复杂地层PDC钻头研究

PCD及PDC钻头在石油钻井中的应用作者：张文敏来源：《中小企业管理与科技·上中下旬刊》 2017年第7期1 引言PCD 钻头即金刚石聚晶钻头，PDC 钻头即金刚石复合片钻头，两者在硬度上很大，因此目前在石油钻井的硬地层中得到了十分广泛的应用。

在应用PCD 及PDC 钻头对硬地层复杂地质环境的石油钻井时，虽然具备诸多优势，但在一些特殊的地质环境中却并不适用，因此对PCD 及PDC 钻头在石油钻井中的应用展开分析具有十分重要的现实意义。

基于此，文章重点就PCD 及PDC 钻头在石油钻井行业中的应用分四个部分展开了分析，提出了一些可供参考的观点和建议，以下是具体内容。

2 PCD 及PDC 钻头在石油钻井应用的特点PCD 钻头采用的是金刚石聚晶模式，在聚晶过程中采用的是黑色金属线和有色金属线材料，和一般的硬质合金拉丝模相比，其在耐用度上提升了数百倍。

因此，PCD 钻头在使用钻井中应用的主要优势，即在保障硬度的前提下耐用性极高。

目前钴是最为常用的一种PCD 钻头结合剂，其具有强度高、耐磨性好等诸多优势，同时拉丝的成本也很低，十分适用于石油钻井作业中。

PDC 钻头的优点主要集中于钻头结构简单和耐磨性高两点上。

PDC 钻头所采用的人造金刚石，其比硬质合金的耐磨性更高，在钻头构成上，切削齿是其主要部件，在工作中无需钻头自身钻头，因此PDC 钻头也被称作固定式探头。

在PDC 钻头的使用早期，主要是在一些软页岩层中使用，而随着PDC 钻头在性能和结构上的不断优化。

目前PDC 钻头已经可以在长段中硬岩地层和硬夹层中使用。

此外，PDC 钻头还有高针对性的优势，可根据钻进地层的各区块地质特征以及地层的深度采用针对性的钻进工艺，选择更为合理的钻进方案[1]。

3 PCD 及PDC 钻头应用于石油钻井中的适用地质环境PCD 及PDC 钻头在石油钻井作业的使用中，并不是所有的地质环境都可以发挥出最大的使用效果，在具体的使用过程中也需要基于不同的地质环境选择不同的PCD 及PDC 钻头类型。

煤矿复杂硬地层用胎体式PDC钻头的研制作者：史阿朋王志红来源：《山东工业技术》2015年第02期摘要：由于煤炭钻探和开采难度不断地增加，从而对破岩工具提出了更高的要求。

胎体式PDC钻头因其优异的综合性能，得到了越来越广泛地应用。

本文针对重庆松藻煤矿复杂硬地层的特点，研制了一种新型的Ф65mm胎体式PDC钻头，并进行了现场试验，试验结果表明：研制的PDC钻头耐磨性好，抗冲击能力强，能够有效地钻进复杂硬地层，其寿命大约是同类型钻头的1.5倍；同时在低钻压下可取得高进尺和高钻速，钻进时效可达25.2m/h，极大地提高了钻进效率，节约了钻进成本。

关键字：胎体式PDC钻头；综合性能；复杂硬地层；钻进0 前言PDC钻头，即聚晶金刚石复合片钻头，是将聚晶金刚石复合片镶焊在钻头体上而制成的一种新型切削型钻头，由于其高效优异的切削性能，广泛地应用于煤田，地质，石油等领域[1]。

按钻头体冠部材料分为胎体式和钢体式两种，相应地钻头也分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头[2]。

目前在我国煤炭行业，钢体式PDC钻头使用范围最为广泛，但是随着我国深部探矿工作的不断推进，钻孔钻进过程中遇到的地层条件越来越复杂，岩性种类也越来越多，钢体式PDC钻头的寿命和时效已无法满足钻进要求。

