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
岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系 体会： Ⅰ、钻头一般破岩过程：压入剪切 牙轮： （1）主要方式—冲击、压碎，作用来源：①静压，②冲击载荷（牙齿交替接触井底）； （2）剪切作用，来源：①牙齿吃入地层，楔形面对岩石的正压力与摩擦力合力，②主要来源：牙轮滚动的同时产生牙齿相对地层的滑动。 刮刀：主要方式—剪切，辅以研磨和压碎 PDC：主要方式—剪切，辅以研磨和压碎 [1]P19:刮刀和PDC钻头破岩是压入和剪切综合作用的结果，从而是破岩所需的纵向压力大大减小。试验证明大约只相当于静压入破岩的1/6---1/4。 Ⅱ、可利用研磨性理论的一些结论解释如下现象： 相对于泥岩，砂岩表面粗糙度高，摩擦力大，所以： PDC钻头钻遇砂岩时扭矩呈现高频高幅振荡 牙轮钻头扭矩增大但仍呈钻遇泥岩是的平直状。 Ⅲ、PDC刀翼数量对扭矩的影响 刀翼数越多，扭矩越平稳；越少，扭矩波动越大。原因：刀翼数少，刀翼钻头周期性接触井底波动越大，从而导致扭矩波动大。实例： 克深202井钻吉迪克第三套砂砾岩层，采用6刀翼PDC，钻压10--12t，扭矩曲线平直；下部泥岩段，钻压10--12t，扭矩波动大11—16KN.m，扭矩曲线呈高频振荡。
地层可钻性分级、梯度规律 地层可钻性梯度规律[3] ①地层埋深越深越难钻，②年代越老越难钻 由以下实例可知：地层可钻性梯度规律受埋深压实和成岩年代两 种因素控制。 体会：浅部地层不存在特别难钻的地层。如大北202井1324～3900m井段，对纯岩性地层钻时一致，含少量的砾石即可导致钻时上升。3496.46～3783.23m 采用95/8″Power-V +16″M1665SSCR PDC 3685～3706m为褐色泥岩，钻时31～43min/m；3715～3723m为褐色含砾泥岩和含少量（5%左右）砾的褐色泥岩，钻时51～103min/m。 例：济阳凹陷 ①地层埋深越深越难钻， ②年代越老越难钻 古生界奥陶系地层，虽然由于造山运动上升至1800～2000m，但其平均可钻性为6.09，其深度与东营组相当，但其平均Kd值却比东营组高1倍多。
钻头优选与合理使用技术 一、概述 在旋转钻井中，钻头是破岩造孔的主要工具，它的质量优劣及其与地层、岩性和它钻井工艺条件的适应程度，直接影响着钻井速度的高低，因而根据地层条件合理选择钻头类型和钻井参数，则是提高钻速、降低钻井成本地重要技术环节。在深井钻井过程中钻头要钻遇、钻穿多套地层中和多种岩石，由于岩石是具各向异性的非均质体，其品种极多且性质各异，因而从事钻头选型工作研究的石油钻井科技工作者，面对的是一庞大而复杂的集合体。故钻头类型优选方法的先进性及其所选钻头类型与地层的适用程度，从一定意义上讲制约着深井钻井速度的大幅度提高和钻井成本大幅度下降，是目前国内外钻井工程技术领域相当重视与关注的一项重要研究工作，多年来各国都在下大力,投入大量资金和众多人员进行该方面的试验与研究,以期获取行之有效且能为优质高效钻井提供技术支持的钻头选型方法。 石油勘探开发高速度与低成本目标的实现，很大程度上取决于钻井的高速度。目前国内外畅行的提高钻井速度的主要技术途径，是实施优快钻井配套技术，该项技术的核心内容是由软件技术－高水平的钻井工艺技术和硬件产品－与地层适用性强的高效钻头两部分内容组成。因而欲求获取钻井的高速度，即实现提高钻井速度、缩短建井周期的工作目的，除应在不断进行钻井工艺技术方面技术创新、研究开发外，另一重要技术途径是注重研制新型钻头和合理选择及使用钻头。 二、国内外相关钻头选型方法综述 自钻井应用于探矿工程开始至今，新型钻头研制与钻头选型工作，一直是钻井技术领域中研究的主要课题，随着钻井工艺技术的不断进步与提高，钻头选型方法在不断提高与完善，但此项工作将永远是该项技术领域中研究的主题。现将国内外有代表性的几种钻头选型方法予以归类综述。 （一)经验钻头选型法 本方法俗称现场钻井资料选型法，其提出和应用开始于钻井工程的初始阶段，后经从事石油钻井工程现场施工和科研人员几代人的不断完善提高、逐步形成为一套行之有效的实用方法，目前现场钻井技术人员多采用这一方法选择钻头类型。 本方法的技术路线梗概为：以现场钻井资料为基础，通过统计分析目标井所在地区大量的邻井实钻资料，按照各种类型钻头在相同地区、相同地质层段、相同井深条件下，其平均进尺多、平均机械钻速较高的理念选择和使用的钻头类型。本方法具有简单实用、在相同地区和相同地质层段适用性强的优点。其不足之处表现在： 1.由于统计分析资料中涵盖的钻头种类有限，其所选定的钻头类型是否为最优； 2.钻井工程的流动性较大，其选型结果受所钻地区与地层的影响较大，当地区或地层变化后，其推广应用价值和适用性就大打折扣；
