第二章 PDC 钻头工作原理及相关特点
PDC 钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿有复合片切削齿和齿柱式两种结构，它们的结构以及在钻头上的安装方式如图1-2所示。复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而形成的。它一般用于胎体钻头；齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而形成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿空内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。
复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。复合片一般为圆片状，其结构如图1-3所示，它是由人造聚晶金刚石薄层及碳化钨底层组成，具有高强度、高
硬度及高耐磨性，可耐温度750℃。
人们早就从实验中发现，岩石的诸力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。PDC 钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到了快速钻井的(a) 复合片式切削齿 (b)齿柱式切削齿
图1-2 切削齿在钻头上的安装方式
图1-3 复合片的结构
图1-4 PDC 钻头的切削方式
目的。当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩削呈大块片状，这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似（见图1-4）。被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运至井外。
PDC钻头因使用了聚晶金刚石复合片作切削元件而使得切削齿有很高的硬度和耐磨性。PDC齿的缺点是热稳定性差，当温度超过700℃时，金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏，因此PDC齿不能直接烧结在胎体上而只能采用低温钎焊方式将其固定在钻头体上。在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损（350-700℃时，切削齿的磨损速度很快，这一现象称为切削齿的热磨损）而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。另外PDC钻头应避免在高硬度，高研磨性的地层中高转速钻进，以免造成局部摩擦温度过高。
§2.1 PDC钻头及钻进主要影响因素
§2.1.1 PDC钻头结构介绍
聚晶金刚石复合片分柱式和片式两种，常用的形状有圆形、尖形及半圆形等。通常以柱式方式镶嵌在胎体上。
1. 切削齿的布置
切削齿的布置与所钻地层及钻头类型有关，它将影响到钻头的机械钻速、总进尺和磨损。切削齿布置越多，磨损越慢，钻头寿命越长，但机械钻进速度越低。切削齿的布置应使每个切削齿的切削力、所切削的岩石量、载荷、扭矩、磨损以及水力清洗等都相同，所以有等切削、等功率、等磨损设计要求。
2. 切削齿出刃与胎体
是指切削刃与钻头体之间的距离。切削齿可以是全出刃，也可以是部分出刃：全出刃一般用于钻软地层，全出刃切削齿对钻头清洗有利，且钻速较高；部分出刃用于较硬地层，它的切削齿强度较高，但钻头清洗相对较困难，适用于油基钻井液中钻进；硬质合金胎体钻头由于是铸造形成，不受加工限制。
3. 切削齿的排列方向
有关PDC钻头的切削齿的排列方式的研究目前较多。为了便于清除以利于钻进，切削齿在钻头体上排列还应注意侧倾角和后倾角。侧倾角在钻进时产生外推力，在钻井液的清洗作用下侧倾角能协助将岩屑排出钻头中心，有效清洗钻头。
后倾角除有利于钻头切削齿的清洗外，在硬岩层切削力增大时可以减少切削齿的颤动，有利于保护切削刃，延长其寿命。后倾角一般为?
0。后倾角愈大，
~
?25
机械钻速愈低，但在硬地层中后倾角可减少切削刃的损坏。
