2. 长庆油田分公司油气工艺研究院;
3. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室;
4. 长庆油田第一采油厂;
5. 长庆油田第四采油厂
2. Oil & Gas Technology Research Institute of Changqing Oilfield Company;
3. National Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development;
4. No.1 Oil Production Plant of Changqing Oilfield Company;
5. No.4 Oil Production Plant of Changqing Oilfield Company
0 引言
常规PDC切削齿钻头机械钻速快、寿命长，受到广大钻井工作者的青睐，但由于材料和制造工艺限制，切削齿的耐磨和耐热性能已趋于稳定[1-3]，且圆柱形状易于形成泥包和遭受正面撞击损坏，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。旋转切削齿技术[4-6]解决了偏磨问题，极大延长了使用寿命。近年来，科研人员一直致力于创新几何形状切削齿的研发，锥形切削齿已成功应用于PDC钻头[7-8]，诸多设计提高了钻头的耐用性和导向能力，使其适合于超硬岩石钻进，但需要较大钻压压碎岩石，限制了其在大位移井和水平井中的应用。
斯伦贝谢Smith Bits公司研发的脊形金刚石元件钻头技术将Axe*脊形金刚石元件集成到PDC钻头上，集常规PDC钻头的剪切作用和碳化钨镶齿的压碎作用于一体，不仅可有效解决圆柱形PDC切削齿易热磨损、撞击损坏和形成泥包的难题，从而无需起下钻更换钻头，提高了机械钻速，降低了钻井施工成本，而且还可克服锥形齿钻头需要大钻压的不足，适合于大位移井和水平井钻井。因此，开展新型旋转PDC切削齿钻头技术的研究具有重要意义。
1 脊形金刚石元件技术 1.1 原理Axe*脊形金刚石元件结合了标准的圆柱形基底和改进的脊形金刚石层(见图 1)。与传统PDC切削齿相比，其金刚石层厚度增加70%，结合聚晶金刚石粒径分布的专利配方和最优材料，提高了切削齿耐正面撞击性能，显著增强了钻头的耐用性。独特的几何形状集传统PDC钻头的剪切作用和碳化钨镶齿(TCI)的压碎作用于一体。当常规PDC切削齿的平切削齿面与岩石接触时(见图 2)，剪切应力沿接触区(红色)分布，当Axe*脊形金刚石元件与岩石接触时，脊形金刚石层施加集中载荷在尖端周围，产生的应力远大于传统PDC切削齿产生的应力，Axe*脊形金刚石元件不仅剪切而且压碎脊形金刚石层前面的岩石，从而高效清除岩石；脊形金刚石层周围的钻井液易于接近并冷却切削齿，从而延长切削齿寿命[9-15]。
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| 图 1 脊形金刚石元件 Fig.1 Ridged diamond element |
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| 图 2 常规PDC切削齿和脊形金刚石元件切削机理对比 Fig.2 Comparison of cutting mechanism of conventional PDC cutters and ridged diamond elements |
1.2 性能测试
为了对比Axe*脊形金刚石元件与常规PDC切削齿的性能，在Wellington页岩、Colton砂岩、Carthage大理岩和Utah Lake石灰岩等不同抗压强度的岩石上进行了单个切削齿擦刮剪切测试。测试结果表明：Axe*脊形金刚石元件的切削力和垂向力比常规PDC切削齿约小40%(见图 3)，且岩石的抗压强度越高，减小的力越多。
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| 图 3 常规PDC切削齿和脊形金刚石元件切向力和垂向力对比 Fig.3 Comparison of tangential and vertical forces of conventional PDC cutters and ridged diamond elements |
为了进一步对比Axe*脊形金刚石元件与常规PDC切削齿的性能差别，在立式车床上进行花岗岩切削试验。切削深度为0.508~1.270 mm，转速固定在某一特定值，从花岗岩外部向内切削至一定内径算为1层，重复此过程直至施加在切削齿上的载荷超过预设值时切削齿严重磨损或完成某一预定的层数。测试过程中，由测力传感器和热电偶对切削齿上的力和温度进行测量，测试完成时还测量了磨损平面面积。完成相同的切削层数时，磨损平面面积或垂向力越小，耐磨性越好。如图 4所示，损坏时，脊形金刚石元件切削了37层，而常规PDC切削齿只切削了17层。切削5层后，常规PDC切削齿磨损平面面积为5.0 mm2，而脊形金刚石元件磨损平面面积仅为2.7 mm2。每切削完一层金刚石层的温度测量结果见图 5。从图可以看出，脊形金刚石元件的平均温度比常规PDC切削齿的平均温度约低20%，从而进一步证实脊形金刚石元件产生的热较少。脊形形状有助于液压冷却，从而提高钻井效率，延长切削齿寿命。2种切削齿产生的岩屑颗粒大小对比如图 6所示。从图可以看出，脊形金刚石元件产生的岩屑颗粒尺寸明显大于常规PDC切削齿产生的岩屑颗粒尺寸。这说明脊形金刚石元件能够产生全新的“剪切+压碎”切削机理，在许多坚硬岩石钻进中能够显著改善PDC钻头的性能[9-15]。
