四川盆地叙家河组致密硬砂岩中三脊PDC刀片的旋切试验与破岩特性

为什么破碎硬岩很重要

从深处致密顽固的岩层中开采天然气，取决于我们多快、多安全地穿透它。在中国西南，叙家河组蕴藏大量致密砂岩气，但该岩石极为坚硬且磨蚀性强，导致钻头快速磨损，降低钻进速度并增加成本。本研究考察了一种新型金刚石刀片，展示了改变每个切削齿微小几何形状如何显著提高穿透地下岩层的效率。

一个富气且坚硬的岩层

叙家河组砂岩位于四川盆地下方深处，富含石英颗粒，使岩石既非常坚硬又致密。这种条件有利于封藏天然气，但对钻头极为不利：岩石会迅速钝化切削刃，缩短钻头的钻进寿命，并增加井眼超标的风险。在全球范围内，多晶金刚石复合片（PDC）钻头已成为油气钻井的主力，但标准平面刀片在此类地层中表现受限。工程师们开始探索三维刀面形状，以实现不仅是刮削，而是以更节能的方式诱发裂纹并破碎岩石。

金刚石刀片的新形状

研究团队聚焦于三脊PDC刀片，其工作面被设计成三个凸起的肋，并将其与传统的平面刀片进行了对比。利用专用试验台，他们将单个刀片压入并拖拽通过取自叙家河露头的致密硬砂岩试块。装置可控制刀片进入岩石的速率、试样在其下方的旋转速度以及刀片距钻头中心的工作半径，以模拟真实钻头的不同工作部位。灵敏的力传感器记录了刀片从表面向下穿入数毫米时推动力和切削力的变化。

观测岩石失效过程

通过随时间跟踪力的变化，研究者发现刀片推进时存在重复的模式：力稳步积累，随后在岩石开裂和碎片脱落时出现波动，然后再次上升。这些阶段对应弹性弯曲、脆性破坏和另一次弹性加载。对于两种刀片类型，都存在一个在给定载荷下达到最佳穿透的倾角，但数值不同：平面刀片约为30度，三脊刀片约为25度。三脊设计在相同深度下需要更高的峰值力，因为其肋与更多岩石接触，然而它在表面下产生了更大的破坏区和更多破碎体积。对凹坑和沟槽的详细扫描显示，肋状刀片开凿出更深的通道并将裂缝驱远至岩体更外围。

岩屑、能耗与钻井参数

每次试验后，团队收集破碎的岩石，将其过筛分成不同粒级，并用分形分析描述其碎裂程度。当刀片推进速度较快而旋转速度较低时，会产生更深的切削，形成更大的岩屑且细磨程度较低。在这些条件下，单位长度移除的岩石体积增加，机械比能（每单位破碎岩石所消耗的能量）降低。较高的旋转速度则相反：刀片与岩石更频繁接触，将表面碾磨成更细的粉末，提高能耗并减小单个岩屑尺寸。在可比试验中，三脊刀片始终比平面刀片移除更多岩石体积且能耗更低，其切削力波动也较小，表明钻井过程更稳定。

对钻坚硬砂岩的意义

对于设计钻头和选择钻井参数的工程师来说，这些实验给出明确的指导。三脊金刚石刀片在破碎致密富石英砂岩时，比平面刀片更高效，尤其是在较高钻压与中低转速配合下更为显著。这种组合有利于更深的单齿切削、更大的岩屑和更低的能耗，同时改善钻进过程的稳定性。就实际操作而言，更优的刀片形状和更合理的工况设置可望使像叙家河这样的地层钻井更快、换头次数更少，从而降低成本并更容易开发难以获得的天然气资源。

引用: He, W., Li, X., Zhang, Z. et al. Rotary cutting tests and rock-breaking characteristics of triple-ridged PDC cutters in tight hard sandstones from Xujiahe Formation in Sichuan Basin in China. Sci Rep 16, 15247 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44154-8

关键词: PDC钻头, 硬砂岩, 岩石切削, 钻井效率, 三脊刀片