相对于钢体式，胎体式PDC钻头具有耐磨性好、焊接强度高、抗冲击能力强等特点，对复杂硬地层适应性强，能够取得很好的钻进效果。

为此，本文开展了煤矿用胎体式PDC钻头的研究，这对于解决我国煤矿井下复杂硬地层钻进困难、时效低等问题具有重要的指导意义。

1 PDC钻头设计目前煤矿井下PDC钻头结构形式繁多，并对使用地质条件非常敏感，因此需要针对具体使用条件进行钻头设计。

PDC钻头设计主要包括钻头冠部设计、工作角设计等。

1.1 钻头冠部设计PDC钻头冠部设计是 PDC钻头总体设计的一个重要组成部分。

冠部形状决定PDC 钻头的布齿面，因此也影响着 PDC 钻头对特定地层的工作特性。

PDC钻头一、产品特点金刚石复合片（PDC）是在高温条件下，由人造金刚石与硬质合金一次性合成的特殊超硬材料，它不但具有金刚石硬度高、耐磨等优点，同时还具备了硬质合金抗冲击性强、出刃大等特点，用它做钻头的刀翼可大大提高钻头的工作效率，是钻进中硬岩层和坚硬岩层的理想钻头。

本系列金刚石PDC钻头，托体采用优质钢材煅压成型，经过真空全自动热处理设备进行增加机械性能处理。

普通型采用国内优质复合片做刀翼，超强型采用美国GE公司生产的刀片，根据地质条件的不同选用相应的质量等级，可达到更高的产品性价比，达到节能高效的经济指标。

高强型金刚石钻头刀翼采用最新研制的球型金刚石刀片，特点是钻进速度快，抗冲击能力强。

当钻头钻进时，唇边用于正常均匀地层岩石的刮削，突出部分可以抑制钻头钻进过程中遇到缝隙时瞬间大幅度进尺，大大降低了钻头的意外损坏，提高了应对复杂岩层的钻进水平。

本公司生产的金刚石钻头遍布全国煤田、石油钻探、地质勘探、水利水电、铁路公路、隧道建设等行业。

两翼PDC锚杆钻头（半片标准型）适应岩层八级以下，在同等岩层条件下钻进寿命是普通合金钻头的10-30倍，效率至少提高60%以上，不需修磨，大大降低工人的劳动强度，节约工时。

两翼PDC锚杆钻头（半片加强型）刀翼关键原材料由美国GE公司生产，其金刚石含量是普通钻头的1.5倍，耐磨性极好，效率显著提高，综合成本降低，适应12级以下中硬岩层。

二、产品参数最佳适应岩层参数表：行号类型适应岩层1 普通PDC钻头F<10的软—中硬岩2 加强PDC钻头F=10－12的中硬岩3 高强PDC钻头F<18的硬岩金刚石复合片（PDC）钻头钻进规程建议参数表：行号规格mm 钻进规程参数钻压（Kg）转速（rpm）泵量（1╱min）1 Ф28 300—700 300—350 150—2002 Ф30 300—700 300—350 150—2003 Φ32 300—700 300—350 150—2004 Φ48 300—700 300—350 120—1605 Φ56 320—800 250—350 130—1806 Φ75 480—1200 200—300 150—2007 Φ94 640—1600 150—250 200—2508 Φ110 880—2200 120—200 200—3009 Φ152 1500—3000 100—200 500—85010 Φ190 1800—4000 100—200 600—120011 Φ230 2200—4500 100—200 750—140012 Φ270 2400－5000 100—200 1000－1500三、产品说明1、正常作业时，严禁突然反转改变运行方向，以防止复合片钻头脱落。

随着ＰＤＣ钻头结构的变化以及质量的提高，ＰＤＣ钻头对地层的适用范围也在不断扩大，在石油勘探开发中发挥了新的优势，已成为不可替代的重要钻井工具之一。

尤其是焊片式胎体ＰＤＣ钻头，它通过模具可以一次成型，制造出结构形状复杂的钻头，不受齿柱式布齿受限的影响，具有钻头基体耐冲蚀、抗高压、使用寿命长的特点，因此受到了用户的认可。

为了发挥胎体ＰＤＣ钻头的特长，必须保证钻头胎体有足够的强度和冲击韧性，防止正常使用中受到破坏，保证使用安全，所以针对钻头结构特点，开展了钻头胎体性能方面的试验研究。

