摘要
针对油气及非常规油气、科学钻探中，砂质泥岩和砂泥岩互层钻进效率低、钻头寿命短的难题，通过齿形金刚石复合片与圆形复合片的交错布置，研制的新型高效耐冲击复合片取心钻头在新疆吉木萨尔油田36-4井页岩油芦草沟组进行了试验研究。结果表明：研制的新型高效耐冲击复合片取心钻头机械钻速较其他钻头提高了2.4~3.1倍，取得了良好的社会经济效益。
我国地质钻探、油气井钻探、海洋深水钻探及科学钻探等众多领域，需要大量的钻头，钻探的成本与钻头的钻进效率和寿命密切相
早期金刚石复合片取心钻头采用类似表镶金刚石钻头布齿方法，将PDC切削齿按一定的规则镶嵌在钻头冠部表面上，即所谓的散布式布齿。这种布齿结构因切削齿出露高度低和水力清洗效果差常常使PDC取心钻头不能有效地剪切破碎岩石和产生“泥包
图1 冠部弧线示意
不同岩石破碎模式的差异与临界切削深度有关，有试验结果表明不同岩石钻进深度存在明显的差异，即钻头的进尺量（切削深度）不同，而切削深度的不同影响岩石破碎模式。当切削深度小于临界切削深度时，岩石发生塑性破碎；当切削深度大于临界切削深度时，岩石发生脆性破
图2 齿形金刚石复合片结构示意
图3 布齿示意
根据设计理念，采用3D打印做阳模，从而实现烧结模具的精准加工，钻头内外保径均交错贴有方形金刚石聚晶，以保证井眼尺寸和岩心顺利进入内管。模具组装好后，采用无压浸渍法将钻头钢体与碳化钨粉末烧结成型，最后利用银铜钎焊的方法将齿形、圆形金刚石复合片与其后支撑焊牢固。钻头成品如
图4 钻头成品
通常而言，切削齿密度越大，数量越多，钻头寿命相对越高，反之亦然。为了平衡金刚石复合片取心钻头机械钻速和钻头寿命之间的矛盾，在布齿密度上，尤其是钻头外径侧布齿采用长抛物线高密度布齿，以提高钻头寿命；在齿形上，利用出露稍高的多尖齿齿形金刚石复合片快速吃入地层，从而提高钻头的机械钻速。
本文研制的高效耐冲击复合片取心钻头将圆形金刚石复合片和齿形金刚石复合片进行有效结合，出露稍高的多尖齿齿形金刚石复合片先吃入地层，圆形金刚石复合片紧随其后切削地层，同时圆形金刚石复合片限制齿形金刚石复合片单次切入深度以保护齿形金刚石复合片，每一片齿形金刚石复合片后方都有至少一片圆形金刚石复合片给予支撑保护和辅助切削，从而在提高钻头钻进效率的同时，增加钻头的使用寿命。
研制的高效耐冲击金刚石复合片取心钻头（型号：PC1336M-BJ）在我国最大的页岩油油田—吉木萨尔油田36-4井页岩油芦草沟组弹塑性地层进行了现场应用，成功实现了弹塑性地层取心提速。由
图5 吉木萨尔油田所用钻头机械钻速对比
图6 钻头出井情况
（1）刀翼式长抛物线高密度布齿、金刚石复合片多尖齿微弧形尖端设计以及圆形金刚石复合片限位保护布置是提高强塑性地层取心钻头寿命和钻进平稳性的有效途径。
（2）“点接触”式金刚石复合片多尖齿设计，能够提高钻头切削深度，进而提高钻头的机械钻速。若能够将金刚石复合片多尖齿齿形与孙荣
（3）高效耐冲击复合片取心钻头将圆形金刚石复合片和齿形金刚石复合片进行有效结合，出露稍高的多尖齿齿形金刚石复合片先吃入地层，圆形金刚石复合片紧随其后切削地层，同时圆形金刚石复合片限制齿形金刚石复合片单次切入深度以保护齿形金刚石复合片，每一片齿形金刚石复合片后方都有至少一片圆形金刚石复合片给予支撑保护和辅助切削，从而在提高钻头钻进效率的同时，增加了钻头的使用寿命。
参考文献
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. [百度学术]
阮海龙，沈立娜，胡远彪，等.硬岩超高胎体偏心齿钻头的研制及应用［J］.钻探工程，2021，48（3）：56-60. [百度学术]
郭庆清，王家亮，张绍和.胎体弱化颗粒材质对WC基孕镶金刚石钻头胎体磨损性能的影响［J］，中国有色金属学报，2015， 25（9）：2531-2535. [百度学术]
沈立娜，阮海龙，李春，等.坚硬致密“打滑”地层新型自锐金刚石钻头的研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（11）：57-59. [百度学术]
庞丰，段隆臣，童牧，等.钻进打滑地层时造孔剂对孕镶金刚石钻头性能的影响［J］.粉末冶金材料科学与工程，2014（5）：790-796. [百度学术]
孙义生，王军，杨文彬.深部"打滑"地层绳索取芯孕镶金刚石钻头的设计探讨［J］.吉林地质，2012，31（4）：130-132. [百度学术]
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. [百度学术]
要二仓，张富兰，杨爱军，等.地浸砂岩型铀矿弹塑性致密泥岩钻头的研究与应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（6）：72-75. [百度学术]
李雨，蔡家品，贾美玲，等.硬致密泥岩钻进的新型复合片钻头的研制与应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2006，33（9）：60-61. [百度学术]
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. [百度学术]
陈云龙，秦志坤，王志刚，等.致密泥岩用新型巴拉斯钻头的设计与应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（12）：63-65. [百度学术]
何育光.抗涡旋PDC取芯钻头研究与应用［D］.青岛：中国石油大学（华东），2008. [百度学术]
周琴，张在兴，张凯，等.钻头切削齿破碎岩石的温度变化试验及机理分析［J］.天然气工业，2020，40（10）：102-110. [百度学术]
RICHARD T， FABRICE D， POYOL E， et al. Rock strength determination from scratch tests［J］. Engineering Geology， 2012 （147/148）： 91-100. [百度学术]
张在兴，周琴，张凯，等.岩石切削深度对切削齿温度分布的影响分析［J］.煤炭学报，2019，44（S2）： 492-501. [百度学术]
孙荣军.煤矿用PDC钻头耦合仿生设计及提速增效破岩机理研究［D］.西安：西安科技大学，2018. [百度学术]
蔡环.PDC钻头关键设计参数优化研究［D］.北京：中国石油大学，2008. [百度学术]
CHEN Pengju， MENG Meng， MISKA S， et al. Study on integrated effect of PDC double cutters［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2019， 178： 1128-1142. [百度学术]
邹德永，曹继飞，袁军，等.硬地层 PDC 钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计［J］.石油钻探技术，2011， 39（6）： 91-94. [百度学术]
祝效华，但昭旺.PDC切削齿破碎干热岩数值模拟［J］.天然气工业，2019，39（4）：125-134. [百度学术]
