适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计.pdf

第19卷 第3期 新疆石油天然气Vol.19 No.3 2023年9月 Xinjiang Oil&GasSept.2023基金项目：国家自然科学基金重点项目“复杂结构 井工厂 立体设计建设基础研究”（52234002）；国家自然科学基金创新研究群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究”（51821092）；北京市自然科学基金面上项目“超高钻压下PDC钻头齿在干热岩地层长寿命高效破岩机理研究”（2232060）。第一作者：刘维（1986-），2014年毕业于美国南卫理公会大学机械工程专业，博士，教授，主要从事油气井工程领域的教学和科研工作。（Tel）010-89733087（E-mail） 通讯作者：高德利（1958-），1990年毕业于石油大学（北京）油气田开发工程专业，博士，中国科学院院士，长期从事油气井工程领域的教学和科研工作。（Tel）010-89733702（E-mail） 文章编号：16732677（2023）0301-09DOI：10.12388/j.issn.1673-2677.2023.03.001适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计刘维1，冯超超1，万绪新2，张增宝3，未九森1，高德利1（1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249；2.中国石化胜利石油工程有限公司，山东东营 257000；3.中国石化胜利油田西部油气勘探项目部，山东东营 257000）摘要：随着油气勘探开发向深层、深水、非常规领域发展，钻遇地层越来越复杂，其中深部泥岩地层在钻进过程中表现出极强的硬塑性特征，导致切削齿难以吃入地层、钻头机械钻速缓慢。针对硬塑性泥岩地层提速难题，开展了聚晶金刚石复合片钻头（PDC）切削齿模拟破岩试验，对比分析了多种异形齿的破岩效果。研究结果表明，弯刀齿的破岩效率最佳且兼具一定的耐用性，在胜利罗家油田硬塑性泥岩地层实现机械钻速最高提升116.4%；斧形齿和弯刀齿交错布齿钻头设计适用于砂泥互层等深部复杂地层，在准噶尔盆地永进油田实现机械钻速最高提升215.7%。讨论了硬塑性泥岩地层潜在的提速措施，建议采用“尖锐突破，平面推进，小齿密刮”的钻头设计原则，以实现高效破岩钻进。研究成果为硬塑性泥岩地层PDC钻头优化设计提供了参考。关键词：PDC钻头；异形齿；硬塑性泥岩；钻井提速；个性化钻头设计中图分类号：TE242文献标识码：ADesign of Shaped Cutter PDC Bit for Deep Hard Plastic MudstoneLIU Wei1，FENG Chaochao1，WAN Xuxin2，ZHANG Zengbao3，WEI Jiusen1，GAO Deli1（1.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Changping 102249，Beijing，China；2.Sinopec Shengli Oilfield Service Co.，Ltd.，Dongying 257000，Shandong，China；3.Project Department of Western Oil and Gas Ex-ploration，Sinopec Shengli Oilfield Company，Dongying 257000，Shandong，China）Abstract：With oil and gas exploration and development approaching the deep-burial，deep-water and unconventional fields，the en-countered formations become increasingly complex.Deep mudstone formations exhibit strong hard plastic characteristics during drill-ing，resulting