胎体ＰＤＣ钻头从结构上分主要有两种：一种是西瓜皮型的齿柱式，一种是刀翼型的焊片式ＰＤＣ钻头。

目前，市场上主要以刀翼型的胎体ＰＤＣ钻头为主，因为刀翼型有较大的排屑空间能及时排屑，防止钻进中重复破碎，对提高钻速起到了明显作用。

国内外的ＰＤＣ钻头生产厂家也基本是刀翼形式，因此刀翼型的ＰＤＣ钻头具有结构简单、钻速快等特点，所以被广泛采用。

刀翼型ＰＤＣ钻头在钻进过程中施加的钻压集中在几个刀翼上，刀翼的受力与金刚石胎体表镶或孕镶钻头、齿柱式西瓜皮钻头有很大的区别，主要表现在钻头结构整体受力和刀翼的局部受力分布上。

在钻压和扭转力的联合作用下，保证刀翼不会断裂，胎体和钢体结合牢固，除机械加强外，要求胎体具有较高的综合强度才能满足这种刀翼结构。

根据多年的经验和现场验证，胎体ＰＤＣ钻头结构不同、刀翼的长短不同，对胎体性能要求也有所不同。

对胎体钻头而言，钻头设计不仅是结构设计，还应包括胎体性能及工艺方面的设计。

因此，设计再好的钻头结构必须由胎体材料性能来保证，二者是相辅相成的，单一的要求都是偏面的。

所以，开展对钻头胎体配方、性能方面的试验研究是实施钻头设计思想、保证钻头质量的关键。

胎体是由骨架料和浸渍合金经烧结而形成的统一体。

骨架料是由不同粒度的粉末冶金组成，而浸渍合金也是由不同的铜基焊料成份所组成。

胎体的性能取决于骨架料和浸渍合金的选择。

同样的骨架料，使用不同的浸渍合金会得到不同的胎体性能，反之同样的浸渍合金、不同的骨架料也会得到不同的胎体性能。

2441 吐哈油田复杂岩性地层钻井简介吐哈油田主要含复杂岩性地层的区块有照壁山、柯克亚、鲁克沁等，自上而下钻遇的地层有：第四系西域组、第三系鄯善群；中生界白垩系吐谷鲁群，侏罗系上统齐古组，侏罗系中统七克台组、三间房组、西山窑组，侏罗系下统三工河组、八道湾组，三叠系上统克拉玛依组、三叠系上统。

其中照壁山区块中下部地层（2500-4300m）为致密砂泥岩互层，地层可钻性较差、研磨性极强。

由于钻头在这种复杂岩性地层中钻进时受力不均引起的交变应力对切削齿造成的恶劣冲击是导致钻头切削齿破坏失效的主因。

主要表现有：金刚石复合片先期损坏，单只钻头行程短、使用寿命短、机械钻速低等。

因此，在前期钻井施工中大多采用牙轮钻头钻进的方式穿越复杂岩性地层，在此条件下施工的钻头破岩效率低、钻压较大井身质量难以控制、起下钻频繁，造成钻井周期延长和钻井费用增加，那以满足油田目前勘探开发形式下高效钻井的要求。

2 PDC钻头个性化设计研究2.1 地层可钻性研究通过在室内开展岩石力学参数实验，对岩石动力学参数和声学参数进行测定，采集照壁山、柯克亚、鲁克沁等多个复杂岩性地层发育区块的岩芯，对岩芯可钻性、研磨性实验结果和声波时差测井资料进行对比分析，建立了地层可钻性、研磨性的科学计算模型，最终形成了复杂岩性区块的PDC钻头地层可钻性、研磨性分析剖面。

2.2 钻头优化设计研究3 现场试验情况及结果分析为验证吐哈复杂岩性地层中新型PDC钻头的适应性，在照壁山、柯克亚、鲁克沁等典型复杂岩性地层区块开展了多口井的现场试验。

