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。

关键 词
Ｐ Ｃ钻 头 ； 探 ； 刚石 ； 径 Ｄ 钻 金 保
Ｔ ６ ； Ｇ ４ 文献标 识码 Ｑ１４ Ｔ ７ Ａ Ｄ Ｉ 码 Ｏ编 １ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ ８ ２ ２ １ ． ４ ０ ２ ０ ３ ６ ／ ． ｓ ．０ ６— ５ Ｘ．０ ０ ．０ ｓ １
中 图分类 号
Ｉ ｐ ｏ ｉ ｇ ｒ ｄ ｕ ｅ ｅ ｔｏ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｆｍａ ｒｘ ｔ ｐ ＤＣ ｉ ｍ ｒ ｖ ｎ ａ ｉ ｓｒ ｔ ｎ ｉ ｎ ｐ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ ｏ ｔｉ － ｅ Ｐ ｙ ｂｔ
ａ ａｙ ｅ ． Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｄ ｔ ａ ．Ｐ ｒ ｌ ｇ ｂ ｔ ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｄ ｗｉ ｏ ｃ ｎ ｒ ｔ ｎ １ ｎ ｌｚｄ ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｅ ｈ ｔ ＤＣ ｄ ｌ ｎ ｉ ｎ ｆ ｃｕ ｅ ｔ ｃ ｎ ｅ ｔａｉ ｓ ｉ ｉ ｓ ｈ ｏ ５％ ｃ ａ ｓ ｉｅ ｄ ａ ｎ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉｍｏ ｄ ｚ
（． ２ 有色金属成矿预测教育部重点 实验 室 ， 湖南长沙 ４０ ８ ） １０ ３
摘要
为 了改善胎 体 式复合 片钻 头所存 在 的保径 结构 设 计 方案 无 地层 针 对 性 、 径 效 果 不稳 定等 问题 ， 保
本 文设 计 了８只 以 ４种方 式进 行 保径 的 Ｐ Ｃ钻 头 ， 钻 头保径 性 能进行 了现 场 实验 ， Ｄ 对 结合 实验 结果 ， 混 对
（２ ／ ０ ）ａ ｄ１ ０３ ｎ ０％ ｆ ｅｓ ｅｄａ ｎ ５ ／ ０）ａ ｄｕ ｔ ｔ ｎｍａ ｒ ｌ ｐ ｒ ｒ ｄｂｔ ｒ ｅｒ ｅｉａ ｃ ｉ ｉ ｉ ｎ ｚ ｍｏｄ（ ０ ６ ｓ ａ ｉｓ ｅｅ ｉ ｔｉ ｓ ｅ ｏｍｅ ｅ ｅ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｒ ｎｏ ｅ ａ ｆ ｔ ｗ ｒ ｓｎ

