PDC钻头损坏机理及合理使用(李长录)

1、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

2、。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1.1 PDC 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

3、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： 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，

4、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。崩刃通常会导致切削齿过快失去切 削能力，是导致钻头先 期损坏的主要原因。剥离 剥离表现为聚晶金刚石层与碳化钨基底的 粘接被破坏导致金刚石层从基底脱离， 致使 复合片切削刃不复存在而失去切削能力， 剥 离主要是由切削齿受到的轴向载荷引起的。 由于金刚石层与基底间存在残余应力， 导致 在它们的交界面上粘接力较弱， 在钻头破岩 过种中， 钻压施加的轴向力主要沿着该交界 面方向， 当切削齿受到较大的轴向冲击载荷 时，由于轴向

5、力过大导致在该交界面处发生 金刚石层剥离。1.2 砾岩层 PDC 钻头冲击损坏机理分析 根据钻头与岩石的相互作用原理， 可知 切削齿在破碎岩石的同时也会受到岩石对 其施加的反作用力。 岩石对切削齿的反作用 力主要包括岩石破碎阻力以及切削齿与岩 石接触面上的摩擦阻力。 但是无论切削齿的 受力情况如何， 都可以将其受到的力分解为 轴向力 、切向力 和侧向力三个分力 2 。相 应地，切削齿受到的冲击载荷也可分解为切 向冲击载荷、 轴向冲击载荷以及侧向冲击载 荷。（1）切向冲击力与扭转振动 切向力是作用切削齿上沿钻头旋转方 向上的力。 由于切削齿切削较软地层中的均 质部分与坚硬的砾石所受到的阻力不同，

6、 在 钻压和扭矩作用下， 切削齿会保持较高的切 削速度， 当切削齿钻到砾石时，由于砾石坚 硬，切削齿会受到很大的破岩阻力，钻头的 大部分扭矩施加在这些切削齿上， 由于切削 速度快且金刚石与砾石脆性极强变形很小， 切削齿瞬间加载形成沿钻头切向的冲击载 荷，大的冲击载荷会导致金刚石层内出现微 裂纹，进而导致切削齿的抗冲击能力下降， 钻头切削速度越快，加载越迅速， 切削齿受 到的冲击载荷也越大。 随着切削齿受冲击次 数的增加，切削齿的抗冲击强度会逐渐降 低，当冲击载荷超过聚晶金刚石层的抗冲击 强度时， 金刚石层会在宏观上发生破裂，导 致切削齿的切削能力下降， 随着切削齿损坏 加重，最终导致钻头报废。

7、此外，由于砾石的存在， 钻头受到较大 冲击载荷，导致其受力波动很大， 容易引发 钻头扭转振动，导致钻头旋转速度忽大忽 小，甚至会发生静止不动或反向旋转的情 况，加剧了切削齿与岩石的冲击作用， 导致 切削齿受到更大的切向冲击载荷。 此外， 当 钻具与井壁接触产生的摩擦力比较大时， 会 使钻柱发生扭转振动， 从而引发钻头扭转振 动。切向冲击载荷施加在金刚石层的刃面 上，主要会使钻头发生崩刃。 但是当冲击载 荷很大而引发钻头反向旋转时， 由于切削齿 自向结构的特点切削齿承受反向载荷的能 力很弱，也会导致金刚石层剥落 3 。(2) 轴向冲击力与轴向振动切削齿受到的轴向冲击载荷主要是由 于钻头的钻压引起

8、的。 轴向冲击与切向冲击 是同时发生的， 因而两种冲击载荷产生的原 因及过程相似，当切削齿钻遇砾石时， 为了 克服坚硬砾石对钻头产生的大的轴向阻力， 保证切削齿吃入砾石将其切削掉， 钻头的大 部分钻压会集中在这些切削齿上， 由于切削 速度大且金刚石层与砾石脆性强缓冲时间 极短，切削齿轴向力瞬间增大，形成沿钻头 轴向上的冲击载荷。由于上部钻柱具有弹性，当钻头受到 的轴向冲击载荷很大时， 钻柱发生会变形导 致钻头向上弹起，导致钻头发生轴向振动， 轴向振动导致钻头上下振动， 同扭转振动一 样，会使切削齿受到更大的轴向冲击载荷。 此外，当钻头发生轴向振动时，切削齿的吃 入深度时大时小， 导致钻头扭矩发

9、生较大波 动，增加了切削齿上的切向冲击载荷。与切向冲击不同，轴向冲载荷击主要 会引起切削齿金刚石层的剥落， 这主要是由 于轴向冲击载荷会产生沿着金刚石层与支 撑体交界面的力， 残余应力的存在导致该交 界面处的结合力较弱， 导致金刚石层基底剥 落。(3) 侧向冲击力与钻头涡动 侧向力又称侧向不平衡力，是作用在 钻头横向上的力， 侧向力主要是由地层的非 均质性引起的。在均质地层中，侧向力是非 常小的， 但是在砾岩中， 侧向力受地层非均 质性影响，往往比较大。当钻头侧向由于砾石存在受到较大的 不平衡力时， 会导致钻头偏离井眼中心发生 横向移动， 钻头与井壁接触产生的摩擦力和 刮削力会在钻头上作用一个

