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第7期
李清
（中石化胜利石油工程有限公司西南分公司， 四川 德阳 618000）
[摘 要] 为改变传统PDC切削齿切削方式，延长单只钻头使用寿命、提高钻井效率，斯伦贝谢研发出了新型Onyx 360旋转PDC切削齿钻头。文章介绍了新型Onyx 360旋转PDC切削齿的结构原理，与传统固定PDC切削齿钻头进行了对比，分析了国外及我国新疆克深地区的现场使用效果，现场应用表明：新型Onyx 360旋转PDC切削齿钻头使用寿命长，机械钻速高，钻井效率显著提高，节约了钻井施工成本。建议研发适用性更广的旋转PDC切削齿钻头，以推广扩大该种新型钻头的使用范围。[关键词] Onyx 360；旋转PDC切削齿；钻头；进尺；效率；应用
作者简介：李清（1983—），男，四川广元人，2010年西安石油
大学油气井工程专业毕业，硕士研究生，工程师。主要从事油气井工程现场技术工作。
图1 固定切削齿破岩情况
20世纪70年代，聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿钻头的问世，迅速改变了钻井方式。如今，聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿钻头在钻井领域起着主导地位。据统计，全球超过80%的石油、天然气钻井进尺由PDC 钻头完成[1]。过去40多年，钻头设计者们对PDC 钻头切削齿及钻头胎体进行了不断创新和改造，大大提高了PDC 钻头在高硬度、高研磨地层的性能。目前，尽管PDC 钻头应用占据主导地位，但大多数PDC 钻头切削齿设计仍存在缺陷，一定程度制约着钻探效率。大多数切削齿被焊固在刀翼上，切削破岩时，切削齿边缘仅一小部分与地层接触，极易快速磨损。新型Onyx 360旋转PDC 切削齿的研发成功，通过科学布齿，大幅提高了钻头的使用持久性，延长了钻头使用寿命。
1 传统固定PDC 切削齿
对固定切削齿PDC 钻头的磨损分析发现，切削齿仅有10-40%部分参与破岩，而60-90%部分未被充分利用（如图1所示）。采用基于软件系统的线性元分析切削齿在吃入地层和切削岩层时产生的摩擦热分布（如图2所示），研究表明聚集热集中在切削刃处，切削齿偏磨产生的大量聚集摩擦热，破坏了
金刚石碳-碳结构键；机械磨损与热效应相结合，破坏了切削齿齿刃，切削效率急剧降低，机械钻速也随之明显下降。对于机械钻速的降低，司钻通常的反应是提高钻井参数（钻压/转速）。这进一步加剧了切削刃的磨损，钻头发生早期磨损，不得不进行更换钻头作业，致使增加起下钻次数、降低纯钻时间。根据一项钻头磨损特征统计，因切削齿磨损和碎裂占60%[2]
。
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石油和化工设备
2017年第20卷
图2 固定切削齿破岩热量分布及磨损情况
2 Onyx 360旋转PDC 切削齿
为了解决切削刃上聚集的摩擦热，提高PDC 钻头切削齿切削效率、延长钻头使用寿命，斯伦贝谢研究出一种360°旋转的新型切削齿，通过实现与地层接触的切削齿边缘不断轮流变换，由传统的固定破岩
接触面变为整个切削齿面参与破岩，切削刃能保持充分冷却和“锐利”，解决了局部磨损问题，显著提高切削效率，实现了长时间保持切削齿不钝化，维持高效破岩，大幅提高钻头的耐久性，延长钻头使用寿命。2.1 Onyx 360旋转PDC 切削齿结构原理
Onyx 360旋转切削齿由4部分组成：腔体、旋转轴、基底和切削齿（如图3所示），当钻头工作时，切削齿不仅随着钻头公转，而且还在旋转力的驱动下绕着完全包含在腔体内的旋转轴的轴线自转[2-5]。
刀翼上的旋转齿方向相对于其与地层之间的接触角产生旋转驱动力，侧倾修正确保了切削齿在腔体中平滑而持续的旋转。侧倾角相对较小，但并不降低整个切削效率或阻碍钻屑的疏散。随着切削齿的旋转，切削齿连续不断地切削破岩，磨损平面产生的摩擦热呈周向分布，相对固定齿的偏磨而言，旋转切削齿极大程度降低甚至消除
局部磨损，从根本上避免了摩擦热的局部聚集，从而避免人造金刚石碳-碳键的破坏，降低了工作温度，延长金刚石材料和切削齿的使用寿命。
图3 旋转切削齿结果示意图
2.2 实验测试
为了对比固定PDC 切削齿和旋转PDC 切削齿的耐用性，选用无围压、抗压强度为（30000Psi ）206.
