1、doi:10.11911/syztjs.2023022引用格式：高德利，刘维，万绪新，等.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究 J.石油钻探技术，2023,51（4）：20-34.GAODeli,LIUWei,WANXuxin,etal.StudyonkeyfactorsinfluencingtheROPimprovementofPDCbitsJ.PetroleumDrillingTechniques，2023,51(4)：20-34.PDC 钻头钻井提速关键影响因素研究高德利1，刘维1，万绪新2，郭勇3（1.石油工程教育部重点实验室（中国石油大学（北京），北京102249；2.中石化胜利石油
2、工程有限公司，山东东营257000；3.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆克拉玛依834000）摘要:为了在钻井工程中发挥出 PDC 钻头的最大功效，通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等，探讨了高钻压、高转速等钻井参数强化对 PDC 钻头钻速和磨损的影响规律，同时分析了 PDC 钻头的磨损机理与过早失效主因。研究结果表明：1）钻压是影响 PDC 钻头机械钻速的直接和首选因素，当钻头处于高效破岩状态时，无论钻遇一般地层还是硬岩地层，钻压与机械钻速均应呈线性关系；钻遇均质硬岩地层时，建议将 200kN 以上高钻压纳入 PDC 钻头的常规应用参数；2）提高转速可实现钻井提速，虽然高转
3、速会加剧 PDC 钻头的磨损，但目前切削齿的质量足以满足 PDC 钻头在高转速（400500r/min）下长时间钻进多数地层的需求；3）布齿密度对钻头机械钻速有影响，但并非直接因素，只要“吃得进去，切得下来，排得及时”三者建立动态平衡，即便是高布齿密度 PDC 钻头也可以实现优快钻进；4）PDC 钻头破岩效率越高，钻头磨损会越小，如提高钻压，会增大切削齿吃入深度、减少钻头磨损；5）动态冲击和低效破岩是造成 PDC 切削齿和钻头过早失效的主因，实现 PDC 钻头高效钻进的核心是提高破岩效率与抑制钻头振动。该研究结果对 PDC 钻头合理使用与钻井提速技术创新具有参考意义。关键词:PDC 钻头；钻井
4、提速；钻井参数；硬岩提速；钻头失效；切削齿磨损机理中图分类号:TE21文献标志码:A文章编号:10010890（2023）04002015Study on Key Factors Influencing the ROP Improvement of PDC BitsGAO Deli1,LIU Wei1,WAN Xuxin2,GUO Yong3(1.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing,102249,China;2.SinopecShengli Oilf
5、ield Service Corporation,Dongying,Shandong,257000,China;3.Engineering Technology Research Institute,PetroChina Xinjiang Oilfield Company,Karamay,Xinjiang,834000,China)Abstract:For the maximization of the efficacy of the polycrystalline diamond compact(PDC)bits in drillingengineering,comprehensive re
6、search,including theoretical analysis,laboratory test,case study,and on-site trials,wasconductedtoinvestigatehowahighweight-on-bit(WOB),ahighrotaryspeed,andotheroptimizeddrillingparametersworkontherateofpenetration(ROP)andthewearofaPDCbit.Furthermore,thewearmechanismofthePDCbitandtheprimarycauseofth
7、eprematurefailureofthebitwereanalyzed.Theresultsindicatedthat:1)TheROPofthePDCbitwasdirectlyandprimarilyaffectedbytheWOB.Whenthebitwasinanefficientrock-breakingstate,theWOBwasinvariablyinalinearrelationshipwiththeROPwhethertheformationencounteredwasaconventionaloneorahardrockformation.AddingahighWOB
8、over200kNintothenormalpressurizationrangeofthePDCbitwasrecommendediftheformationencounteredwasahomogeneoushardrockformation.2)ROPimprovementcouldbeachievedbyenhancingtherotaryspeed.AlthoughthewearofthePDCbitcouldbeaggravatedbyahighrotaryspeed,therequirementonaPDCbittopenetratemostformationsforalongt