图2.1 侧倾角与后倾角示意图
§2.1.2 影响PDC钻头钻进速度的主要因素
影响钻进速度的主要因素有很多，而且互相交织在一起而变得十分复杂。要想把所有的影响因素反应到一个统一的钻速模式中是很困难的。但其中影响较大、变化规律较明显的因素有钻压、转速、牙齿磨损、水力参数、压差、钻井液性能等，而其中与井底流动直接发生关系的有转速、水力参数、压差、钻井液性能等。
1. 转速对钻速的影响
从机械破岩的原理来看，随着转速n的增加，钻速
v也相应增加。通过现场
m
和室内的试验得出的典型转速与钻进速度呈指数关系，且指数小于1。这反映出钻头破碎岩石的时间效应问题。它们之间的关系用数学形式可表达为：
λ
∝（2.1）
n
v
m
式中λ为转速指数，是岩石自然属性，它随地质条件和埋藏深度不同而异。
2. 水力参数对钻速的影响
水力参数引起的井底净化程度对钻速有较大的影响。井底净化是靠射流水力功率来完成的，如果水力功率不够，净化不充分，使岩屑留在井底而造成重复切削，导致实际钻速的下降。同时，射流水功率在一定程度上还有水力破岩的作用。1975年美国阿莫科研究中心在大量试验的基础上给出了水力参数和机械转速合理匹配的关系曲线（图 2.2），该曲线将图分为水力净化完善和水力净化不完善的两个区。一定的钻速就意味着单位时间内钻出的岩屑总量，而清除这些岩屑就需要相应的水力功率。如果实际水力功率小于清岩所需的水力功率,井底就会积存岩屑，影响钻速的提高。由于水力破岩的作用已经受钻压的限制，净化程度只是从保证机械破岩效果方面影响转速，也就是说在排除水力破岩的作用条件下，如果破岩效率一定，在井底净化达到充分后无论如何提高水力功率也不可能提高转速。
6
单位水功率钻速
图2.2 钻速与水力参数关系曲线
根据图2.2中的曲线回归可得：
31.0
8527.0j
cj N υ= （2.2） 并通过大量的试验得到：
j
c j m H N N v v C == （2.3） 式中： cj N ——净化充分时的钻头比水功率，2/mm W ；
j v ——净化充分时的钻速，h m /； c N ——实际钻头比水功率，2/mm W ；
m v ——实际钻速，h m /； H C ——水力参数影响系数。
水力参数的影响系数不能大于1，这是因为净化充分后的钻井机械钻速不会提高。若按（2.3）计算出的H C 值大于1时，说明井底已充分净化，H C 值取1。
由（2.3）可得：
j H m v C v ?= （2.4）
3. 压差对钻速的影响
压差是指井底压力与地层压力之差值。井底压差将使岩石强度增加并对岩屑产生压持效应，从而影响了钻头的破岩效率，使得机械钻速降低。它对钻速的影响规律如图（2.3）所示。根据曲线，可导出压差对钻速影响关系。
p
图2.3 压差与钻速关系曲线
p m e v v ?-=001714.00
（2.5） 式中： m v ——实际速度，h m /；
0v ——零压差时的钻速，h m /；
e ——自然对数的底数； p ?——压差，kPa 。
4. 钻井液性能对钻速的影响
钻井液性能对钻进的影响是复杂的，因为钻井液各种性能之间关系密切，改变钻井液一种性能常会引起其它性能的相应变化，因此要单独评价某一种钻井液性能对钻速的影响相当困难。大量的试验研究证明，钻井液密度、粘度、失水量
和固相含量及其分散性能都对钻速具有不同的影响。
①钻井液密度对钻速的影响
提高钻井液密度将增加井底压差，使钻速相应下降。降低钻井液密度虽能提高钻速，但受地质条件的限制，不能任意降低。
②钻井液粘度对钻速的影响
钻井液粘度并不直接影响钻速，它是通过对循环系统压耗和井底净化等作用的影响而间接影响钻速。在地面功率一定的条件下，降低钻井液粘度可以降低循环系统的压耗，提高钻头压力降，从而使钻速相应提高。
③钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响
实践证明，钻井液固相含量对钻速影响较大，因此必须严格控制固相含量。
钻井液中不仅固相含量对转速有影响，固体颗粒的分散度对钻速有影响。实验证明，钻井液内小于m
1 的固相颗粒越多，对钻速的影响越大（约大12倍左右）。固相含量相同时，分散性钻井液比不分散钻井液的钻速低，固相含量越小，两者差别约大。为了提高转速，应尽量采用低固相不分散钻井液。
