PDC钻头在钻进中主要依靠切削齿的剪切和刮削来破碎地层岩石，但在钻进硬地层时，由于岩石抗压强度较高，PDC切削齿不能有效切入地层，只能依靠刮削缓慢破碎岩石，机械钻速较低，岩屑非常细碎(岩屑颗粒直径通常小于0.5 mm，远小于牙轮钻头钻进时产生的岩屑^[1])，给岩屑录井带来了一定困难。而且，这种问题在岩性相近的地层中表现得尤为突出。因此，为了获得较大的岩屑，从而准确判断层位和岩性^[1]，在探井中往往使用牙轮钻头钻进。但是，使用牙轮钻头也有其不足：相对于PDC钻头，牙轮钻头进尺少、机械钻速低，会延长钻井周期，增加钻井成本；而且，使用牙轮钻头存在掉牙轮的风险，不利于井下安全。针对上述情况，笔者提出了结合PDC钻头和牙轮钻头两者优点设计新型钻头的思路，即改进PDC钻头的结构，使其在保留机械钻速快、使用寿命长和钻进安全等优点的同时，能够在钻进中获得较大的岩屑，满足岩屑录井的需要。基于此，设计了微心PDC钻头，并对其进行了现场试验，取得了预期效果。

1.   微心PDC钻头结构设计方法

1.1   整体结构

在保持普通PDC钻头冠部轮廓的基础上，对切削齿结构重新进行设计——在钻头中心部位不布置切削齿。这样，钻进地层时，在钻头的中心部位会形成一个圆柱状的小岩心，称之为微心^[2]。

在钻头中心靠近钻头基体部位与钻头轴心成一倾斜角处设计斜面。当钻头持续钻进时，岩心不断增长，其顶端就会接触到钻头中心部位的斜面。在钻压作用下，该斜面会对岩心产生一个侧向力。当该侧向力达到一定程度后，岩心就会断裂。该结构的钻头，称之为微心PDC钻头，如图 1所示。

图  1  微心PDC钻头结构

Figure  1.  Micro-coring PDC bit structure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   结构参数

岩心在折断过程中要受到来自钻头的扭断力和挤压力。因此，岩心内会产生相应的剪应力和挤压应力。折断的岩心如图 2所示(图 2中：d为岩心直径，mm；h为岩心高度，mm；ϕ为岩心横断面与钻头中心斜面的夹角，称之为断心角，(°))。下面针对图 2进行结构参数的分析与讨论。

图  2  折断的岩心结构示意

Figure  2.  Schematic of the broken core structure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

线弹性范围内，介质某处的剪应力与其相应的剪应变成正比^[3], 即：

式中：τ为剪应力，MPa；G为比例系数；ρ为某处到转轴的距离，cm。

若在岩心横截面上距圆心ρ处取微面积dA，其上的剪应力为τdA，则横截面上的扭矩为：

式中：M为截面扭矩，N·m。

令，则由式(1)和式(2)可得：

由式(3)可知，当ρ=d2时：

式中：τ_max为岩心边缘点的最大剪应力，MPa；p为岩石抗压强度，MPa。

岩心的挤压强度和断心角应满足如下关系：

式中：σ为岩心的挤压强度，MPa；F_p为作用在岩心上的钻压，N。

由于种种原因，钻井中产生的岩心尺寸往往小于理论计算的岩心尺寸，设计钻头时需要考虑这一点。如果断心角过大，复合片与岩心接触点的半径就会过大，甚至有可能接触不到岩心；或者即使接触到岩心，在岩心没有断裂之前，由于磨损的作用，会把岩心进一步磨小，使断心结构失去作用。同时，岩心的直径和高度要根据地层岩性特征进行设计，当所钻地层比较松软时，岩心比较容易折断，这时应选择相对较小的断心角，防止断心结构不能产生作用；当所钻地层较硬时，使用较大的断心角可以产生更大的横向力，使岩心更容易折断。综合考虑上述各种影响因素，将ϕ设置为60°~70°。

若取F_p=999.54 N，p=60.00 MPa，ϕ=70°，由式(4)和式(5)可知岩心的直径和高度应满足：d≥9.2 mm；h≥15.7 mm。若取F_p=999.54 N，p=30.00 MPa，ϕ=60°，可得岩心的直径和高度应满足：d≥13.0 mm；h≥28.8 mm。

在此基础上，为检验研究结果的可靠性并选出合适的断心角，分别针对软硬2种岩性、2种断心角、2种岩心直径和2种岩心高度进行了模拟分析。分析结果显示，在硬地层中，d=10.0 mm、h=15.0 mm比较适合；在软地层中，d=15.0 mm、h=20.0 mm较为适合。

