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1、PDC 钻头的损坏机理及合理使用李长录（中国石油集团公司海洋工程有限公司钻井事业部，天津，大港，300280）摘要：PDC 钻头在软到中等硬度地层中具有很好的破岩性能，机械钻速高，使用寿命长，钻井工作效率得到了大幅提升，综合经济效益显著，因而在钻井工程中得到了广泛应用。但是由于 PDC 钻头对于使用地层和工作条件敏感性强，在砾岩层及软硬交错等非均质地层中未能取得良好的使用效果，因此有必要针对砾岩层的地层性质，研究其主要失效形式和损坏机理以便于合理使用 PDC 钻头，进而提高其使用寿命。关键词 砾岩层 PDC 钻头 损坏机理 合理使用引言 PDC 钻头具有钻速快、效率高等明显的优势。但目前的 P
2、DC 钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层，而在砾岩层和软硬交错的等非均质地层中，或钻速低，或寿命短。因此了解 PDC 钻头的损坏机理及合理使用对于节省钻井成本具有非常重要的意义。1. PDC 钻头钻进砾石层损坏机理分析1.1 PDC 钻头钻进砾岩的失效形式分析对于 PDC 钻头，主要有磨损和冲击损坏两种失效形式 1（1）磨损复合片主要由两部分组成，上面是聚晶金刚石层，下部是起支撑作用的碳化钨基底，由于材料性质的不同导致它们之间存在着残余应力和内部缺陷，在切削齿与岩石产生的摩擦力的作用下，金刚石微粒会从基底脱落，从而导致切削齿发生磨损，又称为磨粒磨损或研磨性磨损。磨损表现为复合片切削刃逐
3、渐被磨钝，磨损面逐渐增大，钻头机械钻速逐渐降低。与其他失效形式相比，磨损是一种相对稳定的失效形式，贯穿于整个钻头的工作过程。磨损速度主要取决于切削齿的受力、切削刃与岩石接触面上的温度、切削速度、岩石研磨性以及切削齿的耐磨性。（2）冲击损坏这种形式的钻头损坏是由作用在切削齿上的冲击载荷引起，表现为切削齿碎裂或金刚石层剥落等。冲击损坏主要有两种形式：崩刃崩刃表现为切削齿刃面上金刚石层碎裂，主要由切削齿上的切向载荷引起是最常见的冲击损坏形式。钻头的大部分钻压和扭矩都施加于复合片切削刃上，受力面积很小，当钻头钻进比较硬或者非均质性较强的地层时，PDC 切削刃会受到较大的沿钻头切向的冲击载荷，由于复合片
4、脆性大，从而导致切削刃发生破裂，其裂纹起源于金刚石层圆柱面上。崩刃通常会导致切削齿过快失去切削能力，是导致钻头先期损坏的主要原因。剥离剥离表现为聚晶金刚石层与碳化钨基底的粘接被破坏导致金刚石层从基底脱离，致使复合片切削刃不复存在而失去切削能力，剥离主要是由切削齿受到的轴向载荷引起的。由于金刚石层与基底间存在残余应力，导致在它们的交界面上粘接力较弱，在钻头破岩过种中，钻压施加的轴向力主要沿着该交界面方向，当切削齿受到较大的轴向冲击载荷时，由于轴向力过大导致在该交界面处发生金刚石层剥离。1.2 砾岩层 PDC 钻头冲击损坏机理分析根据钻头与岩石的相互作用原理，可知切削齿在破碎岩石的同时也会受到岩石
5、对其施加的反作用力。岩石对切削齿的反作用力主要包括岩石破碎阻力以及切削齿与岩石接触面上的摩擦阻力。但是无论切削齿的受力情况如何，都可以将其受到的力分解为轴向力 、切向力 和侧向力三个分力 2。相应地，切削齿受到的冲击载荷也可分解为切向冲击载荷、轴向冲击载荷以及侧向冲击载荷。（1）切向冲击力与扭转振动切向力是作用切削齿上沿钻头旋转方向上的力。由于切削齿切削较软地层中的均质部分与坚硬的砾石所受到的阻力不同，在钻压和扭矩作用下，切削齿会保持较高的切削速度，当切削齿钻到砾石时，由于砾石坚硬，切削齿会受到很大的破岩阻力，钻头的大部分扭矩施加在这些切削齿上，由于切削速度快且金刚石与砾石脆性极强变形很小，切