此外，钻井液失水等对钻速都有一定影响。但这些性能与钻井液粘度、固相含量及分散性等因素有关，增加钻井液失水常会钻井液粘度，因此难于测定他们对钻速的独立影响。
钻井实践证明，钻井液性能是影响钻速的极重要因素。但钻井液性能常受井下工作条件的影响，难于严格控制，因此至今尚未有能确切反映钻井液性能影响规律的数学模式作为优选钻井液性能的客观依据，这是优选钻进参数中需要进一步研究解决的重要课题。
§2.2 PDC钻头的损坏
PDC钻头的损坏情况很多，原因也各不相同，主要有断齿、泥包、冲蚀、喷嘴或通道堵塞、喷嘴周围及本身损坏等。
断齿问题：PDC钻头钻进过程中要承受各种交变载荷，这些都直接会导致断齿。同时钻头还要受到涡动，岩削的冲击，研磨和泥浆的冲蚀，虽然这些破坏在初期不会导致断齿，但最终往往是以断齿结束。
钻头泥包问题：所谓“钻头泥包”，就是钻头在钻进过程中，切削岩石的切削
力很大，从可变形的塑性岩石中挤出水，导致岩削紧贴在钻头体上，若岩削未及时排除，会越积越多，产生泥包。
泥包对钻头的负面影响很大，常可导致三个方面的问题：1.在钻头上堆积了大量的切削，使切削齿不能接触地层，导致机械钻井速度下降；2.在钻头上堆积大量的粘屑，使其像油箱内的活塞似的工作，在起下钻的时导致压力波动和轴吸压力；
3.钻头泥包生成后，钻井液不能充分冷却PDC复合片，直接影响复合片的寿命。
涡动问题：1987年，美国的BREET提出这种现象是由于PDC钻头的涡动现象造成的，他认为涡动的原因是随着钻头的旋转，钻头的瞬时旋转中心在钻头工作面上的位置不断发生变化，造成钻头作不规则的旋转运动。钻头在钻进过程受深度侧向不平衡力的作用而被推向井壁，钻头的一侧与壁间发生摩擦。钻头在侧向不平衡力、侧向摩擦力、转动扭矩的联合作用下产生不规则运动，其瞬时旋转中心不再是钻头的几何中心，此时的运动状态就称为涡动，而且涡动一旦产生就很难停止。同时，由于较高的转速，钻头涡动运动产生很大的离心力，将钻头一侧推向井壁，产生更大的摩擦力，从而进一补增强钻头涡动，最终造成钻头的破坏。
射流反弹破坏问题：在PDC钻头的初始阶段，由于水力设计的不合理，过大的射流作用在井底，部分形成漫流，部分则反弹作用到钻头的表面，高速射流直接冲蚀钻头，造成钻头的中心部位首先破坏，从而使整个钻头功能丧失。
§2.3本章小节
本章介绍了PDC钻头设计必然涉及的、在进行钻头设计时必须遵守的基本原则，如：切削齿的布置、出刃、排列方向、转速、水力参数、压差对钻速的影响，以及喷射钻井技术和流道形状的设计原则等等。这部分内容既是实践经验的总结，也是钻井技术的基本理论的应用，只有钻头设计与相结合，才能避免设计中脱离实际的问题：如脱离钻头光讨论射流切削、脱离井底谈井底流场、甚至没有钻头形态谈流场模拟等。
金刚石钻头
做切削刃的钻头称为金刚石钻头。该钻头属一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，结构比较简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击的能力，是20世纪80年代世界钻井三大新技术之一。现场使用证明，金刚石钻头在软-中硬地层中钻进时，有速度快、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点。金刚石钻头不但使用时间长，还可以重复利用，返厂修复的金刚石钻头使用起来和出厂的金刚石钻头使用效果差不多，能大量的节约钻井成本。
做切削刃的钻头称为金刚石钻头。该钻头属一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，结构比较简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击的能力，是20世纪80年代世界钻井三大新技术之一。现场使用证明，金刚石钻头在软-中硬地层中钻进时，有速度快、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点。金刚石钻头不但使用时间长，还可以重复利用，返厂修复的金刚石钻头使用起来和出厂的金刚石钻头使用效果差不多，能大量的节约钻井成本。