2.   微心PDC钻头性能室内试验

2.1   取心试验

根据前述研究结果，设计制造了小尺寸微心PDC钻头，并进行了室内性能试验。所设计钻头为4刀翼，钻头直径为80.0 mm，切削齿直径为13.4 mm，如图 3所示。

图  3  室内试验用微心PDC钻头

Figure  3.  The micro-coring PDC bit in laboratory experiments

下载: 全尺寸图片 幻灯片

该钻头在岩石力学实验台架上进行了试验，钻压为5 kN，转速为100 r/min；试验岩石采用可钻性级值为7的黄色中砂岩。钻进过程平稳，无特殊振动现象。试验获取的微岩心为直径10.0 mm、高度10.0 mm的圆柱体，断裂面呈45°角, 如图 4所示。

图  4  室内试验获得的微岩心

Figure  4.  Micro cores obtained in laboratory experiments

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试验结果表明，设计的微心PDC钻头结构合理，能够在试验室条件下取得符合要求的岩心，具备现场试验的基本条件。

2.2   提速试验

PDC钻头的转速越高，其切削齿的线速度越高，钻头破碎岩石的动能就越高，机械钻速就越高^[4]。就同一PDC钻头而言，不同部位切削齿的情况不同：靠近钻头外侧切削齿的线速度高，破岩效率也高；靠近中心部位切削齿的线速度低，尤其是中心切削齿，线速度非常低。而PDC钻头中心切削齿破岩效率过低，会影响该钻头的整体破岩效率^[5]。为了分析微心PDC钻头的提速效果，在室内进行了与相同尺寸常规结构PDC钻头的钻速对比试验(试验中，2种钻头采用了相同的转速、钻压和相同岩性的岩心)，试验结果为:微心PDC钻头的机械钻速为39.96 m/h, 常规PDC钻头的机械钻速为29.70 m/h。

试验结果显示，在同等条件下，微心PDC钻头比常规PDC钻头的机械钻速提高16.2%，表明该钻头设计合理，提速效果明显。

3.   现场试验

为进一步验证微心PDC钻头在钻井现场实际应用的可行性，在临盘油田的街403井和胜坨油田的坨202井进行了现场试验。

3.1   街403井

街403井为临盘油田临南坡折带部位的一口勘探评价井，该井完钻层位在沙三段，设计井深4 290.00 m，目的层较深，下部井段岩性以泥岩和砂岩为主，地层中的不均质夹层会影响钻头的稳定性，但地层总体可钻性相对较好。因此，试验之前对微心PDC钻头进行了针对性的设计：根据邻井的PDC钻头使用资料以及地层岩性分析结果，确定试验用微心PDC钻头的冠部轮廓为中内锥—短外锥^[6]，采用螺旋刀翼布齿方式，目的是在钻进时钻头的切削齿能逐个吃入地层，提高钻头的稳定性^[7]；采用ϕ16.0 mm复合片为主切削元件的中等布齿密度，以保证钻头具有较长的使用寿命和较高的机械钻速；采用复合切削结构，在主切削齿后增加备用齿(ϕ13.4 mm复合片)；采用折断式微心结构，岩心柱理论直径为10.0 mm，高度为10.0 mm；同时，为了能够使岩屑顺利上返排出，在保持钻头受力平衡的条件下，对排屑槽进行了加宽、加深，并使之延伸至钻头中心部位。设计的ϕ215.9 mm CP5263SJ型微心PDC钻头见图 5。

图  5  ϕ215.9 mm CP5263SJ型微心PDC钻头设计结果

Figure  5.  Designed ϕ215.9 mm CP5263SJ type micro-coring PDC bit

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试验中，ϕ215.9 mm微心PDC钻头从井深3 450.00 m钻至取心点3 679.00 m，平均机械钻速7.21 m/h。试验结果表明，返出的岩屑尺寸较大，一些岩屑的直径达到了10.0 mm以上，为岩屑录井卡准层位、判断岩性提供了保障；而且，平均机械钻速比邻井同层位其他PDC钻头提高了17.8%。

3.2   坨202井

坨202井为胜利油田布置的一口勘探开发井，完钻层位在沙四段，油层埋藏深。该井下部地层以泥质灰岩和砂砾岩为主，地层岩石抗压强度高，研磨性强，岩性不均质性强，易对PDC钻头造成冲击和磨损破坏。为满足岩屑录井的需要，该井的邻井主要使用牙轮钻头，机械钻速较低。

针对该井地层岩性特征和录井的需要，设计了ϕ215.9 mm P5253SJC型微心PDC钻头(见图 6)。该钻头总体布齿结构与街403井使用的微心钻头类似，但考虑到坨202井沙四段地层抗压强度高、研磨性和均质性强，进行了如下改进：采用了双排切削齿结构，主切削齿为ϕ16.0 mm高性能复合片，后排切削齿为ϕ13.4 mm复合片，以提高钻头的抗冲击和抗研磨性能；适当减小主切削齿的后倾角度，以提高钻头在硬地层中的吃入性能和机械钻速。

图  6  ϕ215.9 mm P5253SJC型微心PDC钻头设计结果

Figure  6.  Designed ϕ215.9 mm P5253SJC type micro-coring PDC bit

下载: 全尺寸图片 幻灯片