国内外PDC钻头新进展与发展趋势展望

呼怀刚 黄洪春 汪海阁 李忠明 席传明 武 强 刘 力

(1.中国石油集团工程技术研究院有限公司 2.油气钻完井技术国家工程研究中心 3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司新疆分公司 4.新疆油田公司工程技术研究院)

0 引 言

油气钻井自PDC钻头成功应用以来发生了“天翻地覆”的变化，尤其是经过诸如能显著提高抗研磨性和抗冲击性的聚晶金刚石复合层、增强金刚石层与硬质基底黏结强度的非平面界面技术，减轻扭转冲击的抗回旋技术，提高复合片热稳定性的滤钴工艺、基于计算流体力学的水力学优化、计算机辅助建模、基于大数据的钻头选型和个性化设计、智能制造技术等的创新技术[1-4]。

近年来PDC钻头发展极其迅速，其钻进性能和类型品种等已基本满足油气钻井的需求，且已占近80%的世界油气市场份额，世界钻井总进尺数占比更是超过了90%，但其仍有进一步改进提高的空间[5]。为了满足现代油气大位移井、长水平段水平井以及超深井的需求，各石油公司与科研院所都积极在诸如PDC切削齿的材质、形状、加工工艺及其在钻头上的配置，钻头结构、水力学、切削原理和制造工艺等方面深入探索。PDC钻头因在材料和切削原理上的局限性，对于深井中坚硬地层、强研磨性地层、软硬互层及砾石层、地热井钻进终归不能完全胜任。对上述难钻地层，除应用金刚石钻头外，近年来诞生的技术和材料革新型钻头、混合式钻头以及智能化钻头等都是重要的选择和开拓[6-8]。

笔者从国内国外两方面梳理了近年来出现的新型钻头，介绍了新型钻头的结构特征、工作原理和应用状况等，分析了国内油气井用PDC钻头研发所面临的挑战，进而对油气井用PDC钻头的研发趋势进行了展望，以期为高端PDC钻头的国产化、系列化工作和相关从业人员提供借鉴。

1 国外油气井用PDC钻头发展概况

1.1 技术、材料革新型高效钻头

近年来，NOV公司推出了Helios Impact(见图1a)与ION+Alpha切削齿技术(见图1b)，将上述切削齿配置于不同的钻头并且针对不同区域进行相应的技术升级，形成了诸如用于地热钻井Phoenix钻头系列(见图2a)、与水力剪切喷嘴配合用于强化岩石剪切损伤的Tektonic钻头系列(见图2b)、用于美国市场的Pursuit钻头系列(见图2c)等。上述钻头在钻进硬岩与研磨性地层时热稳定性、抗研磨性、抗冲击性及导向性等方面有明显提升，成功应用于美国、拉丁美洲、印度尼西亚等地区的油气田。

Schlumberger公司通过本身的技术积淀及收购Smith Bit公司积累了大量的切削齿、新材料和钻头的专利技术，例如ONYX 360 Rolling、Axe Blade Element、Stinger Element、Hyper Blade切削齿专利(见图1c～图1f)、增强切削齿强度及攻击性的Aegis超级涂层技术(见图1g)。采用上述先进切削齿技术的Fire Storm/SHARC/Aegis/Spear系列钻头(见图1、图2d～图2f)、扩孔钻头和空气锤等特殊用途钻头，在油气钻井中得到了广泛的应用，能够以较高的钻进效率和工作寿命钻进某些硬岩和研磨性地层等[9-13]。

Halliburton在2017年推出了2款新型切削齿，Cruzer旋转吃深控制单元用于常规固定齿钻头，降低破岩扭矩和钻头摩阻、减少钻进过程中热量的产生、强化钻进性能，在长水平段S形井眼轨迹中展现了较好的效果[14](见图2g)；Geometrix 4D Cutters 通过对切削齿结构进行优化设计，使其在降低摩阻、促进岩屑排出、降低切削齿热降解方面具有较大的优势(见图1h)。应用在墨西哥湾花岗岩-页岩地层中，机械钻速翻倍，同时最大化降低了金刚石材料的热降解。

Baker Hughes基于所研发的能够适用于砾石层、夹层中的StayTure 切削元件和抗磨损且保持自锐的StayCool切削齿(见图1i、图1j)，推出了Dynamus 抗涡动钻头系列(见图2h)，能够明显缩短定向井滑动钻进时间，提高整体机械钻速和井身质量，实现较少的起下钻次数，提高钻头机械能量利用率。