目录金刚石钻头优势金刚石钻头的破岩机理编辑本段金刚石钻头钻头质量的好坏、钻头类型与地层岩性是否适应，对加快钻井速度和提高单只钻头进尺起着重要的作用。钻一口油气井一般要使用不同尺寸的多只钻头，在钻上部地层时要使用直径较大的钻头，因钻头钻进的地层较软，单只钻头进尺多、使用的时间短，一个钻头一般可重复使用几口井；而在钻下部地层时要使用直径较小的钻头，因地层硬、单只钻头的进尺少，一般要使用多只钻头。一只下井新钻头钻井进尺的多少主要取决于钻头的尺寸、类型、地层的软硬和钻进参数的配合。一般来说，钻头尺寸越小、地层越硬，进尺越少；钻头尺寸越大、地层越软，钻头进尺就越多。
优势
1 力平衡设计使钻头具有良好的导向性，适应配合井下马达应用于定向钻井，具有较小的径向震动；
2 不同结构的专利PDC复合片在钻头不同位置的合理布置使钻头具有较强的攻击性和抗研磨性；
3 强攻击性设计使钻头可获得高的机械钻速；
4 动态流场模拟技术应用于水力设计，使井底流场最优化，有利于提高排屑速度和防泥包。因为PDC钻头的材料主要为铸造碳化钨和金刚石复合片，所以它寿命长，价值高。(精钻金刚石钻头）
金刚石钻头
一．金刚石钻头钻前准备
1、检查上一只金刚石钻头是否存在有钻头体损坏，掉齿等，确定井底清洁，无落物。
2、小心搬运金刚石钻头，将金刚石钻头放置在橡胶垫或木板上。禁止把金刚石钻头直接放置在铁板上。
3、检查金刚石钻头切削齿是否有损伤，金刚石钻头内是否有异物，喷嘴孔内是否有O 型密封圈，根据需要安装喷嘴。
二．金刚石钻头上扣
1、清理金刚石钻头公扣或母扣并涂抹丝扣油。
2、将卸扣器卡在金刚石钻头上，放下钻柱使之与公扣或母扣接触上扣。
3、把金刚石钻头和卸扣器一起放入转盘补心，然后按照推荐上扣扭矩值旋紧丝扣。
三．下钻
1、下放金刚石钻头要慢，通过转盘，防喷器，套管悬挂器尤其要缓慢，以保护好切削齿。
2、注意上次起钻时出现的遇阻井段，下钻过程中遇到缩径和狗腿时应使钻头缓慢通过。
3、距井底约1根单根时开始以50~60rpm的钻速旋转并开泵一额定排量冲洗井底。
4、注意观察指重表和扭矩使金刚石钻头平稳接触井底。
四．金刚石钻头划眼
1、不推荐使用金刚石钻头进行井段划眼。
2、如必须进行划眼时，应以额定排量，缓慢低扭矩划眼。
五．金刚石钻头造型
1、保持额定排量，下放金刚石钻头至井底。
2、采用缓慢钻进至少1m，以建立井底模型。
3、以每次10kN的增加量将钻压增至正常钻进最佳值，严禁加压过猛，造成金刚石钻头的先期破坏。
4、保持钻压恒定调整钻速以便获得最佳的钻进参数组合。
六．金刚石钻头正常钻进
1、在遇到研磨性强或硬砂泥岩时，降低钻速以延长金刚石钻头寿命。
2、遇到地层变化或夹层时调整钻速和金刚石钻头以保持最佳的钻井效能。
3、每次接单根注意以下几点：3．1 恢复泵冲数并检查立管压力。3．2 在
金刚石钻头接触井底前开泵，以50~60rpm的钻速缓慢下放金刚石钻头至井底。3．3 缓慢恢复加压至原金刚石钻头，然后增加钻速至原钻速。
现场使用
金刚石钻头在软-中硬地层中钻进时，有速度快、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点。金刚石钻头不但使用时间长，还可以重复利用，返厂修复的金刚石钻头使用起来和出厂的金刚石钻头使用效果差不多，能大量的节约钻井成
本。
维护保养
1、在钻削钢件时，请保证充分的冷却量并使用金属切削液。
2、良好的钻杆钢性与导轨间隙能提高钻孔的精度及钻头的寿命
3、请确保磁座与工件之间的平整与清洁。
4、钻薄板时，要将工件加固，钻大型工件时，请保证工件的稳固。
5、在钻孔开始与结束时，进给量应降低1/3 。
6、对钻削时出现大量细小粉未的材料，如铸铁、铸铜等，可以不使用冷却液，而采用压缩空气帮助排屑。
7、请及时清除缠绕在钻体上的铁屑，以保证排屑顺畅。
安全规程
1、在操作时，请穿戴好工作服，安全眼镜、安全帽等;请不要穿戴松散的衣服和纱手套，以免发生危险。
2、为防止铁屑将手划伤，钻孔时请使用铁钩来清除铁屑。
3、使用前，请检查钻头是否有伤痕，如有伤痕请不要使用。
4、如果金刚石钻头被卡住，请立即关闭电机。
5、更换、拆卸钻头时，应确保设备电源处于断开状态。
6、在钻头旋转时，请不要用手触摸，以免发生危险。
7、金刚石钻头刃部非常坚硬，但也很脆，请小心保护，如果金刚石钻头崩刃会影响钻孔效果，也可引起钻头断裂。