工程设计学报

工程设计学报, 2023, 30(1): 1-12 doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.006

设计理论与方法

PDC钻头布齿技术研究综述

马亚超,,1, 陶垒1, 荣准2

1.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500

2.中国石油西南油气田分公司 川东北气矿，四川 达州 635000

Review of PDC bit cutter arrangement technology

MA Ya-chao,,1, TAO Lei1, RONG Zhun2

1.School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China

2.Northwest Sichuan Gas Mine, PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, Dazhou 635000, China

收稿日期: 2022-05-11   修回日期: 2022-07-08  

基金资助: 国家自然科学基金面上项目.  51974272
国家自然科学基金青年科学基金资助项目.  51904263
企事业单位委托科技项目.  XNSJS2022-54

Received: 2022-05-11   Revised: 2022-07-08  

作者简介 About authors

马亚超（1986—），男，四川成都人，副教授，硕士生导师，博士，从事PDC钻头动态磨损与布齿设计研究，E-mail:mayachao206207@126.com，https://orcid.org/0000-0001-8865-3521 , E-mail：mayachao206207@126.com

摘要

PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具，具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元，决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置，使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此，PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究，但目前仍缺乏系统性的总结。为此，以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础，总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程，主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结，指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考，有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。

关键词： PDC钻头 ; PDC切削齿 ; 布齿技术 ; 发展趋势

Abstract

PDC (polycrystalline diamond compact) bit is the main rock-breaking tool in oil and gas drilling field, which has the advantages of high abrasion, high rate of penetration and high rock-breaking efficiency. As a cutting unit, PDC cutter determines the rock-breaking performance of PDC bit. The purpose of PDC bit cutter arrangement is to determine the spatial position of each PDC cutter on the bit, so that the bit has excellent performance and reliable life when drilling and breaking rock. PDC bits designed based on different cutter arrangement technologies show different rock-breaking performance during drilling. Therefore, the PDC bit cutter arrangement technology has been widely concerned by scholars at home and abroad. At present, a large number of scholars have made corresponding research on the cutter arrangement technology of PDC bit since its birth, but there is still a lack of systematic summary. For this reason, based on the literature about PDC bit cutter arrangement technology at home and abroad in recent years, the development process of PDC bit cutter arrangement technology since its birth was summarized, mainly including the early cutter arrangement stage, the classical cutter arrangement stage and the modern cutter arrangement stage. Through analyzing and summarizing the development process of PDC bit cutter arrangement technology, it was pointed out that the cutter arrangement technology of PDC bit in composite PDC bit, compatible intelligent PDC bit, long-life PDC bit, force-balanced PDC bit, PDC bit under impact and vibration and PDC bit in special formation represented the future development trend. The research results can provide some reference for the subsequent research of PDC bit cutter arrangement technology, and are expected to promote the further development of PDC bit cutter arrangement technology.

Keywords： PDC bit ; PDC cutter ; cutter arrangement technology ; development trend

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本文引用格式

马亚超, 陶垒, 荣准. PDC钻头布齿技术研究综述. 工程设计学报[J], 2023, 30(1): 1-12 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.006

MA Ya-chao, TAO Lei, RONG Zhun. Review of PDC bit cutter arrangement technology. Chinese Journal of Engineering Design[J], 2023, 30(1): 1-12 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.006

PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头主要由PDC切削齿、喷嘴、胎体及钻头本体组成。近年来，随着材料技术以及加工工艺技术的提高，PDC的耐磨性与抗冲击性进一步加强，生产的PDC钻头机械钻速高且寿命长，应用范围十分广泛。与20~30年前相比，现有PDC钻头的机械钻速很容易就能达到老式钻头机械钻速的5~10倍。

如今，PDC钻头已成为油气钻井领域的主要破岩利器。据估计，PDC钻头进尺占全球油气钻井总进尺的90%以上。目前，PDC钻头的市场占有率达75%~80%，且仍在增长。在北美，几乎所有的陆上石油和天然气钻井均使用PDC钻头[1]。2017年，PDC钻头市场规模的估值为35.2亿美元，预计每年将以4.41%的CAGR（compound annual growth rate，复合年均增长率）增长，到2023年其市场规模将达到45.4亿美元。这一增长主要是由世界各地石油和天然气钻井活动的增加以及对先进技术的需求所推动的。