in difficulties in penetrating of cutters into formations and low rates of penetration（ROP）.Given the challenge of improv-ing ROP in hard plastic mudstone，rock-breaking simulation tests of PDC（Polycrystalline Diamond Compact）cutters were conducted for hard plastic formations，and the rock-breaking effects of various shaped cutters were analyzed.The results indicated that the 3D-shaped cutter exhibits the best rock-breaking efficiency and certain durability:it delivers a maximum ROP improvement of 116.4%in the hard plastic mudstone in Shengli Luojia Oilfield.Furthermore，a staggered cutter arrangement design，combining axe-shaped and 3D-shaped cutters，was proposed for drilling deep and complex formations，like sand-mudstone interbedding formations，which deliv-ers the highest ROP increment of 215.7%in Yongjin Oilfield in Junggar Basin.Additionally，potential measures for enhancing ROP in hard plastic mudstone were discussed.The design principles of sharp breakthrough，plane advancing and intensive scraping with small-diameter cutters are recommended to improve the drilling efficiency.The research findings provide valuable insights for opti-1新疆石油天然气2023年随着油气勘探朝着深层、深水、非常规领域发展，地层复杂程度越来越高，严重制约了钻井效率。钻头作为难钻地层提速的关键因素之一，其性能优劣直接影响着钻井效率和钻井成本，研究新型高效破岩钻头以适应复杂严苛的地层工况是迫切需要的。硬塑性泥岩地层是指随着地层埋深增加，上覆岩层机械压实，在围压和温度作用下泥岩由脆性转变为塑性的地层，造成聚晶金刚石复合片钻头（PDC）吃入和剪切破岩困难，机械钻速缓慢，但基本不损伤钻头或损伤很小1-5。针对硬塑性泥岩，相关学者进行了大量研究，认为泥岩地层的岩石颗粒较小，颗粒的界面面积较大，随着埋深增加，岩石在高围压作用下通常表现为塑性状态，大大降低常规钻井工具的破岩效率和机械钻速。何亭6就牙轮钻头硬塑性泥岩提速问题进行了研究，提出了针对性的宽顶牙轮钻头设计，并指出需配合使用大钻压钻进。阮海龙等人1以尖齿为基础齿形进行切削齿优化，设计了新型尖齿PDC取芯钻头，取得了较好的现场试用效果。之后陆续有研究人员基于尖齿进一步开展硬塑性泥岩提速研究，例如使用扭力冲击器配合尖圆形齿混合布齿的PDC钻头钻进，以减少同一部位岩石两次切削之间的时间间隔，防止由于塑性形变恢复而导致的钻头重复切削7，8。在南海莺琼盆地，研究人员同样使用尖圆形齿混合布齿PDC钻头实现了硬塑性泥岩层的提速4，5，9。国内外油服公司积极改进切削齿齿形，以实现火山岩、软硬夹层等难钻地层的钻井提速和单趟钻进尺延长，例如锥形齿能提高中等强度地层、夹层地层和地热井火山岩地层的机械钻速10；元宝齿能有效提升软粘地层的机械钻速11，12；勺形齿可增加粉砂岩与页岩互层地层185%的钻井进尺和18%的机械钻速13；弯刀齿（也称3D齿、V形齿、楔形齿）较常规圆形齿具有更好的破岩效果，在硬地层和页岩等地层的现场应用效果显著14，15。