9、imeatahighrotaryspeed(400500r/min)couldbereadilymetbythequalityofthecurrentlyavailablePDCcutter.3)TheROPofthebitwasalsoaffectedbycutterdensity,butnotinadirectmanner.Aslongasadynamicbalanceamong收稿日期:2022-12-05；改回日期:2023-02-01。作者简介:高德利(1958)，男，山东禹城人，1982 年毕业于华东石油学院钻井工程专业，1984 年获西南石油学院石油矿场机械专业硕士学位，1990
10、 年获石油大学油气田开发工程专业博士学位，教授，中国科学院院士，长期从事复杂油气井工程领域的科学研究与实践。系本刊编委。E-mail:。通信作者:刘维，。基金项目：国家自然科学基金重点项目“复杂结构井工厂立体设计建设基础研究”（编号：52234002）、国家自然科学基金创新研究群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究”（编号：51821092）、中国石油大学（北京）科研启动基金项目“高效钻头的研究”（编号：ZX20190065）联合资助。第51卷第4期石油钻探技术Vol.51No.42023年7月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESJul.,2023“capabilitiest
11、obiteintotheformation,cuttherock,andevacuatethecuttingsintime”wasreached,theoptimizedfastdrillingcouldbeachievedevenbyaPDCbitwithahighcutterdensity.4)ThewearofthePDCbitwaslesssevereunderthehigherrock-breakingefficiencyofthebit.TheWOBcouldbeenhancedtoimprovetheROPandreducebitwear.5)Dynamicimpactandin
12、efficientrock-breakingwereconsideredtheprimarycausesoftheprematurefailureofthePDCcutterandbit.ThekeyforthePDCbittoachieveefficientpenetrationwasimprovingrock-breakingefficiencyandrestrainingbitvibration.TheaboveresultscouldbeusedasareferencefortheproperutilizationofPDCbitsandtheinnovationofROPimprov
13、ementtechnologies.Key words:PDCbit;ROPimprovement;drillingparameters;ROPimprovementforhardrockformation;bitfailure;wearmechanismofPDCcutter一只钻头的进尺和机械钻速对于井队和钻头厂家都很重要，但令人不解的是我国钻头厂家对于钻头目标地层和应用参数的相关规定甚少，如何使用钻头主要取决于现场技术人员或操作人员。尽管现场人员拥有深厚的技术积累和丰富的实践经验，但某一时期的先进技术和实践经验难免具有“滞后性”。很多时候，PDC 钻头的应用参数（钻压、转速、排量和泵压等
14、）和底部钻具组合基本上相对固定，每趟钻只是“遵照规范”在框架内简单调整钻井参数，随机试用不同厂家的钻头和工具，对于 PDC钻头钻井提速背后的基本理论与关键因素缺乏深入研究。与之相比，国外钻井工程中 PDC钻头的应用参数范围更加宽泛灵活，高钻压（200kN）、高转速（300r/min）等钻井参数强化已成为常规设计控制内容，PDC 钻头在国外难钻地层的成功应用也常常突破国内经验认知，值得我们深思与借鉴。笔者团队围绕国际钻井提速技术最新进展，通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等，深入分析了钻压、转速、钻头设计等钻井提速关键因素及其影响规律，探讨了钻井参数强化与 PDC 钻头磨损的内在联系，阐
15、释了造成 PDC 钻头过早失效的主因，澄清了因机理认识不清而引起的 PDC 钻头的常见使用误区，以期为 PDC 钻头合理使用与钻井提速技术创新提供有益参考。1影响 PDC 钻头钻井提速的直接因素PDC 钻头旋转破岩可简单分为吃入地层和旋转切削岩石 2 个独立过程1。钻头处于高效破岩状态时，施加的钻压应与 PDC 钻头吃入地层的深度呈线性关系，钻压越高，钻头吃入地层越深，当扭矩充足时即可破碎相应吃入深度的岩石210。因此，钻压（吃入深度）和转速是影响钻头机械钻速的最直接因素，三者符合以下线性关系：v=60dr（1）v式中：为机械钻速，m/h；d 为钻头旋转一周的吃入深度，m/r；r 为钻头转速，
16、r/min。虽然式（1）是对钻压、转速和机械钻速三者关系的定性描述，其计算结果也与实际机械钻速相差较大（由于脆性破坏转变为延性破坏等原因，钻进时钻头在井底压力下的破岩效率可能只有常压环境下的 30%40%），但无论是在常压环境下还是在井底压力环境下，PDC钻头处于高效破岩状态时的机械钻速均应与钻压保持线性关系210，如图 1 所示。机械钻速钻压O高转速、地层可钻性好、齿/钻头攻击性强低转速、地层可钻性差、齿/钻头攻击性弱图 1 钻头高效破岩时钻压与机械钻速的关系示意Fig.1 Relationship between WOB and ROP during effi-cient rock-breaking of the bit通过室内全尺寸钻头破岩试验装置，笔者团队对式（1）进行了简单验证。选取可钻性较好的石灰岩（单轴抗压强度 89MPa）和可钻性差的花岗岩（单轴抗压强度 204MPa）作为钻进岩样，采用相同的215.9mmPDC 钻头设计（4 刀翼、16.0mm 切削齿），分别装配平面圆形齿（基准）、异形齿 1 和异形齿 2。试验过程中以钻压为参变量，提供充足排量的清水以清洁井底。试验