6、削齿瞬间加载形成沿钻头切向的冲击载荷，大的冲击载荷会导致金刚石层内出现微裂纹，进而导致切削齿的抗冲击能力下降，钻头切削速度越快，加载越迅速，切削齿受到的冲击载荷也越大。随着切削齿受冲击次数的增加，切削齿的抗冲击强度会逐渐降低，当冲击载荷超过聚晶金刚石层的抗冲击强度时，金刚石层会在宏观上发生破裂，导致切削齿的切削能力下降，随着切削齿损坏加重，最终导致钻头报废。此外，由于砾石的存在，钻头受到较大冲击载荷，导致其受力波动很大，容易引发钻头扭转振动，导致钻头旋转速度忽大忽小，甚至会发生静止不动或反向旋转的情况，加剧了切削齿与岩石的冲击作用，导致切削齿受到更大的切向冲击载荷。此外，当钻具与井壁接触产生的
7、摩擦力比较大时，会使钻柱发生扭转振动，从而引发钻头扭转振动。切向冲击载荷施加在金刚石层的刃面上，主要会使钻头发生崩刃。但是当冲击载荷很大而引发钻头反向旋转时，由于切削齿自向结构的特点切削齿承受反向载荷的能力很弱，也会导致金刚石层剥落 3。（2）轴向冲击力与轴向振动切削齿受到的轴向冲击载荷主要是由于钻头的钻压引起的。轴向冲击与切向冲击是同时发生的，因而两种冲击载荷产生的原因及过程相似，当切削齿钻遇砾石时，为了克服坚硬砾石对钻头产生的大的轴向阻力，保证切削齿吃入砾石将其切削掉，钻头的大部分钻压会集中在这些切削齿上，由于切削速度大且金刚石层与砾石脆性强缓冲时间极短，切削齿轴向力瞬间增大，形成沿钻头轴
8、向上的冲击载荷。由于上部钻柱具有弹性，当钻头受到的轴向冲击载荷很大时，钻柱发生会变形导致钻头向上弹起，导致钻头发生轴向振动，轴向振动导致钻头上下振动，同扭转振动一样，会使切削齿受到更大的轴向冲击载荷。此外，当钻头发生轴向振动时，切削齿的吃入深度时大时小，导致钻头扭矩发生较大波动，增加了切削齿上的切向冲击载荷。与切向冲击不同，轴向冲载荷击主要会引起切削齿金刚石层的剥落，这主要是由于轴向冲击载荷会产生沿着金刚石层与支撑体交界面的力，残余应力的存在导致该交界面处的结合力较弱，导致金刚石层基底剥落。（3）侧向冲击力与钻头涡动侧向力又称侧向不平衡力，是作用在钻头横向上的力，侧向力主要是由地层的非均质性引
9、起的。在均质地层中，侧向力是非常小的，但是在砾岩中，侧向力受地层非均质性影响，往往比较大。当钻头侧向由于砾石存在受到较大的不平衡力时，会导致钻头偏离井眼中心发生横向移动，钻头与井壁接触产生的摩擦力和刮削力会在钻头上作用一个反向的扭转力，当侧向力比较大导致钻头与井壁接触紧密而产生足够大的反扭矩时，钻头与井壁不再发生相对滑动，钻头会以该接触点为瞬时旋转中心发生反向回旋（涡动） ，此时钻头不仅有绕着钻头中心的自转，而且还有与自转方向相反的公转，钻头反向回旋容易造成切削齿金刚石层的剥落。此外，钻头涡动 4使每个切削齿运动方向与切削齿的切削工作面的夹角不断变化，切削面积和形状不断变化，导致切削齿受力状态
10、不断改变，加剧了切削齿上的冲击载荷，导致钻头更容易发生冲击损坏。因此，通过上述分析知道，由于地层中砾石的存在，切削齿与砾石作用瞬间会形成较大的冲击载荷，同时还容易引发钻头扭转振动和轴向振动，加剧切削齿受到的冲击载荷，是钻头发生冲击损坏的主要原因。2. PDC 钻头的合理使用2.1 下井前准备。(1)井下情况正常，起下钻畅通无阻。 (2)井底干净，无金属落物。 (3)钻井液符合钻井设计要求，净化设备运转正常。 (4)用好钻杆滤清器，其最大孔径应小于钻头最小喷嘴的直径。 2.2 下钻。 (1)钻头螺纹要涂好标准的润滑脂，上卸钻头要用钻头装卸器。 (2)钻头入井要扶正、慢放，至防喷器时更要找中，防止
