PCD及PDC鉆頭在石油鉆井中的應用

張文敏

【摘 要】論文首先介紹了PCD及PDC鉆頭的優點，繼而分析了PCD及PDC鉆頭所適用的地質環境，然后以某油田為案例對PCD及PDC鉆頭在石油鉆井應用中的參數選擇展開了詳細分析，最后對PCD及PDC鉆頭在石油鉆井的應用效果與前景展開了分析，旨在提供一些將PCD及PDC鉆頭更好的應用于石油鉆井的參考建議，促進我國石油鉆井行業的進一步發展。

【Abstract】This paper first introduces the advantages of PCD and PDC drills， then analyzes the geological environment of PCD and PDC drills applied to， and then analyzes the parameter selection of PCD and PDC drills in the oil field drilling in detail， finally analyzes the application effect and prospect of the PCD and PDC drills in the oil field drilling， in order to provide reference for the PCD and PDC drills in the oil field drilling， to promote the further development of oil drilling industry in China.

【關鍵詞】PCD鉆頭；PDC鉆頭；石油鉆井；地質環境

【Keywords】 PCD drill； PDC drill； oil drilling； geological environment

【中圖分類號】TE19 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0155-02

1 引言

PCD鉆頭即金剛石聚晶鉆頭，PDC鉆頭即金剛石復合片鉆頭，兩者在硬度上很大，因此目前在石油鉆井的硬地層中得到了十分廣泛的應用。在應用PCD及PDC鉆頭對硬地層復雜地質環境的石油鉆井時，雖然具備諸多優勢，但在一些特殊的地質環境中卻并不適用，因此對PCD及PDC鉆頭在石油鉆井中的應用展開分析具有十分重要的現實意義?；诖?，文章重點就PCD及PDC鉆頭在石油鉆井行業中的應用分四個部分展開了分析，提出了一些可供參考的觀點和建議，以下是具體內容。

2 PCD及PDC鉆頭在石油鉆井應用的特點

PCD鉆頭采用的是金剛石聚晶模式，在聚晶過程中采用的是黑色金屬線和有色金屬線材料，和一般的硬質合金拉絲模相比，其在耐用度上提升了數百倍。因此，PCD鉆頭在使用鉆井中應用的主要優勢，即在保障硬度的前提下耐用性極高。目前鈷是最為常用的一種PCD鉆頭結合劑，其具有強度高、耐磨性好等諸多優勢，同時拉絲的成本也很低，十分適用于石油鉆井作業中。

PDC鉆頭的優點主要集中于鉆頭結構簡單和耐磨性高兩點上。PDC鉆頭所采用的人造金剛石，其比硬質合金的耐磨性更高，在鉆頭構成上，切削齒是其主要部件，在工作中無需鉆頭自身鉆頭，因此PDC鉆頭也被稱作固定式探頭。在PDC鉆頭的使用早期，主要是在一些軟頁巖層中使用，而隨著PDC鉆頭在性能和結構上的不斷優化。目前PDC鉆頭已經可以在長段中硬巖地層和硬夾層中使用。此外，PDC鉆頭還有高針對性的優勢，可根據鉆進地層的各區塊地質特征以及地層的深度采用針對性的鉆進工藝，選擇更為合理的鉆進方案[1]。

3 PCD及PDC鉆頭應用于石油鉆井中的適用地質環境

PCD及PDC鉆頭在石油鉆井作業的使用中，并不是所有的地質環境都可以發揮出最大的使用效果，在具體的使用過程中也需要基于不同的地質環境選擇不同的PCD及PDC鉆頭類型。具體而言，主要包括以下幾點因素：其一為巖石粒徑，PCD及PDC鉆頭在鉆進的過程中采用的是切削破巖的范式，因此巖性的粒度越大導致鉆頭的磨損越高，而對于松軟的地層，巖石的粒徑越大，轉速卻越快；其二為巖石塑性，塑性越大則轉速越低，如果同時地層的硬度還很大，則轉速更低；其三為巖石硬度，硬度越大則轉速越低，對于高等硬度的地層，PCD及PDC鉆頭并不適用；其四為鉆頭比壓，比壓越高則轉速越高。綜上，PCD及PDC鉆頭適用于中等硬度及以下、塑性較低、粒徑較小且鉆頭比壓大的地質環境，相反則不適用。對于實際的油田，則可以根據油田地層的具體每一個參數的實際情況進行具體調整和型號的選擇。

4 PCD及PDC鉆頭在石油鉆井中應用參數選擇

文章以北方某一油田為例，其地質環境十分復雜，沉積巖為主要巖性，硬度較大且粒徑較大，粗砂巖分布密度高，因此對于鉆頭的磨損十分嚴重。PCD及PDC鉆頭在鉆進的過程中是以破巖為主要方式，在面對硬度和密度過大的巖石時，本身也會受到損耗。因此，面對此類石油鉆井地層，則適合選擇耐磨性更高的刮刀式翼狀結構PDC鉆頭，提升鉆進的效率，并降低對鉆頭的損耗。