实践证明，新型PDC 钻头对复杂岩性地层适应性良好，机械钻速、使用寿命和单只行程有了明显的提高，使钻井周期大幅缩短、钻井运行效率显著提高。

下面例举新型钻头在照壁山区块的两口试验井中的现场应用情况及效果。

3.1 试验1井试验情况及结果分析试验1井位于红旗坎构造带照壁山区块，处于山前逆掩带，中部地层泥岩与砂砾岩互层发育，下部地层致密细砂岩与泥岩发育，夹黑色煤、泥质粉砂岩，属非均质性极强的高研磨强冲击性地层。

个性化 PDC钻头钻井技术的研究及应用摘要：青海油田采气三厂尖北区块为裂缝型基岩气藏，基底为典型的花岗岩和花岗岩片麻岩，钻探井属于深井、超深井范围，在开发钻井过程中面临可钻性差，钻头磨损严重等诸多困难，影响工程进度。

基于此，制定了适应性较好的基岩气藏提速方案，通过优化钻头实现个性化PDC钻头钻井技术，切实提高了钻井速度，降低开发成本，加快产能建设进度。

关键字：基岩；钻头；个性钻头；钻井速度；Abstract: Abstract: The Jianbei block of No.3 Gas Production Plant in Qinghai Oilfield is a fractured bedrock gas reservoir with typical granite and granite gneiss basement. The drilling wells are deep wells and ultra-deep wells, and face poor drillability during developmentand drilling. Many difficulties such as serious drill bit wear affect the progress of the project. Based on this, a well-adapted speed-upplan for bedrock gas reservoirs was formulated, and personalized PDCbit drilling technology was realized by optimizing drill bits, which effectively increased drilling speed, reduced development costs, and accelerated the progress of production capacity construction.Key words: bedrock; bit; Personality drill bit; Drilling speed;1前言：青海油田采气三厂东坪区块、尖北区块、昆特依区块均为裂缝型基岩气藏，基底发育典型的花岗岩和花岗岩片麻岩，钻探井属于深井、超深井范围。

２０２３年第５２卷第５期第１２页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２３，５２（５）：１２ ２０文章编号：１００１ ３４８２（２０２３）０５ ００１２ ０９犘犇犆钻头复合冲击钻进动力学研究邓银江１，郭正伟１，魏秦文１，程泽正１，向荣洵２（１．重庆科技学院，重庆４０１３３１；２．重庆青山工业有限责任公司，重庆４０２７７６）摘要：深部地层的环境温度高，岩石硬度大、研磨性强。