前言 自PDC钻头问世以来，以其优良的性能及随之而带来的经济效益，越来越多的受道现场作业队的青睐。然而美中稍有不足的是，在现场的应用中，PDC只是PDC 而以，也就是说，作业人员对其了解还不是很深刻。鉴于此，本人欲从其特点，包括PDC钻头的设计特点和它的结构特点，还有其破岩机理上给予归纳、总结和分析、推理，以期望能为现场作业提供一点技术上的借鉴和参考。
PDC钻头的特点和破岩机理 摘要:本文在简要介绍了PDC钻头的物质成份，两大类别(胎体钻头和刚体 钻头)及其不同物质在钻井作业过程中所起的作用的基础上，归纳、总结了PDC钻头特点，包括其设计特点和结构特点;同时较详细地分析了在打定向井时，PDC钻头的结构特征因素对造斜率的影响;另外也在分析、归纳、总结国内外专家、学者的独特见解的基础上，对PDC钻头的破岩机理，也在一定程度上给予阐述。并在此基础上，最后也提出了一些PDC钻头的选型依据。 关键词: PDC钻头; 特点; 机理分析 Abstract:This themsis briefly introduces which materials PDC bit is made from，how it is manufactured，and the different types of PDC bits，also shows you the principal functionsof the different materials of PDC bit in drilling----on the basis of these，summaries the characteristics of PDC bit，including its designing characteristics and structural characteristics，and specificly analyses the effect of its structural characteristics on the leaning ration in the controlled directional drilling。At the same time ，after studying the specific ideas of the different experts at home and abroad，to some extent，analyses and summaries the rock breaking mechanism of PDC bit。In the end ，on this basis，gives you some facters that can help you how to choose PDC bit effiently。 Key words: PDC bit; characteristics; Mechanism analysis 正文: 近年内，随着PDC钻头的广泛应用，PDC钻头在型号和质量上都进行了较大的改进，已经在软到硬的地层中逐步使用，并且取得了较好的经济效益，为更好地使用PDC钻头，使其最大限度地发挥优势，以便更好地服务于钻井作业，特从其特点和破岩机理方面撰写此文。 PDC钻头，就是聚晶金刚石复合片钻头，即Polycrystalline Diamond Compact Bit。它以金刚石为原料加入粘结剂在高温下烧结而成。复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于1mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。两者地有机结合，使PDC既具有金刚石地硬度和耐磨性，又具有碳化钨地结
