig.2 Effects of lithology and cutter shape on relationship curve between WOB and ROP22石油钻探技术2023年7月至 80120kN；钻速较慢时，如钻遇硬岩地层，也偶尔尝试 120150kN 高钻压，但不是常规操作，PDC 钻头施加 150kN 以上钻压的案例鲜有报道。PDC 钻头在海上油田的作业参数相对激进，在上部地层大尺寸井眼会使用 160180kN 的高钻压，随着井深增大，钻压会逐步降低。不得不承认，美国采用 200kN 以上高钻压与我国钻井技术人员长期坚持的“低钻压、高转速”PDC 钻头使用原则相违背。针对高钻压的一个主要质疑是，低钻压能保护钻头，而提高钻压会加速 PDC 钻头的磨损，缩短其使用寿命。为了探究钻压与 PDC 钻头磨损的真实关系，笔者团队开展了以下相关研究。从摩擦学角度分析，PDC 切削齿和钻头的磨损与其所受载荷（钻压）、行进距离均呈正相关性。不同于钻头进尺，行进距离是指 PDC 切削齿随钻头钻进而行进的总运动距离。所受钻压越高、行进距离越远，钻头的磨损就会越多。另一方面，提高钻压会增加切削齿吃入地层的深度，增大切削齿与井底的接触面积，无论钻压高低，钻压所产生的切削齿与地层接触面的单位面积载荷应与钻遇岩石的原位强度相等，即切削齿的单位面积所受载荷取决于岩石力学性能，与钻压无关，如果两者尚未达到平衡状态，切削齿的吃入深度会继续增大直至达到平衡或者岩石发生破裂。另外，钻压的施载区域是切削齿的整个接触面积，而切削齿发生摩擦的区域只是切削齿的边缘（倒角附近）。因此，与钻压相比，行进距离对 PDC 切削齿和钻头磨损的影响更大810,1416。PDC 钻头本身也提供了一个很好的证明，虽然 PDC钻头中心区域所受载荷最大，但实际上是钻头肩部区域的切削齿磨损更为严重，这是因为钻头肩部径向距离大、线速度快，切削齿的行进距离要远大于钻头中心区域。利用国际油服公司通用的立式转塔车床切削花岗岩湿磨试验（简称 VTL 试验）17，笔者团队研究了行进距离对 PDC 切削齿磨损量的影响规律。试验对象是 16.0mm 平面圆形齿，研磨对象是外径1100mm、内径 280mm 的圆筒状花岗岩，PDC 切削齿从岩石外径到内径切削 1 圈的行进距离是 567.5m。试验时，线速度为 100m/min，进给速度为 1.57mm/r，吃入深度为 0.5mm，并用清水作冷却液。试验结果如图 4 所示，PDC 切削齿的行进距离越远，其磨损面积越大，两者之间呈近线性关系。181614121086420204060初始磨损状态稳定磨损状态80切削圈数100120140160180200220240260280300320磨损面积/mm210 圈磨口130 圈磨口210 圈磨口270 圈磨口图 4 脱钴 PDC 切削齿的磨损面积与其行进距离的关系Fig.4 Relationship between wear area and travel distance of leached PDC cutter从钻井工程的角度分析，每趟钻都是一个有时限的过程，期望以最佳钻具组合和钻井参数在有限时间内实现最大进尺。基于式（1），PDC 钻头处于高效破岩状态时，钻压越高，钻头吃入地层会越深，机械钻速也会越快，那么完成相同进尺所需的行进距离就会越短。如图 5 所示，以 215.9mm 钻头为例，假设转速为 150r/min，进尺为 180m，吃入深度为 2mm/r，则钻头最外侧 PDC 切削齿的行进距离为61013m；如果吃入深度为 4mm/r，则切削齿的行进距离只有 30507m。再基于行进距离与切削齿磨损的关系（见图 4）可以推出，PDC 钻头在井底高效破岩时，钻压越高，钻头行进距离会越短，钻头磨损会随之减少。这一推论与国外已发表文献的推论一致810,1416,18，但与我国以往工程经验“提高钻压会加速钻头磨损”不一致。