复杂地层PDC钻头研究

PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用作者：张文敏来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2017年第7期1 引言PCD 钻头即金刚石聚晶钻头，PDC 钻头即金刚石复合片钻头，两者在硬度上很大，因此目前在石油钻井的硬地层中得到了十分广泛的应用。

在应用PCD 及PDC 钻头对硬地层复杂地质环境的石油钻井时，虽然具备诸多优势，但在一些特殊的地质环境中却并不适用，因此对PCD 及PDC 钻头在石油钻井中的应用展开分析具有十分重要的现实意义。

基于此，文章重点就PCD 及PDC 钻头在石油钻井行业中的应用分四个部分展开了分析，提出了一些可供参考的观点和建议，以下是具体内容。

2 PCD 及PDC 钻头在石油钻井应用的特点PCD 钻头采用的是金刚石聚晶模式，在聚晶过程中采用的是黑色金属线和有色金属线材料，和一般的硬质合金拉丝模相比，其在耐用度上提升了数百倍。

因此，PCD 钻头在使用钻井中应用的主要优势，即在保障硬度的前提下耐用性极高。

目前钴是最为常用的一种PCD 钻头结合剂，其具有强度高、耐磨性好等诸多优势，同时拉丝的成本也很低，十分适用于石油钻井作业中。

PDC 钻头的优点主要集中于钻头结构简单和耐磨性高两点上。

PDC 钻头所采用的人造金刚石，其比硬质合金的耐磨性更高，在钻头构成上，切削齿是其主要部件，在工作中无需钻头自身钻头，因此PDC 钻头也被称作固定式探头。

在PDC 钻头的使用早期，主要是在一些软页岩层中使用，而随着PDC 钻头在性能和结构上的不断优化。

目前PDC 钻头已经可以在长段中硬岩地层和硬夹层中使用。

此外，PDC 钻头还有高针对性的优势，可根据钻进地层的各区块地质特征以及地层的深度采用针对性的钻进工艺，选择更为合理的钻进方案[1]。

3 PCD 及PDC 钻头应用于石油钻井中的适用地质环境PCD 及PDC 钻头在石油钻井作业的使用中，并不是所有的地质环境都可以发挥出最大的使用效果，在具体的使用过程中也需要基于不同的地质环境选择不同的PCD 及PDC 钻头类型。

煤矿复杂硬地层用胎体式PDC钻头的研制作者：史阿朋王志红来源：《山东工业技术》2015年第02期摘要：由于煤炭钻探和开采难度不断地增加，从而对破岩工具提出了更高的要求。

胎体式PDC钻头因其优异的综合性能，得到了越来越广泛地应用。

本文针对重庆松藻煤矿复杂硬地层的特点，研制了一种新型的Ф65mm胎体式PDC钻头，并进行了现场试验，试验结果表明：研制的PDC钻头耐磨性好，抗冲击能力强，能够有效地钻进复杂硬地层，其寿命大约是同类型钻头的1.5倍；同时在低钻压下可取得高进尺和高钻速，钻进时效可达25.2m/h，极大地提高了钻进效率，节约了钻进成本。

关键字：胎体式PDC钻头；综合性能；复杂硬地层；钻进0 前言PDC钻头，即聚晶金刚石复合片钻头，是将聚晶金刚石复合片镶焊在钻头体上而制成的一种新型切削型钻头，由于其高效优异的切削性能，广泛地应用于煤田，地质，石油等领域[1]。

按钻头体冠部材料分为胎体式和钢体式两种，相应地钻头也分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头[2]。

目前在我国煤炭行业，钢体式PDC钻头使用范围最为广泛，但是随着我国深部探矿工作的不断推进，钻孔钻进过程中遇到的地层条件越来越复杂，岩性种类也越来越多，钢体式PDC钻头的寿命和时效已无法满足钻进要求。

相对于钢体式，胎体式PDC钻头具有耐磨性好、焊接强度高、抗冲击能力强等特点，对复杂硬地层适应性强，能够取得很好的钻进效果。

为此，本文开展了煤矿用胎体式PDC钻头的研究，这对于解决我国煤矿井下复杂硬地层钻进困难、时效低等问题具有重要的指导意义。

1 PDC钻头设计目前煤矿井下PDC钻头结构形式繁多，并对使用地质条件非常敏感，因此需要针对具体使用条件进行钻头设计。

PDC钻头设计主要包括钻头冠部设计、工作角设计等。

1.1 钻头冠部设计PDC钻头冠部设计是 PDC钻头总体设计的一个重要组成部分。

冠部形状决定PDC 钻头的布齿面，因此也影响着 PDC 钻头对特定地层的工作特性。

PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨PDC钻头是一种常用于石油钻井的特殊钻头，它能够在复杂地质条件下高效地完成钻井作业。

