SPE-98988
PDC钻头–源于牙轮和岩石间的相互作用
L.Gerbaud, S.Menand, SPE, H. Sellami, SPE, 来自巴黎的Ecole des Mines
摘要
在过去的几十年里，由于在PDC磨损、抗冲击性和对井斜进一步理解上的创新，在硬岩中PDC钻头性能已获得大幅度改善。钻头设计通常要考虑钻头平衡、沿钻头剖面的平均磨损分布、达到最佳可钻性和导向性。为了达到所需的钻井性能，钻头设计者调整剖面形状、保径和主要的切削齿特征（形状、类型和方向）等性能。切削齿和岩石作用模型已经成为设计过程中一个非常重要的因素了。但是以前用的模型只是基于切削齿和岩石相互接触面考虑了作用在切削齿上的3个力：正压力，切向力和侧向力。但是随着带倒角或其他特殊形状的切削齿的发展，这种模型已经不适用了。
本文介绍一种新的切削齿和岩石作用模型，较之以前做了些改进。它是基于文献中经常提到的在切削面上挤压岩屑的增斜边的存在。同时，倒角也严重影响钻速，因此也被考虑了进去（形状和大小）。由于岩石变形和被压碎的岩屑的排出对切削齿后部的力也被考虑了。最终，得到的很多单齿试验结果（在常压和规定的压力下）并且和新的切削齿和岩石作用模型的预测相比较。同时本文还分析了PDC钻头各种特征的影响作用（形状，大小，倒角，后倾角和侧倾角）。这个模型被用来优化切削效率和钻头的导向能力，同时给出了一些设计的原则，使比能最小，使侵入岩石速率最高。最终，全尺寸钻进实验和油田数据表明，应用精确地岩石和钻头相互作用模型能帮助钻头设计者针对特定区块找到最合适的钻头。标准的实验室全尺寸钻进过程已经发展起来。实验表明通过对切削齿的特征，切削齿的部齿，切边齿的特征和保径类型的调整，钻头的钻进能力，稳定性，导向能力和磨损可以改善和控制。
介绍
从19世纪七十年代开始，PDC钻头性能不断改进，从改善PDC的工艺水平，切削齿结构，动力学稳定性，水力因素和导向性到平滑快速钻进。现在，随着井口和井底钻进参数测量的发展，实时的性能分析成为未来钻井性能改善的关键。实时性能分析允许优化钻进参数来达到最优化的钻速，而后的分析帮助钻井人员选择最好的钻头来适应特定的区块。
上面所有话题的主要部分的共同点是什么？就是切削齿和岩石作用过程。实际上，要想估算对于想要钻入特定地层的钻头的钻进能力，计算不平衡力，确定钻头的导向能力，我们需要知道单元的切削齿的力和我们怎么样处理这些力。而且，通过优化钻井参数来提高钻速，需要知道真实的钻头反应，这是切削齿和岩石相互作用的直接结果。
多年以来，许多文献在研究PDC钻头的设计，而对切削齿和岩石作用的理解和建模却很少。一般地，在解析模型和经验模型中都假定，在对岩样开槽时，切削齿力的大小和切削表面区域是成比例的。当用尖锐的切削齿（后倾角15°）时，模型给出的结果很精确，但是当用有倒角的齿或改变后倾角，理论结果和实验结果不符合，当增加后倾角时，模型结果比试验结果大。尽管倒角和后倾角的作用已在一些文献中被强调，但没有系统的模型描述。为了提高和改善PDC钻头的性能和设计，应该把这些现象都考虑进去。
新的切削齿和岩石作用模型考虑了侧倾角和后倾角的作用，通过引进一条在切削面上挤压眼写的增斜边。压碎的物质的作用是更好地估算力。倒角的大小和形状和岩石变形对切削齿后部的影响同样被考虑到模型中。
新的切削齿和岩石作用模型已经被用来进行钻头设计。全尺寸室内钻进实验和油田应用表明通过优化切削效率，利用切削齿形状和切削齿的位置能对钻心能力改善很多。本文最后介绍了一些设计的理论和特点，包括比能最小化，平衡性和导向性的设计。
切削齿和岩石作用模型
考虑一个带倒角的圆柱形的PDC在岩样上以定深开槽。切削齿的倾斜由后倾角和侧倾角决定。在切削过程中，切削齿施加一个力在岩石上来打开缺口并保持恒定的深度（图1）。以前的模型只考虑切削面上提供的一个力。这种模型已经不再适
用了，这是因为随着倒角状切削齿的发展，这种切削齿严重影响钻速和钻压的关系。而且，室内试验已经发现切削齿相对于岩石表面的位置（后倾角和侧倾角）对切削力的影响也很大，先前的模型过高地估计了这些角度的影响作用。在新的模型中，PDC 切削齿所受的力将被分为三种（图2）：切削齿表面的力C F
倒角表面的力ch F 和切削齿后部的力b F ：
F c ch b F F F =++ （1）
切削面的力：通常被认为是单一的切削力，用来破坏岩石。以前，在文献中通常定义水平（切削齿速度的方向）和垂直（垂直于岩石表面）的力和切削横截面积A 成比例的：
*c c e q F R A
= tan()**c n f c eq F R A θω=+ （2）
在这里常量eq R 被定义为岩石内在的特定力或岩石应力的等价参数，f θ是切
削齿和岩石作用的摩擦角。室内试验的观察表明了在切削面还有破碎碎岩屑形成的增斜边，它控制这破碎岩屑的排出。新的模型将考虑这一现象，引入了压碎岩屑这一概念。如图3所示，这个模型考虑到切削齿的力传递到岩石上是通过增斜压碎岩屑的增斜边的。直接的影响是形成一个恒定角度的破坏平面，和PDC 的位置无关，平面的角度用ψ表示。后倾角和侧倾角影响切削力只是通过压碎岩屑的增斜面和岩石表面的摩擦接触。通过考虑切削齿的宽度相对于切削深度较大和
摩尔-库伦准则，切削力可以表示如下：
'00*(1*t a n ()*t a n ())**(t a n ()*t a n ())*c c c c n f c F k A F k A σφωσθω=+=+ （3） K 是挤压区的水平接触面和tan()*c A ω的比值。0σ是挤压物质的流体静应力，'φ是压碎岩石和未钻进岩石的摩擦角。
0σ可由碎屑平衡（图3）得到，被定义为：
2002*(sin()cos ()*tan())(1tan()*tan())*(sin()*cos()tan()*sin ())
b f f C P ψψφσθ?ψψθ?ψ++=--+ （4） 0C 是岩石内聚力，?是岩石的内摩擦角，b P 是泥浆压力。'φ被定义成：
'tan()*tan()2π
φφ= （5）
倒角上的力：倒角在圆柱体的端部，是为了防止钻头钻硬地层时冲击破碎。尽管所有的PDC 切削齿都会被冲击有缺口，但是缺口上的力很少被提及。由于切削深度的不同，在倒角处会发生两种情况。如果切削深度大于倒角高度，那压碎的岩石被困在切削面和岩石之间，并且额外的力将以同样的方式在切削面和挤压的岩屑间产生。像图4所示，倒角处力的产生是由于在槽的底部产生的额外的 摩擦面，表示如下：
'00*tan()**ch c ch
ch n ch
F A F A σφσ== （6）
ch A 是倒角表面区域在水平面的投影。
如果如果切削深度小于倒角高度，倒角变成了高后倾角的切削面并且倒角上的力是切削面的力，在45°的倒角和15°的后倾角情况下，小切削深度的真实后倾角变成了60°。
切削齿后部受力：除了切削面的力和倒角的力外，用一块弹塑性岩石做试验模型的表现看，在切削过程中切削齿的后部发生了形变（图5），因此对切削齿施加了额外的力。而且，室内试验表明一部分压碎的岩屑被推倒切削齿的后部。像图6所示，切削齿后部的力在压碎区随着流体静压力0σ成线性变化，在切削齿的顶端接近0，在约束端点，岩石的角度为α。
切削齿后部受力表示如下：
0*(,,)
b c d F f d σαω= 1*(,,)b b n c d F F f d αω= （7） d 是切削深度，d ω为凸起的角度。
磨损力：当钻硬地层或者研磨性地层时，PDC 切削齿易磨损并且磨损面和岩石面是平行的。额外的力就在磨损面和岩石表面的接触中产生。当磨损平面出现时，切削齿后部的力和倒角的力就消失了。磨损力表示如下： 00***f c f
f n f F A F A σμσ== （8）
f A 是磨损面积，μ是磨损面和岩石之间的内摩擦角。
实验数据：大量的单齿试验在常压和水泥浆压力的条件下在Ecole des Mines de Paris进行了。所有的切削试验在恒定的切削速率和预先设置好的切削深度d下进行。实验所用的尖的或者倒角的切削齿直径为8，13，19mm.