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。

１ ３ 试 验原 理 ．
钻进 试验 时 ，位移 传感 器与 钻杆一 起 在垂直 方 向联动 ，测量 钻头 的钻进 深度 。测 量接 头是 一 只 自制
的压 力 和扭矩 传感 器 。钻头 旋转 钻进 岩石 ，测量 接头 输 出电压信 号 ，传输 到应 变仪 和计算 机 。计算机 对 所 有 的信号 高速 采集 ，并计 算 出与信 号对 应 的钻 压 、扭矩 、进 尺和 时间 ，由进 尺与钻 进 时间计 算得 到机
械 钻速 。
பைடு நூலகம்
２ 结果 与 分析
２ １ 涡轮 钻具 工作 转速 与钻 压的 关 系 ．
涡轮 钻具将 钻井 液 的能量 转化 为钻具 主轴旋转 的机 械能 ，驱 动井底 钻头 破碎 岩石 ，其工 作行 为涉 及
２方面 的 内容 ：① 钻 头及岩 石相 互作 用规 律 ，主要涉 及 到钻头 和 岩石 的种 类 、钻 压 、转速 、扭 矩 、机 械
长 江 大 学 学 报 （ 然 科 学 版 ） 理 工 ２１ 年 １ 第 ９ 第 １ 自 ０２ 月 卷 期 Ｊｕｎ ｌ ｆ ａ ｇｚ ｎｖｒｉ （ ａ ｃ Ｅ ｉ Ｓｉ ｎ Ｊ ｎ２ １ ，Ｖｏ． ｏ １ ｏ ｒａ ｏ ｎ ｔｅ ｉ ｓ ｙ Ｎ ｔ ｉ ｄｔ ｃ＆Ｅ ｇ ａ． ０ ２ Ｙ Ｕ ｅ ｔ Ｓ ） １９Ｎ ．
砂岩 （ 中硬地 层 ）进行 钻进 ，通 过 ２ 规格 的钻 头在 ２种典 型岩 石上 的钻进 规律进 行 对 比试 验 ，以了解 种
涡 轮钻具 及 Ｐ ＤＣ钻 头联合 工作 性能 。
１ 试 验 部 分
１ １ 试 验 装 置 ．
试 验装 置 为 ３ ｔ 头 实 验 架 ，其 相 关 参 数 为 ：钻 压 范 围 ２ ３ ｔ ０钻 ～ ０ ；转 速 范 围 ０ ０ ｒｍｉ；无 级 调 ～２ ０ ／ ｎ 速 ；钻 头钻 进 的最大 行程 １０ ｍｍ。实 验架在 垂 直钻进 的工况 下所 测量 的参 数有 钻 头钻 压 、扭 矩 、机 械 ２０ 钻 速 、钻头 转 速等 。

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。

PDC 钻头具有提高钻井速度、减少起下钻次数、避免掉牙轮等复杂事故的优点，目前在得到了普遍应用。

然而，在实际运用中，仍然存在很多问题，在一定程度上制约了机械钻速的提高。

一、PDC 钻头应用存在的问题1.牙齿磨损。

PDC钻头在使用过程中，由于牙齿高度减小而不能正常工作称为牙齿磨损。

造成牙齿磨损的原因很多，若钻头使用时间不长，而出井钻头磨损严重，往往是由于钻头选型、钻进转速不当，相对所用钻头地层太硬、研磨性太高、转速过大所致；若钻头使用的有效时间长，符合正常牙齿磨损的情况，但是如果钻进过程中，排量不足，钻进岩屑未及时排离井底，岩屑反复在井底徘徊也会加速钻头牙齿磨损。

2.掉齿—断齿与钻头环磨。

钻头环磨一般发生在钻头的鼻部以及鼻部以下内侧，是由于钻头上某一圈的切削齿磨损、断裂或脱落后刀翼被地层明显磨损。

钻头环磨的直接原因是断齿，如井底有落物、钻头不适合高研磨地层、钻压过大以及用PDC 钻头直接钻套管附件等，都容易造成断齿，断齿后继续长时间钻进就容易引起钻头环磨。

3.钻头泥包。

钻头泥包指岩屑附着在刀翼和钻头体上或者附着在切削齿表面导致机械钻速降低。

钻头本体可能有损伤也可能没有损伤。

切削齿泥包后不能有效地吃入地层，通常扭矩减小而泵压增大。

PDC钻头泥包在钻井施工现场遇到的几率很高，而且在发生钻头泥包后，往往也发生水眼堵塞。

二、PDC钻头应用性能的影响因素1.钻头设计及制造。

从PDC结构的设计以及制造质量就能直接决定钻头最终的使用性能以及实际的使用寿命，一旦在设计环节出现了严重的缺陷就会导致其在实际的应用过程中不能很好的适应使用环境，也很难达到实际的使用效果，由此可见，PDC钻头的设计制造质量对钻头的实际使用性能是非常重要的一项影响因素。

