油气勘探开发过程中，在部分深部地层会钻遇砂泥岩互层(如元坝气田)，钻头须具有强耐磨性和剪切破岩性能，以提高机械钻速。由于该类地层可钻性差，PDC钻头不适用，而采用牙轮钻头钻进进尺少、机械钻速慢、需要频繁起下钻，因此主要采用孕镶金刚石钻头钻进。而现有孕镶金刚石钻头仅以磨削方式破岩，适合钻进研磨性强的砂岩层，如用来钻进相对较软的泥岩夹层则其机械钻速较PDC钻头低。因此，对孕镶金刚石钻头加以改进，添加切削破岩方式，可以提高孕镶金刚石钻头在砂泥岩地层中的机械钻速^[1]。为此，笔者按照该思路研制了新型孕镶金刚石钻头。

金刚石是孕镶金刚石钻头的主要破岩元件，在钻头接触岩石时通过金刚石刻划岩石破岩，因此金刚石配方会直接影响到钻头的综合性能。金刚石配方设计主要包括金刚石品级、粒度和浓度等的设计。

单位体积内金刚石的数量N_V为：

钻头工作面上单位面积内金刚石的数量N_A为：

从式(2)可以看出，工作面上金刚石数量随着浓度及金刚石出露系数增大而增大，随金刚石粒径增大而减小。金刚石的浓度越高，工作面上的金刚石数量越多，参与破岩的金刚石越多，耐磨性越好，钻头的寿命越长。但浓度达到一定值后会造成金刚石与金刚石接触，降低基体对金刚石的包裹力，金刚石易脱落，缩短钻头寿命。金刚石品级越高，强度越大，耐磨性越强。金刚石粒度越大吃入地层越深，钻头的机械钻速越快，但金刚石脆性好易破裂，粒度越大承受的载荷越大，越易碎裂脱落。而金刚石粒度越小钻头寿命越长，进尺越大，但机械钻速慢^{[2, 3, 4, 5]}。

分别进行了金刚石浓度为60%、80%、100%时的钻进试验，发现随着金刚石浓度的增大钻速变快，但当金刚石浓度为100%时，金刚石脱落严重，切削同样体积岩石时自身的磨损量大。金刚石浓度为80%时，钻速度快且寿命长。为使机械钻速和进尺都达到最优，选用两种粒度的金刚石作为切削元件：40/45目金刚石起破岩作用，提高机械钻速；70/80目金刚石起耐磨作用，延长钻头寿命。40/50目金刚石占金刚石总量的65%，70/80目金刚石占金刚石总量的35%。

切削元件是由金刚石混装在基体材料内整体热压烧结而成。基体材料主要以碳化钨为主，混以W，SiC和Fe等骨架料通过粘接剂粘接而成。基体材料起到包裹金刚石的作用，若包裹力小，金刚石没有充分利用就会脱落造成金刚石浪费，缩短钻头的寿命和进尺^{[5, 6]}。若包裹力太大则基体材料太硬，金刚石无法出露，无法吃入地层，钻头无进尺。为优选最佳的基体配方，设计了5种基体材料配方并制作成试块进行了力学性能测试，结果见表1。

从表1可以看出，5种配方的基体均满足行业标准SY/T 5217—2000对钻头基体力学性能的要求，但综合考虑各种配方基体的综合性能，选用D-6号配方。

基体采用D-6号配方，金刚石由65%的40/45目和35%的70/80目两种粒度组成，制成小钻头(见图1)进行室内钻进试验。结果发现，该钻头的机械钻速快，耐磨性好，金刚石出露良好，可选为孕镶金刚石钻头配方。

图1 试验用小钻头 Fig.1 Small bits used for test

图选项

孕镶金刚石钻头设计以钻头平稳钻进、高机械钻速兼顾长进尺为主要目的。平稳钻进可以保证钻头正常工作，延长钻头寿命。因此，冠部形状采用稳定性好的“B”形剖面，选择140°的小内锥角提高其稳定性。为提高切削效果，切削元件的后倾角设计为20°,以保证有效切削软地层。心部采用7颗16.0 mm优质PDC复合片防掏心结构。外侧至保径布置宽度为16.0 mm的孕镶切削元件。保径设计为200 mm，以保证高转速下的稳定性。采用大流道、深水槽、多水眼不等径的水力结构,以提高清洗井底及冷却切削齿的作用^{[7, 8]}。

元坝气田是继普光气田之后，中国石化在四川盆地发现的又一个大型海相气田。该气田存在地层研磨性强、可钻性差的技术难点。资料统计分析表明：元坝地区地层可钻性差(可钻性级值为5~8级)，陆相地层砂岩多为硅质胶结，岩性致密，硬度大，研磨性强，PDC钻头不适用，而牙轮钻头进尺少^{[9, 10, 11, 12]}。为此，在该气田进行了新型孕镶金刚石钻头试验。新型孕镶金刚石钻头在该气田成功试验近10只，平均单只进尺达到240.3 m，与其他钻头相比增加了484.7%，平均机械钻速达到1.58 m/h，与其他钻头相比提高了150.8%。

元陆25井在大安寨段—东岳庙段进行了新型孕镶金刚石钻头试验。新型孕镶金刚石钻头入井2次，第一次入井自井深3 629.81 m钻至井深3 757.16 m，更换螺杆后第二次入井钻至井深3 816.19 m起钻。两次入井共钻进186.38 m，平均机械钻速1.5 m/h。与该区块同井段其他钻头的使用情况相比，单只钻头进尺增加了324.9%，机械钻速提高了82.9%。

新型孕镶金刚石钻头第一次起出后观察发现，3只外侧喷嘴被螺杆胶皮堵塞，7颗复合片中间的3颗磨损较轻、外面4颗崩磨过半，钻头新度60%；第2次起出发现，钻头磨损不明显，仍可继续使用。

元陆30井在钻进千佛崖组至自流井组地层时试验应用了新型孕镶金刚石钻头。新型孕镶金刚石钻头入井2次，第一次入井自井深3 818.50 m钻至井深3 977.06 m,因钻至取心点起钻；第二次入井自井深4 089.17 m钻至井深4 349.16 m，因钻速慢而起钻。两次入井共进尺418.55 m，平均机械钻速1.10 m/h，而采用牙轮钻头钻进相同地层时的平均机械钻速仅为0.66 m/h。

钻头起出观察发现心部剩余高度5 mm，外侧剩余高度8～10 mm，新度20％。与该井钻进千佛崖组地层的2只牙轮钻头相比，进尺增加了594.7%，机械钻速提高了66.7%。

分析现场岩屑发现，新型孕镶金刚石钻头产生的岩屑有成块状的(见图2)，而传统孕镶金刚石钻头磨削破岩产生的岩屑是粉末状的。说明新型孕镶金刚石钻头工作时存在剪切破岩方式，这也是机械钻速得到提高的原因。

图2 新型孕镶金刚石钻头产生的岩屑 Fig.2 Cuttings produced by new type impregnated diamond bits

图选项

1) 由粗细两种粒度的金刚石和优选的基体配方制成的孕镶金刚石切削元件，可以起到兼顾提高破岩效率和钻头寿命的效果。

2) 切削元件设置一定的后倾角，基体具有合适的硬度，可使孕镶金刚石钻头钻遇软夹层时具有一定的剪切破岩效果，从而提高机械钻速。

3) 研制的新型孕镶金刚石钻头在元坝气田深部软硬交错的砂泥岩互层起到了很好的提速效果，建议在相似地层中进行进一步试验。