试验设置：实验分别在直的试验台进行进行常压下的实验（图7），在密封试验台进行非常压的实验（图8）。
实验步骤：实验步骤包括在岩样的指定的面上以定深开槽。实验实施分为三步：
上移切削齿使切削边和岩样的自由面相切
相对于切点调整切削深度
以25cm/min的速率开槽，记录切削力
岩石物质：大多数的实验都是在V osges 砂岩上进行的（抗压强度36Mpa，内聚力10Mpa，内摩擦角35°），这是均质的中等强度的岩石。切削过程主要是使之发生塑性形变，脆性形变可以忽略。另外的实验在Buxy 石灰岩上进行，这种岩石较硬（抗压强度85Mpa）.
实验方案：为了更好地比较实验数据和新的切削齿和岩石作用模型的结果，大量的单齿实验用不同的实验装置。做这些实验为了单独地评价和分析以上列出的各种里力。在每个实验中，三种力的组分以500Hz的频率被记录下来。图9展示了一个实验结果得例子，从中我们可以看到切削过程。对于每一个力的组分，可以得到一个和切削破碎岩石相一致的平均值。
对于切削面的力和压碎岩石的增斜边而言，实验用得是锐利的切削齿，采用不同的后倾角和侧倾角。
对于倒角上的力，对用锐利的和有倒角的切削齿在相同的条件下进行
对比（方向相同，岩石相同，相同的实验装置，相同的实验步骤）。
最后，为了观察切削齿后部的力，进行了相同后倾角但刃具后角不同的实验。
实验结果得分析：在切削齿面和岩石破碎面之间存在压碎岩石带的假设已经被室内实验和数值模拟所证实。如果我们考虑先前的切削齿和岩石作用模型，当后倾角增至20°时，法向和切向的力往往被高估了。新的模型就和实验数据吻合得好，当使用锐利的切削齿增加后倾角时（图10）。实际上，压碎岩石增斜边引入减小了后倾角的影响。和切削岩屑相对应的力和后倾角的关系不大。附加的力是由于压碎带和槽之间的摩擦。按照相同的假设，图11展示了在不同侧倾角作用下，切削深度为1.5mm的切削过程下（和相邻的槽距离6mm）法向力的理论结果和实验结果的比较。力是逐渐增大的，理论和实验数值很接近。当侧倾角增加时，横向力增加缓慢（图12）。
图13显示了锐利的切削齿和带倒角的切削齿随着切削深度的变化法向力的变化。可以看出在切深为2mm的时候，倒角的法向力占了总法向力的40%，更小的切深下，则占了超过50%。在单齿实验，切深很小的情况下（0.15mm）力的记录（图14）显示的带有60°后倾角的锐利切削齿和15°后倾角的带倒角的切削齿，和45°的斜口之间没多大区别。这些结果证实了倒角在总的力上的主要作用和切深在倒角上的重要性。
在用以前存在的洞，在槽没被切削时（切削齿和切削槽的底部没有接触），进行特定的单齿实验，岩石和切削齿的摩擦角被估计为10°。当考虑到锐利切削齿相对于切向力的法向力，我们得到的实验摩擦角大，接近于20°。因此我们认为附加的力产生于切削齿后部。对于13mm的齿，15°的后倾角和10°的摩擦角，可以得到一个 角，接近11°。这是结论是变化得，当用做不同的切削试验时。当减小刀具刃后角时，切削齿后部的力增加。
PDC钻头设计
切削齿的布置是PDC钻头设计最重要的一个环节。齿的布置直接关系到钻头的钻进能力，钻头面切削齿的磨损，钻头的稳定性和导向能力。本文新的切削齿和岩石作用模型在这些方面做出了一些发展。
钻速的提高：我们把ζ作为法向切削力和切削面积的比值:
F
ζ=(9)
n
A
理论模型和单齿试验结果（图16）表明钻进强度ζ有一个最小值，是和邻近的早先存在的切削痕迹的距离造成的。最小值同时和切削深度有关。当应用这一概念到PDC钻头上时，便能够得到一些改进，并且在考虑钻速的情况下优化PDC部齿设计。
全尺寸实验台（图17）已经开始做这方面的实验，来证明切削齿的布置对钻进能力的重要性。特殊的PDC钻头也被设计出来（图18）。图19显示在低钻速下，高密度部齿比低密度部齿钻进速度快，因为横向的距离需求小。在高钻速下，低密度钻进速度快，这和钻进强度的优化是相一致的。
钻头的稳定性：有两种设计原则来提高钻头的稳定性，抗涡动钻头设计和全平衡PDC钻头设计。抗涡动PDC设计在于向钻头的低摩擦部分最终产生一个径向的力。这种技术的弊端是能量的流失，由于在保径块上额外的摩擦。
全平衡PDC钻头的设计原则是不同的。把PDC切削齿布置好，以至于最终的径向力和弯矩最小。最终的径向力导致钻头横向振动和涡动。弯矩同样导致钻头横向振动并使钻头倾斜摆动，这对钻头的稳定性和定向控制有影响。一个钻头如果径向力平衡，弯矩也平衡，将很稳定。新的PDC和岩石作用模型将能实现这一目标。
钻头定向控制：钻头的定向行为主要被以下因素控制：钻头的导向能力和摆动角度。对于定向要求设计得钻头必须要考虑到定向系统的应用，因为定向系统在偏斜过程中起到很重要的作用。
钻头的导向能力和钻头本身的能力相对应，依从于横向和轴向的力，初始进
行横向的偏移。钻头的导向能力被定义为横向钻进能力和轴向钻进能力的比值。PDC钻头的侧向切削能力对于增加钻头的导向能力变得很重要。导向性的PDC 钻头常用来和侧推式的旋转导向系统配合，低导向性的PDC钻头常用来配合指引式的RSS。摆动角的测量是在和钻头轴线相垂直的面内，侧向力的方向和偏移方向之间的夹角。
在定向系统造斜控制中另外的重要因素是钻头的旋转轴线和井眼轨迹切线的夹角，主要是被定向系统控制的：包括旋转底部钻具组合，导向组合或RSS。钻井系统的定向性能是一个钻头定向响应和定向系统力学性能（侧向力以及钻头偏移影响）的复杂的匹配，同时还有可能得岩石-地层影响（夹层岩石或页岩岩层）。
不管用什么定向系统来造斜，我们需要评估钻头的导向能力和PDC钻头的摆动角。切削齿和岩石作用模型就显得很重要，因为它能够在PDC钻头性能计算软件里计算钻头的定向响应，在任何的岩石地层里。
油田应用：本文提到的新的切削齿和岩石作用模型已经在钻井性能方面提供了一些改进。例如，在Gabon的一个项目里，就设计了一只依从于这些设计原则的钻头。新的设计得钻头成功地以11m/h的平均钻速钻进671m，而以前的钻头钻同样的长度的平均速度为4.3m/h。在这个例子中，改进得以实现是靠利用了最小化的能量原则和更好的稳定原则。另一个应用是关于PDC钻头向左，向右或者中立的定向趋势的设计和运行。这个应用提供了一种根据PDC钻头的导向能力进行分类的方法。
结论：切削齿和岩石作用模型对于钻头设计来说非常重要，源于它对钻速，稳定性和导向能力有很大影响。新的模型的发展是考虑了PDC新的工艺水平和最近的实验结果。
压碎岩石增斜带模型的提出，能对后倾角和侧倾角对PDC受力的影响进行更好地评估。
倒角模型能对倒角形状和大小对PDC受力影响进行直接估算。
切削齿后部受力的提出，能更好的估算切削齿受力，并增加了更多的优化可能。
这个模型中的改进对提高钻速，增强钻头稳定性，降低钻头磨损和增强钻头定向控制方面都大有好处。