利用 VTL 试验，笔者团队对“钻压越高，钻头磨损越小”这一推论进行了试验验证。试验仍然采用 16.0mm 平面圆形齿和花岗岩圆柱，使用恒定的第51卷第4期高德利等.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究23切削深度来模拟相同的进尺，通过增加切削齿的吃入深度来模拟钻压不断升高以及相同进尺下切削齿行进距离不断减小。吃入深度与行进距离的对应关系如表 1 中#1#6 所示。试验结果如图 6 所示，在相同切削参数下 PDC 切削齿的吃入深度越大（代表钻压越高），PDC 切削齿的磨损体积会越小。试验数据证明“钻压越高，钻头磨损越小”的推论是正确的。请注意，本结论的前提是 PDC 钻头处于高效破岩状态，这时钻压与 PDC 切削齿的吃入深度之间以及钻压与机械钻速之间均呈线性关系。如果提高钻压，PDC 切削齿仍然无法有效吃入地层，机械钻速仍然很慢，如钻遇极硬地层，那么提高钻压只会加速钻头磨损。表 1 VTL 试验参数Table 1 Vertical turning lathe(VTL)test parameters试验编号每圈吃入深度/mm总的行进距离/m切削深度/mm线速度/（mmin1）#10.56809760100#21.034049#31.522699#42.017024#52.513619#63.011350#71.0340496020#83404960#934049100#1034049140虽然图 6 中很低的钻压和很浅的吃入深度（0.5mm）也会产生相对较小的切削齿磨损，但 0.5mm尚未达到 PDC 钻头高效破岩的临界吃入深度，这时PDC 钻头的破岩方式更加接近于研磨而非剪切，导致钻头机械钻速低而且需要消耗更多的钻井能量来破碎岩石（MSE 偏大）1820，例如实施 1020kN 钻压吊打，捞砂岩屑很细且不成形，虽然 PDC 钻头出井磨损较轻，但机械钻速很慢。随着钻压和钻头吃入深度增加，PDC 钻头会逐步实现高效破岩，图 1中的钻压与机械钻速之间会形成线性响应，MSE 也随之降低直至趋于某一定值。PDC 钻头处于高效破岩状态时，提高钻压可减少钻头磨损。那么 PDC 钻头可施加的极限钻压是多少呢？这取决于 PDC 钻头的结构强度极限（最大承载）、底部钻具组合各个组件的结构强度极限、钻机的加载能力、井下管柱屈曲效应、顶驱和井下动力钻具的抗扭极限等诸多因素。美国钻井数据显示，目前 215.9mmPDC 钻头的最大承载可达 350kN，而过去经验认为这个数值不会超过 159kN15。随着技术进步，PDC 钻头最大承载还将不断增加，可确保高钻压的安全施加。另外，与钻头厂商沟通时建议确定 2 个数值，一个是钻头的最高推荐钻压，另一个是钻头的最大承载。美国钻井数据证明，可在这2 个数值范围内选取最佳钻压，而不是以最高推荐钻压为极限813。“PDC 钻头+高钻压”配合井下动力钻具（大扭矩螺杆等），可有效提升机械钻速并降低钻头磨损。但是，并非每趟钻都需要采用高钻压。提高钻压只是手段，实现钻头有效吃入地层才是目的。上部地层松软，可钻性好，2060kN 钻压配合水力参数强化（大排量、高泵压）即可实现优快钻进。随着地层压实致密，岩石抗压强度和原位强度不断增大，才需要相应提高钻压。在硬岩地层（如花岗岩），PDC 钻头机械钻速与吃入深度 2 mm/r 吃入深度 4 mm/r图 5 相同进尺下 PDC 钻头吃入深度与切削齿行进距离的关系Fig.5 Relationship between cut depth of PDC bit and traveldistance of cutter under the same drilling footage3.02.52.01.51.00.500.51.01.52.0吃入深度/mm2.53.0磨损体积/mm3图 6 相同进尺下 PDC 钻头吃入深度与切削齿磨损体积的对应关系Fig.6 Relationship between the wear volume loss of PDCcutter and the cut depth under the same footage24石油钻探技术2023年7月钻压之间仍会保持线性关系（见图 2 和 FORGE 案例），而且提高钻压可有效减缓钻头磨损（见图 6）。