切削齿形不断优化迭代，为塑性地层机械钻速慢的问题提供了新的解决方案。国内外的异形齿破岩效果研究多基于常压环境，但岩石试样在常压下表现为脆性破坏，与井底压力下泥岩表现出的塑性破坏特征相差较大，所得数据与结论对硬塑性泥岩地层钻头优化设计参考性较低。为此，本文基于立式转塔车床（VTL）设计了硬塑性泥岩模拟破岩试验，采用硬橡胶材料来模拟井下硬塑性泥岩，开展异形齿单齿破岩效率评价。本文分析了硬塑性泥岩在钻井中的提速难点，开展了岩石力学试验和单齿切削橡胶模拟试验，优选了切削齿齿形，设计了新型钻头并进行现场试验，最后讨论了硬塑性泥岩地层潜在的提速措施。1 硬塑性泥岩提速难点分析胜利罗家油田位于济阳坳陷沾化凹陷罗家鼻状构造带，其沙河街组三段主要岩性为深灰色泥岩、灰褐色油泥岩、油页岩不等厚互层夹砂岩和灰质砂岩，四段上亚段主要岩性为灰色泥岩、膏泥岩与灰色泥岩、膏白云岩不等厚互层，四段下亚段主要岩性为灰色灰质泥岩、杂色砾岩与紫红色泥岩不等厚互层。沙三段和沙四段实际钻进过程中，机械钻速慢，沙四泥岩段的平均钻时在60 min/m以上。对该区块钻井数据进行分析，得到以下主要认识。（1）钻头出井新度高，切削齿基本完整，说明地层对钻头耐用性要求不高。（2）出井钻头的齿面磨痕小，说明切削齿未形成有效吃入。（3）常规圆形切削齿在硬塑性泥岩地层的破岩效果不理想。（4）提高钻压对机械钻速影响不明显。（5）刀翼数量、布齿密度、切削齿出刃高度和切削齿直径等钻头设计参数的调整对机械钻速有影响，但并不是关键因素。（6）螺杆等井下动力钻具能够提升机械钻速，但影响程度有限。由于岩石在高压环境下的塑性特征，使得齿尖和齿周围岩石由于塑性变形而无法被正常切削剥离，同时高围压下岩石抗压强度增强和岩石的弹塑性特征，导致常规圆形切削齿难以吃入地层，切削齿在岩石表面“打滑”，导致破岩效率低下。针对这一问题，可提高切削齿的尖锐度或改变切削齿的刃部锋利度，使其易于吃入地层、易于切削剥离岩石。楔形齿、斧形齿和凹面齿即为典型代表，如图1所示。楔形齿依靠尖点突破吃入地层，在岩石出现初始裂痕后，楔形齿剩余部分很容易吃入地层。斧形齿与楔形齿类似，顶部尖点破岩，但其拥有更大的破岩面积。凹面齿则是针对刃部锋利度进行了优化，相比于mizing the design of PDC bits for hard plastic mudstone.Key words：PDC bit；shaped cutter；hard plastic mudstone；ROP enhancement；customized bit design引用：刘维，冯超超，万绪新，等.适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计 J.新疆石油天然气，2023，19（3）：1-9.Cite：LIU Wei，FENG Chaochao，WAN Xuxin，et al.Design of shaped cutter PDC bit for deep hard plastic mudstone J.Xinjiang Oil&Gas，2023，19（3）：1-9.2刘维，等：适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计第19卷 第3期 （a）楔形齿 （b）斧形齿 （c）凹面齿图1 易于吃入地层、切削岩石的齿类型常规圆形齿减小了金刚石层表面与侧面的刃部夹角，依靠类似于弯曲刀片状的齿刃部结构来刮切地层，大大增加了齿刃部的锋利程度，使硬塑性泥岩更容易脱离地层，防止因岩石塑性变形未被剥离而重复破岩。但根据现场反馈数据来看，装配有这三种异形齿的PDC钻头实际钻进效果并不理想，甚至起到了相反作用。究其原因，这与斧形齿其尖点不够尖锐，而其它两款异形齿形状改进过于激进有关。这表明需同时具备吃入能力和破岩能力的切削齿才能完成硬塑性泥岩地层的有效破岩。该齿形既需继承楔形齿和斧形齿尖点破岩的效果，同时又要避免破岩面积太小的问题，即在一定程度既能有效吃入地层，又能高效刮切剥离岩石。2 岩石力学实验为深入了解沙四段泥岩地层的岩石特性，在罗家油田L176-X44井沙四段进行了取心，取心井深3 037 m，岩性为灰色泥岩。