在保证材料的情况下，PDC钻头的布齿结果直接影响其综合工作性能，包括机械钻速、磨损速度、钻井稳定性以及可操纵性等。科学合理的布齿技术不仅能够提高布齿设计效率，还有利于排除岩屑、降低破岩比功和提高破岩效率，保证了PDC钻头的优良性能[2]。基于此，笔者针对PDC钻头布齿技术发展历程中的早期、经典和现代布齿阶段进行总结性综述及展望，旨在为PDC钻头布齿技术的研究提供参考与指导。

1 PDC钻头布齿的主要任务

PDC钻头布齿的主要任务是确定每颗PDC切削齿在钻头上的3个空间位置参数以及3个结构参数[3]，如图1所示（以钻头旋转中心为原点构建O-RH坐标系，R轴方向为自钻头中心向外，H轴方向为钻头钻进方向）。其中，3个空间位置参数为PDC切削齿到钻头轴线的距离Rc、PDC切削齿到钻头尾部的距离Hc和PDC切削齿沿圆周方向的位置角θc；3个结构参数为PDC切削齿的法向角γ、后倾角α和侧转角β。这6个参数会直接影响PDC钻头在钻井过程中的破岩性能。故在布齿设计中，需合理分析不同钻井条件下各参数对钻头破岩性能的影响规律并确定每颗PDC切削齿各参数的最优值。目前，这6个参数的确定主要依据PDC钻头冠部曲线设计、径向布齿、周向布齿以及工作角布齿，设计流程如图2所示。

图1

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图1   PDC钻头布齿参数

Fig.1   PDC bit cutter arrangement parameters


图2

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图2   PDC钻头布齿设计流程

Fig.2   PDC bit cutter arrangement design process


2 PDC钻头布齿技术发展历程

PDC钻头的布齿设计发展到现在主要经历了早期布齿阶段（1970s）、经典布齿阶段（1980s—2000s）和现代布齿阶段（2010s—至今）。

2.1　早期布齿阶段

在早期布齿阶段，PDC钻头布齿设计一开始是按照金刚石钻头的设计模式，仅用PDC代替切削齿齿刃上的天然金刚石，且设计的钻头冠部轮廓曲线、布齿结构等与金刚石钻头基本一致。早期布齿阶段代表性布齿技术为散布式布齿技术：PDC切削齿按一定的布置方法镶嵌在钻头冠部表面上。散布式布齿方法的优点是能够充分利用钻头空间位置形成较大的布齿密度，使得钻头在钻井破岩时各切削齿的切削量基本相等。散布式布齿技术主要包括等距螺线布齿和不等距螺线布齿。然而，采用散布式布齿技术设计的PDC钻头有很多缺点：切削齿在冠部表面的露出量太少，切削齿易脱落折断；钻头在现场试验效果很差，机械钻速低，易产生“泥包”现象。

散布式布齿技术发展一段时间后，PDC钻头布齿设计主要是根据实验室和现场试验的经验对钻头的结构进行改进，与之前的散布式布齿设计模式相比，提高了PDC钻头的破岩性能，促进了PDC钻头布齿设计技术的发展。但是，这种试验与经验相结合的设计方法缺乏成体系的理论，设计效率低下，设计的PDC钻头在钻井破岩过程中无法保持性能稳定，仍需进一步改进。因此，早期布齿阶段的PDC钻头布齿技术不够完善，仍有很大的进步空间。

2.2　经典布齿阶段

经典布齿阶段的布齿设计方法是PDC钻头发展至今应用最为广泛的方法，该阶段形成了较完善的布齿技术，包括冠部曲线设计技术、径向布齿技术、周向布齿技术和工作角布齿技术。这些布齿技术关系到PDC钻头的冠部形状及其切削齿的布置位置，最终直接影响PDC钻头的破岩性能[4]。

2.2.1　冠部曲线设计技术

PDC钻头的冠部曲线是指PDC切削齿在刀翼冠部表面形成的包络线，其会影响切削齿在钻头上的2个空间参数以及1个位置参数，即PDC切削齿到钻头轴线的距离Rc、PDC切削齿到钻头尾部的距离Hc和法向角γ。冠部形状不同的PDC钻头有完全不同的破岩效果[5]