10、反向的扭转力， 当侧向力比较大导致钻头与井壁接触紧密 而产生足够大的反扭矩时， 钻头与井壁不再 发生相对滑动， 钻头会以该接触点为瞬时旋 转中心发生反向回旋(涡动) ，此时钻头不 仅有绕着钻头中心的自转， 而且还有与自转 方向相反的公转，钻头反 向回旋容易造成切削齿金刚石层的剥落。 此 外，钻头涡动 4 使每个切削齿运动方向与切 削齿的切削工作面的夹角不断变化， 切削面 积和形状不断变化， 导致切削齿受力状态不 断改变， 加剧了切削齿上的冲击载荷， 导致 钻头更容易发生冲击损坏。因此，通过上述分析知道，由于地层 中砾石的存在， 切削齿与砾石作用瞬间会形 成较大的冲击载荷， 同时还容易引发钻头扭

11、 转振动和轴向振动， 加剧切削齿受到的冲击 载荷，是钻头发生冲击损坏的主要原因。 2. PDC 钻头的合理使用 2.1 下井前准备。(1) 井下情况正常，起下钻畅通无阻。(2) 井底干净，无金属落物。(3) 钻井液符合钻井设计要求，净化设 备运转正常。(4) 用好钻杆滤清器，其最大孔径应小 于钻头最小喷嘴的直径。2.2 下钻。(1) 钻头螺纹要涂好标准的润滑脂，上 卸钻头要用钻头装卸器。(2) 钻头入井要扶正、慢放，至防喷器 时更要找中，防止碰坏PDC切削齿。通过阻 流环位置时， 尤其要减慢下放速度，注意防 碰。(3) 下钻遇阻划眼时，划眼钻压应控制在20千牛以下(钻头直径小于 215.9mm

12、时, 要低于 10 千牛)，转速低于 50 转/ 分。 严禁 大段划眼和不循环钻井液划眼。(4) 下钻接近井底时应提前开泵。钻头 离井底0.5m以上,应缓慢上下活动和转动钻 具，充分循环钻井液。待井底清洁后 , 校正 指重表。待泵压正常后方可井底造型。2.3 井底造型。确认钻头接触井底后，采用 50 转分 左右的转速和520千牛的钻压参数磨合井 底，进尺0.51.0米。2.4 钻井(1) 钻速试验。井底造型后，可在推荐 钻井参数范围内， 选用不同的钻压转速进行 钻速试验，直到找到一个最优钻速为止，最 佳的钻压值应该是：当钻压达到此值后，钻 头的机械钻速 ROP 不再随着钻压新的增加 而增加，

13、或钻头扭矩已达到极限扭矩值。钻 头的最佳转速应该是：当转速达到此值后， 钻头的机械钻速 ROP 不再随着转速新的增 加而增加，或钻头扭矩已达到极限扭矩值。 通常情况下， 钻头在较软的岩石中钻进时的 机械钻速 ROP 对转速的变化更加敏感。对 于较硬、 研磨性较强的地层， 高的钻头转速 易导致切削齿提前磨损失效。 因此， 及时监 测钻头钻速 ROP 随转速 RPM 的变化情况是 很重要的， 这样我们可以在最低的转速下达 到预期的机械钻速，一般而言，推荐的钻头 转速范围为 60 240rpm 。当钻遇岩性变化 的地层时，应连续监测和调整钻压和转速， 以达到最优的钻头寿命和钻进速度。( 2)钻速试验

14、完毕， 即可按最优参数正 常钻进。 钻进中要确保排量满足要求， 送钻 均匀。当钻遇泥岩井段时， 钻速会明显下降， 这时司钻要耐心， 并可适当提高钻压， 降低 转速， 但钻压也不宜过大， 一般提高 10 30 千牛为宜。 若钻遇硬夹层发生轻微蹩钻现象 时，可适当降低钻压，同时降低钻速，等钻 穿后再采用正常参数钻进。(3) 每钻进 300 400 米要进行一次短起 下钻，以防止起钻拔活塞。(4) 钻头使用到后期，PDC切削齿的磨损 平面加大，降低了 PDC切削齿切入地层的深 度，因此可适当提高钻压以维持较高的机械 钻速。2.5 起钻遇到下列情况之一者应考虑起钻：(1) 地层岩性变化不大， 而机械钻

15、速和转 盘扭矩却明显降低。(2) 有连续蹩钻现象且没有进尺。(3) 立管压力明显上升或降低。注意事项：(1) 钻头搬动时要小心轻放，防止PDC切削齿损伤。(2) 钻头不允许采用堵喷嘴的办法钻进， 以防止降低对PDC切削齿的冷却效果。(3) 普通的PDC钻头不适应于钻砾石层。 应优选更高强度的 PDC钻头钻砾石层。当钻 遇砾石层时， 应降低转速，减小其所受到的 切向冲击力，防止发生崩齿 , 降低钻压，减小其轴向力和轴向振动等。(4) 正常钻进时， 钻井液排量必须保持在 推荐范围内， 以确保岩屑能及时排出， 以及 PDC切削齿进行充分冷却。(5) 当钻遇大段疏松砂岩地层时， 要适当 降低机械钻速，以巩固裸眼井壁， 防止下套 管遇阻。结论(1) 分析了 PDC 钻头失效形式和损坏机 理。(2) 指出了 PDC 钻头的合理使用方法