因此，与我国以往工程经验“硬地层适当减压”不一致，钻遇硬岩地层，建议采用“钻井参数强化（尤其是高钻压）+高布齿密度异形齿 PDC 钻头”，而且在钻头新入井、切削齿完好时，尽快尽可能提高钻压、提高排量，以实现“提钻速、抢进尺”的目标。这为大段均质硬岩地层提速提供了全新视角和设计控制思路。一个典型反面案例是，钻遇硬岩采用4080kN 常规加压或者是低钻压钻进，导致 PDC钻头的吃入深度无法达到高效破岩的临界值18，钻头在井底打滑，造成钻头既没有钻速又无进尺，急剧增加的行进距离会加剧钻头磨损，类似于在砂纸上来回摩擦。而且，钻压不足、钻头吃入地层浅，极易造成钻头在硬岩地层失稳，发生涡动和跳钻，加速钻头损伤。“PDC 钻头+高钻压”的具体实施受限于实际钻井工况，例如：地层倾角大，高钻压易造斜；井下情况复杂，难以使用螺杆等井下动力钻具；定向纠斜需轻压吊打等。复杂工况对高钻压的限制可通过先进钻井技术与装备予以解决，例如在高陡构造的顺北区块，采用垂钻工具，可实现 PDC 钻头、大扭矩螺杆配合高钻压的有效实施2122。3高转速对 PDC 钻头钻速和磨损的影响影响 PDC 钻头钻井提速的核心且首选参数是钻压10,2324，但当钻压受限或提高钻压的成本太高时（如小井眼管柱易屈曲、顶驱设有扭矩极限等），可考虑提高转速来实现钻井提速，见式（1）。请注意，通过高转速实现钻井提速的前提也是钻头能够有效吃入地层，抑制钻头振动，保证钻头稳定钻进。“PDC 钻头+高转速”在我国油气钻井工程中的应用相对较少：1）对于一般地层而言，“PDC 钻头+高转速钻具”与“PDC 钻头+大扭矩螺杆”、“PDC 钻头+钻井参数充分释放”相比并未表现出优越性，而且目前井下高转速钻具仍以高速螺杆和涡轮为主，其经济性、耐用性、适应性等也相对较差；2）PDC 切削齿自身的抗冲击性较差，导致PDC 钻头在强非均质地层的应用效果不理想，例如在含砾地层高转速会加剧 PDC 钻头的失效；以PDC 钻头自身为例，钻头肩部区域的切削齿被砾石冲击的损伤程度要远大于线速度慢的钻头中心区域；3）高转速也不适用于极硬地层，高转速钻具的承压和扭矩输出较小，在深部地层钻具还会受到压耗、排量和泵压的进一步约束，导致 PDC 钻头在极硬地层难以获得足够的钻井能量来有效吃入和剪切地层，钻头易发生打滑、跳钻等25，造成过早失效，例如在新疆石炭系火成岩地层“PDC 钻头+高速螺杆”的进尺和机械钻速均不理想26。以往钻井资料表明，在大段均质中硬硬地层，例如研磨性强的砂岩，“PDC 钻头+高转速”具有较大的提速潜力2728。但是，关于“PDC 钻头+高转速”的担忧（高转速会加剧 PDC 切削齿的磨损）限制了其推广应用。利用 VTL 试验，笔者团队研究了转速对 PDC 切削齿磨损的影响规律。试验采用16.0mm 平面圆形齿和花岗岩圆柱，设定 1mm 吃入深度和 34049m 行进距离。通过线速度的变化来模拟转速的变化，如表 1 中#7#10 所示。试验结果如图 7 所示，PDC 切削齿的磨损体积随着线速度（转速）增加而增大，而且当线速度超过某一阈值（本试验为 140m/min）时，切削齿磨损体积与行进距离之间不再是线性关系，磨损速率明显增大。与“钻木取火”原理相同，转速越快，切削齿与岩石的摩擦生热时间越短，且摩擦热不能及时向外传导，导致单位时间内摩擦热大量积聚，切削齿温度升高，加速切削齿的磨损（磨粒磨损+热损伤）。