PDC钻头的原理和应用 摘要PDC钻头在胜利油田的成功应用,大大地提高了机械钻速。但由于PDC 钻头在结构与钻进参数上的特殊性,造成其在定向井中井眼轨迹控制方面的不足。 关键词PDC;原理;定向井;问题 1对PDC钻头的分析 PDC钻头于20世纪70年代投入应用。在过去的30多年中,大量的技术进步使PDC钻头在钻头市场上占有重要份额,并且成增长趋势。过去,PDC钻头只限于钻软到中硬地层,不能钻研磨性地层。今天,大量的发明和技术突破使PDC钻头的钻速更快、钻井质量更好而且钻井深度更深,其应用范围也扩大到硬地层和研磨性地层。 1.1聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的材料 聚晶金刚石复合片是以金刚石粉为原料加入粘结剂在高温高压下烧结而成。由于聚晶金刚石内晶体间的取向不规则,不存在单晶金刚石所固有的解理面,所以PDC的抗磨性及强度高于天然金刚石且不易破碎。但由于多种材料的存在,热稳定性较差,同时脆性较强,不能经受冲击载荷。后来随着PDC钻头的技术进步使得聚晶金刚石薄片与碳化钨圆片接触面的几何形状有了改进,也使PDC钻头的热稳定极限也由原先的700。C提高到1150℃。 1.2聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的结构 与牙轮钻头不同,PDC钻头没有运动部件。按钻头体材料及切削齿结构把PDC钻头分为胎体及钢体两类。胎体钻头的钻头体用碳化钨制成,再将复合片直接焊接在本体;钢体钻头的钻头体用整块的合金钢加工而成,再将复合片焊接在碳化钨材料齿柱上制成切削齿,然后将切削齿镶嵌在钻头体上。 1.3PDC钻头的水力结构 PDC钻头采用水眼供给钻井液,通过切削齿的排列分配钻井液的方式保证切削齿的清洗、冷却和润滑。PDC钻头有刮刀式、单齿式和组合式三种排列及分布方式。 1.4PDC钻头的工作原理 PDC钻头工作原理和刮刀钻头基本相同。 1)PDC钻头在钻进某些硬地层时,在钻压作用下压入岩石,使与金刚石接触的
三牙轮钻头的结构及工作原理 在石油钻井作业中，三牙轮钻头是使用最多的，且能适应各种地层的钻头。 1909年世界上出现了第一个牙轮钻头; 1925年出现了自活式牙轮钻头，解决了软地层钻头牙齿间积存岩屑而易产生泥包的问题; 1933年出现了滚动轴承的三牙轮钻头; 1935年牙轴钻头进一步的改进，出现了移轴三牙轮钻头; 1949年开始发展喷射钻井，很快应用到牙轮钻头上来; 1951年使用了镶硬贡合金的钻头，使得钻头在极硬的地层中的使用寿命和钻速都得到提高; 1960年试制成功了密封润滑轴承，使工作时间达到了40~60小时，钻头的进尺提高50%; (一)三牙轮钻头在井底的运动 牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是相当复杂的。要想了解钻头破碎岩石的工作原理之前就必须要了解钻头在井底的运动规律。为了便于从理论上分析工轴钻头的运动规律，在分析之前先做如下的假设：①井底和钻头都是刚性的; ②牙轮与井底接触的母线上压力是均匀分布的; ③钻及牙轮是作等角速旋转的 (二)钻头的冲击、压碎作用 三牙轮钻头在井底工作时，由钻头共振产生牙齿对岩石的冲击、压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。钻进时钻头在井底产生共振，使钻柱不断压缩与伸张，下部的钻柱把这种周期性的弹性变形能传递给牙齿，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。 (三)牙齿对地层的剪切作用 为了提高牙轮钻头的破岩效率，除要求牙齿对井底岩石产生压碎、冲击作用外，同时对中硬和软地层来说还要求有一定的剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还要产生轮齿对岩石的相对滑动来实现。在现实的工作中，产生滑动的原因有三个：超顶超顶超顶超顶、复锥复锥复锥复锥和移轴移轴移轴移轴。 1、超顶引起的滑动 超顶牙轮产生的切线方向的滑动，滑动速度的大小与超顶距成正比。在纯滚动点的两侧，其滑动方向是相反的。