地质录井技术则是用于记录和分析地层岩石特征、井壁稳定性和油气藏性质等信息的技术。

本文将针对PDC钻头钻井条件下的地质录井技术进行探讨，探讨PDC钻头对地质录井技术的影响和优化方法，以及应对PDC钻头钻井条件下的地质风险。

一、PDC钻头的特点及适用条件PDC（Polycrystalline Diamond Compact）钻头是一种利用工业合成金刚石切削岩层的钻头，其具有高硬度、耐磨损、良好的钻进速度和稳定的性能。

PDC钻头适用于钻探中硬、脆性差的地层，在钻探深度和速度上具有明显优势。

PDC钻头特点主要有以下几点：1. 高硬度。

PDC钻头具有硬度非常高的切削齿，可以快速穿过硬质地层，提高钻井效率。

2. 耐磨损。

PDC钻头的切削齿采用坚硬的金刚石，耐磨损性强，能够长时间保持切削效果。

4. 适用范围广。

PDC钻头适用于各种地质条件下的钻井作业，尤其在硬质地层和高速钻井条件下表现出色。

二、PDC钻头对地质录井技术的影响PDC钻头钻井条件下的地质录井技术面临着一些挑战和影响，主要表现在以下几个方面：1. 钻井速度快。

PDC钻头具有快速的钻井速度，地质录井过程受到了时间压力和快速变化的地层条件的影响，需要及时准确地记录和分析地质信息。

2. 井壁稳定性差。

PDC钻头在钻井过程中可能会出现井壁稳定性差的情况，需要及时调整录井技术和井壁加固措施。

3. 地层岩石特征记录不清。

PDC钻头对地层岩石进行破碎切削，有时会导致地质录井设备无法准确记录地层岩石特征，需要寻求记录技术的改进和优化。

4. 油气藏性质分析受到影响。

PDC钻头钻井可能会产生较多的岩屑，并对地层中的油气藏性质产生影响，需要对录井技术进行适当改进。

2. 适时进行录井操作。

鉴于PDC钻头的快速钻进速度，地质录井人员需要密切配合钻井工程师，适时进行记录和分析操作，确保录井数据的准确性和完整性。

2441 吐哈油田复杂岩性地层钻井简介吐哈油田主要含复杂岩性地层的区块有照壁山、柯克亚、鲁克沁等，自上而下钻遇的地层有：第四系西域组、第三系鄯善群；中生界白垩系吐谷鲁群，侏罗系上统齐古组，侏罗系中统七克台组、三间房组、西山窑组，侏罗系下统三工河组、八道湾组，三叠系上统克拉玛依组、三叠系上统。

其中照壁山区块中下部地层（2500-4300m）为致密砂泥岩互层，地层可钻性较差、研磨性极强。

由于钻头在这种复杂岩性地层中钻进时受力不均引起的交变应力对切削齿造成的恶劣冲击是导致钻头切削齿破坏失效的主因。

主要表现有：金刚石复合片先期损坏，单只钻头行程短、使用寿命短、机械钻速低等。

因此，在前期钻井施工中大多采用牙轮钻头钻进的方式穿越复杂岩性地层，在此条件下施工的钻头破岩效率低、钻压较大井身质量难以控制、起下钻频繁，造成钻井周期延长和钻井费用增加，那以满足油田目前勘探开发形式下高效钻井的要求。

2 PDC钻头个性化设计研究2.1 地层可钻性研究通过在室内开展岩石力学参数实验，对岩石动力学参数和声学参数进行测定，采集照壁山、柯克亚、鲁克沁等多个复杂岩性地层发育区块的岩芯，对岩芯可钻性、研磨性实验结果和声波时差测井资料进行对比分析，建立了地层可钻性、研磨性的科学计算模型，最终形成了复杂岩性区块的PDC钻头地层可钻性、研磨性分析剖面。

2.2 钻头优化设计研究3 现场试验情况及结果分析为验证吐哈复杂岩性地层中新型PDC钻头的适应性，在照壁山、柯克亚、鲁克沁等典型复杂岩性地层区块开展了多口井的现场试验。

实践证明，新型PDC 钻头对复杂岩性地层适应性良好，机械钻速、使用寿命和单只行程有了明显的提高，使钻井周期大幅缩短、钻井运行效率显著提高。

下面例举新型钻头在照壁山区块的两口试验井中的现场应用情况及效果。

3.1 试验1井试验情况及结果分析试验1井位于红旗坎构造带照壁山区块，处于山前逆掩带，中部地层泥岩与砂砾岩互层发育，下部地层致密细砂岩与泥岩发育，夹黑色煤、泥质粉砂岩，属非均质性极强的高研磨强冲击性地层。