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| 图 4 常规PDC切削齿和脊形金刚石元件切削寿命和耐磨性对比 Fig.4 Comparison of cutting life and wear resistance of conventional PDC cutters and ridged diamond elements |
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| 图 5 常规PDC切削齿和脊形金刚石元件温度变化对比 Fig.5 Comparison of temperature variation of conventional PDC cutters and ridged diamond elements |
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| 图 6 常规PDC切削齿和脊形金刚石元件岩屑颗粒尺寸对比 Fig.6 Comparison of cuttings particle size of conventional PDC cutters and ridged diamond elements |
2 脊形金刚石元件钻头的应用
Smith Bits公司研发的AxeBlade*脊形金刚石元件钻头与传统PDC切削齿钻头相比，其使用寿命大大延长，可提高单只钻头的钻进进尺和机械钻速，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，AxeBlade*钻头已在墨西哥湾、科威特、阿曼及美国的Anadarko盆地、Williston盆地、Eagle Ford页岩地层得到了大量应用[15-22]，收到了显著效果。
2.1 美国北达科他州Williston盆地美国北达科他州Williston盆地中部Bakken地层由泥质粉砂岩、砂岩和含白云石质胶结物的页岩组成，埋深为2 743.2~3 352.8 m，厚度在3.048~22.860 m之间。为钻达中部Bakken地层，首先要钻导管井眼，然后钻下表层套管的ø342.9 mm井眼至609.6 m。下表层套管固井后钻ø222.9 mm中间直井眼至2 590.8~3 200.4 m之间，并造斜钻进ø222.9 mm井眼，着陆后钻进ø152.4 mm水平段。水平段长度在1 524.0~4 572.0 m之间变化，大多数水平段长约3 048.0 m。
ø222.9 mm中间直井眼钻进通常需要2只钻头，第1只钻头从609.6 m钻至Kibbey石灰岩顶部，埋深为2 286.0~2 743.2 m，然后下入第2只锋利钻头钻进ø222.9 mm中间直井眼下部地层。下部地层主要由Kibbey石灰岩、Charles岩盐、Mission Canyon石灰岩(含硬石膏)和Lodgepole石灰岩组成。Charles岩盐抗压强度在82.74 ~1 654.48 MPa之间，大多数石灰岩的抗压强度在124.11~137.90 MPa之间。
案例1：在3口试验井中使用3台不同的钻机钻进长约640.1 m的ø222.9 mm中间直井眼下部地层，使用1只AxeBlade*钻头，机械钻速分别为32.9、38.4和33.5 m/h，与使用相同钻机邻井的常规PDC钻头的平均机械钻速相比，分别提高16%、34%和24%(见图 7)。
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| 图 7 3台不同钻机的常规PDC切削齿钻头和脊形金刚石元件钻头性能对比 Fig.7 Comparison of performance of conventional PDC cutter bits and ridged diamond element bits on 3 different rigs |
3口试验井邻井的常规PDC钻头的磨损等级都为1-2-CT，而AxeBlade*钻头的磨损状况都得到明显改善，分别为0-1-CT、0-1-SP和0-0-NO，其中一只钻头以33.5 m/h的机械钻速钻进654.4 m都没有磨钝的迹象。
常规PDC钻头钻进长约640.1 m的下部地层平均需要22.9 h，而AxeBlade*钻头平均仅需18.4 h，平均每口井缩短4.5 h，节约时间20%。
pad上同一钻机钻进的4口井使用的3只常规PDC钻头和1只AxeBlade*钻头对比表明，AxeBlade*钻头在Lodgepole石灰岩地层中具有很高的钻进效率。Lodgepole石灰岩地层厚度大约为152.4 m，约占下部地层钻进进尺的25%。虽然该井段钻进过程中施加在常规PDC钻头和AxeBlade*钻头的钻压和转速极为相近，但AxeBlade*钻头的机械钻速提高了62%(见图 8)。
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| 图 8 pad上4口井常规PDC切削齿钻头和脊形金刚石元件机械钻速对比 Fig.8 Comparison of ROP of conventional PDC cutter bits and ridged diamond element bits in 4 wells on the same pad |