在经过早期布齿阶段后，PDC钻头冠部曲线设计技术在使用过程中逐渐发展和完善，形成了目前常见的几种典型冠部形状[6]。1992年，国际钻井承包商协会（International Association of Drilling Contractors, IADC）将PDC钻头冠部剖面形状归纳为4种基本类型，即平底形、浅锥形、中锥形和长锥形[7]，如图3所示。影响PDC钻头冠部形状的主要结构参数包括冠部高度、冠顶位置、冠顶圆弧半径、内锥角、外锥圆弧半径以及外锥角。

图3

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图3   基于IADC的PDC钻头冠部剖面形状分类

Fig.3   Classification of PDC bit crown profile shape based on IADC


关于PDC钻头冠部曲线的设计已有许多相关研究。目前，已成功应用于石油钻井的PDC钻头冠部曲线形状可归纳为4种，即直线-圆弧-直线形、直线-圆弧形、直线-双圆弧形和直线-圆弧-抛物线形，如图4所示。针对已有冠部曲线，Deng等[8]以冠部曲线形状为直线-圆弧-直线形的PDC钻头为研究对象，在建立其冠部模型后，以PDC切削齿的轴向力和破岩比功为目标函数，采用NSGA-II（non-dominated sorting genetic algorithm-II，非支配排序遗传算法）对其冠部内锥角、圆弧半径、外锥角和外锥高度进行了全局优化。PDC钻头的冠部曲线形状也可直接利用NURBS（non-uniform rational B-splines，非均匀有理B样条）曲线方法来确定，该方法更易实现设计者的设计意图[9]。邹德永等[10]提出了2种适用于在硬地层高效破岩的PDC钻头冠部曲线形状：短圆形和短抛物线形，其中采用短抛物线形冠部的PDC钻头已在中国中原油田硬地层中成功试验，其钻井进尺达730 m，平均机械钻速达到5.65 m/h。Ju等[11]提出：对于松软地层，建议选择较大外锥圆弧半径和较小内锥角的PDC钻头；对于硬地层，建议选择较小外锥圆弧半径和较大内锥角的PDC钻头，以降低锥尖区域的破岩能耗。Heydarshahy等[5]通过有限元方法模拟了14种不同冠部形状的PDC钻头的破岩过程，得到了钻头应力分布情况随冠部锥度和高度变化的规律。同时，也有学者对PDC钻头冠部形状与表面应力分布的关系进行了有限元分析，并根据受力分析优化了冠部形状[12]。此外，在定向钻井过程中，PDC钻头需要侧向切削，在设计时应增大冠部内锥角，以减小冠部长度，从而增大定向钻井钻头的造斜率[13]。

图4

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图4   PDC钻头的冠部曲线形状

Fig.4   Crown curve shape of PDC bit


随着PDC钻头冠部曲线设计技术的发展，一些PDC钻头的冠部形状被设计成异形轮廓。如环槽PDC钻头刀翼冠部增设凹槽，起到减小钻头侧向力的作用，在钻头垂直钻井过程中不仅能提高破岩效率，还能增强钻头的稳定性[14]。另外，一种适用于难钻地层的复合PDC钻头的刀翼本体轮廓由凹凸两部分连接而成，其轮廓凸起部分可由类抛物线、曲线、圆弧、矩形和梯形等多种形状组成（如图 5所示），形成了多级切削结构，在理论上提高了钻头在难钻地层中的破岩效率[15]。

图5

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图5   几种刀翼轮廓凸起的形状

Fig.5   Several blade profile bulge shapes


2.2.2　径向布齿技术

PDC钻头径向布齿设计是将PDC切削齿沿钻头半径平面的轮廓外形进行布置，主要确定各切削齿到钻头轴线的距离Rc、切削齿到钻头尾部的距离Hc、法向角γ、切削齿数量和井底切削覆盖图。径向布齿一般要满足井底切削覆盖良好和切削齿磨损相对均匀两个要求，主要研究内容包括径向布齿密度设计和三原则布齿技术。

PDC钻头的径向布齿密度与其受力密切相关，对其破岩性能也有显著影响。一般来说，PDC钻头的径向布齿密度需根据地层性质来设定，布齿密度越大，钻头钻进速度越慢[16]。例如：对于含有石英砂岩以及泥岩夹层等复杂地层，需要调整PDC钻头外锥局部的径向布齿密度[17]。在实际使用过程中，PDC钻头冠部锥顶常会出现偏磨问题，在不改变冠部形状的条件下，冠部锥顶部分通常采用最大密度来布置切削齿，以减小偏磨[18]。