11、碰坏 PDC 切削齿。通过阻流环位置时，尤其要减慢下放速度，注意防碰。(3)下钻遇阻划眼时，划眼钻压应控制在 20 千牛以下（钻头直径小于 215.9mm 时,要低于 10 千牛） ，转速低于 50 转/分。严禁大段划眼和不循环钻井液划眼。(4)下钻接近井底时应提前开泵。钻头离井底 0.5m 以上,应缓慢上下活动和转动钻具，充分循环钻井液。待井底清洁后,校正指重表。待泵压正常后方可井底造型。2.3 井底造型。确认钻头接触井底后，采用 50 转分左右的转速和 520 千牛的钻压参数磨合井底，进尺 0.51.0 米。2.4 钻井(1)钻速试验。井底造型后，可在推荐钻井参数范围内，选用不同的钻压转速
12、进行钻速试验，直到找到一个最优钻速为止，最佳的钻压值应该是：当钻压达到此值后，钻头的机械钻速 ROP 不再随着钻压新的增加而增加，或钻头扭矩已达到极限扭矩值。钻头的最佳转速应该是：当转速达到此值后，钻头的机械钻速 ROP 不再随着转速新的增加而增加，或钻头扭矩已达到极限扭矩值。通常情况下，钻头在较软的岩石中钻进时的机械钻速 ROP 对转速的变化更加敏感。对于较硬、研磨性较强的地层，高的钻头转速易导致切削齿提前磨损失效。因此，及时监测钻头钻速 ROP 随转速RPM 的变化情况是很重要的，这样我们可以在最低的转速下达到预期的机械钻速，一般而言，推荐的钻头转速范围为60240rpm。当钻遇岩性变化的
13、地层时，应连续监测和调整钻压和转速，以达到最优的钻头寿命和钻进速度。（2）钻速试验完毕，即可按最优参数正常钻进。钻进中要确保排量满足要求，送钻均匀。当钻遇泥岩井段时，钻速会明显下降，这时司钻要耐心，并可适当提高钻压，降低转速，但钻压也不宜过大，一般提高 1030 千牛为宜。若钻遇硬夹层发生轻微蹩钻现象时，可适当降低钻压，同时降低钻速，等钻穿后再采用正常参数钻进。(3)每钻进 300400 米要进行一次短起下钻，以防止起钻拔活塞。(4)钻头使用到后期，PDC 切削齿的磨损平面加大，降低了 PDC 切削齿切入地层的深度，因此可适当提高钻压以维持较高的机械钻速。2.5 起钻遇到下列情况之一者应考虑起
14、钻：(1)地层岩性变化不大，而机械钻速和转盘扭矩却明显降低。(2)有连续蹩钻现象且没有进尺。(3)立管压力明显上升或降低。注意事项：(1)钻头搬动时要小心轻放，防止 PDC切削齿损伤。(2)钻头不允许采用堵喷嘴的办法钻进，以防止降低对 PDC 切削齿的冷却效果。(3)普通的 PDC 钻头不适应于钻砾石层。应优选更高强度的 PDC 钻头钻砾石层。当钻遇砾石层时，应降低转速，减小其所受到的切向冲击力，防止发生崩齿,降低钻压，减小其轴向力和轴向振动等。(4)正常钻进时，钻井液排量必须保持在推荐范围内，以确保岩屑能及时排出，以及 PDC 切削齿进行充分冷却。(5)当钻遇大段疏松砂岩地层时，要适当降低机械钻速，以巩固裸眼井壁，防止下套管遇阻。结论（1） 分析了 PDC 钻头失效形式和损坏机理。（2） 指出了 PDC 钻头的合理使用方法。参考文献1 李国安,宋全胜.聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的失效分析J.华中科技大学学报(自然科学版),2002,30(1):63-642 梁尔国，李子丰，邹德永. PDC 钻头综合受力模型的试验研究J.岩土力学,2009,30(4):939-9423 翁炜.含砾石用 PDC 钻头研究 D.北京：中国地质大学北京，20094 何育光.抗涡旋 PDC 取心钻头研究及应用D. 山东东营：中国石油大学（华东） ，2008