为了满足特殊工艺井、特殊区域、特殊层位的要求，特别在大位移井、水平井、非常规油气井、地热井等发挥钻头的最大效能，减少钻头失效情况的发生，延长钻头寿命并降低钻井成本，各石油公司推出了诸多个性化定制的新型钻头，并形成了各自的产品系列。如能提高水力能量利用率的SplitBlade钻头(见图2i)、减轻横向振动的CounterForce钻头(见图2j)、用于定向井造斜的EVOS PDC钻头(见图2k)、适用于旋转导向钻井的Lyng PDC钻头、Seeker PDC钻头(见图2l)等，均取得了良好的效果[15-18]。

图1 新型切削齿技术Fig.1 New cutters technology

图2 基于技术&材料革新的新型钻头Fig.2 New bits based on technology and material innovation

1.2 混合式钻头

针对ø311 mm及更大直径井段增多致使全井钻井周期和钻井成本增加这一问题，胜利钻井工艺研究院曾进行了双级PDC钻头的相关理论与试验研究(见图3a)，但限于切削齿材料、加工工艺、钻头寿命等限制并未大规模推广。

2011年Baker Hughes推出了PDC钻头与牙轮钻头组合的Kymera Mach和Kymera Xtreme混合式钻头(见图3b)，主要针对深井硬地层、砾石层和软硬互层等可能产生严重黏滑振动的地层，借助于牙轮钻头侵入能力和PDC钻头高效剪切作用，提高钻头破岩效率、降低可能出现的PDC复合片的冲击损伤、提高定向井中钻头的定向能力等，在中国、美国、加拿大等地的油田应用，均取得了良好的效果[19-20]。2012年NOV公司针对坚硬火成岩地层井段研发了SpeedDrill同心双径PDC钻头(见图3c)，与低速高扭动力钻具配合使用，钻进包含火成岩地层在内的整个井段，能够明显提高钻进效率，定向钻进过程中轨迹控制较为理想，达到了预期效果[21]。2013年NOV公司推出FuseTek混合式钻头(见图3d)，针对中硬-坚硬和强研磨性地层，结合PDC切削齿的高剪切性能与孕镶块的强抗研磨性，在中国、非洲、北美等地进行了大量应用，与常规PDC钻头或牙轮钻头相比，能够明显提高钻进效率，钻头进尺也增加了1～3倍[22]。2014年Shear Bits公司推出Pexus混合式钻头(见图3e)，将硬质合金齿与PDC复合片有机结合，当钻遇井段上部砾石层时利用可转动硬质合金齿侵入地层形成破碎坑，降低后排PDC切削齿剪切破岩的难度；在钻遇下部较软的砂岩和页岩时，则主要依靠PDC复合片进行大体积剪切破碎。在加拿大冰川冰碛物中应用，Pexus混合式钻头完整钻穿冰碛物地层[23-24]。2019年Halliburton公司推出了Crush &Shear混合式钻头(见图3f)，将传统PDC钻头高效破岩的能力与滚动元件降低破岩扭矩的特点有机结合，2种切削结构显著增强了钻头在软硬互层或过渡性地层中的破岩稳定性，钻进效率大幅提升。钻头在白俄罗斯某定向井中成功钻穿塑性页岩地层，一趟钻实现进尺1 841 m，平均机械钻速23.7 m/h[25]。

图3 新型混合式钻头Fig.3 New hybrid bits

1.3 智能化钻头

2017年BHGE油气公司发布的TerrAdapt智能钻头可根据持续变化的地层特征自动调节钻头的切削深度(DOC)，在提高机械钻速的同时减缓黏滑现象，克服了常规PDC钻头切削深度控制的局限性(见图4a)。可调节的DOC控制单元收缩特性避免了切削齿对地层的过度切削，从而防止黏滑现象导致的钻头过早失效。ø215.9 mm TerrAdapt智能钻头的现场试验结果证实该钻头可以有效抑制黏滑振动，拓宽了钻头稳定钻进的使用参数范围，提高了钻进效率[26-27]。