采用ＰＤＣ钻头常规钻井方式，钻头的破岩效率低、机械钻速慢。

介绍了１种轴扭复合冲击破岩工具的结构和工作原理。

建立ＰＤＣ钻头破岩理论模型和数值分析模型，并进行对比分析，得出了常规钻进和轴扭复合冲击钻进过程中ＰＤＣ钻头的运动轨迹和岩石破碎过程应力变化规律。

分析发现，复合冲击作用下岩石裂纹发生快，更容易产生体积破碎，岩石表面能够形成连续均匀的破碎坑，相比常规钻进能够提速３０％左右。

该研究为轴扭复合冲击破岩提供了理论依据，对深井油气田开发具有重要意义。

关键词：ＰＤＣ钻头；复合冲击工具；动力学中图分类号：ＴＥ９２１．１０７ 文献标识码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ３４８２．２０２３．０５．００２犛狋狌犱狔狅狀犘犇犆犅犻狋犆狅犿狆狅狌狀犱犐犿狆犪犮狋犇狉犻犾犾犻狀犵犇狔狀犪犿犻犮狊ＤＥＮＧＹｉｎｊｉａｎｇ，ＧＵＯＺｈｅｎｇｗｅｉ，ＷＥＩＱｉｎｗｅｎ，ＣＨＥＮＧＺｅｚｈｅｎｇ，ＸＩＡＮＧＲｏｎｇｘｕｎ（１．犆犺狅狀犵狇犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犆犺狅狀犵狇犻狀犵４０１３３１，犆犺犻狀犪；２．犆犺狅狀犵狇犻狀犵犜狊犻狀犵狊犺犪狀犐狀犱狌狊狋狉犻犪犾犆狅．，犔狋犱．，犆犺狅狀犵狇犻狀犵４０２７７６，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＴｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｅｅｐｐｕｍｐｉｎｇｗｅｌｌｓｉｎＳｈｅｎｇｌｉＯｉｌｆｉｅｌｄｈａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｎｕａｌｌｙ，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｐｕｍｐｗｏｒｋｏｖｅｒｐｅｒｉｏｄｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｈｏｒｔ．Ｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｓｉｓｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｐｕｍｐ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｄｅｅｐｓｕｃｋｅｒｒｏｄｐｕｍｐ，ｔｈｅｌｅａｋａｇｅｏｆｔｈｅａｍｂｉ ｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｄｅｅｐｅｒｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｉｓｈｉｇｈａｎｄｔｈｅｒｏｃｋｉｓｈａｒｄａｎｄａｂｒａｓｉｖｅ．Ｔｈｅｃｏｎｖｅｎ ｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇＰＤＣｂｉｔｈａｓｌｏｗｒｏｃｋ ｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄａｓｌｏｗｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｒｉｌｌ ｉｎｇｒａｔｅ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｎａｘｉａｌｔｏｒｓｉｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｍｐａｃｔｔｏｏｌｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒＰＤＣｂｉｔｂｒｅａｋｉｎｇｒｏｃｋｗｅｒｅｅｓｔａｂ ｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｆＰＤＣｂｉｔａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｏｆｔｈｅｒｏｃｋ ｂｒｅａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｄｕｒｉｎｇｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄａｘｉａｌｔｏｒｓｉｏｎａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｉｎｇ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｍｐａｃｔ，ｒｏｃｋｃｒａｃｋｉｎｇｏｃｃｕｒｓｑｕｉｃｋｌｙａｎｄｖｏｌｕｍｅｃｒｕｓｈｉｎｇｉｓｍｏｒｅｌｉｋｅｌｙｔｏｏｃｃｕｒ，ａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｎｄｕｎｉｆｏｒｍｃｒａｔｅｒｓｃａｎｂｅｆｏｒｍｅｄｏｎｔｈｅｒｏｃｋｓｕｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｐｅｅｄｂｙａｂｏｕｔ３０％ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒａｘｉａｌ ｔｏｒｓｉｏｎａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｍｐａｃｔｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｅｅｐ ｗｅｌｌｏｉｌａｎｄｇａｓｆｉｅｌｄｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＰＤＣｂｉｔ；ａｘｉａｌｔｏｒｓｉｏｎａｌｉｍｐａｃｔｔｏｏｌ；ｄｙｎａｍｉｃｓ　收稿日期：２０２３ ０３ １６　基金项目：重庆市自然科学基金项目“异形单牙轮钻头破岩机理研究”（ＣＳＴＣ２０２０ＪＣＹＪ ＭＳＸＭＸ０１６９）；重庆市自然科学基金项目“气体钻井钻具传动主轴动力学建模与安全控制研究”（ＣＳＴＣ２０２０ＪＣＹＪ ＭＳＸＭＸ０４１２）；重庆市教委科学技术研究项目“深井硬岩地层异形单牙轮钻头结构与性能关系研究”（ＫＪＱＮ２０２１０１５０４）。

复杂地质环境下钻探施工技术的探讨[摘要]：本文总结了煤田复杂地质环境特性下的钻探施工方法，再根据具体案例用来说明钻探施工技术的可行性，并取得了钻孔施工较好的钻探效率和经济益。

