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摘 要：常规PDC钻头主要适用于钻进软到中硬程度的均质地层，而对于某些地区地层硬夹层多、软硬悬殊或者可钻性差的地层，常规PDC钻头难以发挥有效的作用，且容易加剧PDC齿的磨损速度，甚至造成冲击损坏，严重影响到PDC钻头的正常使用寿命。本文提出了一种基于PDC钻头的内镶式二级齿新技术，通过该技术的有效应用，能显著提升PDC钻头的适用范围以及在难钻地层中工作时的使用寿命。
关键词：PDC钻头 内镶式二级齿 新技术 应用
PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，也是当前石油钻井行业中所经常使用到的一种钻井工具。内镶式二级齿新技术，即是在常规PDC钻头的切削结构的基础上，再另行添加后备的切削结构，并使二级齿能处于主切削齿的上方。通过二级齿与主切削齿的配合使用，以构建出能够连续工作的复合切削结构。经过工程实践证明，PDC钻头内镶式二级齿新技术的应用，钻头工作平稳，可钻范围和使用寿命增加，能显著提升钻井的整体经济效益。
一、PDC钻头的损坏机理
PDC钻头在实际工作过程中的损坏，主要表现为切削齿的损坏。根据现场实际统计资料显示，切削齿损坏主要表现为磨损破坏和冲击破坏这两种主要形式。
1.切削齿磨损破坏机理
PDC切削齿的磨损机理主要受到PDC片以及合金基体磨损机理的影响。其中，PDC切削齿的使用材料和内部结构是决定了切削齿磨损方式的内部因素；而切削齿的工作环境、切削面所产生的摩擦热效果以及冲击性荷载的大小，是决定切削齿磨损机理的外部因素。
2.切削齿冲击破坏机理
大量现场统计资料表明，由冲击荷载所引发的切削齿碎裂是引发PDC钻头过早失效的主要因素。由于抗冲性能差是金刚石材料固有的缺点，虽然PDC复合片在耐冲性能上有所改善，但是在受到冲击荷载时，仍然较容易碎裂。根据冲击荷载的作用方式，还可将PDC切削齿的损坏形式主要划分为，因钻头轴向冲击荷载所引发的剥落以及因水平方向冲击荷载所引发的崩刃（如下图1和下图2所示）。
图1 因轴向冲击力引发的剥落 图2 因水平冲击力引发的崩刃
二、内镶式二级齿新技术设计原理及特点
1.设计原理
结合PDC钻头损坏机理进行综合分析，为了有效提升PDC钻头的正常工作寿命以及适用范围，除了应当选用具有较强耐磨性和抗冲击性的PDC复合片以外，还应当做好在PDC钻头切削结构上的设计，例如布置方式设计、切削齿尺寸选择、切削齿数量设计以及切削齿工作角设计等等。
而内镶式二级齿新技术，作为当前PDC钻头切削结构在布置方式上的一种优化设计，主要是在常规PDC钻头的切削结构的基础上，再另行添加后备的切削结构，并使二级齿能处于主切削齿的上方，通过二级齿与主切削齿的配合使用，以构建出能够连续工作的复合切削结构（如下图3所示）。
图3 内镶式二级齿复合切削结构示意图
由上图3可以发现，二级齿切削结构和相对应的主切削齿结构是上下相连接的，并呈现为葫芦形状。后备二级齿切削结构作为特殊形状的切削齿，它的切削刃部分主要由两端圆弧所构成，其中一段圆弧为原刃，而另一段圆弧则和相对应的主切削齿的主体轮廓相结合，要求结合时的方式应根据实际工作的需要进行调整。
在进行PDC钻头切削结构布置方式的设计时，可以将二级齿结构布置在钻头的不同位置，既可以选择是部分刀翼上布置，也可在每个刀翼上均布置设计，通常而言，二级齿应布置和分布在切削齿最容易磨损的外锥部位或者冠顶部位。在进行二级齿和主切削齿组合的过程中，应根据实际工作需要选取具备不同尺寸的复合片，同时做好二级齿后倾角的选择。
2.新技术的特点
内镶式二级齿新技术主要具有以下几方面特点：
2.1由于在设计中，二级切削齿是沿着纵向串行方向进行布置设计的，在主切削齿工作性能良好时，二級切削齿并不参与切削工作，因此该技术方案并不会影响到PDC钻头主切削结构的性能，且还能有效提升钻头的适用范围，在可钻性较差或硬夹层较多的地层也较为适宜。