对岩样进行二次加工，取样方向为井深增加方向，按照国际岩石力学实验标准制作成25 mm50 mm的标准试样，开展了X-射线衍射分析、扫描电镜分析、单轴压缩实验和三轴抗压实验。表1和表2为实验测得的全岩矿物含量和黏土矿物含量。结果表明，该岩样主要成分为铁白云石，含量为29%42%；其次为石英和黄铁矿，含量分别为16%24%和10%12%；黏土矿物含量为16%22%；此外还包括少量的钾长石、斜长石、方解石和重晶石等。黏土矿物以伊/蒙混层与伊利石为主，高岭石及绿泥石含量微少，伊/蒙混层比为40%50%。表1 全岩矿物含量分析结果样品号123矿物含量/%石英15.8 20.5 23.5 钾长石1.4 1.8 2.0 斜长石3.5 4.9 5.2 方解石8.0 7.7 6.7 黄铁矿11.6 11.1 9.5 重晶石1.8 2.4 铁白云石41.5 35.9 28.8 黏土矿物16.4 18.1 21.9 表2 黏土矿物含量分析结果样品号123黏土矿物相对含量/%伊蒙混层757779伊利石202018高岭石322绿泥石211图2 扫描电镜分析结果扫描电镜结果如图2所示，泥岩的压实程度较高，且存在微小裂缝发育，岩石颗粒粒径较小，呈分散状。图3为无围压和25 MPa围压条件下岩石应力-应变曲线。无围压时，岩石存在较为明显的峰值强度，表现为脆性破坏。当岩石处于25 MPa围压条件下，岩石破坏过程中无明显的峰值强度，且岩石破坏峰值强度由无围压下的41.5 MPa增大至86.8 MPa，增大了109.2%，岩石表现出强塑性，严重影响钻井效率。100908070605040302010025 MPa?-3-2-10123?/%?/MPa图3 无围压和25 MPa围压条件下岩石应力应变曲线3新疆石油天然气2023年3 单齿切削橡胶模拟实验常规单齿破岩实验多数基于花岗岩、石灰岩、砂岩等脆性岩石，岩石特性与塑性地层差距较大。因此基于立式转塔车床（VTL）设计进行了单齿切削橡胶模拟实验，主要由数据采集系统、数控系统、四爪卡盘、齿夹具、三向力传感器以及样品等部件组成（图4）。采用硬橡胶材料模拟塑性地层，并用铁质框架将其固定于圆环状岩体之上。设定切削齿的后倾角为20，切削深度为2 mm，选取6种不同形状的切削齿进行单齿破岩测试（图5），记录破岩过程中的三向力，收集橡胶碎屑并称重，计算单位合力下产生的切屑质量（比质量）以及单位长度切痕产生的橡胶质量，其计算公式如下所示：S=MFr式中S 比质量，g；M 橡胶切屑质量，g；Fr齿所受合力，N。图4 单齿切削橡胶模拟实验装置图5 实验中使用的异形齿对PDC切削齿出井后齿面损伤裂纹进行分析，发现PDC切削齿的实际工作区域与切削齿的齿刃最高点会存在不重合的现象，具有一定的偏转角度16。另外，在实际生产过程中，由于生产误差，异形齿的实际朝向也经常与预期位置存在偏转角度。因此，为更符合PDC钻头在井底的实际工作状态，在实验过程中将PDC切削齿在夹具上绕齿中轴顺时针旋转10 后再次进行了实验，如图6所示。图6 切削齿旋转10示意图图7 高速摄像机拍摄的圆形齿切削橡胶过程4刘维，等：适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计第19卷 第3期图7展示了常规圆形齿切削橡胶的打滑过程。如图7所示，在破岩开始后的第2.37 s，齿开始接触橡胶层表面并有一定的吃入深度；在2.373.28 s之间，切削齿在橡胶层表面打滑，没有切削量，直至第3.28 s，齿刃才有了更深的吃入深度，但没有到达设定的2 mm；在第3.36 s时，齿吃入深度大大增加，齿前堆积的切屑增多，并随着齿一同向前移动，这种情况一直持续至4.60 s；在第5.00 s时，切屑再次变大，但仍未脱离本体，直至第6.00 s，才产生了第一团脱离本体的橡胶切屑，实验最终的切削痕迹如图8所示。图8 橡胶切削痕迹实验结果如图9、图10所示，在常规正交切削状态下，凹面斧形齿具备最优的塑性材料切削能力，单位长度切削的质量最大，且单位合力产生的切屑最多，因此在不旋转齿的情况下，使用凹面斧形齿能够取得较好的破岩效果。当旋转10 进行破岩试验时，弯刀齿在单位长度产生的切屑质量超过了凹面斧形齿，且比质量最大，因此在旋转10 条件下，弯刀齿具有最高的塑性材料切削效率，能够在有限的钻进能量下产生最大的切屑质量。