[关键词]：钻探技术：复杂煤岩；施工技术；地质钻探；冲洗液；引言近年来，复杂地质钻探技术虽然有所发展。

但仍处于起步和摸索阶段，随着钻探工艺的完善，将会使复杂地层煤田钻探水平有更大的提高。

1、复杂地质环境分类根据钻探施工特点及地质情况，把复杂煤岩地层分为以下几类：（1）松散破碎地层：主要包括松散破碎和硬、脆、碎破碎地层。

较为典型的有胶结性很差的砂石和石灰岩组成的二叠纪地层，这种地层含有大量的砂岩，部分地区存在泥岩、砂岩和砾岩以及部分卵石。

受钻具振动碰撞和泥浆冲蚀作用，钻探钻孔易发生坍塌、漏失、超径等事故。

（2）水敏性地层：主要包括水化松散、水化剥落、水化膨胀和水化溶蚀煤系地层。

（3）漏、涌水地层：这类地层钻探施工护孔堵漏难度极大，漏失分大、中、小漏；涌水地层一般涌水量为10 m3/h～ 50 m3/h。

煤系地层硅质胶结，灰岩多破碎，且研磨性大，构造裂隙较发育，稳定性较差，透水性强，地下水丰富，承压水力大，钻孔缩径或涌水时有发生。

2、钻探钻孔根据地层特点和地质钻探对孔径的要求，首先进行了钻孔结构优化，尽量简化钻孔结构。

即先用d133mm的普通型pdc复合片钻头开孔。

穿过第四系松散破碎地层，下人d127mm双层岩芯套管；然后抉用d113mm普通型和加强型pdc复合片钻头钻进，穿过复杂煤岩地层，下人技术套管，以保护孔壁，导正钻孔；最后煤系地层用d108mm半合管取煤钻进。

3、冲洗液的选择3.1冲洗液根据矿田的地层特点采用清水加乳化剂做冲洗液是适宜的。

不用泥浆钻进的主要原因是：①影响钻进效率：②易烧钻；③一旦钻遇坍塌严重地层时，用水泥封孔时还需冲孔、沈孔、置换泥浆工作，否则水泥与孔壁之间不能凝固在一起，形成两层皮，达不到封孔的预期目的。

pdc钻头分类PDC钻头分类PDC钻头，即多晶金刚石复合钻头，是一种高效率、高性能的钻井工具，广泛应用于石油、天然气勘探开发、地热能利用、水井、地质勘探等领域。

根据其结构和功能特点的不同，可以将PDC钻头分为几种主要类型。

1. 直齿PDC钻头直齿PDC钻头是最常见的一种类型，其主要特点是在钻头表面直接安装了一层PDC切削牙。

这种设计能够提高钻头钻进速度和穿透率，适用于软岩、煤层等较软地层的钻井作业。

2. 扩孔PDC钻头扩孔PDC钻头在直齿PDC钻头的基础上进行了改进，通过增加扩孔结构，使得钻头在钻进过程中能够扩大孔径，提高钻井效率。

这种钻头适用于需要扩孔的地层，如石灰岩、砾石等。

3. 钻进导向PDC钻头钻进导向PDC钻头是一种具有导向功能的钻头，通过在钻头上安装导向翼片或弯曲导向装置，可以实现井眼的导向控制，使钻井方向更加准确。

这种钻头适用于需要进行水平井、定向井等作业的情况。

4. 钻进动力PDC钻头钻进动力PDC钻头是一种具有自驱动功能的钻头，通过在钻头内部安装动力装置，可以提供钻井过程中所需的动力，减轻钻机的负荷，提高钻井效率。

这种钻头适用于需要大功率、高效率的钻井作业。

5. 钻头组合PDC钻头钻头组合PDC钻头是一种将不同类型PDC钻头组合在一起的复合钻头，通过不同结构和功能的PDC切削牙相互配合，实现钻井过程中的多种功能，提高钻头的适应性和效率。

这种钻头适用于复杂地层条件下的钻井作业。

总的来说，PDC钻头具有高效率、高性能的特点，能够满足不同地层条件下的钻井需求。

不同类型的PDC钻头在结构和功能上有所差异，用户可以根据具体的钻井需求选择适合的钻头类型，以提高钻井效率，降低成本，实现更好的钻井效果。

浅谈PDC锚杆钻头失效原因及改进对策一、引言1.1 研究背景和意义1.2 目的和意义二、PDC锚杆钻头的失效原因2.1 磨损失效2.2 断裂失效2.3 焊接失效2.4 热失效2.5 化学腐蚀失效三、改进对策3.1 材料改进3.2 结构优化3.3 涂层技术3.4 检测技术四、案例分析4.1 合金刀具失效的典型案例4.2 锚杆钻头失效的案例分析五、结论5.1 成果总结5.2 展望未来研究方向和意义。