2.2后备切削结构的应用，提升了PDC钻头可用复合片的数量，使钻头的正常使用寿命得到了明显提升。
2.3由于二级齿为内镶式结构，因此并不占据原有钻头冠部的使用空间，且能与钻头表面的缓冲节以及后置齿，能够完全相容并配合使用。
三、内镶式二级齿新技术的具体应用
以某油田地区的钻探开采为例，由于该油田某区域地质多为稳定的矿物与岩屑所构成，且石英含量较高、粒径较大，可钻性较差。对于区域内井斜度较大的井，PDC钻头还可能需要穿越150米以上的底砾岩，根据实际测量资料分析，其钻探中最高抗压强度可达到65MPa以上。而对于这种恶劣的地层条件，并不适宜于常规的PDC钻头实施钻探工作。为提升该区域全井段的机械钻探速度，并使PDC钻头能够有效穿越底砾岩层。在全井段的PDC钻头中采用了内镶式二级齿新技术，制作出了第二代BD606KG钻头。
通过该新型钻头在该油田A14井中的实际应用中发现，单只钻头能完整钻完包括底砾岩层的全井段，且钻头的总进尺量为1600米以上，平均机械钻速高达80m/h，出井后PDC钻头的磨损分级为：3-4-CT-AX-1/16-NO-TD。从出井后PDC钻头的磨损情况可以发现，钻头的主切削齿已出现严重磨损而失效，二级齿在后续的钻探中发挥着主力破岩的功能。若没有内镶式二级齿技术的应用，要完整穿越底砾岩层并钻完全井段将是非常困难的。
四、总结
当前，PDC钻头在石油钻井行业中仍处于发展的初期阶段，仍具备着巨大的优化与发展的潜力。PDC钻头的一个重要特点是结构变化多样，设计灵活性强，且对使用条件和适用地层有着较强的敏感性，而内镶式二级齿新技术即针对PDC钻头这一特点而进行的设计结构的更新与优化。通过工程实践证明，通过内镶式二级齿新技术的有效应用，不仅使PDC钻头获得了更高的机械性能与更长的使用寿命，而在对地层具备了更广泛的适应能力，值得在石油钻井行业中大力推广和应用。
参考文献
[1] 况雨春，杨云山，等.PDC钻头井底流场CFD仿真及二次开发[J].钻采工艺，2007（30）.
[2] 孙明光，张云连，等.适合多夹层地层PDC钻头设计及应用[J].石油学报，2011（22）.
[3] 杨迎新.PDC钻头切削力学研究[D].成都：西南石油大学，2003.
关键词：PDC钻头 内镶式二级齿 新技术 应用
PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，也是当前石油钻井行业中所经常使用到的一种钻井工具。内镶式二级齿新技术，即是在常规PDC钻头的切削结构的基础上，再另行添加后备的切削结构，并使二级齿能处于主切削齿的上方。通过二级齿与主切削齿的配合使用，以构建出能够连续工作的复合切削结构。经过工程实践证明，PDC钻头内镶式二级齿新技术的应用，钻头工作平稳，可钻范围和使用寿命增加，能显著提升钻井的整体经济效益。
一、PDC钻头的损坏机理
PDC钻头在实际工作过程中的损坏，主要表现为切削齿的损坏。根据现场实际统计资料显示，切削齿损坏主要表现为磨损破坏和冲击破坏这两种主要形式。
1.切削齿磨损破坏机理
PDC切削齿的磨损机理主要受到PDC片以及合金基体磨损机理的影响。其中，PDC切削齿的使用材料和内部结构是决定了切削齿磨损方式的内部因素；而切削齿的工作环境、切削面所产生的摩擦热效果以及冲击性荷载的大小，是决定切削齿磨损机理的外部因素。
2.切削齿冲击破坏机理
大量现场统计资料表明，由冲击荷载所引发的切削齿碎裂是引发PDC钻头过早失效的主要因素。由于抗冲性能差是金刚石材料固有的缺点，虽然PDC复合片在耐冲性能上有所改善，但是在受到冲击荷载时，仍然较容易碎裂。根据冲击荷载的作用方式，还可将PDC切削齿的损坏形式主要划分为，因钻头轴向冲击荷载所引发的剥落以及因水平方向冲击荷载所引发的崩刃（如下图1和下图2所示）。
图1 因轴向冲击力引发的剥落 图2 因水平冲击力引发的崩刃
二、内镶式二级齿新技术设计原理及特点
1.设计原理