9 MPa 的花岗岩，进行实验测试[2]。通过轴向载荷变化对比及磨损对比验证旋转切削齿切削效率的显著提高。
(1)载荷变化对比
测试过程中，保持恒定的切削速度，为补偿固定PDC 切削齿的磨损，需要不断增大轴向载荷，在实现切削约90层的过程中，轴向载荷由最初的890N 快速地增大到5338N （如图4中橙线所示），且切削齿严重钝化；而旋转PDC 切削齿，需要的轴向载荷较小，同时在切削层数增加的过程中，需要补偿的轴向载荷也远小于固定PDC 切削齿，实现540层的切削过程中，由最初的约890N 缓慢增大至2669N （如图4中绿线所示）。
(2)磨损对比
磨损对比如图5所示，固定切削齿在仅进行90层切削后，固定切削齿便被严重磨损，可以看到整个金刚石复合片边沿被磨穿，并且磨损延伸至碳化钨基底，实验就此终止，在基底进一步磨损前，便能进行金刚石复合片的磨损鉴定；旋转切削齿进行120层、300层、480层、540层切削后，分别进行检查，发现旋转切削齿在切削300层后切削齿边刃无任何磨损迹象，在切削480层后切削齿仍无明显磨损迹象，而在切削540层后切削齿边刃才略有磨损，且磨损呈均匀周向分布。
实验测试表明：与固定切削齿相比，在施加较小的轴向载荷的情况下，旋转切削齿可显著提高切削效率；旋转PDC 切削齿耐用性约为固定切削齿的6倍。
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第7期 李清 ONYX 360旋转PDC切削齿钻头技术及其应用
图4 轴向载荷变化对比
图5 磨损对比
2.3 旋转PDC 切削齿布齿优化
在实验室成功测试基础上，钻头工程师利用
IDEAS 集成钻头设计平台研究旋转切削齿在切削结构中的最佳组合与布齿，以获得可靠旋转和最佳性能。模拟仿真软件预测切削结构在高研磨性地层中磨损角度和磨损精确部位，通过对固定切削齿PDC 钻头的磨损分析，研究表明[2,4]：钻头的胎体肩部承受最大磨损（如图6所示），把布置在PDC 钻头胎体的肩部的固定齿替换为Onyx 360旋转切削齿（如图7所示），通过对切削齿的科学排布，切削齿的寿命和整个钻头的耐用性得到了最优化。旋转切削齿的具体位置及数量取决于钻头尺寸、刀翼数以及所钻地层岩性。若将旋转切削齿布置于低磨损区，如锥区，钻头性能无明显提高。
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技术交流
石油和化工设备2017年第20卷
图6 PDC钻头磨损区域分布
图7 切削齿优化排布
3 Onyx 360旋转PDC切削齿钻头应用案例
3.1 国外案例
3.1.1 美国切萨皮克oklahoma’s colony wash地层使用旋转PDC切削齿钻头提高单只钻头进尺及机械钻速[6]。
由于该区域oklahoma’s colony wash地层的高研磨性造成钻头磨损严重，不得不频繁起钻换钻头。为寻求更高效的策略，在该地层进行6-1/8”井眼钻进，实现减少起钻次数、获得合理钻速以减少钻井成本。使用切削齿为16 mm的Onyx 360旋转切削齿钻头在3口井中试验情况：
第一口井：6-1/8”井眼，进尺879m，平均机械钻速6.43 m/h，与临井相比，进尺与机械钻速明显提高。
第二口井：6-1/8”井眼，中途起钻更换钻具结构，再次下入钻至目的井深，钻头磨损明显较其他钻头降低。
第三口井：6-1/8”井眼，进尺1272.5m，平均机械钻速7.1 m/h，创下最好记录，之后在该区相同地层推广使用16 mm旋转PDC切削齿钻头进行施工。
自2009年，本区域就开始尝试使用各种固定切削齿PDC及旋转切削齿PDC钻头，2015年16 mm 旋转切削齿
PDC在该地区使用，单只钻头实现的进尺及平均机械钻速均得到了突破性提高（如图8所示）
图8 平均进尺及平均机械钻速对比
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第7期 李清 ONYX 360旋转PDC切削齿钻头技术及其应用
3.1.2 澳大利亚侏罗系Plover 组[7]
澳大利亚近海Browse 盆地侏罗系Plover 地层，砂岩夹粉砂岩和粉砂质粘土岩，地层硬度高，研磨性强。使用固定切削齿PDC 钻头，磨损迅速，单只钻头进尺少，机械钻速低，频繁起下钻换钻头。为提高单只钻头进尺和平均机械钻速，在该地层使用8-1/2”MDSiR813旋转切削齿PDC
钻头，
在第一口井钻进至目的井深，实现进尺126m ，平均机械钻速为4.3m/h ，单只钻头进尺提高40%；第二口井中，进一步优化钻头设计，提高切削齿锋度及切削效率，结果单趟钻实现进尺142m ，平均机械钻速高达9.3m/h ，如图9所示，临井相同地层需要使用4只钻头钻进至目的井深，使用旋转PDC 钻头后，单只钻头即钻进至目的井深，从而节约时间50h ，节约成本100万美元。
sis压片图9 钻头使用对比
3.2 国内案例
新疆克深区块巴什基奇克组地层由细砂岩、泥质粉砂岩组成，地层埋藏深，研磨性强，抗压强度在150~185MPa ，有些高达200MPa 。使用普通PDC 钻头在巴什基奇克组地层钻进，平均进尺为30-40m 。在该区三口井的巴什基奇克组地层使用Onyx 360旋转切削齿PDC 钻头，均取得理想效果。
3.2.1克深6井巴什基奇克组
在8-1/2”井段，一般国产钻头单只平均进尺41m ，机械钻速0.52m/h 。选用8-1/2”Onyx 360旋转PDC 切削齿钻头（MDSiR713），取得了非常成功的效果。单只钻头进尺149 m ，机械钻速1.35m/h 。与国产钻头相比机械钻速提高160%，钻头进尺提高263%，最终节省3趟钻，缩短钻井周期约11天。
图10 克深6井巴什基奇克组钻头使用情况