一、引言在采矿和岩土工程施工过程中，锚杆钻头被广泛应用于地下支护和锚固，具有安全可靠、效率高的优点。

随着地下工程越来越复杂，对锚杆钻头的要求也越来越高，因此不断有钻头生产厂商开发出新的钻头类型和结构，以适应各种不同的地质条件和工程要求。

其中，多晶金刚石（PDC）钻头因其高效、耐磨、高强、易于钻进等特点，逐渐成为现代岩土工程钻进的主要切削工具之一。

然而，在实际工程应用中，PDC锚杆钻头的失效问题常常成为研究和解决的难点。

失效不仅会影响钻进作业的效率和安全，还会导致生产成本的上升和人力的浪费，严重影响企业的经济效益和社会效益。

因此，研究PDC锚杆钻头失效的原因及改进对策，对行业的发展具有十分重要的意义。

本文将结合相关文献和实例，从失效原因和改进对策两个方面对PDC锚杆钻头失效进行深入探讨，并对相关技术发展做出推测，以期为相关行业的研究工作提供一定的借鉴和参考。

二、PDC锚杆钻头的失效原因2.1 磨损失效磨损失效是PDC锚杆钻头最为常见的失效形式之一，主要表现为刃部磨损、失去切削能力。

磨损的主要原因是钻头在长时间钻进过程中与地层中的砂石、矿物等硬质物质相互摩擦和碰撞，导致刀片表面形成磨损痕迹，后期磨损程度逐渐加重，最终导致磨损失效。

钻头的材料、涂层、结构等因素均可影响磨损失效，因此提高钻头的耐磨能力是防止磨损失效的一种有效手段。

2.2 断裂失效断裂失效是PDC锚杆钻头重要的失效形式之一。

PDC锚杆钻头刀片与钢体之间的粘结强度是影响钻头断裂的主要因素。

第二章PDC 钻头工作原理及相关特点第二章 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。

它普通用于胎体钻头；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者焊接在钻头体上的齿空内，它普通用于钢体钻头，也实用于胎体钻头的。

复合片(即聚晶金刚石复合片)是切削齿的核心。

复合片普通为圆片状，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(a) 复合片式切削齿(b)齿柱式切削齿图1-3 复合片的结构图1-2 切削齿在钻头上的安装方式硬度及高耐磨性，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向来与岩石表面滑动磨擦要产生大量的磨擦热，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浮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。

PDC钻头使用类型PDC（聚晶钻头）钻头是近年来石油钻探领域中广泛使用的一种钻井工具。

它以高硬度、高韧性和抗磨损性能而著称，具有很高的钻进速度和良好的钻井性能，被广泛用于各类岩石的钻井作业。

根据不同的使用场景和岩石性质，PDC钻头可以分为几种不同的类型。

1.全面固结PDC钻头（Matrix PDC Bits）:这种钻头主要由聚晶齿和基体（又称为矩阵）组成，聚晶齿通过高温高压的工艺固结在基体上。

聚晶齿具有异常高的硬度和韧性，可以很好地抵抗地层的磨损和破碎，而基体则提供了一定的强度和稳定性。

全面固结PDC钻头适用于一般的钻井环境和弱-中硬度的岩石。

2.增韧型PDC钻头（Toughened PDC Bits）:增韧型PDC钻头采用类似金属的材料作为基体，可提供更高的强度和韧性。

增韧型PDC钻头的聚晶齿比全面固结型更细小，能在基体上形成更强的支撑结构，从而提高了钻头的抗磨损和抗冲击性能。

增韧型PDC钻头适用于中硬-高硬度的岩石，如石英岩、玄武岩等。

3.钢体PDC钻头（Steel Body PDC Bits）:钢体PDC钻头采用整体钢体结构，包括钢体本身和装配在其上的聚晶齿。

与前两种钻头相比，钢体PDC钻头更适用于特殊的钻井环境，如高温高压的深层井口、酸性环境等。

钢体PDC钻头的钻具设计更为复杂，需要更高的技术难度和成本，但由于其良好的耐压性和抗腐蚀性能，使其成为一些特殊作业的首选。

4.侧喷PDC钻头（Jet Deflection PDC Bits）:侧喷PDC钻头在钻井过程中注入高速射流，把钻井液喷出来，通过液体的冲刷和冲击来清除井底碎屑，防止碎屑卡钻。