首先，要保障钻头设计的合理性，这样才能实现钻进效率的最大化，而且还需要针对能够影响钻头运行稳定性的相关因素进行深入分析，以此来进一步提升钻头钻进性能，针对PDC 钻头的结构进行深入分析，采用最先进最合理的结构设计形式让钻头的耐磨性能以及抗冲击能力得到进一步提升；其次，要针对下属的设计基本原则进行，尤其是要注重钻头力平衡、能量平衡、夹层钻进模型等进行深入研究。

定向井用PDC钻头研究定向井技术可以更好地对油藏进行開发利用，定向井作业采用PDC钻头可以有效提高钻井效率，保证钻井质量。

在实际的定向井钻井作业过程中，采用PDC钻头进行作业，存在着方位和轨迹与设计产生偏移的问题，影响着钻井作业质量。

本文对定向井PDC钻头与地下储层作用力建立起模型，并对钻头受力进行深入地分析，并对定向井PDC钻头钻井趋势影响因素进行了探讨。

标签：定向井钻井;PDC钻头;影响因素随着定向井钻井技术的不断进步，对定向井作业采用的工具提出了新的要求。

定向井钻井作业需要面对较为复杂的地质条件，还需要保证较好的钻井质量，需要对PDC钻性能通过不断优化和提升，确定出最为合理的钻头结构方式和配置参数，可以更好地保证钻井作业速度。

所以，需要对定向井用PDC钻头进行深入地研究，保证钻头具备较高的钻井作业效率和使用寿命。

1定向井PDC钻头与地下储层作用力模型分析PDC钻头应用到定向井钻井作业时，与地下储层产生的作用存在着较多的影响因素，需要确定出地下储层岩体具备的定量参数，采用定量分析办法对不同方向的参数进行确定。

由于地下储层岩体形成原因比较复杂，具备的强度和硬度在不同方向上有着较大的不同，存在的各向异性会对PDC钻头产生影响。

定向井钻井作业过程中，钻遇机率最高的就是沉积岩地层，该地层的地质条件有着各向异性现象，会使得钻井作业过程中出现钻头偏离设计井眼轨迹的问题，会对钻井质量造成影响，也会降低钻井施工作业效率。

在PDC钻井向前挺进过程中，会具备轴向钻井趋势，还会形成侧向钻进趋势，该种钻头会在轴向、侧向形成两个挺进趋势，使得形成的井眼轨迹偏离原计划轨迹。

在对钻头进行设计时，多注重轴向钻进性能，防止钻井作业过程中存在侧向钻井问题。

对PDC钻头水力结构进行设计，也多考虑轴向钻进性能，规格型号不同的钻头在轴、侧钻性能方面也有着很大差异，会结合地下储层参数，采用理论计算的办法，也可以在实验内开展破裂试验，从而得到PDC轴、侧方向钻进参数。

166研究与探索Research and Exploration ·探讨与创新中国设备工程 2018.08 (下)随着技术的进步，PDC 钻头在石油天然气钻探领域的应用范围正不断扩大，成为不可替代的钻井工具之一。

胎体PDC 钻头，由于制造工艺简单灵活，并且耐磨、耐冲蚀性好，在钻井应用中占有很大比例。

胎体PDC 钻头的结构形式主要以刀翼式结构为主，在钻进过程中，冠部既要承受岩石的磨损和泥浆的冲蚀作用，同时刀翼还要承受钻压和扭转、冲击的联合作用，工作受力条件非常苛刻，因此钻头胎体必须有良好的综合机械性能，即要有良好的硬度、耐磨性，以及足够的强度和冲击韧性。

钻头胎体性能，不仅与胎体材料成分有关，还取决于钻头制造工艺，如烧结工艺、冷却方式以及后处理等工艺措施。

本文主要探讨冷却方式对胎体性能的影响。

1 胎体PDC 钻头的工艺特点胎体PDC 钻头是采用无压浸渍工艺生产的：将骨架粉料放入成型模具中，加入低熔点的粘结合金，在高温下，粘结合金熔化并浸渍渗入到骨架粉料的孔隙中，冷却凝固后将骨架粉固结而成胎体。