第二章PDC钻头工作原理及相关特点PDC钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿有复合片切削齿和齿柱式两种结构，它们的结构以及在钻头上的安装方式如图1-2所示。

复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而形成的。

它一般用于胎体钻头；齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而形成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿空内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。

复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。

复合片一般为圆片状，其结构如图1-3所示，它是由人造聚晶金刚石薄层及碳化钨底层组成，具有高强度、高硬度及高耐磨性，可耐温度750C人们早就从实验中发现，岩石的诸力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之, 而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。

显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。

PDC钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到了快速钻井的目的。

当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地聚品金刚石层WC底层图1-3复合片的结构图1-2切削齿在钻头上的安装方式图1-4 PDC钻头的切削方式层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩削呈大块片状，这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似（见图1-4）。

被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运至井外。

PDC钻头因使用了聚晶金刚石复合片作切削元件而使得切削齿有很高的硬度和耐磨性。

PDC齿的缺点是热稳定性差，当温度超过700C时，金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏，因此PDC齿不能直接烧结在胎体上而只能采用低温钎焊方式将其固定在钻头体上。

在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损（350-700 E时，切削齿的磨损速度很快，这一现象称为切削齿的热磨损）而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。

个性化 PDC钻头钻井技术的研究及应用摘要：青海油田采气三厂尖北区块为裂缝型基岩气藏，基底为典型的花岗岩和花岗岩片麻岩，钻探井属于深井、超深井范围，在开发钻井过程中面临可钻性差，钻头磨损严重等诸多困难，影响工程进度。

基于此，制定了适应性较好的基岩气藏提速方案，通过优化钻头实现个性化PDC钻头钻井技术，切实提高了钻井速度，降低开发成本，加快产能建设进度。

关键字：基岩；钻头；个性钻头；钻井速度；Abstract: Abstract: The Jianbei block of No.3 Gas Production Plant in Qinghai Oilfield is a fractured bedrock gas reservoir with typical granite and granite gneiss basement. The drilling wells are deep wells and ultra-deep wells, and face poor drillability during developmentand drilling. Many difficulties such as serious drill bit wear affect the progress of the project. Based on this, a well-adapted speed-upplan for bedrock gas reservoirs was formulated, and personalized PDCbit drilling technology was realized by optimizing drill bits, which effectively increased drilling speed, reduced development costs, and accelerated the progress of production capacity construction.Key words: bedrock; bit; Personality drill bit; Drilling speed;1前言：青海油田采气三厂东坪区块、尖北区块、昆特依区块均为裂缝型基岩气藏，基底发育典型的花岗岩和花岗岩片麻岩，钻探井属于深井、超深井范围。

复杂地质环境下钻探施工技术的探讨[摘要]：本文总结了煤田复杂地质环境特性下的钻探施工方法，再根据具体案例用来说明钻探施工技术的可行性，并取得了钻孔施工较好的钻探效率和经济益。

[关键词]：钻探技术：复杂煤岩；施工技术；地质钻探；冲洗液；引言近年来，复杂地质钻探技术虽然有所发展。

但仍处于起步和摸索阶段，随着钻探工艺的完善，将会使复杂地层煤田钻探水平有更大的提高。

1、复杂地质环境分类根据钻探施工特点及地质情况，把复杂煤岩地层分为以下几类：（1）松散破碎地层：主要包括松散破碎和硬、脆、碎破碎地层。

较为典型的有胶结性很差的砂石和石灰岩组成的二叠纪地层，这种地层含有大量的砂岩，部分地区存在泥岩、砂岩和砾岩以及部分卵石。

受钻具振动碰撞和泥浆冲蚀作用，钻探钻孔易发生坍塌、漏失、超径等事故。

（2）水敏性地层：主要包括水化松散、水化剥落、水化膨胀和水化溶蚀煤系地层。

（3）漏、涌水地层：这类地层钻探施工护孔堵漏难度极大，漏失分大、中、小漏；涌水地层一般涌水量为10 m3/h～ 50 m3/h。

煤系地层硅质胶结，灰岩多破碎，且研磨性大，构造裂隙较发育，稳定性较差，透水性强，地下水丰富，承压水力大，钻孔缩径或涌水时有发生。

2、钻探钻孔根据地层特点和地质钻探对孔径的要求，首先进行了钻孔结构优化，尽量简化钻孔结构。

即先用d133mm的普通型pdc复合片钻头开孔。

穿过第四系松散破碎地层，下人d127mm双层岩芯套管；然后抉用d113mm普通型和加强型pdc复合片钻头钻进，穿过复杂煤岩地层，下人技术套管，以保护孔壁，导正钻孔；最后煤系地层用d108mm半合管取煤钻进。