这种钻头适用于易卡钻的地层，如软-中硬的沉积岩。

5.方形PDC钻头（Square PDC Bits）:方形PDC钻头的切削齿排列为方形，相比于传统的圆形排列，能够提供更多的侧切削面积，有利于提高钻井效率和采取更大的传动力。

方形PDC钻头适用于中-高硬度的岩石。

ＰＤＣ钻头不良状态分析与改进措施王红波孙起昱中国石化中原石油勘探局钻井工程技术研究院　河南濮阳　４５７００１摘要：在我国ＰＤＣ钻头在很多领域都得到了广泛应用，在钻软～中硬岩层时，创造了很高的效率，得到了大家的一致认可，但采用ＰＤＣ钻头钻进在遇到复杂地层及硬岩地层时，产生了很多不良状态，极大的限制了ＰＤＣ钻头的使用范围，进一步提高ＰＤＣ钻头的钻进能力，一向是专家们奋斗的目标。

以ＰＤＣ钻头不良状态发生的部位对其表现形式进行了分类，并从内因与外因两方面探讨了不良状态发生的原因，对近年来国内从提高ＰＤＣ钻头材料品质及优化制造工艺、优化钻头结构、优化钻井工艺参数及钻具组合、使用辅助破岩技术对改进钻头的不良状态进行了综述，提出了一些提高ＰＤＣ钻头寿命、加大机械钻速有利的措施。

改进ＰＤＣ钻头的不良状态是一个系统的工程，必须充分考虑各种因素的作用，才能取得较好的效果。

关键词：ＰＤＣ钻头；不良状态；改进措施；钻头寿命；机械钻速ＴＤＢＨａｒｍｆｕｌ　ｓｔａｔｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔｓＷａｎｇ　ｈｏｎｇｂｏＴｈｅ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ　Ｏｉｌ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ，　Ｐｕｙａｎｇ　４５７００１，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，　ＰＤＣ　ｂｉｔｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｅｙ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ａｂｏｕｔ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｗｈｅｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｉｎ　ｓｏｆｔ　ｔｏ　ｍｉｄｄｌｅ－ｈａｒｄ　ｌａｙｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｇａｉｎｅｄ　ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ．　Ｂｕｔ　ｗｈｅｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｉｎ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ａｎｄ　ｈａｒｄ　ｌａｙｅｒ　ｗｉｔｈ　ＰＤＣ　ｂｉｔ，　ｍａｎｙ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｓｔａｔｅｓ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｕｓｅ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔｓ　ｇｒｅａｔｌｙ．Ｔｏ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｄｉｌｌｉｎｇ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔ　ｈａｓ　ａｌｗａｙｓ　ｂｅｅｎ　ａｉｍ　ｏｆ　ｍａｎｙ　ｅｘｐｅｒｔｓ．　Ｈａｒｍｆｕｌ　ｓｔａｔｅｓ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔｓ　ｗｅｒｅ　ｓｏｒｔｅｄ　ｂｙ　ｐａｒｔｓ　ｗｈｅｒｅ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｓｔａｔｅｓ　ｆｏｒｍｅｄ，　ａｎｄ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｏｆ　ｆｒｏｍ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｆｒｏｍ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔ，　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｉｔ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｓｓｅｍｂｌｙ，　ｕｓｉｎｇ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｆｒａｍｅｎｔｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔｓ　ｗｅｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｓｏｍｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔｓ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　．Ｓｉｎｃｅ　ｉｔ＇ｓ　ａ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ＰＤＣ　ｂｉｔｓ，ｍａｎｙ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｎｅｅｄｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｂｅｔｔｅｒ　ｅｆｆｅｃｔｓ．。