摘要：PDC钻头的基本切削单元为PDC切削齿，传统PDC切削齿的齿面为平面，仅适用于软至中硬地层，但随着油气勘探开发逐渐向深井超深井发展，岩石硬度和抗研磨性强度逐渐增大，各大钻井现场迫切需要破岩效果更佳的钻头，因此众多非平面PDC切削齿应运而生，其中屋脊齿使用更为频繁，但针对新型屋脊齿的破岩机理研究还较少。本文基于PDC钻头的损坏机理及传统PDC钻头的破岩机理，浅析新型屋脊齿钻头的破岩机理，以期能够为该钻头的发展奠定一定的基础。 关键词：屋脊齿；损坏形式；破岩机理
PDC钻头作为石油开发过程中重要的技术工具，其性能优劣直接影响着钻井效率、成本及质量。伴随着油气勘探开发的快速发展，钻井深度也逐渐朝着深井超深井不断发展，而传统的PDC钻头仅在软至中硬地层破岩效果较好，在硬地层及抗研磨性高地层破岩过程中钻头损坏严重，崩齿现象频发，导致钻井过程中起下钻频繁，严重影响钻井效率，缩短钻头使用寿命，增加钻井成本。针对该问题，近年来国内外对硬地层钻头技术进行了大量的研究，陆续出现了多种非平面PDC切削齿，其中屋脊齿的发展最为快速，使用范围更广，但目前对于屋
脊齿的研究大多停留在如何设计齿面形状，对其破岩方式和机理研究较少，基本处于起步或试验阶段。因此，了解屋脊齿PDC钻头的破岩机理有利于调整其结构设计，才能更好地运用在钻井现场中，最大程度提高钻井效率。
一、传统PDC钻头的损坏原因
从钻井现场回收使用过的PDC钻头来看，绝大部分PDC钻头损坏的特征为崩齿、复合片碎裂、冲蚀等情况。在钻进的过程中，逐渐从软地层过度到硬地层，岩石的强度及抗研磨性强度逐渐增大，导致PDC切削齿受力增大且受力面积不均匀，造成钻头在破岩过程中出现跳钻、蹩钻等情况，破岩效率明显降低，并且会对切削齿造成严重的损坏，崩齿、断齿现象频发，最终影响钻头使用寿命和钻井效率。
图1 崩齿图
除了岩石强度对钻头本身造成的损坏以外，钻头自身的水力结构设计也直接影响着钻井效率、成本及质量。钻头在井底进行破岩工作时，齿面会产生大量岩屑，若不能及时运移岩屑，岩屑堆积导致反复切削，甚者将形成钻头泥包，直接影响钻头的工作性能。同时，破岩过程中还伴随着摩擦产生的大量热量，若齿面清洗效果不佳将导致齿面温度急剧升高，造成钻头热磨损，可能影响钻头的使用寿命。
二、新型屋脊齿的基本结构及工作原理
PDC复合片是由人工金刚石粉末、粘合剂掺和后与硬质合金基体在高温高压下烧制而成，故PDC复合片主要由聚晶金刚石与硬质合金组成，而屋脊齿便是在传统PDC复合片的基础上改良而成的。传统复合片外观为平面，而屋脊齿则是将平面改良设计成为屋脊形双工作面的结构，如图2所示。屋脊齿在破岩过程的工况更为复杂，钻进过程主要由屋脊顶角作为破岩受力点，该顶角的参数决定了PDC切削齿的工作性能，更影响着钻头的使用寿命和成本。当屋脊齿的直径固定时，顶角对聚晶金刚石的厚度具有决定性作用。此外，切削齿的工作角度也直接影响着破岩效率及钻头寿命，因此对于切削齿的工作角度的设计也是PDC
钻头设计的关键因素。屋脊齿由于其复杂的齿面结构因素，相比于常规平面切削齿而言，其工作角度的设计更为复杂。
图2 屋脊齿齿面三维图
屋脊形PDC钻头在钻进工作时与岩石发生相互作用，其工作原理与传统PDC钻头类似，但是因为其独特的齿面结构又有其自身工作的不同之处。一是由于屋脊齿两平面之间形成了顶角，那么在与岩石发生相互作用时，主要靠顶角以点接触的方式与岩石发生相互作用，实际上更类似于牙轮钻头的破岩形式。二是传统切削齿齿面与岩石仅存在斜角切割，但屋脊齿齿面会同时形成两个斜角进行破岩，当两个齿面切削的岩石量一致时，那么屋脊齿在径向方向受到的力基本相同；当屋脊齿齿面切削的岩屑量不相同时，将导致切削齿受到的
力也不相同，切削方向将会发生改变。三是屋脊齿的聚晶金刚石厚度更大，因此该齿形具有更强的抗冲击性能。
三、屋脊齿的破岩机理
岩石破碎机理研究需要将岩石性质、破岩工具及现场钻井工况结合起来才能准确分析出岩石的破碎形式。PDC钻头的破岩机理主要包括单齿对岩石的破碎机理以及切削齿之间对岩石的相互作用，而齿与岩石之间的相互作用，是影响切削齿破碎岩石的关键。常规PDC齿主要是通过齿面对岩石挤压破碎以及齿面的剪切来破碎岩石的，目前国内外学者对于传统PDC钻头的切削机理已做了大量研究，其研究方法主要有三种。一是通过三维建模软件建立钻头切削模型，模拟钻头切削时的情况，并对切削量进行定量分析；二是通过钻头在实际钻井现场的工作效果来进行研究分析；三是通过数值模拟仿真研究切削岩石应力的变化。复合片钻头
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