PDC钻头泥包原因分析及对策

保 持适 当浓度 的搬 土含量 ， 避免岩 屑进 力大 ； 固控设备 使用不足 ， 细 颗粒含量 比例大 ， 钻井 液性能差 ， 润 分子聚 合物的包被 作用 ，
步分散和重复包被 ， 强化固控设备的使用和大排量， 将环空固 滑性差 ， 粘滞 系数和摩擦 系数大 ， 易产生泥包。 保证快速钻井顺利 进行 。 ４ ． 钻速 快钻 井液 携 带能 力差 ， 排量 不足 ， 返速 低 ， 也会 产生 相浓度降到最低 ， 下部侏 罗系 、 三叠系和石炭 系泥岩 虽成 岩性 很好 ， 但塑性较 泥包 。
新疆塔 河油 日 Ｐ Ｄ Ｃ钻 头防泥包技术研 究
薛春 来 ’
塔里木油田第六勘探公司 新疆库尔勒 ８ ４ １ ０ ０ ０
摘要 ： 在塔河 油田随着钻井新工 艺、 新技 术的不断推广应 用，
给 钻 井 液 工 作 提 出 了更 高 的 要 求 ， 长裸 眼井、 Ｐ ＤＣ钻 头 的 应 用 不 仅极 大的节约 了钻 井成本 ， 提 高 了机 械钻 速 。但 是在使 用 Ｐ ＤＣ
五、 钻井液的维护和处理
上部地层成岩差 ， 以散砂 、 泥岩及含砾砂岩为主 ， 处于快速钻 ３ ． Ｐ Ｄ Ｃ泥包 ， 下钻 易造成 漏失 ； 开 泵 困难 ， 易蹩 泵 ； 起钻拔 活 塞， 抽汲 压力大 ， 易 造成井塌 ； 还会 诱使地 层流体侵入 井眼 ， 造成 进阶段 ， 井浅 、 排量大 、 环空返速 高 ， 主要采用聚合物钻井液体系 ， 使用低密度 、 低粘 切钻井液 并适 当的放大 钻井液 的失水 量进 行钻 井涌或井喷 。 井施工 ， 在维护 处理上以大分 子聚合物胶液 维护为主 ， 保 留生产 二， Ｐ ＤＣ钻头 泥包的原 因分析
一
易吸水膨胀 ， 造 成剥蚀掉块和垮 塌 。以大分 子聚合物和 醇类 ５ ． 钻头 本身原 因 。Ｐ Ｄ Ｃ自清洁 能力差 ， 流道深 ， 钻 屑或 软泥 强 ，

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PDC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1.1PDC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：①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。

中 图分 类 号 ： Ｅ ８ Ｔ ２ 文 献 标 识 码 ： Ｂ
钻 井 过 程 中越 来 越 多 地 使 用 Ｐ Ｃ 钻 头 ， Ｄ 而 Ｐ ＤＣ钻头 泥 包 在 现 场 应 用 中是 一 种 常 见 现 象 。钻 头 泥包使 钻头 Ｐ Ｃ复 合 片无法 有 效攻 击地 层 岩石 、 Ｄ
钻 头 泥 包 原 因及 对 策 分 析
张 金 龙 ， 占国 ， 志怀 ， 俞 祥 ， 永 华 于 吴 尹 郝
（ 国石 化河 南石 油勘 探局 钻 井 工 程 公 司 ， 南 南 阳 ４ ３ ３ ） 中 河 ７ １ ２
摘 要 ： 满 足 快 速 钻进 的 需要 ， 井 工 程 现 场 越 来 越 多地使 用 Ｐ Ｃ 钻 头 ， 在 实际 应 用 中 Ｐ Ｃ 钻 头 时有 泥 包现 象 。 为 钻 Ｄ 但 Ｄ 在 分 析 Ｐ Ｃ 钻 头 泥 包原 因的 基 础 上 ， 合 现 场 实 际对 Ｐ Ｃ 钻 头 泥 包的 现 象 、 防 及 处 理进 行 了 总 结 。 Ｄ 结 Ｄ 预 关 键 词 ： Ｄ 钻 头 ； 包 ； 因 ； 理 措 施 ＰＣ 泥 原 处
有 害 固相难 于清 除 ， 使钻 头被 泥包 的机 率大 增 ； 地层
清除， 因此造成 起 下 钻 次数 增 多 。钻 头 泥 包 降低 了 钻井 时效 利用 率 ， 重制 约着 钻井 速 度 的提高 ， 严 拖长 了钻 井周 期 ， 以有 必要 对 Ｐ 所 ＤＣ钻 头 泥包 的影 响 因 素进 行 分析 ， 以制订 相应 对策 指 导现 场生 产 。
岩 屑难 于清 除 ， 易吸 附在 钻头 表面 ， 如果 使 用 的是无
１ Ｐ ＤＣ钻 头 泥包 的 常见 现 象
钻 头泥包 是指 钻头 表面 为泥 团 所包被 ， 钻进 、 在

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750℃。

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(a) 复合片式切削齿 (b)齿柱式切削齿图1-2 切削齿在钻头上的安装方式图1-3 复合片的结构图1-4 PDC 钻头的切削方式目的。

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700℃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℃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。