收稿日期:2007-11-12 作者简介:鲁桂荣(1982-),女,湖南常德人,硕士,现主要从事钻井设备的CAD 设计及仿真分析等方面的研究,E -mail : lg r0811@163.co m 。 文章编号:1001-3482(2008)05-0022-06 PDC 钻头CAD 系统研究与开发 鲁桂荣1,肖文生1,董维彬2,孙明光3,田京燕3 (1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061;2.武汉市江汉石油机械有限公司, 武汉430040;3.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017) 摘要:借助Visual C ++6.0软件和Pro /ENGIN EE R 二次开发工具Pro /TOO LKIT 开发了集参数化设计、自动装配和数据管理于一体的PDC 钻头CAD 系统。介绍了面向对象———PDC 钻头CAD 系统的总体技术,给出了其体系结构,建模、装配、数据管理等子系统的构成和功能,分析了PDC 钻头参数化和智能布齿设计的关键技术及解决方案。该系统将有助于改变国内钻头产品的 设计研制思路,缩短开发周期,提高国内钻头产品的设计水平。关键词:Pro /ENGINEER ;PDC 钻头;参数化设计;布齿设计;CAD 中图分类号: T E921.102 文献标识码:A Study and Development of PDC Bit C AD S ystem LU Gui -rong 1 ,XIAO Wen -sheng 1 ,DONG Wei -bin 2 ,S UN M ing -g uang 3 ,TIAN Jing -yan 3 (1.College o f Mechanical and E lectronic Engineering ,China University of Petroleum ,Dongy ing 257061,China ;2.Wuhan J ianghan Petroleum Machinery Co .,Ltd ,Wuhan 430040,China ;3.D ri lling T echnology Research I nstitute ,S hengli Petroleum Ad ministration ,Dongy ing 257017,China ) A bstract :A n CAD sy stem fo r PDC Bit is developed using Visual C ++6.0and Pro /TOOLKIT ,the system is integrated with paramete r design ,autom atic assembly and data management .The structures o f PDC bit CAD sy stem are introduced .This sy stem co nsists of some subsy stem s in -cluding g eneral project desig n sy stem ,m odule desig n system ,assem bly sy stem and data manage -m ent system .The structures and functions of these subsy stems a re presented .The key tech -nique s and metho ds o f PDC bit 's parame ter desig n and intelligent too th arrangement a re dis -cussed . Key words :Pro /ENGIN EER ;PDC Bit ;parameter desig n ;CAD 我国的PDC 钻头生产技术与国外相比有很大差距,基础设计基本上还停留在二维设计阶段,设计过程繁琐、效率低,极大地制约了国产PDC 钻头的产品质量和进一步发展[1]。参数化设计实现了驱动零件尺寸的设计修改,通过变动某些约束参数就能设计出一簇产品模型,对加快产品开发周期,提高设计效率有极大的影响。PDC 钻头属于标准化、系列 化和通用化程度较高的定型产品,可通过开发CAD 系统来实现其参数化设计[2],达到提高设计效率和产品质量的目的。 近年来,国内开始涉及计算机辅助PDC 钻头设计的研究[3-5],并开发了一些用于PDC 钻头设计的软件系统 [6] ,但系统功能大都比较简单,智能化程度 低,且不具备参数化设计功能,实用性不强。基于 2008年第37卷 石油矿场机械 第5期第22页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008,37(5):22～27
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。
表1-5 钻头与地层岩石对应关系表 齿系地层型 1 2 4 可钻性岩性非密封滚动轴承非密滚动空气轴承密滚动轴承 型列号式江汉休斯瑞德赛克史密江汉休斯瑞德史密江汉休斯瑞德赛克密密 司司司 钢低抗压强1 极软页岩、粘土、泥岩W11 R1 Y11 S3SJ DSJ GA114 GIX-1S11 S33SSDS 度高可钻 G114 ATX-1 1性的软地 2 泥岩、软页岩、疏松页 W121 R2 Y12 S3J DTJ S33 齿层 3 页岩、软石灰岩 W131R3 Y13 S4J DHJ GA134 S44 4 S4DJ 高抗强度 1 页岩、软石灰岩M4NJ V2J GA214 M44N 钻 2 的中硬地 2 DR5 M4 层 3 中硬岩石灰岩、砂岩、 4 板岩 钻硬半研磨1 硬质石英岩 H7 H77 3 性或或研 2 W321 R7 H7J 性地层 3 硬质砂岩、白云岩 4 镶低抗压强 1 4 度高可钻2 性极软地 3 软页岩、粘土层 层 4 齿低抗压强 1 软泥岩、软页岩、疏松砂岩 5 度高可钻2中页岩、砂岩 性极软地 3 中软石灰岩 层 4中软石灰岩 钻高抗压强 1 中地层硬页岩、石灰岩 K621 G44 G4A 6 度的中硬 2 中地层白云岩、硬灰岩、Y62JA47JA 地层 3 砂岩 G55 Y63JA 4 硬质砂岩与白云岩 半研磨性1 硬质砂岩与白云岩 7 研磨性地2硬质砂岩与白云岩、极硬燧石 层 3 极硬燧石 K732 G77Y73JA 7JA 4 极硬花岗岩 K742 半研磨 1 极硬花岗岩 头8 性研磨性2极硬花岗岩 地层 3 极硬花岗岩 K832 G99Y83JA 9JA 4 极硬花岗岩 K842