破岩原理 一名词解释 1.岩石的硬度：产生脆性破碎时接触面上单位面积的载荷。 2.岩石的塑形系数：破碎的耗费的总功AF与弹性变形功AE的比值，用来衡量岩石塑性的大小。 3.压入强度：单位刃长上的压入系数。 4.研磨性：岩石磨损破岩工具的能力。 5.可钻性：岩石破碎的难易性，反映了岩石的井底抵抗钻头破碎的能力。 6.变形特征：岩石试件在各种载荷作用下的变形规律。 7.强度特征:岩石试件在载荷作用下开始破坏时的应力值。 8.侵入比功：破碎单位体积岩石所消耗的功。 9.层理：在垂直方向上岩石成分的变化。 10.片理：岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。 11.磨耗比：金刚石和一定粒度和硬度的碳化硅砂轮对磨，称出对磨后两者消耗量之比。 12.井底遮盖系数：三个牙轮各齿圈上牙齿宽度的总和与井底接触母线长度的比值。13．井底击碎图：将三个牙轮的每个牙轮上主、副锥母线及其上的齿圈宽度并列画出来的示意图。 二简答 1.库仑剪切强度曲线特征 答：（1）库仑剪切强度曲线在τ-σ平面上为直线 （2）斜率为f=tanυ（3）在τ轴上的截距为c （4）抗剪强度=内聚力+内摩擦力 （5）莫尔应力圆与强度曲线相切时，岩石发生了破坏。 2.通过定压实验法确定岩石的弹性模量 答:（1）如果应力-应变曲线上由直线段，则直线段的斜率为杨氏弹性模量。 （2）如果没有直线段，取应力为一半强度极限值点的切线模量或割线模量。 3.常规三轴试验步骤 答：（1）将圆柱形岩样置于一个高压容器中（2）首先用液压P使其四周处于三向均匀压缩的应力状态下（3）然后保持此压力不变，对岩样进行纵向加载，直至使其破坏，试验的过程应记录下纵向的应力和应变的曲线关系。 4.什么是巴西劈裂试验 答：间接测定岩石抗拉强度的试验，将一个薄的圆盘试件沿其直径加载使之破碎，盘的破碎时从盘的中心开始并沿着加载直径向上下两方面拓展开来，从而使盘在加载点连线上呈现清晰的破裂，这是由于在垂直于加载直径的方向上分布有拉伸应力的缘故。 5.表示岩石研磨性的一般方法和观点 答：1）直接利用矿山生产中的工具消耗率来表示岩石的磨蚀性 2）用岩石的坚固性同时来表示岩石的磨蚀性 3）用模拟实验来确定岩石的磨蚀性 6.下部钻柱受压状态分析 答a.在钻压小，直井条件下，钻柱是直的b.钻柱第一次弯曲，压力达到某一临界值，下部钻柱发生弯曲，在某个点和井壁接触；这里是第一次弯曲c.继续加大钻压，切点逐渐下移 d.钻柱第二次弯曲，钻压增大到新的临界值，钻柱呈现第二个半波，钻柱第二次弯曲 e. 钻柱第三次弯曲，继续加大钻压，钻柱第三次弯曲/多次弯曲 f.钻压>钻铤一次弯曲的临界钻压 7.钻柱在井眼里旋转形式及特点
1 PDC钻头的结构 切削齿、水力系统、排屑槽和保径齿组成。它有两种基本的类型:钢体钻头和胎体钻头。钢体钻头完全由机械加工而成，首先将整块合金钢毛坯经机加工成钻头体，再将切削件焊在连接柱上，最后将连接柱压入事先在钻头上钻的孔中(孔不钻透)，其加工质量容易保证。胎体钻头与金刚石钻头制造方法相似，钻头体采用铸造碳化钨粉、碳化钨粉和浸渍料烧结而成，PDC切削件通常带有一伸长衬底焊到钻头上，其具有最好的保径能力，有较强的抗侵蚀能力，没有连接柱，因而不会出现连接柱断裂的现象，但制造工艺复杂些，加工不易控制。 PDC钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿按照一定的方式布置在钻头体表面上，切削齿的安装方位角度也不尽相同，切削齿有复合片式和齿柱式两种结构。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成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿孔内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。 2 PDC钻头的破岩机理 PDC钻头的具体破岩方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的硬度和岩性，主要分为四种: 2.1 剪切。 当PDC钻头在软到中等硬度地层钻进时，复合片切削齿在钻压和扭矩的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，切削所产生的岩屑呈大块片状。