从粘接合金的熔化、浸渍充满整个成型模具，到出炉冷却的过程，接近于铸造过程，但也与铸造有所不同。

（1）高温停留时间不同。

在无压浸渍工艺中，粘接合金在高温下逐渐熔化、浸入到骨架粉的间隙中，并充满整个模具，在高温时间阶段较长（2～5小时）；铸造工艺中，是将熔融状态的金属液浇注到模具中，金属液很快凝固，高温时间停留很短（几分钟）。

（2）金属的凝固条件不同。

在铸造工艺中，金属液在模具中是自由凝固的，凝固过程中没有其它阻碍；而无压浸渍工艺中，由于骨架粉粘的存在，粘结合金的凝固要受到限制。

无压浸渍工艺类似但不同于粉末冶金烧结工艺和铸造工艺，介于两种工艺之间，更接近于铸造工艺。

因此可以用铸造工艺方面的原理，来分析研究钻头合金的凝固过程。

2 胎体PDC 钻头的出炉冷却方式粘接合金（铜合金）经高温熔化、并通过骨架粉的间隙充满整个模具，出炉冷后，温度降低，当温度降低到液相线至固相线温度时，粘接金属从液态向固态转变，这就是钻头合金的凝固。

承受 的钻 进压力小 ， 不 易造成切削齿 崩刃等非正 常磨损 ， 使用寿命 长 。
１ ． ２ 钻 头布齿设计
Ｐ Ｄ Ｃ钻 头布 齿设 计主 要 包括 切 削齿数 量 和布 齿方 式 ，是 Ｐ Ｄ Ｃ 钻 头 设计 的核 心 内容 ，对 Ｐ ＤＣ 钻头 的钻 进效 率 、稳 定 性和 工作 寿
０ 前 言
Ｐ ＤＣ钻 头 ，即聚 晶金 刚石 复合片钻 头 ，是 将聚 晶金刚石 复合 片
提高钻 头 的抗冲击 和抗 剪切 能力。水 口位于 钻头 中心位 置 ，便于 更 好地排 除岩屑 和冷却 Ｐ ＤＣ复 合片。设计 的钻 头如图 ３所示 。
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 】 。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 Ｐ ＤＣ钻
命 都 有着 十 分重 要 的影 响 。Ｐ ＤＣ 钻头 的布 齿 设计 对其 钻 进速 度 和
一 一
／ ４ ｌ
ｖ
／ ／
—
钻 头寿 命具 有相反 的影 响效果 。为 了获得 较高 的钻头 寿命 ，必然 要
增 大切 削齿 密度 ，但钻进 速度 随之 降低 。反之 ，降低 布齿密 度可 提
一一 ｌ
高 钻进 速度 ，但会 对钻 头寿命 造成一 定 的负面影 响 。在实 际工况 条 件 下 ，适 当地 牺牲 钻头 寿命 以提高钻 进速 度 ，并 不一 定影 响钻头 进 尺 和钻 进 成本 ，因此 Ｐ ＤＣ钻 头 的布齿 采用 以提 高钻 进 速度 为主 ， 以提高 钻寿命 为辅 的设 计原则 ，应在 保证 可 以获 得较 高钻进 速度 的 前 提下 尽可 能提高 钻头 的工作 寿命 ，以充 分发挥 剪切 破岩效 率高 的

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,使与金刚石接触的岩石处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性。

在塑性(或岩石在应力作用下呈塑性)地层,金刚石吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动,脱离岩石基体,形成岩屑。

特殊井PDC钻头的研制与应用一、引言近年来国内外各油田钻井提速工作取得了很大进展，随着PDC钻头的推广，钻井工艺的日益完善，常规井的钻井周期不断被刷新，为了取得更大的经济效益，各油田开始针对定向井，水平井开发新的钻井工艺。

