PDC钻头胎体性能研究

174PDC钻头代表了钻头的一个新的发展阶段。

这种钻头通过破碎岩石作用钻进岩石。

安全系数高，风险低。

金刚石复合片为聚晶片，后约1/32in，镶嵌在已植入钻头本体预先所钻的洞内的碳化物金属块里。

1 PDC钻头的结构PDC钻头结构有钢体与胎体两种类型，其中胎体钻头的材料为铸造碳化钨粉，经烧结制成钻头，在烧结时钻头工作面留下窝槽，然后再在窝槽上直接焊接复合片。

钢体钻头的材料为整块合金钢经机械加工铸成，然后在碳化钨齿柱上将复合片制成切削齿，并将切削齿镶嵌在钻头体上，保径部位也是将金刚石块或其他耐磨性材料镶嵌在钻头体上，为防止冲蚀，可在钻头工作面上喷涂一层耐磨材料。

PDC钻头工作面的几何形状其对钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部荷载的分布都有明显的影响。

钻头工作面性状有五个基本要素，包括顶部、内锥、肩部、侧面与保径。

2 PDC钻头的工作原理PDC钻头实际上就是微型切削片刮刀钻头，所以PDC 钻头的工作原理基本与刮刀钻头的基本相同，在软至中硬的地层中钻头通过剪切方式将岩石破碎，在较小的钻压下就能够完成高机械钻速。

由于聚晶金刚石层极薄（1mm）左右、极硬，且比碳化钨衬底的耐磨性高100倍以上，因此在切削岩石过程中刃口能保持自锐。

3 PDC钻头的特点PDC钻头特点主要有以下几个方面：即没有活动的零件，切削钻用能力强，钻头有较长的使用寿命，和比其它类型钻头相比较其机械钻速和抗冲击性更高，最适合于井下动力钻井。

获得极高的机械钻速，与牙轮钻头相比，PDC钻头本身没有活动件，可防止掉牙轮等井下事故与复杂情况的发生。

4 PDC钻头适用性PDC钻头主要在软至中硬地层中比较适用，地层有适度的研磨性，PDC钻头在砾石、燧石及大段不均质地层中应该避免使用。

同时根据地层的具体情况要选择合适的PDC钻头，当遇到硬且脆的地层则要选择布齿密度大、切削齿初刃小的钻头类型；遇到软土地层则需要选择布局密度小、切削齿初刃大的钻头，增加钻头的吃入深度以及有助于井底清洗，防止钻头泥包。

PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨PDC钻头是一种常用于石油钻井的特殊钻头，它能够在复杂地质条件下高效地完成钻井作业。

地质录井技术则是用于记录和分析地层岩石特征、井壁稳定性和油气藏性质等信息的技术。

本文将针对PDC钻头钻井条件下的地质录井技术进行探讨，探讨PDC钻头对地质录井技术的影响和优化方法，以及应对PDC钻头钻井条件下的地质风险。

一、PDC钻头的特点及适用条件PDC（Polycrystalline Diamond Compact）钻头是一种利用工业合成金刚石切削岩层的钻头，其具有高硬度、耐磨损、良好的钻进速度和稳定的性能。

