硬地层PDC钻头研究

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1、在世界范围内，钻头钻硬地层的能力及其耐用性到目前为止仍未达到极限，即便是牙轮钻头也通过新型冶金技术而正在被改进性能。钻井作业商普遍认为，钻井机械钻速（ROP）的提升相当之快，以至于井队从两口井之间的搬家和准备时间已开始成为钻井工艺的一个主要考虑因素；同时，钻头的耐用性也在快速提升，这使得钻井承包商不得不考虑需要减少多少井队而仍能保持相同的钻井数量。然而，对丁•钻井承包商来说，仍看不到机械钻速和钻井进程失效（即起钻更换钻头）之间的平均时间达到任何极限的迹象。从2009年至今，钻头方面的发展除人们所期望的设计结构的改进以外，钢齿才轮钻头切削齿方面的新型冶金技术也发生了大幅改进，下面我们从美国4家

2、主要钻头制造商的技术发展，来纵观一下钻头技术的发展趋势。NOV公司高碳化磚含量的牙轮钻头钢齿技术该公司发明的这种新型钢齿被其命名为DownholeReedHycalogTuffCutterForged-In钢齿，是一种专冇技术，这种新型超硕金屈是世界上钢齿钻头硬金屈中碳化鹄含量最高的一种材料（见图1）。Fig.1.DesignandhardmetaldistributionofNOV!sDownholeReedHycalogTuffCutterForged-Intooth.传统的钢齿牙轮钻头需要通过焊接技术给牙轮钢齿敷焊碳化钩硬金属。碳化鸭颗粒在2,160华氏度吋开始熔化，而敷焊温度却必须达

3、到大约3,000华氏度，这就必然会损坏敷焊层表面的碳化钩颗粒，造成在敷焊层表面碳化餌含量少而在焊接材料底部碳化餌含量高的现象，致使敷焊层的最大综合冇效碳化餌含量只能达到40%o而含冇该公司专冇技术的Forged-In硬金屈的碳化餌含量百分比则高于用任何传统敷焊方法所能达到的碳化鹄含量。该公司通过应用其PowderForge技术，可将施焊温度限制在2,100华氏度以下，从而消除了碳化磚颗粒发生熔化的可能性，这样所实现的硬金属敷焊层的碳化鹤颗粒分布I•分均匀，碳化鸭体积百分比可达到60%o将这种硕金属与另外网种专有硕金属（即专用于钢齿表面的FullGage®金屈以及专门保护牙轮壳体的TuffJa

4、cket硬金屈）共同使用，该公司推出其最新一代的钢齿牙轮钻头—TuffCutter钻头。在美国怀俄明州的高研磨性地层钻井中，这种钻头不但创下了多次机械钻速新记录，同时钻头的钝化状态也十分良好。在该地区的钻井应用屮，该公司的一只12-1/4英寸TCI1钻头在13个小时的12次钻进中平均进尺2495英尺，平均机械钻速达到每小时197英尺；而一家竞争对手的钻头则在16.7小时的47次钻进中平均进尺2,484英尺，平均机械钻速仅为每小时163英尺。与其它钻头相比，该公司的新型TuffCutter钻头内排齿的磨损减少64%,外排齿磨损减少57%。在PDC（聚晶金刚石）齿方面，NOV公司推出了其新型Du

5、raForce抗冲击切削齿。该齿是该公司最新一代的Raptor深度脱钻热稳定PDC齿，其韧性有大幅捉高。改善抗冲击能力的最大挑战是需要大幅减小或消除金刚右层的灾难性损坏，当PDC齿乐受过大负荷或是受到过大冲击时，其内部残余应力会造成大块聚晶金刚石的脱落，从而造成这种灾难性的金刚石层损坏。金刚石层的灾难性损坏除了会明显降低钻头的耐用性外，还会对精心设计的钻头切削结构造成负面影响。PDC齿平台、后处理工序、界面儿何形状及其材料（包扌舌金刚石和碳化钩材料）都会对齿的内部残余应力产生影响。DuraForce切削齿的设计能够大幅度减小金刚石层和碳化鹄基托Z间的残余应力。通过对这种齿的材料和几何形状进行

6、重新设计，使其能够降低金刚石层发生灾难性损坏的风险，所以使其能够可靠且不断的改进钻头性能（见图2）,通过现场使用过程中钻头耐用性和机械钻速的持续提高以及钻井成本的下降就能够证明这一点。Fig.2.PerformancedullnesscomparisonofacompetitorbitwithdirectoffsetcuttersandtheNOVDownholeDuraForcebit(right),afterdrillinginShelbyCounty,Texas.Thenewbitshowsnocatastrophicdiamondtableloss.另外，在美国路易斯安娜州的钻井中,

7、NOV公司的一只9-7/8英寸DSF616PDC钻头（采用6刀翼结构和16mmDuraForce切削齿）与该公司的井下钻井马达一同使用，创下了进尺最长和机械钻速最高这两项钻井记录。该钻头下井时的井深为1,855英尺，以每小时96.4英尺的高机械钻速垂直向下钻进了6,412英尺。与邻井的平均值相比，该钻头所钻井段长度提高了10.3%,机械钻速提高77.5%,每英尺钻井成木降低42.25%,为钻井作业商节省了大约