具體而言，在石油鉆井PCD及PDC鉆頭的翼數確定參考因素下，將翼數提升，可以提升PCD及PDC鉆頭在鉆進過程中的穩定性，同時在耐磨性上也較好，因此如果鉆進地層的硬度較高，且粒徑較小情況下適合選擇多翼鉆頭。相反的如果鉆進地層的硬度較低，但是塑性大，且粒徑較大，則更加適用于少翼鉆頭。此外因為該油田屬于碳酸鹽巖地層，因此在粒度上較為固定，多以塑性和硬度作為PCD及PDC鉆頭選擇的參考因素。如果在碳酸鹽巖中的泥巖含量較大，導致地層的塑性較強，則PCD及PDC鉆頭并不適用；如果泥巖較少脆性較大則PCD及PDC鉆頭使用。如果硬度過高則需要選擇肩部加強和保頸的PCD及PDC鉆頭。

5 PCD及PDC鉆頭在石油鉆井中的應用效果與前景endprint

5.1 PCD及PDC鉆頭在石油鉆井中的應用效果

以文章背景油田為例，在通過上文的PCD及PDC鉆頭參數選擇分析后，選擇刮刀式翼狀結構PDC鉆頭，一共累積鉆進110次，使用刮刀式翼狀結構PDC鉆頭80只，總共累積鉆進深度56324.21m，平均鉆進速度9.64m/h，累積鉆進時間5841h，平均單只鉆頭鉆進深度達到704m。在刮刀式翼狀結構PDC鉆頭的應用效果上，和一般的牙輪鉆頭相比，鉆速上提升了55%以上，在每節純鉆進時間上達到3500h，其中有效縮短石油鉆井時間420h左右，增加鉆進的深度超過32000m。此外因為整體鉆進時間的縮短，因此在鉆井過程中使用的鉆井油也大幅度降低，該油田在使用刮刀式翼狀結構PDC鉆頭作為油田鉆井鉆頭后，全年經濟效應達到了2000萬元，在整體的油田開采行業內都取得了十分豐碩的成績。這一成績也充分說明了PCD及PDC鉆頭在石油鉆井中的應用較之一般常規鉆頭所具有的優異成績，值得我國油田開采行業廣泛使用[2]。

5.2 PCD及PDC鉆頭在石油鉆井中的應用前景

因為現階段PCD及PDC鉆頭所具備的諸多優勢，在石油鉆井作業的進行過程中，得到了十分廣泛的應用。但是不可回避的是在PCD及PDC鉆頭的使用過程中也逐漸出現一些問題，而面對這些問題則需要石油鉆井和PCD及PDC鉆頭開發兩個領域內的技術人員共同進行研發攻克。石油被稱作工業的血液，雖然近幾年世界的石油需求較為疲軟，但是隨著工業4.0的不斷推進，以及全球居民汽車擁有量的不斷增加，可預期在未來的很長一段時間內人類難以擺脫對石油的依賴，甚至會比現在的需求更高。因此，石油鉆井作為石油化工行業中的重要環節，本身也在未來的大趨勢上，呈現出需求提升、要求提升的雙趨勢。對于石油鉆井中的PCD及PDC鉆頭而言，則在性能的要求上也會更高。從這一層面上觀察，未來PCD及PDC鉆頭在石油鉆井中的應用，一方面會呈現出需求提升的前景，另一方面也會呈現出要求提高的態勢，需要相關人員在現有的技術基礎上繼續研發創新，不斷提升PCD及PDC鉆頭的性能，以符合未來石油鉆井對鉆頭性能的要求[3]。

6 結語

綜上所述，PCD鉆頭（金剛石聚晶鉆頭）及PDC鉆頭（金剛石復合片鉆頭）在硬度上極大，且具有很好的耐磨性及耐用性等諸多優點，目前在石油鉆井行業中得到了十分廣泛的應用。但同時也要注意，在將PCD及PDC鉆頭應用于油田鉆井作業中時，也需要基于油田的實際地質環境選擇具體的型號，以起到保護鉆頭和提升使用效果的目的[4]。此外，隨著石油工業的快速發展，在鉆井作業上的要求不斷提升，未來PCD及PDC鉆頭還需要在現有技術優勢的基礎上，進行進一步的研發，不斷提升性能降低成本，符合時代所需，促進石油行業的進一步發展。

【參考文獻】

【1】全新PCD鉆頭提升復合材料的孔加工性能[J].工具技術，2014，48（2）：11.

【2】師潤平，王成勇，林升旭，等.碳纖維——鈦超混雜復合材料孔加工刀具研究[J].機械設計與制造，2013（8）：117-119.

【3】鐵曉銳.燒結與釬焊工具中金剛石/結合劑結合特性及垂直軸磨削石材研究[D].廈門：華僑大學，2012.

【4】丁希軍，何育光，丁世清，等.三角形PCD的質量狀況及應用前景[J].金剛石與磨料磨具工程，2007（6）：73-75.endprint