切削齿的旋转对常规圆齿有一定程度影响，这与橡胶材质不均质，切削不稳定有关。图9 不同齿形单位切痕长度产生的橡胶切屑质量对比凹面斧形齿工作刃的中间为尖点状，具有点破岩效果，且齿面两侧为弧形，相比于常规斧形齿，增加了正面切削面积，提升了破岩效果。弯刀齿两端为尖点状，两侧被削掉的部分减少了圆柱侧面与地层的接触面积，使切削齿容易吃入地层，同时相对楔形齿增加了两端点之间的工作刃弧长，保留了较多的切削面积。这两种齿形不仅继承了楔形齿的尖点突破优点，同时还保留了圆形齿大切削面积的优势。因此，选取凹面斧形齿和弯刀齿作为主要破岩齿形，用于硬塑性泥岩地层的PDC钻头设计。876543210?/(10g)-399008007006005004003002001000?130?160?3D?10?10?/N图10 不同齿形的切屑比质量和切削合力对比图4 现场试验4.1 胜利罗家油田4.1.1 钻头优化根据室内单齿切削橡胶模拟实验结果，以凹面斧形齿和弯刀齿为主齿，分别设计了适用于硬塑性泥岩地层的PDC钻头。但由于凹面斧形齿尖点抗冲击性能差，在下井试验过程中钻头发生了严重的冲击损伤，后期均采用弯刀齿进行现场试验。图11为弯刀齿PDC钻头，型号为SK513-YS，直径152.4 mm。采用5刀翼设计，切削齿直径为13 mm。此外，对该钻头进行了流体力学仿真（图12），优化了喷嘴方位。图11 适用于硬塑性泥岩的弯刀齿个性化PDC钻头设计5新疆石油天然气2023年图12 钻头流体力学仿真4.1.2 现场试验现场试验在胜利罗家油田三开井的第三开次中进行，主要钻进层位为沙河街组三段和四段。钻具组合由下至上为：152.4 mm PDC钻头+127.0 mm 1.25单弯螺杆+127.0 mm无磁钻铤+127.0 mm无磁悬挂+120.0 mm配合接头+120.0 mm钻铤+120.0 mm配合接头+101.6 mm加重钻杆+101.6 mm钻杆。表3为SK513-YS型号PDC钻头的现场试验情况。新型PDC钻头在同台井中试验，钻进井深约为2 6803 100 m，L176-X21、L176-X18、L176-X30、L176-X40为同台井，即丛式井，一个井场建设多口井，地层岩性如图13所示。常规PDC钻头的机械钻速为3.29 m/h，新型PDC钻头的机械钻速在5.007.12 m/h之间。与常规PDC钻头相比，新型PDC钻头的机械钻速提升最高达116.4%，综合平均提速89.3%。钻头出井后切削齿无明显损伤，切削结构完整，如图14所示。表3 SK513-YS型号钻头现场试验数据序号1234井号L176-X21L176-X18L176-X40L176-X30钻头型号MQ513JP、MQ516JSSK513-YSSK513-YSSK513-YS钻进层位沙三段、沙四上、沙四下沙三段、沙四上、沙四下沙三段、沙四上、沙四下沙三段、沙四上、沙四下井段/m2 6622 9892 6803 0362 7263 1002 7853 100进尺/m327356374315机速/（m h-1）3.297.125.006.56趟钻数量2111钻压/kN6012080100509060140排量/（L s-1）13151515图13 罗家油田同台井钻时岩性对比图4.2 准噶尔盆地永进油田新疆准噶尔盆地中央坳陷昌吉凹陷西段车莫古隆起南翼地区的呼图壁河组、清水河组，地层岩性主要为褐色泥岩、夹砂地层和砂泥岩互层，PDC钻头吃入效果不佳，机械钻速慢。弯刀齿在前期现场试用过程中，出现了钻头刀翼鼻肩部位置切削齿被齿面剪切6刘维，等：适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计第19卷 第3期断裂的现象，与钻头钻遇软硬夹层有关，表明弯刀齿的抗齿面冲击性能存在不足。此外，由于弯刀齿两端被削除，同切削深度下可磨损的金刚石量相对于常规圆形齿降低，导致耐磨性也存在欠缺。图14 L176-X40井钻头出井照片PDC钻头在正常破岩过程中，刀翼的鼻部区域最先接触硬地层，易因载荷突然增大而导致齿面冲击失效17，而刀翼肩部的切削齿易因钻头振动等其它工况受到来自切削齿尖端的冲击。刀翼鼻部和肩部位置的切削齿承担主要破岩任务，在考虑切削齿使用寿命的同时也需充分考虑齿的破岩效率。因此，考虑到永进油田的复杂情况，结合齿形综合性能，优选中心为弯刀齿、肩部为斧形齿的PDC钻头设计。