PDC钻头复合片磨损规律研究 刘杰樊冀安 摘要：在理论分析的基础上，建立了一种简便实用的复合片磨损实验方法，即采用了复合片在车床上磨损方式模拟PDC钻头切削齿切削岩石的方法进行了大量的实验研究。研究分析了复合片齿的体积磨损速度与切削正压力、切削线速度、磨损弦长及岩性间的关系，并由实验结果得出了复合片磨损速度模式。 主题词：聚晶金刚石复合片钻头切削钻头磨损速度岩样 数学模型实验室试验 中图分类号：TE821.1 文献标识码：A 文章编号：1001-0890(1999)01-0037-03 Study on PDC Cutters Wearing Mechanism Liu Jie，Fan Ji'an (Drilling Research Department, Petroleum Exploration & Production Research Institute,Beijing 100083,China) Abstract：A simple and effective wearing experimentation method that lets PDC cut rock in a lathe so as to simulate PDC bit working behavior bottomhole,is established based on theoretic analyses. The relations between PDC bit volumetric wearing speed and cutting force, cutting linear velocity, wearing subtebse length, lithology are investigated, and therefore a wearing speed model is put forward based on experimental results. Keys：polycrystalline diamond compact cutter,cutting,bit wear,mathematical model,lab testing 引言 PDC钻头复合片（Polycrystalline Diamond Compact）是聚晶金刚石钻头复合片的简称，它由两层组成，一层是聚晶金刚石切削层(一种人造超硬材料)；另一层是硬质合金（碳化钨）衬底层。PDC钻头是用聚晶金刚石复合片镶嵌于钻头钢体（或焊于钻头胎体）而制成的一种切削型钻头，它以聚晶金刚石复合片作为切削刃，以负刃前角剪切方式破碎岩石。PDC钻头的问世是80年代石油工业方面的一项突出成就，它为石油钻井工程带来了一场新的技术革命。国内外许多钻井专家和学者对如何提高PDC钻头破碎岩石的效率和改进PDC钻头的性能进行了多方面的研究，而对于切削齿磨损的研究则较少。因此，有必要建立一套实验方法对复合片切削齿进行分析研究，使其更接近于实际情况，具有更大的使用价值。试验研究表明，在实验室内模拟PDC钻头工作方式，可以得出与PDC钻头复合片实际磨损相符的结论，从而为PDC钻头的合理设计和
钻井过程中的技术创新，看世界PDC钻头的最新进展（一） 研磨性页岩地层驱使着新钻头的设计，以应对坚硬岩石及高温井的钻探。 在金刚石切削齿与碳化物基岩面相互作用期间，贝克休斯的休斯克里斯滕森Quantec Force强力PDC钻头获得了最佳效果，表现出更高的耐用性和热稳定性，通过获得的有限的切削齿分析，切削刃上的残余应力被迁移。 随着北美油气井页岩层的不断出现，钻头公司迫切地公关，以应对这些地层钻探的挑战并不让人惊讶，对于具体的应用，随之而来的是新钻头的设计，或是改进现有钻头的设计。 一些近期的设计，包括一些应对研磨性地层或高温地层钻井的新切削材料，也有一些8刀翼钻头的外形设计，这些设计都吸收了新切削齿技术和新材料技术，还有一些更新的钻头体材料技术，这些技术都是为了增强钻头的耐用性和提高钻头的性能表现，唯一的目的就是为了降低作业者的钻井成本。 一位服务于Varel国际公司西半球的现场工程经理卡尔罗斯（Karl Rose）说：“在开发钻头切削齿方面，许多钻头技术基本上都是材料技术，使钻头能够承受钻极硬的研磨性地层，切削齿能够在钻硬地层、软地层和夹层地层的变化中不会损坏”。 在钻头本身的材料特性方面也有了新的进展，为了使钻头更加结实和耐用，促使设计者设计出应对更硬地层类型的PDC钻头，罗斯先生说：“随着更坚硬材料的出现，切削齿材料的密度也会增加，使钻头从根本上更加坚韧耐用，这会让作业者在钻硬地层和研磨性地层时，用一只钻头打更多的进尺”。 一位史密斯国际公司的技术支持经理弗莱明克雷格同意说：“切削齿越好，钻头在井里滞留的时间就越长，就能打更多的硬地层和研磨性地层，作业者花费的成本就会越少”。 弗莱明先生说：“我们首先要能让一个切削齿应对更硬和更高研磨性地层，以便能使整个PDC钻头切削齿吃入这些地层，另一方面，钻头的刀翼越多，触到井底的金刚石体就越多”。
第26卷第3期2003年6月 勘探地球物理进展 Progress in Exploration G eophysics V ol.26,N o.3 Jun.,2003 文章编号:167128585(2003)0320225203 PDC钻头布齿设计技术 刘建风 (成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都610059) 摘要:合理的布齿是保证PD C钻头具有优良工作性能的关键。目前常用的PD C钻头布齿设计方法是图解调整法,该方法速度慢,设计工作烦琐,工作量大,效率低,欠灵活,而且有时会出现不必要的误差。讨论了PD C钻头布齿设计的特点,按切削原则设计了钻头冠部形状,并选择了合理的切削结构,为PD C钻头布齿计算机辅助设计软件提供了理论支撑。 