3、冲洗液的选择3.1冲洗液根据矿田的地层特点采用清水加乳化剂做冲洗液是适宜的。

不用泥浆钻进的主要原因是：①影响钻进效率：②易烧钻；③一旦钻遇坍塌严重地层时，用水泥封孔时还需冲孔、沈孔、置换泥浆工作，否则水泥与孔壁之间不能凝固在一起，形成两层皮，达不到封孔的预期目的。

PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位PDC钻头钻井是指使用多边形刀片复合钻头进行钻井作业的一种方法。

在钻井过程中，钻头通过旋转和推进的方式，不断地切削岩石，将岩石层钻穿。

岩性描述归位是指将钻井过程中遇到的不同岩石层次和岩性特征描述出来，以便对地层结构进行分析和解释。

下面将详细介绍PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位。

在开始钻井之前，需要进行目的地勘查和地质调查，确定目标地区的地质构造和岩性特征。

根据地质调查结果，制定钻井方案，并选用适当的PDC钻头进行钻井。

在钻井过程中，钻头逐渐钻进地下，并切削不同种类的岩石层。

钻井过程中需要不断地记录下钻头所经过的地层情况，包括岩性、厚度、饱和度等。

钻井工程师会根据实时监测到的数据，对岩性进行描述。

岩石的岩性描述通常包括颜色、质地、结构和化学成分等方面。

颜色可以反映岩石中的矿物成分和含水量。

质地指的是岩石的结构和颗粒大小，可以通过观察岩石的细节纹理和触感来确定。

结构是指岩石在地层中的组合形态和排列方式，可以根据岩石表面的裂纹、节理和层理等来判断。

化学成分是指岩石中不同成分的含量和比例，可以通过化学分析来确定。

在钻井过程中，岩性描述归位的重要性不言而喻。

正确的岩性描述可以帮助钻井工程师了解地下地层的构造特征，判断矿藏类型和含量，指导后续的勘查和开采工作。

再加上计划钻井深度和方向的调整，以充分利用地层资源。

在岩性描述归位中，还需要注意记录钻探速度、钻头切削效率和探头径向振荡等钻井数据，以便后续分析和解释地层的物理性质。

还需要记载下钻井液密度、PH值和固相含量等，以评估钻井液与地层的相互作用。

PDC钻头工作原理及相关特点剖析1.工作原理PDC钻头主要由钻头主体、切削结构和钻头连接装置组成。

其中，切削结构是PDC钻头的核心部分。

切削结构通常由若干个聚晶金刚石片组成，这些片通过硬质合金基体和钻头主体连接在一起。

当钻具旋转时，切削结构上的聚晶金刚石片与钻井地层接触，通过摩擦和冲击力来实现岩石的切削和破碎，从而实现钻井作业的目的。

PDC钻头之所以能够高效地进行切削，主要得益于聚晶金刚石的特殊结构和性质。

聚晶金刚石是通过高温高压合成的人工合成金刚石材料，其硬度远远高于地层中的普通岩石。

同时，聚晶金刚石具有非常好的热稳定性，能够在高温环境下保持其切削能力。

因此，PDC钻头在钻井过程中能够快速、高效地切削地层，提高钻孔速度和钻井效果。

2.相关特点（1）高硬度：PDC钻头主体采用硬质合金材料，而切削结构上的聚晶金刚石片具有非常高的硬度。

这使得PDC钻头能够抵御地层中较硬岩石的切削和破碎，提高钻井效率。

（2）良好的耐磨性：聚晶金刚石具有很高的耐磨性能，即使处在高速旋转和高压力下，也能保持较长时间的使用寿命。

这使得PDC钻头在长时间连续作业中具有更好的性能稳定性。

（3）良好的热稳定性：PDC钻头的聚晶金刚石片在高温环境下依然能够保持较好的切削能力，不易产生塑性变形和热损伤。

这使得PDC钻头在高温油气田勘探钻井中得到广泛应用。

（4）低扭矩：由于PDC钻头的切削面积较大，钻进过程中产生的扭矩相对较小，可以减少钻井设备的负荷和能耗，提高钻井作业的效率。

（5）钻速快、钻屑排除好：PDC钻头具有较大的切削面积和切削速度，可以快速破碎地层岩石，提高钻井速度。

同时，切削结构上的切削槽和孔水精心设计，有利于钻屑的排除，减少钻井堵塞的风险。

（6）适应性广：PDC钻头适用于钻探各种地层，如软岩、硬岩、砂岩、页岩等。

可以用于直钻、倾斜钻和水平钻井，满足不同场地和作业需求。

综上所述，PDC钻头以其高硬度、高抗磨损性和高热稳定性等特点，在石油和天然气勘探钻井领域得到广泛应用。