PDC钻头配套钻井技术初探
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摘要：结合石油钻井工程实践，对pdc钻头发展简况、分类、配套设备与技术进行了分析。
关键词：石油工程 钻具 PDC钻头
0 前言
PDC（Polycrystalline Diamond Compact bit）钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称。它是石油钻井行业常用的一种钻井工具。
1 PDC钻头发展简况
PDC钻头从20世纪80年代开始应用以来，由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。特别是对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，以提高切削齿的韧性。层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高PDC钻头抗磨蚀性和热稳定性。
最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC钻头已用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。由于钻头设计和齿的改进，PDC钻头的可定向性也随之提高。PDC钻头主要由钻头体、切削齿、喷嘴、保径面和接头等组成。
2 PDC钻头主要类型
2.1根据钻头体材料分类
a胎体式PDC钻头。胎体式金刚石复合片（PDC）钻头是将金刚石复合片通过钎焊方式焊接在钻头胎体上的一种切削型钻头。
b钢体式PDC钻头。钢体PDC钻头，是用镍、铬、钼合金机械加工成形。
2.2 根据适用行业分类
a地质勘探用复合片钻头。主要用于地质勘察勘探的复合片钻头，适用于软到中硬岩层。
b煤田钻采用复合片钻头。主要是用于煤矿上煤层钻探采挖。
c石油勘探用复合片钻头。主要是应用在油气田的钻采钻头。目前来说，油田用复合片钻头是所有复合片钻头里面造价最高，要求最高的。
3 PDC钻头配套设备
目前PDC钻头配套设备主要有井下动力钻具、水力设备等。
3.1井下动力钻具配合PDC钻头钻井技术
井下动力钻具配合高效PDC钻头，辅之以转盘的组合钻井方法，称为复合钻井技术。目前常用的井下动力钻具主要包括涡轮钻具和螺杆钻具。
3.1.1涡轮钻具
目前与PDC钻头配套使用的主要是配置减速器的中高和中低速组合涡轮钻具。减速器涡轮钻具主要由涡轮节、轴承节和减速器三部分组成。其中，减速器是涡轮钻具的核心部件，主要作用是将涡轮节产生的高转速、低扭矩转换成为钻头的中低转速、大扭鸹。减速器涡轮钻具的特点是：高转速大扭鸹、压降小、可减轻地面循环系统的负担；对油基钻井液不敏感，适合在高密度钻井液中工作；没有像胶件，存放时间不受限制，最高工作温度可达150-250度。而PDC钻头以切削方式破岩，工作时需要的钻压小，转速高、能量低的特点，正好与涡轮钻具的输出特性相匹配。所以，利用涡轮钻具的高转速特性，配合寿命长、效率高的PDC钻头，再输之以转盘复合钻进，可以获得较高的机械钻速和较多的钻井进尺。
3.1.2螺杆钻具
螺杆钻具是典型的容积式马达，由旁通阀、动力段、万向轴、传动轴等四部分组成。螺杆钻具具有高转速、大扭鸹的特性，其过载能力强，易操作，结构较简单，钻具也较短。此外，由于螺杆钻具叫压降小，对地面泵站要求不高。复合钻井是螺杆钻具的高转速可以为PDC钻头高切削速度提供井下动力保障，既可以不增加钻柱旋转幅度提高钻头转速，大大增加单位时间内钻头对地层的切削次数，从而达到提高钻井效率的目的。
3.2水力设备
3.2.1水力加压器。水力加压器是借助于高压钻井液作用在活塞上下端而上的压力差来产生压力，并通过伸缩杆传递给钻头，连续不断地使活塞和钻头往下移动而形成机械进尺。实际上，水力加压器是利用循环泵的液压能转化为机械能的一种能量转换装置，能够改变在钻井过程中仅靠下部钻铤的重力给钻头施加钻压的方式，使钻头与钻柱中的其他部分的连接变为柔性连接，将钻铤给予钻头刚性加压变为液力柔性加压，克服刚性加压的弊端，从而达到高速度、高质量、低成本钻井的目的。
3.2.2水力脉冲发生器。水力脉冲发生器钻井是在脉冲射流基础上发展起来的一种新型钻井设备。目前在我国水力脉冲发生器处于现场试验阶段，还未末现场大规模使用。中国石油大学设计的水力脉冲空化发生器黄买41#1799米硬砂岩地层中配合PDC钻头进行钻井实践，与英买323井机同层段相比，其机械钻速提高了22.64%。同样，在英买39、341井和轮南632井的钻井试验部取得了较好的效果。另外，在川东北地区元坝12井、马101井也进行了水力脉冲发生器配合牙轮钻头的钻进试验，钻速比常规钻进提高15.6%。从现场的应用效果来看，该技术具有较大的推广应用价值。
3.2.3井下水力增压器。早在70年代初美国便开始了超高压射流钻井的试验研究，他们利用地面增压设备把整个钻井液的奔放提高到105MPa，试验结果表明，机械钻速可以提高2-3倍。但由于循环系统的设备大部分要承受如此大的高压，以及人员的安全问题，使其未能获得实际应用。
3.3其他井下设备
扭力冲击发生器是美国阿特拉集团旗下的加拿大UD钻头公司发明设计的，是一种安装于钻铤和PDC钻头之间的管状工具。扭力冲击发生器在国内外各油田的应用还比较少。川东北地区元坝10井在3165.3-3387米井段硬质砂岩地层使用TorkBuster+UD-PDC钻头，平均机械钻速为3.66m/h，比转盘钻井提高65%。
4 PDC钻头钻进配套技术研究
加强低压降、大扭鸹、高效率动力钻具的研究，增加现有动力钻具的尺寸系列和品牌，以提高动力钻具的钻进能力和机械钻速；加强对动力钻具的易损件替代材料及使用寿命的研究，以提高钻具的有效使用寿命，满足钻井技术不断发展的需求，降低钻井综合成本；加强对水力脉冲发生器等水力设备作用查理和使用寿命的研究，增加现场钻井实践应用，以促进水力设备配合PDC钻头钻进技术的发展；完善硬地层PDC钻头配套钻井工艺，改善配套设备钻井条件，降低设备制造成本，以提高钻井的综合经济效益；加强硬地层复合钻井专用PDC钻头的研制，以满足硬地层高效钻进的需求；加强对动力钻具+水力设备配合PDC钻头钻进技术的研究，有效利用机械能量和水力能量，以达到水力机械联合高效破岩的效果。
5 结束语
硬地层钻井过程中使用动力钻具、水力设备等配合PDC钻头钻进，可有效提高钻井速度，降低钻井成本。目前国内硬地层钻井中多采用螺杆钻具配合PDC钻头钻进，但国内螺杆钻具的制造工艺和使用寿命仍有一定差距，需加强研究。动力钻具+水力设备配合PDC钻头钻进技术可以有效利用机械能量和水力能量，应加强使用机理的研究和现场钻井应用实践。应完善各种配套钻井工艺，研制专用配套PDC钻头，提高钻井综合效益。