2018年Halliburton公司推出了概念产品Cerebro Force自动感知钻头(见图4b)，通过在钻头内部设置多种传感器实现钻头工况数据的实时采集，以减少地面数据测量的不确定性。该钻头井下所能获取的数据包括：振动、钻压、扭矩及液体压力等，使得地面操作人员可以对钻头在井下的实际工况进行充分的掌握，从而对钻进参数等进行实时调节，最大化钻进效率[28]。

2020年NOV提出了通过水力参数来实现钻头切削结构或者吃入深度控制单元对地层特征的“智能适应”，并初步研发出Smart-adaptive钻头(见图4c)。该钻头的设想是在钻进上下不同地层时可以实现刀翼数量的自动或人为控制，从而减少不必要的起下钻次数，为此NOV公司设计出了工业样品，其实际效果有待进一步现场验证[28]。

2021年NOV公司推出了一款BitIQ钻头传感器，通过将传感器安装在PDC钻头接头处(见图4d)，可以实现对钻头振动(包括轴向、横向和切向振动，量程为±120 G)、井底温度(0～125 ℃)及钻头转速(±666 r/min)在内的信息进行高频率(采样频率128 Hz)测量、存储和数据统计，安装与操作较为简单，无需再经常安排额外操作人员。起钻后，使用专用手机应用对传感器存储数据进行下载并上传至云端系统进行数据处理，通过自动生成的分析报告，可以获得钻头磨损情况与井下振动之间的相关性，为后续钻头优化设计、提高钻头性能提供数据支撑。

图4 智能化钻头Fig.4 Intelligent bits

2 国内油气井用PDC钻头发展概况

国内新型钻头的研发路线如下。①基于改变钻头井底的射流形式进而提高辅助破岩效果，有自激共振式钻头、空化射流钻头、脉冲空化多孔射流钻头、自旋式喷嘴射流钻头等。②通过设计并改变常规PDC钻头的切削结构，使钻头在井底的破岩方式发生变化；或者通过钻进过程中改变井底应力状况，降低岩石的抗钻特性，进而达到提高破岩效率的目的。有差压步进式钻头、微心钻头、旋切模块式钻头和环脊式PDC钻头等。③集井下数据采集和钻头动态行为监测为一体的智能钻头，将“黑匣子”(传感器)布置在钻头本体上，用于实时监测钻头的钻压、扭矩、转速、加速度、冲击载荷以及井底温度等信息，国内中石油工程院、胜利钻井工艺研究院等单位均开展了相关研究，开发的样机已初步进行了现场试验，达到了预期的目的。

2.1 新型射流式PDC钻头

国内部分研究团队在自激振荡(水力脉冲空化射流)理论与应用方面做了大量的工作[29-30]，空化射流的产生是基于在钻头上部(内部)添加自激振荡工具或结构，使用空化射流喷嘴或者脉冲空化射流耦合发生器，利用瞬态流和水声学原理调制射流流场，使射流剪切涡脱落、演化，发展成为大尺度涡环结构，诱导空化的发生。现阶段所研发的空化射流PDC钻头、脉冲空化多孔射流钻头也是基于上述原理，当流场中的空化气泡发生溃灭时会释放高温高压冲击波，进而提高空化射流的冲蚀性能，现场应用机械钻速平均提高30%～40%。

2.2 结构创新型PDC钻头

近年来，国内石油高校、企业加大了对于新型结构钻头的创新力度，从破岩方法、破岩机理[31-33]上做了诸多有益的探索。中国石油大学(华东)与中石油工程院在深井大尺寸井眼段长度增加、可钻性变差、常规PDC钻头钻速低、提速难的背景下，从降低深井岩石抗钻强度、增强钻头攻击能量2个角度出发，共同研发了一种自适应同心双径的PDC钻头(命名为差压步进式钻头)[34](见图5a)。室内试验与理论计算结果均表明，该钻头能够明显提高机械钻速(提速幅度为68%～330%)，在较小的破岩扭矩增加(增加69%)的情况下实现钻速的大幅度提升(提高280%)。同时弹性元件的存在使得钻压在领扩眼钻头之间可以自适应分配，提高了破岩能量利用率，进而最大化钻头的破岩效率[35]。

为了使常规PDC钻头在深部难钻地层中的机械钻速有进一步的提升，中石油工程院研发了一种含亥姆霍兹共振腔的自激共振式钻头(见图5b)，该钻头水力激振腔引发的超高频振动能够使钻头与所钻地层之间发生共振，进而降低岩石强度、提高破岩效率。室内试验中平均机械钻速较常规PDC钻头提高80%以上。