对于径向布齿技术，也可从PDC钻头冠部曲线出发，沿冠部曲线对切削齿进行均匀密度布齿设计和非均匀密度布齿设计[19]。在冠部曲线确定的条件下，PDC钻头刀翼上的径向布齿间隙可极大、极小或无间隙设计。每个刀翼上各切削齿无间隙设计能够使PDC钻头基体在磨蚀性地层下不受到侵蚀[20]，如图6所示。无间隙径向布齿设计的PDC钻头在加拿大阿尔伯塔省油砂地层钻井试验中的进尺为1 470 m，平均机械钻速达127.83 m/h。极小间隙径向布齿设计的PDC钻头可实现在软-中地层中可靠地反循环钻井，如图7所示。极大间隙径向布齿设计的PDC钻头如图8所示[21]，在阿曼某油田的碳酸盐岩和页岩钻井试验中，该类PDC钻头创造了66.14 m/h的机械钻速新纪录，比原现场提高了80%，后续在另一油田钻井试验中的机械钻速达到83.82 m/h。

图6

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图6   无间隙径向布齿设计

Fig.6   Radial cutter arrangement design without gaps


图7

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图7   极小间隙径向布齿设计

Fig.7   Radial cutter arrangement design with minimal gaps


图8

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图8   极大间隙径向布齿设计

Fig.8   Radial cutter arrangement design with extreme gaps


早在1978年，Hibbs和Flom[22]提出了PDC钻头布齿设计时采用的经典三原则理论：等切削量、等功率和等磨损。1985年，Glowka[23]给出了如何运用这3个原则的数学模型。此后，王福修[24]推导出了基于等切削和等功率布齿理论的PDC钻头数学模型；李树盛等[25]推导出基于经典三原则设计理论的PDC钻头冠部曲线方程，推动了三原则布齿技术的发展。

采用等切削量原则布齿设计的刀翼式PDC钻头的切削齿之间会出现干涉现象[26]。一些学者按等切削量原则来设计PDC钻头的冠部形状，并建立了钻头等切削量布齿的数学计算模型[27]。也有一些学者提出采用以等切削量为原则的布齿算法来优化设计PDC钻头[28]。虽然等切削量布齿技术在实际应用过程中难以完全实现，但是精确分析切削齿的切削量是PDC钻头布齿设计原则的研究核心[29]。

等功率和等磨损布齿设计原则受到岩石力学性能、温度变化和地层岩性等复杂因素的影响，目前并未真正用于实际的PDC钻头设计[30]。若要推导PDC钻头的等功率布齿数学模型，则需假设其切削齿在磨粒磨损条件下切削岩石时的摩擦功与磨损速度近似成正比[31]。对于等磨损布齿技术，目前有相关的理论研究，如基于等磨损布齿技术的动态布齿，理论上实现了PDC钻头各切削齿在钻井破岩过程中等磨损的效果[32]。

经典三原则布齿技术均是以PDC钻头寿命最长为最优目标，但目前无法满足提高PDC钻头性能的高要求。尽管如此，经典三原则布齿技术的指导思想对PDC钻头布齿设计仍有一定价值，是布齿技术的一种理论基础。

2.2.3　周向布齿技术

周向布齿设计能反映各切削齿在PDC钻头平面上布置的方位情况，主要包括刀翼数量设定、刀翼分布形式和切削齿圆周方向位置角θc确定等内容。周向布齿的主要目的是使PDC钻头在钻井过程中保持侧向力平衡。

在钻井过程中，侧向力不平衡会使PDC钻头产生“涡动”现象[33]。涡动产生的冲击载荷是PDC钻头早期损坏的主要原因。目前，存在2种措施避免PDC钻头产生涡动：一是在钻头保径部位设置光滑保径环或保径块；二是通过周向布齿设计降低或消除钻头所受的侧向力，以实现侧向力自平衡（目前公认侧向力与钻压之比小于5%即为侧向力平衡状态），进而避免钻头在钻井时产生涡动。