这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似。 2.2 预破碎。 PDC钻头的“尖/圆”齿交替布置切削结构所特有的岩石破碎方式，主要作用于以纯剪切方式不容易钻进的地层，如中等、中硬和硬地层及带有硬夹层的地层等。预破碎过程是通过开槽切削来完成的，具有这种切削结构的钻头在钻进过程中，尖形切削齿因与地层接触面积小受力集中而先行吃入地层，岩石在接触应力作用下产生破碎裂纹，随着钻头的不断旋转，尖形齿在岩石中切出一条条小小的螺旋状“卸荷”槽，紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削强度已大大减弱的大块岩石，达到快速钻进的目的。这样大大提高了切削效率，降低了切削齿的磨损速 2.3 犁削。
文章编号:1000-2634(2007)-11-0113-03 潜孔钻头破岩机理仿真研究* 宋嘉宁1,李琴1,谭力1,刘成2,魏振强1 (1.西南石油大学机电工程学院,四川成都610500; 2.新疆石油管理局供热公司) 摘要:利用ANSYS/LS DYNA显式动力学分析软件建立潜孔钻头与岩石的互作用动力学模型,对潜孔钻头的破岩过程进行仿真分析,通过对破岩总体过程、钻头的应力、破碎坑的形状和分布及钻头的位移等四个方面的分析,完整地描述潜孔钻头的破岩机理,认为钻头破碎岩石的过程分为三个阶段:中间齿破碎岩石,形成破碎坑阶段;边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段;钻头的反弹阶段。在钻头侵入岩石的过程当中,钻头既有轴向的位移,也有横向的位移。破岩过程中,牙齿3峰值最大,最容易发生破坏。 关键词:冲旋钻井;潜孔钻头;ANSYS/LS DYNA;仿真;破岩机理 中图分类号:TE921 文献标识码:A 引 言 随着石油资源的不断开发,石油钻探的难度不断增大,尤其是在钻进硬地层时进度缓慢,成为制约石油钻探的一个重要因素。冲旋钻井技术具有的钻进速度快,成孔质量好的特点,是解决硬地层钻进的有效途径[1-3],受到各国钻井专家的关注。通过对冲击载荷作用下潜孔钻头与岩石的互作用进行探讨,研究潜孔钻头的破岩机理,为潜孔钻头的设计和改进提供理论依据,最终达到提高潜孔钻头破岩效率和钻进速度的目的。为了准确地模拟钻头与岩石的互作用的情况,选用著名的动力学仿真软件ANSYS/LS DYNA对破岩过程进行分析。 1 仿真模型的建立 1.1 三维实体模型的建立 利用Pro/E建立潜孔钻头的三维模型,为研究方便,将钻头各牙齿进行图1所示的编号,其中6颗边齿为球形齿,3颗中间齿为锥形齿。岩石的模型相对简单,可直接用ANSYS建立。 1.2 定义材料 分析中,将岩石的材料设置为MAT I STROPI C ELASTI C F A I LURE,一种塑性应变失效模型,将钻头的材料设置为MAT ELASTI C,一种线弹性模型[4-6] 。 图1 钻头牙齿编号图 基准单位采用时间(m s)、长度(mm)、质量(g),相应的导出单位为压力(MPa)、速度(mm/m s)、角速度(rad/m s)、力(N)。具体参数设置如表1和表2所示: 表1 钻头参数设置 弹性模量/M Pa泊松比密度/(kg/m3)参数数值2100000.287700 表2 岩石参数设置 剪切模量 /M Pa 密度/ (kg/m3) 塑性硬化 模量/M Pa 体积模量 /M Pa 破裂压力 /M Pa 参数数值24002000331200080 1.3 定义单元属性 岩石和钻头均采用8节点的SOLI D164实体单 第29卷 西南石油大学学报 V o.l29 2007年 11月 Journa l o f South w est Pe tro leum U n i versity N ov 2007 *收稿日期:2007-09-30 作者简介:宋嘉宁(1984-),男(汉族),山西临汾人,过程装备与控制工程2003级本科生。