PDC钻头适用于钻探中硬、脆性差的地层，在钻探深度和速度上具有明显优势。

PDC钻头特点主要有以下几点：1. 高硬度。

PDC钻头具有硬度非常高的切削齿，可以快速穿过硬质地层，提高钻井效率。

2. 耐磨损。

PDC钻头的切削齿采用坚硬的金刚石，耐磨损性强，能够长时间保持切削效果。

4. 适用范围广。

PDC钻头适用于各种地质条件下的钻井作业，尤其在硬质地层和高速钻井条件下表现出色。

二、PDC钻头对地质录井技术的影响PDC钻头钻井条件下的地质录井技术面临着一些挑战和影响，主要表现在以下几个方面：1. 钻井速度快。

PDC钻头具有快速的钻井速度，地质录井过程受到了时间压力和快速变化的地层条件的影响，需要及时准确地记录和分析地质信息。

2. 井壁稳定性差。

PDC钻头在钻井过程中可能会出现井壁稳定性差的情况，需要及时调整录井技术和井壁加固措施。

3. 地层岩石特征记录不清。

PDC钻头对地层岩石进行破碎切削，有时会导致地质录井设备无法准确记录地层岩石特征，需要寻求记录技术的改进和优化。

4. 油气藏性质分析受到影响。

PDC钻头钻井可能会产生较多的岩屑，并对地层中的油气藏性质产生影响，需要对录井技术进行适当改进。

2. 适时进行录井操作。

鉴于PDC钻头的快速钻进速度，地质录井人员需要密切配合钻井工程师，适时进行记录和分析操作，确保录井数据的准确性和完整性。

摘 要本文针对PDC 钻头关键设计参数研究相对滞后、缺少一定的规律性、设计者常常根据经验或类比于其它钻头设计的现状，通过室内实验和数值模拟相结合的方法研冠了部剖面形状、后倾角度、切削齿尺寸、布齿密度、内锥角度、内外锥高度及冠顶位置等关键设计参数对PDC 钻头的影响规律。

研究结果表明：①在破岩效率上，切削齿尺寸与地层硬度成反比。

即在d k 值小于3.48的地层中，直径为19.05mm 的切削齿宜获得较高的机械钻速；d k 值在4.6～5.78的地层中，直径为16.10mm 的切削齿宜获得较高的机械钻速；②在d k 值小于3.48的地层中采用10°～15°后倾角，d k 值在d k =3．48～5.78的地层中采用15°～20°后倾角可明显提高钻进速度；③布齿密度与钻速成反比；④在d k 值小于3．48的地层中采用“直线-圆弧-直线”型剖面易获得较高的机械钻，d k 值在3.48～4.6的地层中采用“直线-圆弧-圆弧”型剖面易获得较高的机械钻速；⑤深内设计可提高钻头稳定性和切削齿寿命；内锥角在90°-160°范围变化时，随角度的增大，在钻压作用下，钻头冠部受力趋向均匀，扭矩对钻头内锥受力影响变化不明显；⑥高外锥设计可有效提高钻速；外锥角在25°～45°变化时，随角度的增大，外锥受力逐渐增大，钻压和扭矩对外锥影响明显；⑦冠顶半径与钻头半径之比设计为0.64时，钻头冠部应力集中现象明显降低。

本文的研究成果对PDC 钻头个性化设计有一定指导意义。

关键词：PDC 钻头；设计参数；破岩效率；钻头保径AbstractIn view of the research of PDC key parameter relative lag，little certain regularity and the designs often depending on experience or analogy to others，the author has studied a series of key parameters that impact on PDC drill bit through the laboratory experiment and the numerical simulation，such as the shape of crown,degree of back rake angle，the cogging size，the tooth density,the degree of inner cone，the height of inner/outer cone and the position of crown．The results of study show that：(1)The cogging size is in inverse proportion to formation hardness on broken rockk is less than 3．48，and the diameter of cogging isl 9.05mm，efficiency．When thedIt should obtain higher drilling rate．Also the drilling rate will be higher whenk isd3.48～5.78，and the diameter is 16.10mm．(2)The drilling rote can increase if the backk is less than 3.48，Also it will be higher rake angle is between 10°and 15°whendwhen the back rake angle is 15°and 20°andk is 3.48～5.78．(3)The cogging density isdin inverse proportion to the drilling speed．(4)Higher drilling speed can be got through the“straight line—arc-straight line”section whenk is less than 3.5．And it also can bedgot through“straight line-arc-arc'’section whenk is between 3.48～4.6．(5)The designdof deep inner cone can improve bit stability and cogging life．When the degree of inner cone changes in 90°～160°，the force of crown tends to evenly under the function of drill pressure with the degree of inner cone increasing，also the torque is not obvious to the force of the crown (6)The design of high outer gone may enhance drill rate effectively．The stress of outer cone increases gradually with the angle longer and longer,simultaneity the bit pressure and the torque are obvious to the outer cone when the outer cone changes from 25°to 45° (7)When the ratio of crown radius and bit radius is 0.64，the centralized phenomenon of stress of crown is obviously reduced．The research results have certain directive significance to individualized design of PDC bit．Key words：PDC bit；Design parameter；Rock breaking efficiency；Drill gage目录第1章前言 (1)1.1研究的目的及意义 (1)1.2国内外研究现状及存在的主要问题 (2)1.3论文主要研究内容 (4)第2章实验钻头设计 (5)2.1冠部剖面形状设计 (5)2.2切削齿尺寸设计 (10)2.3切削齿工作角度选择 (10)2.4布齿密度设计 (11)2.5切削齿布齿方式设计 (13)第3章室内钻进实验结果分析 (16)3.1切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律 (16)3.2布齿密度对钻头破岩效率的影晌规律 (19)3.3冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律 (21)第4章钻头保径技术研究 (23)4.1钻头保径技术的研究概况 (23)4.2保径器的分类 (27)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)第1章前言1.1 研究的目的及意义钻头做为钻进过程中主要的岩石破碎工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻井工艺条件是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。