早在1993年，Weaver[34]就提出了切削结构是自平衡的，随即出现了抗涡动PDC钻头。为了使PDC钻头侧向力平衡，一般采用调整刀翼的方法[35]，也可利用蚁群粒子群算法来优化刀翼方位角[36]。此外，翟应虎等[37]提出的螺旋刀翼布齿方法可大大增强PDC钻头的稳定性。调整刀翼不仅可以控制PDC钻头受力平衡，还可以防止岩屑在切削齿前堆积，进而防止钻头发生泥包现象[38]。如在陆相沉积砂泥岩地层探井PDC钻头的设计中，可采用多刀翼设计方式来提高钻头的钻井性能[39]。

在周向布齿设计中，除了对PDC钻头刀翼进行设计外，还可对其切削齿进行周向布置。常见的周向布齿方法是沿着螺旋方向由PDC钻头中心向外布齿。根据螺旋方向，可分为正向或反向螺旋布齿设计[40]，如图9所示（钻头逆时针旋转）。另外，Chen等[41]以3颗或4颗切削齿形成一组力平衡的方式（即分组布齿法，如图10所示）对PDC钻头进行周向布齿设计，该方法可使PDC钻头在冠顶齿和保径齿刚接触地层或交界地层时具有较好的侧向力平衡特性。基于分组布齿法设计的PDC钻头在白垩纪地层钻井试验中连续钻井121 m，其机械钻速达到5.04 m/h，相比于临井提高了202%。居培等[42]提出了“多级力平衡”的切削齿周向布置方案，优化后PDC钻头的稳定性和攻击性得到了提升。此外，周向布齿设计时也常用一些算法来实现优化设计，如采用遗传算法和NAGA-II算法来优化切削齿的周向角等[43-44]。

图9

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图9   螺旋布齿设计

Fig.9   Spiral cutter arrangement design


图10

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图10   分组布齿设计

Fig.10   Group cutter arrangement design


2.2.4　工作角布齿技术

PDC钻头的工作角主要包括后倾角和侧转角，相比之下，后倾角对钻头破岩效果的影响较大。根据以往研究，可得出以下经验[45]：PDC钻头在钻进软地层时，后倾角宜为10°~20°；在钻进硬地层时，后倾角宜为20°~25°。Karasawa 等[46]通过单齿刮切花岗岩实验得到了PDC钻头切削齿受力与后倾角呈正相关的结论。Sinor等[47]通过切削石灰岩和页岩石实验，得到PDC钻头的钻速与后倾角呈负相关。Akbari等[48]总结了PDC钻头切削齿界面摩擦角与后倾角之间的线性关系。田家林等[49]通过研究得出随着PDC钻头切削齿后倾角的增大，其体积磨损速度显著降低。

在侧转角布齿设计中，Ulterra钻井技术公司研究设计了一种CounterForce PDC钻头，如图11所示。该钻头上每对切削齿均采用相反的侧转角布置，在钻井过程中，每对切削齿均可以形成一组反作用力，最终能减小钻头在钻井时产生的反扭矩以及振动，提高破岩性能[50]。CounterForce PDC钻头在美国南得州的鹰滩页岩区钻井中得以应用。据统计，该区域钻井时共使用了1 085个钻头，平均每个钻头的进尺达到1 427.6 m。针对石灰岩地层，高科等[51]通过试验得出PDC钻头切削齿的侧转角为0°时，钻头的机械钻速最快。此外，在工作角布齿设计中，也常采用许多算法（如克里金模型和粒子群算法等）来优化设计切削齿的工作角[52]。工作角布齿设计能决定PDC钻头对岩石的刮切效果，针对不同岩性的地层，应调整适宜的切削齿工作角，以提高钻头破岩效率。

图11

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图11   CounterForce PDC钻头和交错PDC切削齿

Fig.11   CounterForce PDC bit and staggered PDC cutter


2.3　现代布齿阶段

在目前的PDC钻头布齿设计中，只要某种布齿设计技术能够延长钻头寿命，提高破岩性能，并且符合目前的加工工艺，该布齿技术就可被采纳应用。因此，在现代布齿阶段，PDC钻头的布齿设计具有灵活多变、形式多样的特点。

