The Innovation Energy | 征服复杂难钻地层：油气井PDC钻头与PDC齿进化之路

PDC钻头已主导全球钻井市场，但复杂工况下的性能瓶颈仍未突破。系统梳理PDC齿材料、结构、布齿及智能化等技术进展与挑战，为高效、智能、适应性强的PDC钻头研发提供理论基础，助力复杂难钻地层资源安全高效开发。

导  读

PDC钻头凭借其出色的耐磨性、高钻速和成本效益，在全球石油天然气勘探与开发中应用广泛，明确油气PDC钻头与PDC齿技术研究进展与发展趋势对保障能源安全，优化钻井工程、实现安全高效钻井具有重要意义。

图1 图文摘要

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PDC齿性能提升

（1）原料和工艺优化

金刚石粉的粒度对PDC性能有很大影响，更细的金刚石粉提高了硬度和耐磨性，但降低了冲击韧性。使用混合粒度可以提高致密性，减少残余钴，提高整体性能。界面形态从平面形态演变为复杂形态，以减轻残余应力，抗冲击性提高8.3% ~ 37.5%。理想的粘结剂需要优异的金刚石润湿性，与金刚石的热膨胀不匹配度低，熔点低。通过酸浸或电解对PDC齿进行脱钴化可以增强PDC齿热稳定性，但会降低抗冲击韧性和抗弯强度。

（2）几何优化

类平面形PDC齿以平面形PDC齿为基础，对其部分进行拉伸、切除等简单变形或组合排列，保持压碎和剪切的基本破岩机制。例如尖圆齿综合“面接触剪切”和“点接触致裂”两种方式破岩，在硬塑性地层中表现出卓越的性能。类脊形PDC齿其破岩机理归纳为“齿尖应力集中压碎+齿前劈裂拉伸+齿侧横推剪切”破岩。类锥形PDC齿以锥形齿为基础，调整锥形参数或变形得到，以齿顶压实破碎、齿前拉张破裂的形式破碎岩石，存在破岩体积不足的弊端。复合形PDC齿一般同时具有多种异形结构，通常以压碎、拉伸、剪切、犁削、铲削、磨削等多种破岩形式联合作用切削破碎岩石。

（3）其他技术优化

PDC齿的抗冲击性能优化：材料优化包括纳米级金刚石颗粒提高韧性等；结构改进包括应用非平面界面设计减少应力集中等；工艺创新则主要体现在后处理工艺改善残余应力分布等。抗研磨性能优化：超硬材料开发包括高纯度金刚石微粉、纳米晶金刚石等；表面处理技术主要包括化学气相沉积金刚石涂层等；耐磨结构设计主要通过优化切削齿几何形状、自锐性设计等。

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混合布齿理论与方法

现代PDC齿空间布局优化主要集中在各类型PDC齿混合布置和交错布局，优化钻井稳定性、效率和对复杂地质条件的适应性。PDC齿同轨道切削破岩时，应尽可能增加钻压保证前排齿吃入地层深度，后排齿较前排齿的出露高度控制在0.6 mm以内，以降低破岩比能，提高破岩效率。PDC齿异轨道切削破岩时，设置合理的布齿密度可以利用边界效应大幅降低破岩比能，研究明确了前排锥形齿间距18 mm + 后排平面齿高差0.5 mm、前排三棱齿间距20 mm + 后排齿平面齿高差0.75 mm的最佳布齿参数。笔者团队从“钻头结构特征解析-PDC齿破岩特性参数适配-多齿形式与参数设计-应用出井损伤分析”的角度，建立了高效PDC齿混合布齿方法。

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全尺寸PDC钻头设计与优化

具有强大非线性接触能力的数值模拟方法是当前全尺寸PDC钻头破岩研究的主流，宏观上，基于PDC钻头旋转切削破岩动态仿真监测钻头钻压、扭矩、钻速数据，以减小钻压振动幅度、减小扭矩均值，减小破岩比能为目标，能够实现优化改进冠部形状；基于PDC钻头流场与返屑仿真，评价流场涡流状态与返屑效率，能够实现水力参数的优化设计。微观上，离散元法在解决岩石的裂纹扩展及破裂等问题方面具有独特的优势，有限-离散元耦合法可以描述裂纹出现后自动引入离散元处理断裂和破碎行为，有限-离散-无限元法通过在计算区域外围设置无限元单元，有效消除了人工边界反射。

图2 PDC齿与混合布齿PDC钻头技术研究现状与发展

总结与展望

面对PDC材料创新面临重大挑战、刀布布局优化对效率提升作用有限、钻头智能化升级进展缓慢等问题，提出几个重要研究方向：1) 采用涵盖材料优化、结构增强与工艺创新的多维度技术路线，全面提升PDC切削齿综合性能；2) 开展原位地层条件下PDC齿破岩机理与特性研究，对地层适应性指标进行量化评价；3) 构建定制化智能混合布齿钻头，配备可调节单元，通过吸收冲击载荷、减少粘滑振动与非作业时间提升复杂地层适应性；4) 设计内置多种传感器的多功能钻头，采集钻井参数与原位地层特性；5) 构建结合定制化PDC钻头设计与性能模拟的一体化研究框架，采用人工智能方法推进钻头设计优化。

责任编辑

丁振亚   The Innovation