关键词:PD C钻头;布齿;结构设计 中图分类号:P63414 文献标识码:A Computer2aided placement of tooth for PDC bit Liu Jianfeng (C ollege of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of T echnology,Chengdu610059,China) Abstract:Proper placement of tooth is the key to ensure the performance of PDC bit.The comm only used method for placement of tooth for PDC bit is to draw and adjust the scheme.It is boring and inefficient,s ometimes even leads to errors.This paper discusses the principle and the way to place teeth for PDC bit,which provide a theoretical ground for placement of tooth for PDC bit by the C omputer2aided design. K ey w ords:PDC bit;tooth placement;structural design PDC钻头(P olycrystalline Diam ond C om pact Bit)用人造聚晶金刚石复合片作为切削元件以切削方式破碎岩石。它结构简单,无运动部件,整个钻头是一个整体,在软到中等硬度均质地层中破岩能力强、钻速高(为牙轮钻头的2倍以上)、进尺快(为牙轮钻头的4～6倍)、工作寿命长、钻进成本低、事故少,因此倍受业内人士的关注。 我国的PDC钻头生产技术与国外先进水平相比有很大差距,尤其是在设计方面。所以开展PDC 钻头设计技术方面的研究是一项极有意义的工作[1～3]。PDC钻头设计分为前期准备、布齿设计、工作性能分析和其他部分设计等阶段[4]。其中最重要的是布齿设计。在进行PDC钻头布齿设计时,应先根据资料和经验确定钻头总体结构、布齿方式、喷嘴大小和数目等,然后对钻头冠部形状和切削结构进行设计。 1 钻头冠部形状设计 PDC钻头的冠部形状从长抛物线型到平底型共分成9个等级。冠部形状决定了PDC的布齿面,不同的冠部形状其切削齿相对高差和切削齿轴线与钻头轴线间的夹角也不相同,从而影响各切削齿的切削体积,导致各齿破岩能力不一样;另外,不同冠部形状还会使切削齿受力情况不同。因而,一个合理的冠部形状会增加钻头的稳定性,利于井底的清洗及减小切削齿的磨损[5]。从设计上讲,无论何种冠部形状,最终都以“易于布齿、便于加工、保证质量、提高效率”为原则。为了提高效率,理论上可按以下几种原则设计:①按等切削原则;②按等磨损原则;③按等功率原则。本文按“等切削原则”设计冠部形状。 设钻头半径为R,切削齿半径为r,钻头每转进尺为δ,切削齿总数为N,一般地,δ 学术论文：水平定向钻岩石钻的原理 作者：刘春海时间：2015年5月20日 单位：十四冶建设集团云南矿业工程有限公司非开挖管道分公司摘要：符合岩石钻的基本条件，岩石钻钻头的工作原理，岩石回扩器的工作原理，岩石钻泥浆的作用，岩石钻的清孔方法。 关键词：泥浆压力钻头三牙轮泥浆动切力τd活塞式清孔孔道上漂的原因 1.前言 非开挖水平定向钻（以下简称非开挖）最早出现在20世纪70年代，80年代末开始传入我国，21世纪初在我国迅速地发展起来，广泛地应用在电力、电信、供水、燃气、污水等等施工当中，用于管道的马路、铁路、河道、山坡等穿越当中。非开挖之所以能如此快速地发展成为一个新生的行业，它有它自身的优势：安全、快速、质量等，在我国喀斯特地形的西南部-云贵川等地，要使非开挖得以广泛地应用，岩石钻是我们重点研究的项目。以下，我们针对一个典型的案例：清镇市清纺区消水洞疏通工程非开挖岩石钻专项工程为例，展开我们的研究。2.符合岩石钻的基础条件 2.1工程概述 清镇市清纺区消水洞疏通工程非开挖岩石钻专项工程位于 贵州省清镇市清纺区，计划回拖DN1000PE管。需穿越一座 小山，进出水口分别在山谷的两边，山谷与山顶的最大落差 是-21米，穿越长度约200米，该地段为典型的云贵川喀斯特地貌。 2.2开工前勘探 为保证工程顺利进行，节约施工成本，开工前甲方必须提供穿越线路的工程地质钻探报告，地质报告必须按《市政工程勘察规范》（CJJ56-94）有关规定执行：勘探孔沿管线中线布置，钻探点间距小于50米，钻探深度为管道设计深度以下1至3米。 进行勘探的主要原因分析（云贵川喀斯特地貌涵洞较多）： 如上图，如果穿越轨迹线上有3米以上的涵洞存在，穿越钻头会因为自重的原因从而造成钻头卡钻、钻头偏离原设计涵洞轨迹线等致命因素。 后果分析：穿越轨迹线不能满足设计要求、钻头回拖时被石 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910124488.1 (22)申请日 2019.02.19 (71)申请人 成都理工大学 地址 610059 四川省成都市成华区二仙桥 东三路1号 (72)发明人 刘清友 朱海燕 (74)专利代理机构 成都金英专利代理事务所 (普通合伙) 51218 代理人 袁英 (51)Int.Cl. G06F 17/50(2006.01) (54)发明名称 一种复杂难钻地层的个性化钻头动态设计 方法 (57)摘要 本发明公开了一种复杂难钻地层的个性化 钻头动态设计方法，它包括以下步骤：S1、获取所 钻地层的岩石可钻性指标；S2、进行钻头牙齿破 岩数字仿真分析和齿圈及钻头复合破岩实验，建 立井底岩石互作用力学模型；S3、建立钻柱-钻 头-岩石系统耦合整体动力学模型；S4、针对复杂 难钻地层的岩石力学性能，进行牙齿形状、布齿 密度、冠部形状和保径结构设计；S5、利用计算流 体动力学理论与数值模拟方法，优化钻头喷嘴和 水力结构参数；S6、采用牙齿材料脱钴强化技术、 高强度钻头体材料技术和特殊齿形牙齿技术，优 化钻头的制造工艺；本发明的优点是提出一种针 对复杂难钻地层的个性化钻头设计方法，从而缩 短钻头开发周期， 降低开发成本。权利要求书2页 说明书5页 附图1页CN 110110346 A 2019.08.09 C N 110110346 A 1.一种复杂难钻地层的个性化钻头动态设计方法，其特征在于：它包括以下步骤： S1、模拟井下的高温高压环境，进行复杂难钻地层的岩石力学性能测试与分析，获取所钻地层的岩石可钻性指标，同时基于岩屑微硬度实验和测井数据进行岩石的可钻性分析； S2、进行钻头牙齿破岩数字仿真分析和齿圈及钻头复合破岩实验，分析复杂难钻地层岩石力学性能特征和牙齿破岩机理，建立不同钻头结构、布齿方法、牙齿尺寸与不同井底岩石互作用力学模型； S3、采用有限元方法和能量法，考虑钻柱结构、钻柱振动、井深、井径参数对钻头-岩石相互作用的影响，将钻柱离散为n个单元，钻头作为钻柱最下端的一个单元，建立钻柱-钻头-岩石系统耦合整体动力学模型； S4、针对复杂难钻地层的岩石力学性能，根据钻头不同部位牙齿的冲击、刮切和保径的功能，采用锥形、球形、楔形不同牙型齿和不等间距、扭转、螺旋的非均匀布齿方法，进行牙齿形状、布齿密度、冠部形状和保径结构设计； S5、利用计算流体动力学理论与数值模拟方法，分析在不同钻压、转速、泥浆流量的钻井参数条件下，钻头的井底流场分布，优化钻头喷嘴和水力结构参数； S6、采用牙齿材料脱钴强化技术、高强度钻头体材料技术和特殊齿形牙齿技术，优化钻头的制造工艺； S7、形成适用于复杂难钻地层的个性化钻头产品。 