43322110105203040切削圈数4550656055352515磨损体积/mm3y=0.000 6x2+0.018 6x+0.011 8R2=1.00y=0.036 8x0.200 2R2=0.99y=0.021 7x0.040 9R2=1.00y=0.009 6x0.011 5R2=0.99线速度 20 m/min线速度 60 m/min线速度 100 m/min线速度 140 m/min脱离线性关系图 7 转速对 PDC 切削齿磨损体积的影响Fig.7 Effect of rotary speed on wear volume of PDC cutter另外，在高转速下，如果切削齿无法有效吃入地层，依据前面的研究结果可推知 PDC 切削齿的磨损会更加严重（见图 5 和图 6）。国民油井公司研究了“高转速、低吃入”对 PDC 切削齿磨损的影响15，其试验设计与本文的 VTL 试验类似，但没有采用冷却液。试验设定了不同的吃入深度和线速度，也是通过线速度变化来模拟转速变化。试验结果表明，PDC 切削齿的磨损与摩擦热紧密相关，而摩擦热取决于转速和磨口尺寸；在“高转速、低吃入”下，切削齿的温度会快速升高，导致其在很短的行进距离第51卷第4期高德利等.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究25内磨损失效。由上述试验结果可知，在相同吃入深度下提高转速会加剧 PDC 切削齿的磨损；如果吃入地层较浅，如在极硬地层，切削齿在高转速下的磨损将更为迅速。值得注意的是，“高转速造成低吃入”主要是由于施加的钻压较低，或是井下动力钻具的输出扭矩较小限制了钻压的施加。如果 PDC 钻头采用高布齿密度，这一现象会更加严重。因此，采用高转速时，在扭矩允许范围内，建议尽量提高钻压，以便达到一定的吃入深度，这样既可以提高机械钻速又可以减缓切削齿的磨损。提高转速将加剧 PDC 切削齿的磨损，那么高转速还适用于 PDC 钻头吗？这与“地层岩性对 PDC切削齿耐磨性的客观要求”有关（后文详细论述），也与 PDC 切削齿性能不断提升有关。以下数据可供参考。在大扭矩螺杆兴起之前（20 世纪 80 年代早期至 2005 年），有 30%的涡轮钻具(5001500r/min)是配合 PDC 钻头一起使用的，两者创造了很多在今天看来仍然是非常优异的钻井提速数据，包括在砂岩地层单趟钻进尺 1368m27。在塔河油田的超深井，我国的井下涡轮钻具搭配 PDC 钻头也多次试用成功29。值得注意的是，现在的 PDC 切削齿质量与 2010 年之前相比已不可同日而语，完全可以满足 PDC 钻头在 400500r/min 高转速下长久高效钻进大多数地层10。高速螺杆等高转速动力钻具搭配 PDC 钻头也已成为国外钻井的常规选项30。基于以上研究，笔者团队提出了“高钻压+高转速+高布齿密度 PDC 钻头”三高提速技术方案。在井下钻具允许范围内，尽可能提高钻压，以保证 PDC钻头在高转速下仍然可以有效吃入地层。同时，也可选择攻击性更强的异形齿 PDC 钻头，在相同钻压下异形齿能够实现更大的吃入深度31。三高提速技术方案在新疆玛南风城组进行了现场试验。风城组岩性以砂砾岩（粒径较小）和砂岩为主，砂岩取心岩样的单轴抗压强度为 150MPa。地层研磨性强、可钻性差，常规钻具组合的提速效果不理想。基于风城组地层高效破岩机理研究及关键影响因素分析，笔者团队确定了“高速螺杆+高钻压+68 刀翼PDC 钻头”的提速技术方案，其中高速螺杆可提供高转速且保证相对较大的输出扭矩（见表 2），80100kN 高钻压确保钻头能有效吃入地层，68 刀翼的高布齿密度可延长 PDC 钻头在砂岩地层的使用寿命。现场试验结果（见表 3）显示，与常规钻具组合（钻头+转盘/顶驱、PDC 钻头+常规螺杆、PDC 钻头+旋导、孕镶钻头+涡轮）相比，三高提速技术方案大幅提升了 PDC 钻头的单趟钻进尺和机械钻速。