为解决普通PDC钻头形成的岩屑细碎、无法满足岩屑录井要求，胜利钻井工艺研究院、西南石油大学分别研发了一款微心PDC钻头[36-37]。此类微取心PDC钻头取消了常规PDC钻头心部的主切削齿，设置特殊的水力结构，使钻头心部在钻进过程中形成一定直径的竖直岩心并适时折断，通过负压抽吸作用将断的微岩心从钻头体内部流道带离井底。室内及现场试验结果表明，该钻头采集的岩心以柱状为主，岩性的完整性和采集率较高，可以代替牙轮钻头在岩屑录井井段使用。

中国石油大学、西南石油大学等相关学者从破岩方式上对常规PDC钻头做了有益的探索与改进，研发了刮刀轮式[38]、旋转模块式[39]、旋切式[40]、环脊式[41]PDC钻头。此类钻头在常规PDC钻头的基础上加装了旋转切削模块(见图5c)，与固定式PDC切削齿“交叉刮切”破碎岩石，期望旋转切削模块中切削单元轮流工作方式能够提高钻头的整体破岩效率。环脊式PDC钻头(见图5d)则是在钻头的布齿区域内，至少有一个不设置主切削齿的环形空白带(简称“环带”)，且在刀翼的环带相应位置处开设周向贯通的凹槽，在凹槽底面或侧面可设置二级切削齿。目前，该类钻头多处于概念设计、室内测试阶段，距现场应用尚有较大距离。

图5 结构创新型PDC钻头Fig.5 Structural innovative PDC bits

2.3 中石油新型PDC钻头的应用情况

依托中石油工程院休斯顿研发中心，在宝石机械、渤海中成、川庆钻探、长城钻探等生产单位的大力协作下，通过“十三五”持续攻关，中石油形成了从复合片材料及加工工艺、PDC钻头设计加工及应用一体化的专有技术[42]。为解决砂砾岩、火山岩、灰岩、云岩、燧石等难钻地层提速瓶颈问题，中石油休斯顿研究中心突破金刚石复合片选粉处理工艺、粉料封装工艺以及深度脱钴工艺，形成了硬质合金基体(见图6a、图6b)设计与试验评价方法，并首创三维凸脊形非平面齿(见图6c)，抗冲击性由300 J提升至400 J以上，较常规平面PDC切削齿抗冲击性能提高9倍以上、断裂韧性提高40%；脱钴深度由400～600 μm提升至800～1 200 μm，通过全角度脱钴，切削齿的抗研磨性和热稳定性得到了全面提升，延长钻头使用寿命。基于性能优异的非平面切削齿研发了3个系列11种尺寸22个型号的PDC钻头产品(见图6d)，在新疆、塔里木、西南、大庆等油田复杂难钻地层现场应用1 000余井次，平均进尺和机械钻速提高29%和57%以上，屡创国内五大盆地多项新的钻井纪录。

图6 中石油研发的高效异形PDC切削齿及Tridon系列PDC钻头Fig.6 High efficiency special-shaped PDC cutters and Tridon PDC bits of CNPC

中国石油针对不同区块、不同井型、不同地层、不同井段实施“一井一策，一层一策”的个性化钻头设计与应用方案。中石油工程院与渤海装备联合研制的川渝页岩气、玛湖致密油水平段专用PDC钻头(见图7a、图7b)，通过复合片深度脱钴与优选、刀翼和布齿优化等设计，显著提高了钻头的攻击和导向性能。现场应用30余井次，在川渝页岩气井钻进，平均单趟进尺1 000 m以上；在玛湖区块玛XXX井乌尔禾组地层钻进，单趟进尺325 m，平均机械钻速5 m/h，与进口PDC钻头相当。川庆钻探公司针对川渝页岩气三开可钻性差的难题，研发了混合布齿、常规螺杆专用和旋转导向专用的系列个性化PDC钻头(见图7c、图7d)，其中常规螺杆专用钻头的平均机械钻速和单趟进尺分别为7.7 m/h和510 m，同比提高11.4%和18.5%，单只钻头的最高进尺达1 288 m；旋转导向专用钻头的平均机械钻速和单趟进尺分别为11.6 m/h和1 093 m，同比提高43%和48%，单只钻头的最高进尺1 586 m。宝鸡石油机械有限责任公司研制的PDC-牙轮复合钻头，规格在ø149.2～ø444.5 mm(ø5～ø17in)之间，在川渝、松辽盆地等难钻地层累计应用286只，与PDC钻头相比，钻头进尺和平均机械钻速分别提高20%～108%和10%～75%。