3.2.2 克深2-2-10井巴什基奇克组
在6-5/8”井段，一般国产单只钻头平均进尺40 m ，机械钻速0.55m/h （如图11中临井克深2-2-20所示）
。在克深2-2-10井该井段选用Onyx 360旋转PDC 切削齿钻头（MDSiR613)，单只钻头进尺125 m ，机械钻速0.85m/h 。与国产钻头相比，机械钻速提高54.5%，钻头进尺提高212.5%，最终节省至少2趟钻，缩短钻井周期约7
天。
图11 克深2-2-10井与克深2-2-20井钻头使用对比spta
3.2.3 克深2-1-8井巴什基奇克组
在8-1/2”井段，一般国产单只钻头进尺30m ，进口单只钻头进尺50m 。选用Onyx 360旋转PDC 切削齿钻头（MDSiR813) ，单只钻头进
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石油和化工设备
2017年第20卷
收稿日期：2017-03-23；修回日期：2017-05-15
◆参考文献
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2014[EB/OL]. www.slb/~/media/Files/smith/industry_articles/
oil fi eld_technology_onyx360,2016-12-20.
[2] Youhe Zhang, Yuri Burhan, Chen Chen.Fully rotating
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hard /abrasive formations improves drilling efficiency[R].SPE
麻石脱硫除尘器
166465,2013.
[3] Y ouhe Zhang,Ryan Baker,Y uri Burhan.Innovative Rolling PDC
Cutter Increases Drilling Ef fi ciency, Improving Bit Performance in
Challenging Applications[R].SPE/IADC 163536,2013.
[4] Greg Bruton,Chesapeake Energy,Mark Smith.Constructing
Difficult Colony Wash Lateral With Innovative Rolling Cutter
Technology Improves Drilling Performance[R].IADC/SPE
167956,2014.
[5] Martin Giumelli,Paul O’Shea,Eni Australia.Offshore
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Technology, Timor Sea Australia[R].IADC/SPE-170532-MS,2014.
[6] Shlumberger.Case Study: Chesapeake Improves Footage per
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程控步进衰减器系统studies/smith/drill_bits/onyx360_chesapeake_oklahoma_
cs.aspx,2016-12-20.
[7] Shlumberger.Case Study: ENI Saves 50 Hours, USD 1 Million
with ONYX 360 Rolling PDC Cutters, Offshore Australia[EB/
OL].www.slb/resources/case_studies/ smith/drill_bits/
onyx_360_australia_cs.aspx,2016-12-20.
图12 克深2-1-8井巴什基奇克组钻头使用情况
尺101m，机械钻速0.985m/h。与邻井相比机械钻
速提高75%，钻头进尺提高115%。与斯密斯常规
PDC钻头（MDi613、MDSi616）相比，单只钻头
进尺和机械钻速均显著提高（如图12
所示），最
终节省至少2趟钻，缩短钻井周期约8.5天。
4 结论与认识
(1)Onyx 360旋转PDC切削齿钻头技术的创
新，提高了切削刃利用效率，有效解决了传统固
定PDC切削齿在切削破岩时产生热量聚集，齿刃
偏磨导致的切削齿早期磨损，钻头使用寿命得到
显著提高。
(2)通过使用IDEAS集成钻头设计平台，科学
布置切削齿，将Onyx 360旋转PDC切削齿布置在
承压最高、切削量最大的肩部，其余部分使用传
统固定PDC切削齿，钻头结构得到优化设计。
(3)在高抗压、高研磨性地层中使用Onyx 360
旋转PDC切削齿钻头，与传统固定PDC切削齿钻
头相比，显著延长了单只钻头钻进进尺，机械钻
速得到明显提高；大幅减少了因换钻头进行的起
下钻作业时间，提高了纯钻时效，缩短了钻井周
期，节约了钻井成本。
(4)Onyx 360旋转PDC切削齿钻头，在国外及
我国新疆地区取得良好应用效果，在我国其它适
硬脂酰乳酸钙
合地区及地层扩大应用范围，对降低钻井成本具
不倒翁沙袋有较大潜力。
(5)Onyx 360旋转切削齿的新成果，对我国新
型钻头的研发有一定参考意义。自主创新研发一
套旋转PDC切削齿钻头技术，对钻井的提速提效
可产生深远影响。
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