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钻头者,就是聚晶金刚石复合片钻头,即Polycrystalline Diamond Compact Bit.其结构见图1-1所示,它示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,又具有碳化钨地结构强度和抗冲击能力.由于聚晶金刚石内晶体间地取向不规则,不存在单晶金刚石固有地解理面,所以PDC的抗磨性及强度高于天然金刚石的,且不易破碎.PDC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.PDC钻头的特点1973年美国开发了聚晶金刚石复合片钻头,国外广泛应用于软-中硬地层.在中东和北海的深井及海洋钻井中首先获得了高井尺、高钻速,大大缩短了建井周期,降低了钻井成本,受到了钻境界的广泛重视,成为钻井工具的一项重大成就.国内对PDC钻头也引起了极大的关注和兴趣,随着钻井技术人员对PDC钻头的认识和实践,它正在逐步取得较好的使用效果.按钻头材料及切削齿结构划分,PDC钻头有钢体和胎体两大类别(间上图1-2) 胎体钻头用碳化钨粉末烧结而成,用人造聚晶金刚石复合片钎焊在碳化钨胎体上,用天然金刚石保径.碳化钨胎体耐冲蚀、耐磨、强度高、保径效果好.钻头水眼水道面积可以根据钻井工艺需要的水力参数来设计,有较大的灵活性.胎体外形可以根据地层特点设计,变化胎体形状只要改变模具而不需要增加设备.钢体PDC钻头,是用镍、铬、钼合金机械加工成形.经过热处理后在钻头体上钻孔,强人造聚晶金刚石复合片压入(紧配合)钻头体内,用柱状碳化钨保径.它比胎体钻头成本低20%左右,但不耐磨且易被冲蚀.PDC钻头的设计特点1.PDC钻头采用爪型设计PDC钻头的性能在很大程度上取决于切削齿的质量,PDC钻头都采用了高质量爪型齿和环形齿,经过与其它类型复合片对比试验分析,证明它具有抗剪强度高、耐冲击、寿命长、热稳定性能好的特点,与同尺寸普通PDC齿相比,爪型齿的金刚石含量提高了2.7倍,抗冲击破坏能力提高2倍.2.大刀翼设计全部PDC钻头系列的刀翼进行加高加大,采用超大排屑流道设计,可以更加有效的运移钻屑,清洗钻头,防止钻头泥包,提高机械钻速.3.抗回旋设计采用力学平衡设计,对PDC钻头进行螺旋保径设计、轨道布齿设计、缓冲块设计以保证钻头抗回旋性能.4.防泥包涂层设计和制造技术QP系列钻头可根据地层情况进行防泥包涂层设计,它采用了独特的对钻头表面负离子处理技术,使钻头表面带有负电荷,在钻头周围形成一个阳板,形成电流,钻头与钻井液之间形成一个水的集区,其作用就如同润滑剂或象隔板,在钻进中,泥页岩钻屑中的负离子与钢体表面的负电荷相斥,从而起到防泥包的效果.5.可修复性钢体PDC钻头的本体磨损和切削齿破碎后可进行修复和更换,使得钻头的使用成本大大降低.PDC钻头结构特征及此因素对造斜率的影响钻头的费用在一口井中的总费用中所占的比例不是很大,但选好和用好一只钻头对提高机械钻速、提高造斜率和降低全井费用却是关系重大.为了高速、优质、低成本地钻好定向井,应从定向钻井的独特性出发优选钻头.定向造斜段钻井的特点使使用井下马达,钻头转速高,钻头切削齿和钻头外径磨损快钻头寿命缩短.在定向段钻进过程中,需要钻头能保持住所要求的工具面角度,如果所选的钻头布能提供合适的导向能力,就会获取布到所设计的造斜率或偏离所定的方位.这样,就会增多纠斜和扭方位的次数或增多更换下部钻具组合的次数.由于PDC钻头具有无活动件、适应高转速低钻压钻进工况之特点和钻头使用寿命长的优点,因此更适合与动力钻具配合使用,多次现场施工结果表明,动力钻具+PDC钻头钻进方式有利于提高钻井速度,减少起下钻次数、保证钻具安全,取得了动力钻具+牙轮钻头钻进方式无法比拟的技术经济效益.常规定向井施工主要时通过选择合适的造斜工具（弯接头+动力钻具、单弯动力钻具、双弯动力钻具等）调整侧向力的大小，从而控制造斜率的高低，而同样的侧向力与不同结构的PDC 钻头配合对造斜率时有极大的影响的。