2.根据权利要求1所述的一种复杂难钻地层的个性化钻头动态设计方法，其特征在于：所述步骤S1中基于岩屑微硬度实验进行岩石的可钻性分析时，分井段采集现场岩屑，进行微硬度测试，利用岩石可钻性与微硬度的关系模型，建立所分析井段的可钻性剖面；根据测井数据进行全井段岩石力学性质分析和钻进难易程度评判，建立全井的可钻性剖面。 3.根据权利要求1所述的一种复杂难钻地层的个性化钻头动态设计方法，其特征在于： 步骤S2中所述的力学模型为： 式中，F z (t)是钻头在任一时刻所受到的岩石的纵向反作用力，单位为N；是钻头在该时刻触底牙齿所受到的纵向反作用力，单位为N；F lx (t)是钻头在任一时刻所受到的横向力在X方向上的分解，单位为N；F ly (t)是钻头在任一时刻所受到的横向力在Y方向上的分解，单位为N；是钻头在该时刻触底牙齿受到的横向力，单位为N；αijk(t)是钻头在该时刻触底牙齿的工作角度，单位为(°)；M R (t)是钻头在任一时刻与岩石互作用的扭转力矩，单 权 利 要 求 书1/2页2CN 110110346 A 第一章金刚石钻头基本知识 第一节概述 金刚石钻头的发展历史 金刚石钻头是不同于牙轮钻头的另一类钻井破岩工具，其使用可以追溯到19世纪60年代。最初人们以天然金刚石为切削元件制作打炮眼和挖掘隧道的工具，后来出现了用于石油钻井的钢体鱼尾式天然金刚石全面钻进钻头和取心钻头。早期的金刚石钻头是将天然金刚石冷镶在低碳钢上的。由于天然金刚石来源有限，价格昂贵，加之本身尺寸、性能方面的原因以及当时落后的制造工艺，大大限制了金刚石钻头在石油钻井工业中的应用。 随着粉末冶金技术的发展，出现了采用烧结碳化钨作为钻头体的胎体式金刚石钻头。这种技术的出现使金刚石钻头的制造水平大大提高。胎体式金刚石钻头具有耐冲蚀、耐磨损的特点，具有良好的使用性能，其制造工艺也不复杂，因此一经出现就迅速推广开来。 人造聚晶金刚石的研制成功，对金刚石钻头技术的发展起了巨大的推动作用。人造聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）的出现一度被称为20世纪80年代钻井工业技术的一大突破，这种新技术对石油钻井业的发展产生了巨大的影响。现场使用证明，软到中等硬度地层钻井用PDC钻头具有机械钻速高、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点，并能与井下动力钻具配合用于高速钻井。合理使用金刚石钻头可以大大缩短建井周期，降低钻井成本，提高钻井经济效益。 金刚石钻头的发展前景 经过近二十多年的发展，金刚石钻头已经成为继牙轮钻头之后的又一重要破岩工具。时至今日，PDC钻头在石油钻头市场所占的份额越来越大，几乎每年以30%的速度侵吞牙轮钻头市场。随着新的设计理论、设计方法和材料等技术的发展，PDC钻头的适用范围也在不断扩展，以前被认为不适用于PDC钻头的地层现在也广泛使用，比如我国中原油田的文留区块的沙二至沙三地层由于地质情况复杂、夹层多，可钻性差，以前一直被认为是PDC钻头的禁区，在这里钻的井除了取心之外用的都是牙轮钻头。可是从2000年开始，PDC钻头在这个区块的使用量逐渐增多，效果也很好，而2001年底我公司的一只8 1/2 BK542-4型PDC钻 72 长庆油田刘家沟组地层普遍均质性差，地层岩性为棕红色泥岩夹灰色砂岩。该地层软硬交错且研磨性强，要求钻头有较好的抗冲击能力和抗磨损能力。虽然前期通过优化现有的钻头设计，起到了一定效果。但整体提速效果不明显，分析原因主要在于：刘家沟组地层软硬交错，夹层多且岩性致密。现有的钻头在钻进该层位时易早期造成崩齿和磨损失效。据此，在现有PDC钻头设计理念基础上，提出了一种新型PDC钻头设计概念，并在刘家沟组地层应用取得突破。 1?新型非平面齿设计分析 针对长庆油田刘家沟组地层均质性差、研磨性强的特点，常规平面齿PDC钻头使用效果不佳。通过对部分使用过的平面齿PDC钻头的布齿结构及磨损分析，提出了新型结构非平面齿设计理论。 1.1?非平面齿设计 常规PDC钻头切削齿主要为圆形PDC平面齿，通过对常规圆形平面切削齿分析发现，将复合片加工成两侧对称有一定倾斜角，中间漏出一条屋脊线的结构，使复合片具有更加锋利的切削刃和更厚的金刚石复合层。非平面齿对比常规平面齿具有切削阻力小，使用寿命长，切削效率高的特点。 1.2?非平面齿加工 大部分复合片制造企业生产的均为圆形平面齿。因此，非平面齿只能通过对普通的圆形平面齿做二次加工获得。结合刘家沟组特有的地层岩性和施工方钻进需求，我公司积极研发创新，加工出了φ16mm非平 面齿复合片。图1为加工出来的实物。 图1?φ16mm非平面齿复合片示意图 1.3?非平面齿有限元分析 1.3.1 抗冲击性能力测试 在相同工作条件下，非平面齿更容易切入岩石。这是因为其主要切削部位切削曲率高且接触面积小，在与岩石接触过程中能够形成更高的接触应力，容易使岩石发生变形破坏。通过全新的破岩方式：剪切+挤压，切削刃复合层较平面齿更厚，在满足有更高切削效率的同时，很好地保证了齿切削刃抗冲击性的能力。 通过现场测试，在相同钻进参数、钻进时间下，非平面齿抗冲击能力优于常规平面齿。图2 为同等钻 进条件下齿抗冲击性能对比 平面齿 非平面齿PDC钻头研制与应用 邱睿 中石化江钻石油机械有限公司 湖北 武汉 430000 摘要：长庆油田刘家沟组地层具有岩石致密、砂泥岩互换频繁、研磨性强、可钻性差、石英含量高的特点，常规PDC钻头在此类地层破岩效果不佳，钻头进尺和钻头寿命得不到有效保障。为此，公司自主设计并制造了一种新型PDC钻头——非平面齿PDC钻头，并开展了室内模拟实验和现场入井试验。通过现场应用表明，该新型钻头能突破均质性差和研磨性强地层PDC钻头的应用禁区，在机械钻速和钻头进尺方面，其使用性能能比肩国外优质钻头，具有较高的推广应用前景。 关键词：刘家沟组?非平面齿?均质性差?研磨性强?