2.3.1　混合布齿技术

近年来，PDC钻头的布齿方式不再单一，出现了一系列混合布齿技术。混合布齿技术在很大程度上提高了PDC钻头的破岩性能。李百胜等[53]利用硬质合金切削齿和PDC切削齿混合布置的方式，增强了PDC钻头在含砾石且软硬交错地层中的破岩能力。Xiong等[54]将锥形PDC切削齿与常规PDC切削齿混合布置（如图12所示），实现了岩石破碎时刮切和碎裂两个过程的同时进行。锥形PDC切削齿与常规PDC切削齿混合布置的PDC钻头在吉林省苏家屯气田定向井中钻进338 m，机械钻速达8.45 m/h，相比常规PDC钻头提高了67.3%。此外，金刚石孕镶块与PDC切削齿混合布置也能提高PDC钻头在硬地层中钻井时的破岩效率[55]。3种不同尺寸的PDC切削齿混合布置改善了PDC钻头在硬岩环境中的性能，解决了冲击损伤导致的PDC切削齿损耗问题[56]。

图12

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图12   锥形PDC切削齿与常规PDC切削齿混合布置

Fig.12   Mixed arrangement of conical PDC cutter and conventional PDC cutter


在混合布齿设计中，出现了许多新型切削齿。360°旋转切削齿可使切削结构边缘分散承受磨损，采用该切削齿的PDC钻头（见图13）的使用寿命得以延长[57]。带有7颗360°旋转切削齿的PDC钻头已成功应用于美国地区花岗岩地层，其水平钻井进尺为1 065 m，机械钻速达7.5 m/h，切削齿磨损等级仅为1~3级，而常规PDC钻头切削齿的磨损等级为3~6级。贝克休斯公司推出了长寿命凿形PDC切削齿，该切削齿的应用能够减少PDC钻头的井下横向振动[58]，如图14所示。全新的双倒角PDC切削齿能够增大刮切岩石时的接触面积，抑制端面剥落和碎裂[59]。Shear公司发明了旋转硬质合金切削齿并应用于PDC钻头切削结构（见图15），可保护PDC切削齿免遭损坏[60]。带有旋转硬质合金切削齿的PDC钻头已应用于加拿大砾石地层，其钻井进尺为450 m，机械钻速达50 m/h，较邻井的常规PDC钻头提高了66%。此外，结合标准的圆柱形基底和改进的脊形或鞍形PDC切削齿不仅能有效地剪切地层，还可起到类似于牙轮钻头的破碎作用[61]。

图13

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图13   旋转切削齿的分布及结构

Fig.13   Distribution and structure of rotary cutter


图14

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图14   长寿命凿形切削齿

Fig.14   Long-life chisel cutter


图15

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图15   旋转硬质合金切削齿的分布及结构

Fig.15   Distribution and structure of rotary cemented carbide cutter


2.3.2　其他创新布齿技术

在PDC钻头的布齿设计领域，还有许多创新的布齿技术，这些技术均可提高PDC钻头的破岩性能以及钻进效率。其中，双PDC切削齿在岩石中产生的应力可能大到足以使切削齿之间的岩石破碎[62]。Roberts[63]在PDC钻头上增加了一个360°接触环，克服了钻头的振动，如图16所示。带有360°接触环的一体式PDC钻头在北海某油田井场展开钻井试验，一趟钻井进尺为1 129 m，平均机械钻速达21 m/h，切削齿无明显磨损和冲击损伤。King等[64]提出了用于保护PDC钻头切削齿的剪切帽技术，延长了钻头的使用寿命，如图17所示。有剪切帽覆盖在切削齿上的PDC钻头在哥伦比亚砂岩地层钻井中被成功应用，共钻进1 492 m，最快机械钻速达42.1 m/h。Zhang等[65]设计了交叉刮切PDC钻头，通过这种布齿设计来使PDC切削齿形成交叉刮切和交替刮切模式，以此来提高破岩效率。

图16

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图16   带360°接触环的一体式PDC钻头

Fig.16   Integrated PDC bit with 360° contact ring


图17

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图17   剪切帽覆盖的PDC切削齿

Fig.17   PDC cutter covered by shear cap


PDC钻头在钻井过程中的磨损问题一直是个难题。为解决PDC切削齿的磨损问题，有学者提出了相应的布齿设计技术。Ma等[52, 66]利用数值模拟方法获得了PDC切削齿的受力情况，并基于对PDC钻头磨损趋势的预测，优化了切削齿的布局设计。另外，也有学者创新性地提出了考虑PDC切削齿磨损的布齿方法，如随机磨损侧向力平衡布齿方法[67]、全局力平衡布齿方法[68]以及基于切削齿动态磨损的布齿方法[69]，这些方法均改善了PDC钻头的受力状况和稳定性。