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。

PDC钻头工作原理及相关特点剖析1.工作原理PDC钻头主要由钻头主体、切削结构和钻头连接装置组成。

其中，切削结构是PDC钻头的核心部分。

切削结构通常由若干个聚晶金刚石片组成，这些片通过硬质合金基体和钻头主体连接在一起。

当钻具旋转时，切削结构上的聚晶金刚石片与钻井地层接触，通过摩擦和冲击力来实现岩石的切削和破碎，从而实现钻井作业的目的。

PDC钻头之所以能够高效地进行切削，主要得益于聚晶金刚石的特殊结构和性质。

聚晶金刚石是通过高温高压合成的人工合成金刚石材料，其硬度远远高于地层中的普通岩石。

同时，聚晶金刚石具有非常好的热稳定性，能够在高温环境下保持其切削能力。

因此，PDC钻头在钻井过程中能够快速、高效地切削地层，提高钻孔速度和钻井效果。

2.相关特点（1）高硬度：PDC钻头主体采用硬质合金材料，而切削结构上的聚晶金刚石片具有非常高的硬度。

这使得PDC钻头能够抵御地层中较硬岩石的切削和破碎，提高钻井效率。

（2）良好的耐磨性：聚晶金刚石具有很高的耐磨性能，即使处在高速旋转和高压力下，也能保持较长时间的使用寿命。

这使得PDC钻头在长时间连续作业中具有更好的性能稳定性。

（3）良好的热稳定性：PDC钻头的聚晶金刚石片在高温环境下依然能够保持较好的切削能力，不易产生塑性变形和热损伤。

这使得PDC钻头在高温油气田勘探钻井中得到广泛应用。

（4）低扭矩：由于PDC钻头的切削面积较大，钻进过程中产生的扭矩相对较小，可以减少钻井设备的负荷和能耗，提高钻井作业的效率。

（5）钻速快、钻屑排除好：PDC钻头具有较大的切削面积和切削速度，可以快速破碎地层岩石，提高钻井速度。

同时，切削结构上的切削槽和孔水精心设计，有利于钻屑的排除，减少钻井堵塞的风险。

（6）适应性广：PDC钻头适用于钻探各种地层，如软岩、硬岩、砂岩、页岩等。

可以用于直钻、倾斜钻和水平钻井，满足不同场地和作业需求。

综上所述，PDC钻头以其高硬度、高抗磨损性和高热稳定性等特点，在石油和天然气勘探钻井领域得到广泛应用。

PDC钻头参数引言PDC（Polycrystalline Diamond Compact）钻头是一种常用的钻井工具，其具有高效率、长寿命和稳定性等优点。

本文将对PDC钻头的参数进行全面、详细、完整且深入地探讨，包括PDC的结构、刀翼和刀齿等参数。

PDC钻头的结构PDC钻头主要由刀翼、刀齿、钢体和接头等部分构成。

刀翼刀翼是PDC钻头的主要工作部分，通常由高硬度的刀片和PDC刀齿组成。

刀翼的参数包括刀片硬度、刀片形状和刀片密度等。

1.刀片硬度刀片硬度是刀翼的重要参数，直接影响到PDC钻头的使用寿命和钻井效果。

一般情况下，刀片硬度越高，其耐磨性和抗磨损性能越好。

常用的刀片硬度范围为5000~8000HV。

2.刀片形状刀片形状对于PDC钻头的钻井效果和孔道质量有较大影响。

常见的刀片形状有平底刀片、钝头刀片和尖头刀片等。

不同形状的刀片适用于不同的地质条件和钻井要求。