复合片 Development?and?application?of?PDC?bit?with?special-shaped?teeth Qiu?Rui SINOPEC,Jiangzuan Petroleum Mechanical Company ，Wuhan 430000 Abstract：The?strata?of?the?Liu?Jia?Gou?formation?in?Changqing?Oilfield?have?the?characteristics?of?tight?rock，frequent?sand?mudstone?exchange，strong?abrasiveness，poor?drillability?and?high?quartz?content.?The?conventional?PDC?bit?has?poor?rock?breaking?effect?in?this?kind?of?stratum，and?the?drill?bit?length?and?bit?life?can?not?be?effectively?guaranteed.?For?this?reason，our?company?independently?designed?and?manufactured?a?new?type?of?PDC?bit，the?special?shaped?tooth?PDC?bit，and?carried?out?indoor?simulation?experiment?and?field?well?test.?The?field?application?shows?that?the?new?bit?can?break?through?the?application?forbidden?zone?of?high?grinding?and?strong?heterogeneous?PDC?bit.?In?the?aspect?of?travel?length?and?mechanical?drilling?speed，the?new?bit?is?equivalent?to?the?quality?of?foreign?high?quality?bit，and?has?a?high?prospect?of?popularization?and?application. Keywords：Liu?Jia?Gou?group；Hetero?shaped?teeth；Strong?heterogeneous?strata；High?abrasiveness；Composite?sheet SPE-98988 PDC钻头–源于牙轮和岩石间的相互作用 L.Gerbaud, S.Menand, SPE, H. Sellami, SPE, 来自巴黎的Ecole des Mines 摘要 在过去的几十年里，由于在PDC磨损、抗冲击性和对井斜进一步理解上的创新，在硬岩中PDC钻头性能已获得大幅度改善。钻头设计通常要考虑钻头平衡、沿钻头剖面的平均磨损分布、达到最佳可钻性和导向性。为了达到所需的钻井性能，钻头设计者调整剖面形状、保径和主要的切削齿特征（形状、类型和方向）等性能。切削齿和岩石作用模型已经成为设计过程中一个非常重要的因素了。但是以前用的模型只是基于切削齿和岩石相互接触面考虑了作用在切削齿上的3个力：正压力，切向力和侧向力。但是随着带倒角或其他特殊形状的切削齿的发展，这种模型已经不适用了。 本文介绍一种新的切削齿和岩石作用模型，较之以前做了些改进。它是基于文献中经常提到的在切削面上挤压岩屑的增斜边的存在。同时，倒角也严重影响钻速，因此也被考虑了进去（形状和大小）。由于岩石变形和被压碎的岩屑的排出对切削齿后部的力也被考虑了。最终，得到的很多单齿试验结果（在常压和规定的压力下）并且和新的切削齿和岩石作用模型的预测相比较。同时本文还分析了PDC钻头各种特征的影响作用（形状，大小，倒角，后倾角和侧倾角）。这个模型被用来优化切削效率和钻头的导向能力，同时给出了一些设计的原则，使比能最小，使侵入岩石速率最高。最终，全尺寸钻进实验和油田数据表明，应用精确地岩石和钻头相互作用模型能帮助钻头设计者针对特定区块找到最合适的钻头。标准的实验室全尺寸钻进过程已经发展起来。实验表明通过对切削齿的特征，切削齿的部齿，切边齿的特征和保径类型的调整，钻头的钻进能力，稳定性，导向能力和磨损可以改善和控制。 介绍 从19世纪七十年代开始，PDC钻头性能不断改进，从改善PDC的工艺水平，切削齿结构，动力学稳定性，水力因素和导向性到平滑快速钻进。现在，随着井口和井底钻进参数测量的发展，实时的性能分析成为未来钻井性能改善的关键。实时性能分析允许优化钻进参数来达到最优化的钻速，而后的分析帮助钻井人员选择最好的钻头来适应特定的区块。 钻井岩石力学基础 钻进过程是钻头破碎岩石与岩石反破碎的过程。为了提高破碎效率，加快钻井速度，安全、优质、低成本开发油气田，必须研究岩石的结构特性、力学性质以及破碎规律。以便设计出合适的岩石破碎工具——钻头，制定出最优钻井参数及技术措施。为此，我们要学习岩石结构特性和力学性质、岩石的破碎规律、影响岩石强度的因素等。 1．钻井岩石力学基础 主要介绍岩石的物理力学性质以及破碎规律，进一步研究影响岩石力学性质的因素。为学习钻井与完井工程打下基础。 1.1岩石的基本知识 岩石：由各种矿物晶体或矿物颗粒组成的集合体； 矿物：具有一定物理化学性质的无机物； 造岩矿物：能生成矿物岩石的无机物。 造岩矿物由八元素组成： ，Si ，Fe，K，Na，Ca，Mg，Al。 O 2 地球上有12种主要造岩矿物。他们是： 正长石、斜长石、石英、白云母、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、氧化铁。它们约占98％以上。1.1.1．岩石分类 地球主要是由岩石组成，而岩石是千变万化的，但归纳起来氛围分为两大类： A岩浆岩(晶质岩)：由岩浆冷却或结晶而成，花岗岩、玄五岩等，通常埋藏很深； B沉积岩(碎屑岩)：矿物颗粒由水或风力以及其他作用搬运后沉积而成。分为结晶沉积岩和碎屑岩。结晶沉积岩由盐类物质结晶而成。如岩盐、石灰岩、白云岩、石膏等。碎屑岩由岩屑堆积而成，如砾石、砂岩、泥岩等。 变质岩：矿物颗粒在高温高压下发生物理化学变化后形成的新岩石。 1.1.2岩石的组织结构特点 岩石的组织结构是指组成岩石的微晶或碎屑岩的颗粒的形状、粒度大小和表面性质等。 (1)岩石的微观结构 A 岩石微观结构是指组成岩石的微晶和颗粒的大小、形状、表面性质、胶结物质、孔隙度等。 B 造岩矿物本身的性质影响岩石的性质。但岩石的破坏不是造岩矿物的破坏而是胶结物的破坏。所以，影响岩石性质的主要因素是胶结物的性质或强度。 按胶结物性质分，岩石胶结分为为硅质胶结、钙质胶结和泥质胶结三种，其胶结强度的关系是：硅质胶结强度>钙质胶结强度>泥质胶结强度。 按胶结形式分，岩石胶结分为接触胶结、微膜胶结、空隙胶结和基底胶结。 C．岩石孔隙度增大，强度降低； D．颗粒表面性质指粗糙度和吸附性； E 组成岩石的矿物颗粒越小，接触面积越大，强度越大。