图7 中石油部分专打PDC钻头Fig.7 PDC bits for specialized drilling of CNPC

3 国内PDC钻头研发面临挑战

3.1 油气勘探所面临的形势

随着塔里木盆地大北、博孜、克深、顺北超深层，准噶尔盆地南缘深层超深层、玛湖吉木萨尔页岩油气，四川盆地川东、川西北、川中古隆起北斜坡，大庆古龙页岩油气等一大批大油田的发现，“十四五”及今后若干年增储上产的重点仍然是深层超深层。而在上述地层中钻进依然面临地层可钻性差导致的破岩效率低、砾石层及软硬交互地层引起钻头振动造成先期损坏、深井大尺寸井眼钻井周期长、钻头用量大等严峻挑战。例如川西地区的须家河组、二叠系等地层可钻性差8～10级、研磨性强8～10级，金宝石组石英含量高达90%以上，钻头破岩效率较低，吴家坪组-栖霞组机械钻速仅1.29 m/h，钻头进尺小于60 m；大庆深部地层的流纹岩、花岗岩、砾岩等难钻地层，可钻性达8～10级，钻头钻进过程振动剧烈且频繁，平均进尺56 m，机械钻速1.30 m/h，单井钻头用量大(水平井平均用量36只，直井10只)；库车山前地区的砾石层平均段长超5 200 m，砾石含量高、粒径大，机械钻速平均仅为2 m/h，巴什基奇克组等复杂地层厚度占全井4%～21%，钻时占全井25%～51%，钻头用量占全井40%～62%。

3.2 高端钻头研发所面临的瓶颈问题

首先是基础学科领域有待进一步突破，其中新型钻头基体的材料研发、金刚石材料与基底的黏结工艺、深部高温高压复杂地层钻头与岩石相互作用机理亟需科研攻关。其次是PDC钻头设计、模拟、加工、后评价一体化的智能设计制造技术有待进一步集成升级，具有特殊工况、地层适应性的个性化钻头模块化设计软件、性能模拟与磨损预测软件、五轴数控加工与自动化检测平台等方面亟待优化升级和功能开发。再次是钻头创新研发与应用进度尚不匹配，国内石油高校在新型结构钻头创新、理论计算与数值模拟上具有先天性优势，而国内相关企业则在PDC钻头加工生产、科学试验、产业化应用方面具有得天独厚的有利条件，两者之间的联通渠道有待进一步加速拓宽，以发挥各自的比较优势。最后是国内钻头研发尚需一条或多条明确的开发线路，多为单点创新性研发，系统性、系列性、特殊地层适用性较国外知名钻头公司还有一定的差距。

4 结论与展望

(1)将PDC切削齿与其他类型切削元件进行有机结合、在结构参数和材料等方面进行不同组合的混合式钻头已成为国际上油气井钻头发展的重要趋势之一。

(2)以BHGE油气公司TerrAdapt智能钻头为代表，通过对切削结构或吃深控制单元进行自动控制，在抑制黏滑振动和减小钻头冲击损坏方面表现出色，也逐渐成为油气井用钻头的研发方向之一。

(3)以Halliburton公司的Cerebro Force自动感知钻头为代表，将信息采集传感器集成于钻头内，实现井下工况的实时监测与反馈。随着科技与材料科学的进一步发展，智能感知钻头终将普遍用于油气行业，实现基于测量信息的钻进过程实时优化、信息存储用于钻后分析。钻头供应商需要与钻井承包商深度合作，甄别井底所获取的信息哪些具有较大的价值，并将上述数据以最快的速度发挥其最大的价值。

(4)钻头的个性化设计始终是深部复杂地层提高破岩效率、长水平段水平井实现“一趟钻”目标的必然选择与要求。针对细化的区块、工况、地层等大力实施“一井一策，一层一策”的个性化钻头设计与应用方案；同时，PDC钻头研发也应与配套钻井工艺、钻井工具、导向工具集成化服务相结合，以最大化钻头与底部钻具的组合潜能，尽可能实现不同复杂地层中的一趟钻完钻。