钻头采用刀翼、16 mm异形齿设计，钻头型号SK516-YS，配合井下动力钻具钻进。钻头在YJ3-X14井第三开次进行试验，钻进井深为4 7705 571 m，钻进层位为呼图壁河组和清水河组，总进尺801 m，平均机械钻速4.83 m/h，共使用了两只SK516-YS型号钻头。与邻井相比（见表4），机械钻速最高提升215.7%，平均提升148.6%，创造了该区块新的钻井记录。表4 SK516-YS型号钻头现场应用情况对比序号123456井号YJ3-X14YJ3-X1YJ3-X2YJ1-3YJ302YtJ10钻头型号SK516-YSMQ516JGTD55s、GTD55Ds、S1655HS5161165J1DRT、HS4161164J1DRT、MQ516JMQ516JMQ416J、MQ516J、MQ513J钻进层位呼图壁河组、清水河组呼图壁河组、清水河组、西山窑组呼图壁河组、清水河组呼图壁河组、清水河组呼图壁河组、清水河组、齐古组呼图壁河组、清水河组井段/m4 7705 5714 7715 8304 6825 6044 7025 8664 4125 6444 8625 933进尺/m8011 0599221 1641 2321 062趟钻223535钻压/kN4080401204014010012040120排量/（L s-1）283022252226222727302226机速/（m h-1）4.832.752.151.891.781.535 讨论5.1 罗家油田在胜利罗家油田现场试验过程中，发现新型PDC钻头在上部地层机械钻速较快，而到了下部地层机械钻速迅速下降。常规钻头和新型钻头均存在钻至某一地层机械钻速突变的情况，新型钻头在三开次上部沙三段地层的提速效果较好，但在进入沙四段紫红色泥岩地层后，相较常规钻头有一定程度提速，但未实现突破性的提速，表明沙三段和沙四段上亚段泥岩特性与沙四段下亚段泥岩特性相差较大，相同的钻头设计无法同时适用，仍需进一步深入研究。5.2.潜在提速措施罗家油田和永进油田的现场应用结果表明，优化齿形可有效提升硬塑性泥岩地层机械钻速，但仍需进一步优化迭代，建议从切削齿吃入浅和齿面/井底难以有效清洁两方面切入。针对切削齿吃入浅的问题，可进一步加强齿的尖锐性（降低倒角等）。在钻头设计方面，减小齿的后倾角，增大齿的出刃高度，采用激进钻头设计以提升钻头机械钻速18，19。有效产生岩屑和及时移除岩屑是影响PDC钻头工作效率的关键因素。岩石在高温高压环境下，会发生脆性到塑性的转变，同时在高围压环境下，切削齿表面形成异于常压环境下粉末岩屑的条带状岩屑，且条带状岩屑随着切削前进而不断加长，影响钻头破岩效率。使用新型切削齿设计和优化钻头的水力结构是提升清岩效率的有效措施，针对如何限制条带状岩屑粘附已有相关齿形，例如Smith元宝齿、NOV 4DXC齿、Baker Staycooler齿等，改变切削齿齿面几何结构来切断条带状岩屑，降低其对破岩效率的影响。此外，将PDC切削齿表面抛光也能有效降低塑性岩屑在齿面的粘附20，减小切削齿泥包的发生，促进井底有效清洁。钻头水力结构优化方面21，通过优化喷嘴方位、采用定向加长喷嘴，可减少射流扩散，定向冲洗岩7新疆石油天然气2023年屑产生较多的区域；通过添加导流块，减少刀翼附近旋涡，提升齿面剪切力等设计措施，可进一步促进齿面、井底的有效清洁，增强水力清岩效率，消除塑性岩屑在PDC切削齿表面的粘附、泥包。除此之外，钻井液也深刻影响着机械钻速。基于L176-X44井取样岩心，在上述常规岩石力学试验的基础上，设计了泥浆预浸泡岩石力学试验。对岩心进行水基钻井液浸泡和油基钻井液预浸泡处理，对比钻井液类型和浸泡时长对岩石力学性能的影响。钻井液性能如表5所示。表5 钻井液性能钻井液种类油基钻井液水基钻井液密度/（g cm-3）1.51.6初切/Pa30.5终切/Pa41破乳电压/V647/表观黏度/（mPa s）1111塑性黏度/（mPa s）89动切力/Pa32动塑比/（Pa （mPa s）-1）0.380.22API动态滤失量/mL1.22.4图15为无围压和25 MPa围压条件下岩石应力-应变曲线。无围压时，岩石均存在较为明显的峰值强度，表现为脆性破坏。油基钻井液浸泡24 h下岩石的单轴抗压强度为37.89 MPa，相对于不浸泡试样的41.51 MPa，下降了8.7%。