3.刀片密度刀片密度是指刀片上PDC刀齿的数量和分布情况。

刀片密度越大，每个刀翼上的刀齿越多，钻头的钻进速度越快。

但刀片密度过高也会导致刀翼的疲劳寿命降低。

刀齿刀齿是PDC钻头的关键部分，其主要作用是进行切削和颗粒破碎。

刀齿的参数包括刀齿材料、刀齿形状和刀齿尺寸等。

1.刀齿材料常见的刀齿材料包括聚晶金刚石和硬质合金等。

聚晶金刚石具有高硬度、抗磨损性好的特点，适用于钻取较硬的地层；硬质合金具有较高的韧性和断裂韧性，适用于钻取较软的地层。

2.刀齿形状刀齿形状影响到钻头的切削效果和钻孔的质量。

常见的刀齿形状有平面刀齿、弯刀齿和锯齿刀齿等。

不同形状的刀齿适用于不同的地质条件和钻井要求。

3.刀齿尺寸刀齿尺寸影响到钻头的整体性能和孔道质量。

刀齿尺寸一般由长度、宽度和高度三个参数来表征。

较大尺寸的刀齿通常用于钻取较硬的地层，而较小尺寸的刀齿适用于钻取较软的地层。

钢体钢体是PDC钻头的支撑和固定部分，起到连接刀翼和接头的作用。

钢体的参数包括材质、强度和尺寸等。

PDC钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状李彦操（中石化胜利油田分公司, 工程技术管理中心, 山东东营 257000）摘要　聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头，是钻井工程中主要破岩工具之一。

PDC钻头切削齿的破岩效率、耐磨性、热稳定性和抗冲击性等性能指标对PDC钻头的使用效果影响很大，相关研究在国内外备受关注。

本文总结了国内外有关PDC钻头齿破岩机理和性能测试的实验装置、测试方法等代表性成果，按照PDC钻头齿与岩石相互作用的方式，相关实验主要包括5大类：PDC钻头齿直线切削实验、旋转切削实验、落锤冲击实验、PDC钻头单齿静压实验以及全尺寸PDC钻头实验；按照测试目的，又可分为PDC钻头齿的破岩机理和性能测试2大类。

通过调研分析这些实验研究的优缺点，以期为PDC钻头齿的研究与优化、PDC钻头的整体个性化设计等提供参考。

关键词　PDC钻头齿；直线切削实验；旋转切削实验；落锤冲击实验；PDC单齿静压实验；全尺寸PDC 钻头实验中图分类号　TQ164; TG74; TG58　文献标志码　A 文章编号　1006-852X(2023)05-0553-15DOI码　10.13394/ki.jgszz.2023.0155收稿日期　2023-08-01　修回日期　2023-08-16自2000年起，随着科研人员对PDC钻头齿破岩机理的深化理解和超硬材料科学与生产工艺的不断进步，PDC钻头在石油和天然气钻井工程中的应用逐渐普及。

如今，PDC钻头在油气钻井领域占据了超过80%的市场份额，贡献了90%以上的全球钻井进尺，几乎成为全球高端钻头市场的主导力量[1]。

PDC钻头齿的技术进步极大地推动了油气钻井工程的效益增长，然而，其有限的耐磨性、热稳定性和抗冲击性仍是制约PDC钻头齿更广泛应用的因素。

因此，研究PDC钻头齿本身的材料特性及其破岩机理，存在着广阔的创新空间和潜力巨大的工业应用前景。