另外，哈里伯顿公司推出了一种全新的Stega布齿技术[70]，即沿PDC钻头冠部曲线有策略地布置切削齿，如图18所示。Stega布齿技术充分利用主切削结构形成的井底形状，同时还可以消除主切削结构的负载应力，确保备用切削齿的啮合度，能够最大限度地提高钻进效率。采用Stega布齿技术设计的PDC钻头已成功应用于美国沃尔夫坎普地层钻井，单趟作业钻井进尺为2 586 m，平均机械钻速达29 m/h，相比于邻井的最佳PDC钻头，钻井进尺多了732 m，机械钻速提高了5 m/h。

图18

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图18   采用 Stega布齿技术的PDC钻头

Fig.18   PDC bit with Stega cutter arrangement technology


3 布齿技术发展趋势探讨

目前，PDC钻头布齿技术的主要发展方向包括以下几个方面。

1）复合PDC钻头的布齿技术。

为了实现PDC钻头破岩效率提高的终极目的，目前已出现很多复合钻头，如牙轮-PDC复合钻头、激光-机械复合钻头、超声波-机械复合钻头、射流-PDC复合钻头和等离子束-PDC复合钻头。这些复合钻头技术不断发展，如何设计这些钻头上的布齿参数，使得布齿参数匹配钻井性能，达到“1+1>2”的效果是未来的重要方向。

2）兼容智能化PDC钻头的布齿技术。

智能化一直是当前时代发展的关键词，油气装备智能化更是未来发展的重要方向。在布齿设计时给PDC钻头装上“眼睛”，可检测地层的温度、压力和扭矩等工作参数，达到可知、可控和可调的效果，全面提高PDC钻头钻井时的使用性能。兼容智能化PDC钻头的布齿技术也是未来的重要发展方向之一。

3）长寿命PDC钻头的布齿技术。

PDC钻头最主要的两大特性是钻井效率和使用寿命。在使用寿命方面，可采用有针对性的布齿设计方法，如布置新材料PDC切削齿或使各PDC切削齿达到均匀受力和等寿命。PDC钻头寿命延长可减少钻头替换及起下钻的非钻井时间，大幅提高钻井效率以及降低钻井成本。

4）力平衡PDC钻头的布齿技术。

以力平衡为准则的布齿技术仍是目前重要的发展方向之一。力平衡准则包括侧向力平衡、全局力平衡和多级力平衡等，这些力平衡布齿技术是PDC钻头钻井时保持良好性能的前提。

5）冲击与振动下PDC钻头的布齿技术。

PDC钻头在钻井过程中的冲击与振动是不可避免的，这会导致钻头破岩性能下降和切削齿损坏。因此，以抑制瞬时冲击与振动的布齿设计是提高PDC钻头寿命与钻井效率的重要途径之一。随着材料技术的不断发展，PDC切削齿越来越耐冲击，此时可利用冲击与振动进行破岩，以提高PDC钻头的破岩效率。因此，基于高冲击与高振动工况下的布齿技术具有较强的研究和应用价值。

6）特殊地层下PDC钻头的布齿技术。

近些年，布齿技术不仅要能准确计算布齿参数，还要考虑相互作用的地层性质，如地热、地层岩性不均等因素以及其他特殊的地层性质都要纳入布齿设计的考虑范围，这样才能使PDC钻头发挥出最强的钻井性能。

4 结 语

随着世界各国加大化石能源的勘探开发力度，石油与天然气钻井对PDC钻头的性能提出了更高的要求。PDC钻头因具有高耐磨性、高机械钻速和高破岩效率等特点，在钻井破岩行业中被应用广泛。目前，PDC钻头的经典布齿技术仍具有指导意义。在经典布齿技术的基础上，布齿技术需朝着复合化、兼容智能化、长寿命、力平衡、抗冲击与振动以及适用于特殊地层的方向发展。相比于国外的PDC钻头布齿技术，我国的PDC钻头布齿技术还有很大的发展空间。

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