*本文系国家自然科学基金项目(批准号:50474040)。 作者简介:胡琴,女,1980年生,博士研究生;从事石油机械方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区西南石油大学博2004级。电话:(028)83032037。E mail:anliuhq@163.co m 复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究* 胡琴 刘清友 (西南石油大学) 胡琴等.复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究.天然气工业,2006,26(4):77 79. 摘 要 针对现有牙轮(钢齿、镶齿)钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状,根据对牙轮钻头破岩机理的新认识,研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头,其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成,并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响,使得破碎岩石更加容易。为此,概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作,并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理,指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头,主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。 主题词 钻井 复合齿形 牙轮钻头 盘式钻头 破岩机理 研究方向 影响牙轮钻头破岩效果的主要是牙齿结构和布齿方法。钻头的齿面结构直接与地层接触,对于岩石破碎过程和钻头工作性能的影响最大。因此,牙齿的结构形状和布置方法将直接影响钻头的破岩效率和钻井速度。综合牙轮钻头的发展过程可看出,由于材料性能的提高,加工技术的不断改进和钻头结构的日趋完善,使牙轮钻头的寿命有了大幅度的 提高。近年来关于牙轮钻头破岩机理的研究发现,牙轮钻头对井底岩石的破碎过程,实际上是压入和压崩两种形式联合作用的结果,而这两种破碎机理都与齿面结构有直接的关系。所以研究和寻求新的牙轮钻头齿面结构形式,对提高牙轮钻头在一些特殊地层和特殊环境下的机械钻速、钻井进尺必将会有明显的效果和重大意义。由于近几十年来牙轮钻头在齿面结构上缺少根本性变化,因而牙轮钻头的机械钻速在一些特殊地层上没有大的提高。所以,要提高牙轮钻头在一些特殊地层和特殊环境下的机械钻速、钻井进尺,必须根据对牙轮钻头破岩机理的新认识寻求新的齿面结构。复合齿形牙轮钻头就是具有全新齿面结构的牙轮钻头。 一、复合齿形牙轮钻头的发展概况 对复合齿形牙轮钻头的研究在国外已作过一些 工作。在1994年,Baker H ug hes 公司在美国申请了 Earth Bor ing Bit W ith An A dvantag eous Cut ting Structure 专利(U.S.5,311,958),该钻头是将钢齿和盘式齿相复合的牙轮钻头。 我国西南石油大学在对盘式钻头几何学、运动学、齿形结构、布齿方法、破岩机理等方面进行深入研究 [1 4] 的基础上,也开始进行复合齿形牙轮钻头方 面的研究工作。现已完成中国石油天然气集团公司 石油科技中青年创新基金项目 复合齿形牙轮钻头破岩机理仿真研究 ,并已获得国家专利2项。现在正与江汉石油钻头股份有限公司合作进行复合齿形牙轮钻头的产品研制工作。 西南石油大学申请的 复合齿形牙轮钻头 专利(99251810.5)。该实用新型涉及一种复合齿形牙轮钻头,它主要由牙爪和牙轮组成,其特点在于牙轮上的牙齿同时采用了盘形齿、镶齿和钢齿,牙轮上牙齿的布置方式可根据地层性质和钻井要求进行调整。其加工方法与现有牙轮钻头和盘式钻头相同,不会增加加工成本。该实用新型具有牙轮钻头和盘式钻头的综合破岩特点,能够适应不同地层的需要,具有较高的钻井效率和较长的工作寿命。西南石油大学申请的 复合齿形单牙轮钻头 专利(00244696.0)。该实用新型涉及一种在地壳上钻井使用的复合齿形 77 第26卷第4期 天 然 气 工 业 钻井工程