在此契机下，特殊井使用的PDC钻头，如定向井钻头，水平井钻头也开始了研发起步。

定向井是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。

其剖面主要有分三类：垂直段、造斜段、稳斜段。

水平井是定向井的一种，一般的油井是垂直或倾斜贯穿油层，通过油层的井段比较短。

而水平井是在垂直或倾斜地钻达油层后，井筒转达接近于水平，以与油层保持平行，得以长井段的在油层中钻进直到完井。

由于PDC钻头的切削方式，导致其在定向时产生的反扭矩过大，工具面不稳定，造斜率不一致，定向钻头针对以上特点，改进了钻头造型并增加特殊设计来改善钻头产品造斜效果和机械钻速。

二、钻头设计1.结构设计1.1 短保径设计改进钻头定向钻进性能的途径是以减少钻头扭矩为基础的[1]。

由于PDC钻头的切削方式决定了其扭矩的大部分来自钻头表面对岩石的切削，但也有一部分由于规径块与井壁的接触摩擦造成的。

理论上通过缩短钻头规径，会使井壁的摩擦扭矩减少，也可以优化钻头的侧切力。

我们将定向钻头规径尺寸缩短到正常规径的一般以上。

减小钻头的总长度，使钻头的切削表面和规径块离井底马达扶正器的距离更近。

在定向钻井理论中[2]，钻头钻出的井眼轨迹圆弧取决于井底钻具与井壁的三个接触点。

缩短第一接触点（钻头规径块）到井底马达扶正器的距离，钻井系统的潜在造斜能力将会增加。

我们通过缩短规径长度，实地调研改变接头结构使用短接头，在保障扣型不变的前提下，缩短接头钳口尺寸，从而达到减小钻头总长度的目的。

1.2 加强保径设计短于正常长度的规径可能导致钻头稳定性的下降，并使其耐磨性有所降低。

为此我们采用增加近工作面保径齿和规径面规径齿密度，通过这两种方式保证定向钻头保径的抗磨损性不会因为缩减尺寸而减弱。

PDC钻头的主要几何参数对其力学性能影响的研究的开题报告1. 研究背景随着石油钻探技术的不断发展，钻头作为石油钻井中不可或缺的元件，在其设计制造中有着重要的地位。

其中，PDC钻头的优点在于其硬度高、磨损耐用，能够提高钻头在钻探中的效率和稳定性。

然而，PDC钻头的设计仍然存在一些难点，其中主要就是如何通过主要几何参数的调整来影响PDC钻头的力学性能，以便更好地适应不同的钻探工况。

2. 研究目的本研究旨在通过分析PDC钻头的主要几何参数，探究这些参数对其力学性能的影响规律，从而为PDC钻头的优化设计提供更为准确的理论依据。

3. 研究内容（1） PDC钻头的主要几何参数：PDC钻头的主要几何参数包括刀翼角度、刀翼间距、齿长宽比等。

本研究将分析这些几何参数的影响规律并探究它们之间的相互关系。

（2） PDC钻头的力学性能：PDC钻头的力学性能主要包括切削力、转矩、抗磨性等。

本研究将通过实验测试、数值模拟等方法，分析不同几何参数对其力学性能的影响规律。

（3）参数优化设计：基于以上研究结果，本研究将提出一种适用于PDC钻头的参数优化设计方案，以提高钻头在钻探过程中的效率和稳定性。

4. 研究方法（1）实验测试法：通过设计一套合理的实验装置，对不同几何参数的PDC钻头进行力学性能测试。

（2）数值模拟法：通过建立PDC钻头的数值模型，对其力学性能进行仿真分析，以探究不同几何参数对其力学性能的影响。

（3）统计分析法：通过对实验数据和数值模拟结果进行统计分析，探究不同几何参数之间的相互关系，并确定最优几何参数。

5. 预期成果（1）对PDC钻头主要几何参数与力学性能之间的关系进行全面深入的探究，揭示其内在规律。

（2）提出一套适用于PDC钻头的参数优化设计方案，以提高钻头在钻探过程中的效率和稳定性。

（3）为PDC钻头的制造企业提供更为科学的理论指导和技术支持，促进其技术创新和产业发展。