而水基钻井液的浸泡对岩石的抗压强度有明显影响，岩石的单轴抗压强度下降了70.7%。这表明同浸泡时长下，油基钻井液浸泡对岩石性能的影响相对水基钻井液较小。水基钻井液的浸泡导致试样出现略微的塑性。当岩石处在有围压条件下，岩石破坏过程中无明显的峰值强度，均表现出强塑性，与是否浸泡、浸泡时长和钻井液种类无关。与无围压下情况类似，有围压下，水基钻井液对岩石的性能影响远大于油基钻井液。此外，使用油基钻井液浸泡72 h的试样抗压强度略大于水基钻井液浸泡24 h的试样抗压强度，进一步证明水基钻井液对岩石特性的影响更大。同时，浸泡时间越长，对岩石的抗压强度影响越大。水基钻井液浸泡和油基钻井液浸泡的试样均表现出该特点。?1009080706050403020100454035302520151050-1-0.8-0.6-0.4-0.20?/%0.20.40.60.81?24 h?24 h?72 h?24 h?24 h?72 h?/MPa?/MPa-3-2-10123?/%图15 无围压（左）和25 MPa围压（右）下岩石应力-应变曲线水基钻井液能大幅降低塑性泥岩岩石强度，但是现场每米钻时远低于大幅降低岩石强度所需时间，短时间内钻井液类型对岩石的强度影响较小。另一方面，泥岩水化膨胀，会造成切削齿和钻头泥包，并改变钻井液性能。油基钻井液则不存在该问题，造成水基钻井液现场的应用效果不如油基钻井液。油基钻井液润滑性好，低摩阻利于钻压传递22，23，抗污染能力强，岩屑出井完整，对机械钻速影响小，适宜硬塑性泥岩地层钻进。6 结论（1）常规正交切削状态下，尖锐度大的凹面斧形齿具备最优的塑性材料切削能力；但当切削齿旋转10 后，弯刀齿表现出最高的塑性材料切削效率，能够在有限的钻井能量下产生最大的切屑质量。（2）虽然弯刀齿在胜利罗家油田提速效果显著，但沙三段和沙四段上亚段泥岩特性与沙四段下亚段紫红色泥岩特性存在断崖式的变化，两段泥岩岩性相差较大，相同的钻头设计无法同时适用，说明钻头设计需要因地制宜、开展可行化设计研究。（3）准噶尔盆地永进油田的地层可钻性差于胜利罗家油田，对钻头耐用性要求更高。通过采用弯刀齿与斧形齿交错布齿设计，既能保证PDC钻头在硬塑性泥岩的破岩效率，同又能防止因弯刀齿耐用性差而导8刘维，等：适用于深层硬塑性泥岩的异形齿PDC钻头设计第19卷 第3期致钻头过早失效。（4）硬塑性泥岩地层PDC钻头设计建议遵循“齿尖突破，平面推进，小齿密刮”的原则，既能有效吃入地层，又能高效刮切剥离岩石。参考文献1 阮海龙，沈立娜，李春，等.弹塑性致密泥岩用新型尖齿PDC钻头的研制与应用 J.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（12）：80-83.2 沈立娜，吴海霞，蔡家品，等.高效耐冲击复合片取心钻头的研制与应用 C.第二十一届全国探矿工程（岩土钻掘工程）学术交流年会，中国山西大同，2021.3 罗鸣，黄熠，李炎军，等.南海西部油田高温高压井钻井提速技术 J.中国石油和化工标准与质量，2013，33（23）：58-59.4 罗鸣，朱海燕，刘清友，等.一种适用于超高温超高压塑性泥岩的V形齿PDC钻头 J.天然气工业，2021，41（4）：97-106.5 杨勇，罗鸣，邓文彪，等.高温高压深层粘塑性泥岩综合提速技术 J.内江科技，2018，39（2）：32-33、82.6 何亭.宽齿牙轮钻头在海相硬塑性地层中的应用 J.石油和化工设备，2011，14（12）：42-43.7 童金旺.几种典型难钻地层提速方法 J.石油机械，2016，44（12）：38-41.8 蔡家品，贾美玲，沈立娜，等.难钻进地层金刚石钻头的现状和发展趋势 J.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（2）：67-73、91.9 肖平，韩成.南海东方13-X高温高压探井综合提速技术研究与实践 J.化学工程与装备，2021，（11）：51-53.10 MARDIANA R Y，PASARIBU S.The effects of PDC cutter geometries to the drilling dynamics 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