反之越小； (2)岩石的宏观结构 三牙轮钻头使用技术及钻井工艺 时间:2009-12-11 10:40 作者:发达钻井设备点击: 125次 目前油用钻头市场已不再混乱而变得规范有序，市场竞争向产品差异性和品牌、售后服务的竞争方向发展。市场竟争力两大基石之一，钻头技术服务的作用将会越来越显著。 一、三牙轮钻头使用资料收集内容 1、地层岩性 地层的岩性和软硬不同，岩石破碎机理不同，造成钻头失效的形式也各异。我国各油田钻井中常见的地层岩性，其岩石物理机械性质均有测定。根据现场收集的地层岩性及每米岩性钻时记录，进行地层岩石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可钻性分析，对照钻头的失效形式，确认钻头选型及使用是否合理。 2、井段位置 在地壳中处于不同位置的岩石，其岩石的机械性质变化很大。埋藏较深的岩石，处于多向压缩应力状态，使岩石孔隙减小，强度增加。上部井段一般岩石胶结疏松、质软，钻头转速高、钻压低。下部井段一般岩石质硬、研磨性大，钻头转速低、钻压高、使用时间长。根据收集的井段位置及每米岩性钻时记录，分析地层岩石的硬度、塑性、脆性、研磨性和可钻性特点，对照钻头的失效形式，确认钻头选型及使用是否合理。 3、井身结构 不同的井身结构，对钻头的尺寸、型号和使用等均有特殊要求。如造斜钻头一般要求带修边齿或保径结构，使用要求高转速、低钻压等。收集井身结构及钻头选型、使用参数等资料，根据钻头失效的形式，确认钻头选型及使用是否合理。 4、钻井参数 钻压和转速的确定，既决定着钻头破碎岩石的效率，又影响到钻头牙齿、轴承的磨损。浅井、软地层，钻头以剪切作用为主，一般采用高转速、低钻压。中硬地层，钻头产生剪切、冲击、压碎综合作用，一般采用中等转速和中、高钻压。深井、硬地层，钻头以压碎、冲击为主，一般采用较高钻压、低转速。钻井参数的合理选择，很大程度上决定了钻头的失效形式。收集班报表和指重表记录，分析所用钻井参数及其变化，根据钻头失效形式确定使用的合理性。 5、泥浆性能喷射钻井要求泥浆具有： 1）低失水、低含砂、适当的切力和PH值，能有效保护井壁、悬浮岩屑； 2）低比重、低粘度，能降低循环系统压力、功率损耗； 3）在低返速下能有效携带岩屑； 4）有良好地剪切稀释特性。地层的地质条件不同，选用泥浆的类型及相关性能不同，影响着钻压、转速、水力参数的配合和钻头的失效形式。泥浆性能是钻头磨损的重要因素，如泥浆含砂对钻头流道冲蚀影响很大。 6、泥浆参数 岩石破碎与钻头(for SWPU) 1作岩石应力—应变全过程曲线示意图，并简述各个阶段特点？ 四个区段：①在OA区段内，该曲线稍微向上弯曲；②在AB区段内，很接近于直线；③BC区段内，曲线向下弯曲，直至C点的最大值；④下降段CD。第一区段属于压密阶段，这是由于细微裂隙受压闭合造成的；第二区段AB相应于弹性工作阶段，应力与应变关系曲线为直线；第三阶段BC为材料的塑性性状阶段，主要是由于平行于荷载轴的方向内开始强烈地形成新的细微裂隙，B点是岩石从弹性转变为塑性的转折点，也就是所谓屈服点，相应于该点的应 称为屈服应力；最后区段CD为材料的破坏阶段，C点的纵坐标就是单轴力 抗压强度 R。 c 2. 作岩石蠕变的典型应变—时间曲线，并简述其特点？ 首先，在开始加载的瞬间，试件立即产生一个瞬时的弹性应变（图中OA 段），这一段所经时间极短，可看作与时间无关。由A到B这一段应变不断增加，但应变速率逐渐减小，故曲线是下凹型，AB段称为过渡蠕变或第一阶段蠕变.由B到C这一段应变以恒定的速率增长，故BC段称为定常蠕变或第二阶段蠕变，这个阶段的时间延续最长。在C点以后应变又加速增长，故曲线呈上凹型，当应变达到某个数值D点时试件破坏，加速蠕变或第三阶段蠕变。 试验表明：随着温度的升高，碳酸盐类及硅酸盐类岩石都是弹性极限和强度极限降低，弹性模量减小，屈服点愈来愈明显，塑性增加，即岩石从脆性向塑性转化。 超顶和复锥所引起的切线方向滑动除可在切线方向与冲击、压碎作用共同 破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石；移轴则在轴 向产生滑动和切削地层的作用，它可以剪切掉齿圈之间的岩石。 本课程的重点在于牙轮钻头和PDC钻头的基本原理，结构。（希望对你有帮助2014/4/17） 金刚石钻头硬度选用原则 金刚石钻头的质量和金刚石材质有很大的关系，金刚石硬度，决定金刚石钻头硬度。 金刚石钻头的种类有很多种分法，如天然的、人造的；单管的、双管的；绳索取芯的、定向钻进的；取芯的、全面钻进的；矿山的、油井的。根据钻进和碎岩特点，可分为表镶金刚石钻头、孕镶金刚石钻头和聚晶烧结体钻头。不同类型的金刚石钻头使用的地方不一样，对金刚石钻头硬度的需求也不一样。 1表镶金刚石钻头 英文：surface set diamond bit 释文：金刚石钻头的一种。钢质的圆筒状钻头体,上部车有丝扣,下部烧结有钻头胎体,金刚石的颗粒是包镶在钻头胎体的表面上。胎体的外径略大于钢体直径、内径略小于钢体内径,内外侧和底部都有可以过水的沟槽,在钻进时流过冲洗液带走岩粉和冷却钻头。表镶金刚石钻头都是包镶的天然金刚石,故价格昂贵,因而只用在一些特殊难钻进的硬地层。石油钻井用表镶金刚石钻头较多。 2孕镶金刚石钻头 英文：impregnated diamond bit 释文：金刚石钻头的一种。钻头胎体里均匀包镶着金刚石颗粒的钻头。钻进时胎体磨损,金刚石不断出露克取岩石,可以一直将胎体全部磨完,都有新出露的金刚石进行工作,类似于砂轮磨削金属材料。胎体有一定高度,外径略大于钻头体外径、内径也略小于钻头体内径,胎体的外侧面、内侧面和底面均有水槽,以便通过冲洗液排除岩粉和冷却钻头。大多数的孕镶金刚石钻头是使用的人造金刚石,称为人造孕镶金刚石钻头。人造金刚石比天然金刚石价格便宜很多,也能较广泛地用在硬地层中钻进。 3电镀金刚石钻头 英文：electro～plated diamond bit 释文：又称铸造金刚石钻头。中国独有的利用电镀原理而制成的金刚石钻头。金刚石的胎体是在电镀槽里被一层一层镀覆在钻头体上,电镀覆盖电解金属的同 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。水平定向钻-岩石钻的原理
【CN110110346A】一种复杂难钻地层的个性化钻头动态设计方法【专利】
金刚石钻头基本知识
非平面齿PDC钻头研制与应用
PDC钻头切削齿和岩石作用模型
岩石力学与钻头
(工艺技术)三牙轮钻头使用技术及钻井工艺
岩石破碎与钻头(for swpu)
金刚石钻头选用原则
潜孔钻头破岩机理仿真研究
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