表 2 高速螺杆与常规螺杆参数对比Table 2 Parameter comparison between high-speed motor and conventional motor螺杆类型钻压/kN工作排量/（Lmin1）输出扭矩/（Nm）顶驱转速/（rmin1）钻头转速/（rmin1）172.0mm高速螺杆60100220088696080380400172.0mm常规螺杆601502200127506080220240表 3 玛南风城组不同钻具组合的钻井指标Table 3 Drilling performances of various bottom-hole assemblies in Fengcheng Formation on southern slope of Mahu Sag试验井钻头井下动力钻具单趟平均进尺/m平均机械钻速/（mh1）井型完钻时间JL53井牙轮钻头、PDC钻头、复合钻头507020大扭矩螺杆30252 4872 3732 4732 3702 3652 4752 4522 4522 2752 4072 5242 33925.228.325.218.618.517.317.316.916.015.315.011.92015105005001 0001 5002 0002 5003 000机械钻速/（mh1）总进尺/mL176X41 井L176X17 井L176X16 井L176X39 井L176X19 井L176X30 井L176X04 井L176X22 井L176X23 井L176X401 井L176X43 井L176X20 井总进尺/mSK522YS 型钻头钻速SK519YS 型钻头钻速SK419YS 型钻头钻速图 8 胜利油田罗家区块二开钻井指标Fig.8 Drilling data from Luojia block in Shengli Oilfield第51卷第4期高德利等.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究275PDC 钻头过早失效的主因目前，PDC 切削齿的抗压强度在 10GPa 以上（静压测试），而在几年前仅约 7GPa1415。随着高压科学和 PDC 制备技术的不断进步，PDC 切削齿的强度和耐磨性得以大幅提升。在可预期的未来，PDC 切削齿的机械性能还将进一步提升。目前，国外钻井工程师通常将单轴抗压强度高于 138MPa 的岩石称为硬岩15。依据磨粒磨损机理（PDC 切削齿与岩石的抗压强度之比）判断，即便是钻遇硬岩地层，PDC 切削齿也拥有足够的强度和耐磨性。以下数据可供参考：PDC 钻头在美国 FORGE 高温花岗岩地层实现单趟钻最大进尺 643m9,13；PDC 钻头在玛南风城组砂岩地层实现单趟钻最大进尺 1008m（见表 3）；室内环境下 PDC 切削齿可切削数十万米的花岗岩（见图 4）。既然 PDC 切削齿的强度和耐磨性如此优异，那么是什么原因造成了 PDC 切削齿和钻头在难钻地层的过早失效呢？以下是一个极端案例可供参考。日本学者率先将石墨直接合成毫米级的纳米多晶金刚石块（NPD）33，随后又合成了厘米级的 NPD 并在刀具行业实现了工业化应用。由于硬度高、热稳定性好且无需脱钴，NPD 受到了国外钻井技术人员的高度关注34。基于 VTL 试验装置，笔者团队对6.0mmNPD 圆柱开展了室内测试，结果发现 NPD在接触花岗岩后很快发生断裂，且断口较为光滑（见图 9）。与 PDC 切削齿切削数十万米花岗岩相比（见图 4），NPD 的测试结果并不理想。在井下钻进时，钻头等破岩工具时刻遭受不同幅度不同频率的不规律动态冲击，对超硬破岩材料的抗冲击性要求很高。与 PDC 切削齿相比，尽管NPD 的硬度高（NPD 的硬度为 130140GPa，PDC 切削齿的硬度只有 5070GPa），但从目前的试验数据看，NPD 的抗冲击性较弱，尚难以适用于钻井破岩的更高要求。由 NPD 案例可以推知，油气钻井用破岩材料不能一味追求超高硬度，而是应当寻求硬度与韧性的最佳平衡，需不断提高材料强韧性