案例2：为了对比AxeBlade*钻头和常规PDC钻头的性能，在3口水平井的ø152.4 mm长水平段钻进过程中使用AxeBlade*钻头和常规PDC钻头。1#井使用2只常规PDC钻头，2#和3#井仅使用1只AxeBlade*钻头就钻至总深度，钻头性能对比见图 9。
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| 图 9 常规PDC切削齿钻头和脊形金刚石元件钻头钻进进尺和机械钻速对比 Fig.9 Comparison of drilling footage and ROP of conventional PDC cutter bits and ridged diamond element bits |
从图 9可以看出，1#井第1只钻头钻进进尺为2 969.97 m，平均机械钻速38.8 m/h。由于MWD仪器故障起钻，更换MWD仪器和钻头继续钻进至8164.4 m完钻，平均机械钻速35.9 m/h，第1只钻头磨损等级为2-3-BT-S-X-DTF，第2只钻头磨损等级为1-2-CT-S-X-TD。2#井单只钻头钻进进尺4 675.6 m，机械钻速41.2 m/h，钻头磨损等级为1-2-WT-S-X-TD。3#井单只钻头钻进进尺4 686.3 m，机械钻速41.3 m/h，钻头磨损等级为1-3-SPA-S-X-TD。
钻头的导向能力对于水平段钻进极为重要，3口井水平段钻进过程中的滑动时间和滑动进尺对比见图 10。从图可以看出，与使用常规PDC钻头的1#井相比，2#井和3#井使用AxeBlade*钻头使滑动进尺和滑动时间分别平均减少45%和31%，证实了AxeBlade*钻头良好的导向能力。滑动时间的缩短和滑动进尺的减少最大程度避免了马达损坏，延长了钻头使用寿命。
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| 图 10 常规PDC切削齿钻头和脊形金刚石元件钻头滑动钻进时间和进尺对比 Fig.10 Comparison of sliding drilling time and footage of conventional PDC cutter bits and ridged diamond element bits |
3口井水平段钻进过程中MWD采集的横向冲击数据(数据采集速率为6次/s)见图 11。从图可以看出，1#井PDC钻头产生的横向冲击量级的第95百分位为14.8 Gs，而2#井和3#井AxeBlade*钻头产生的横向冲击量级的第95百分位分别为9.6和12.3 Gs，与1#井相比平均减少26%。横向冲击的减少有助于防止MWD损坏和额外的起下钻[15]。
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| 图 11 常规PDC切削齿钻头和脊形金刚石元件钻头横向冲击对比 Fig.11 Comparison of lateral impact of conventional PDC cutter bits and ridged diamond element drill bits |
2.2 墨西哥湾岩盐地层
在美国路易斯安那州附近墨西哥湾一口深水井中使用一只ø419.1 mm AxeBlade*钻头。该钻头成功钻穿4 167 m长岩盐井段至总深度7 869 m，最大井斜40°，钻进时间45 h，机械钻速高达93 m/h，比邻井平均值高近100%，比最大值高18%，且单只钻头钻进进尺比邻井平均值高81%(见图 12)[16]。
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| 图 12 钻头机械钻速和进尺对比 Fig.12 Comparison of bit ROP and footage |
2.3 阿曼中部深层气田
在阿曼中部深层气田，ø311.2 mm井段岩性主要为软石灰岩和页岩、硬石灰岩和砂岩，夹层多、研磨性强，钻井极为困难。为了验证AxeBlade*钻头的效果，在一口试验井中使用6刀翼AxeBlade*钻头钻进ø311.2 mm井段，一趟钻从Natih石灰岩钻至研磨性极强的Al Khalata砂岩，机械钻速27.5 m/h，比气田平均值高42%，比最大值高18%，创该气田机械钻速最高纪录(见图 13)[17]。
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| 图 13 钻头机械钻速对比 Fig.13 Comparison of bit ROP |
3 结论及建议
(1) 脊形金刚石元件是PDC钻头切削齿技术的一大创新，它从根本上改变了切削机理，提高了钻头的综合性能，不仅可有效解决圆柱形PDC切削齿易热磨损、撞击损坏和形成泥包的难题，而且还可克服锥形齿需要大钻压的不足。与常规PDC切削齿钻头技术相比，脊形金刚石元件钻头技术显著延长了单只钻头钻进井段，机械钻速得到明显提高，极大地缩短了钻机运行时间，提高了钻井效率，节约了施工成本。
(2) 目前脊形金刚石元件PDC钻头的应用仅局限于有限的地层，建议在全世界范围内进行大规模推广应用，进一步验证其应用效果，并在此基础上进行更精细的优化设计，充分利用其超耐磨性、岩屑分散性和散热性，研发适合某一特定地层岩石的个性化钻头。
(3) 鉴于我国勘探开发正向深、超深部复杂地层进军，建议开展脊形金刚石元件PDC钻头的研发，以适应超硬和超研磨性地层，为深水钻井、超深井钻井和干热岩钻井奠定坚实的技术基础。
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