结合PDC钻头损坏机理进行综合分析，为了有效提升PDC钻头的正常工作寿命以及适用范围，除了应当选用具有较强耐磨性和抗冲击性的PDC复合片以外，还应当做好在PDC钻头切削结构上的设计，例如布置方式设计、切削齿尺寸选择、切削齿数量设计以及切削齿工作角设计等等。
而内镶式二级齿新技术，作为当前PDC钻头切削结构在布置方式上的一种优化设计，主要是在常规PDC钻头的切削结构的基础上，再另行添加后备的切削结构，并使二级齿能处于主切削齿的上方，通过二级齿与主切削齿的配合使用，以构建出能够连续工作的复合切削结构（如下图3所示）。
图3 内镶式二级齿复合切削结构示意图
由上图3可以发现，二级齿切削结构和相对应的主切削齿结构是上下相连接的，并呈现为葫芦形状。后备二级齿切削结构作为特殊形状的切削齿，它的切削刃部分主要由两端圆弧所构成，其中一段圆弧为原刃，而另一段圆弧则和相对应的主切削齿的主体轮廓相结合，要求结合时的方式应根据实际工作的需要进行调整。
在进行PDC钻头切削结构布置方式的设计时，可以将二级齿结构布置在钻头的不同位置，既可以选择是部分刀翼上布置，也可在每个刀翼上均布置设计，通常而言，二级齿应布置和分布在切削齿最容易磨损的外锥部位或者冠顶部位。在进行二级齿和主切削齿组合的过程中，应根据实际工作需要选取具备不同尺寸的复合片，同时做好二级齿后倾角的选择。
2.新技术的特点
内镶式二级齿新技术主要具有以下几方面特点：
2.1由于在设计中，二级切削齿是沿着纵向串行方向进行布置设计的，在主切削齿工作性能良好时，二級切削齿并不参与切削工作，因此该技术方案并不会影响到PDC钻头主切削结构的性能，且还能有效提升钻头的适用范围，在可钻性较差或硬夹层较多的地层也较为适宜。
2.2后备切削结构的应用，提升了PDC钻头可用复合片的数量，使钻头的正常使用寿命得到了明显提升。
2.3由于二级齿为内镶式结构，因此并不占据原有钻头冠部的使用空间，且能与钻头表面的缓冲节以及后置齿，能够完全相容并配合使用。
三、内镶式二级齿新技术的具体应用
以某油田地区的钻探开采为例，由于该油田某区域地质多为稳定的矿物与岩屑所构成，且石英含量较高、粒径较大，可钻性较差。对于区域内井斜度较大的井，PDC钻头还可能需要穿越150米以上的底砾岩，根据实际测量资料分析，其钻探中最高抗压强度可达到65MPa以上。而对于这种恶劣的地层条件，并不适宜于常规的PDC钻头实施钻探工作。为提升该区域全井段的机械钻探速度，并使PDC钻头能够有效穿越底砾岩层。在全井段的PDC钻头中采用了内镶式二级齿新技术，制作出了第二代BD606KG钻头。
通过该新型钻头在该油田A14井中的实际应用中发现，单只钻头能完整钻完包括底砾岩层的全井段，且钻头的总进尺量为1600米以上，平均机械钻速高达80m/h，出井后PDC钻头的磨损分级为：3-4-CT-AX-1/16-NO-TD。从出井后PDC钻头的磨损情况可以发现，钻头的主切削齿已出现严重磨损而失效，二级齿在后续的钻探中发挥着主力破岩的功能。若没有内镶式二级齿技术的应用，要完整穿越底砾岩层并钻完全井段将是非常困难的。
四、总结
当前，PDC钻头在石油钻井行业中仍处于发展的初期阶段，仍具备着巨大的优化与发展的潜力。PDC钻头的一个重要特点是结构变化多样，设计灵活性强，且对使用条件和适用地层有着较强的敏感性，而内镶式二级齿新技术即针对PDC钻头这一特点而进行的设计结构的更新与优化。通过工程实践证明，通过内镶式二级齿新技术的有效应用，不仅使PDC钻头获得了更高的机械性能与更长的使用寿命，而在对地层具备了更广泛的适应能力，值得在石油钻井行业中大力推广和应用。
参考文献
[1] 况雨春，杨云山，等.PDC钻头井底流场CFD仿真及二次开发[J].钻采工艺，2007（30）.
[2] 孙明光，张云连，等.适合多夹层地层PDC钻头设计及应用[J].石油学报，2011（22）.
[3] 杨迎新.PDC钻头切削力学研究[D].成都：西南石油大学，2003.