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86近几年来，PCD及PDC钻头被广泛应用于地质勘探中，PDC钻头常被用在中硬地质的钻井中，这种地质形态比较特殊，在钻井过程中受地质影响的程度较大，深部钻井的速度会降低。
采用PDC钻头进行钻井可以取得较好的效果。
PCD则多用于钻头扩孔器的保径中，效果显著。
1 PCD及PDC钻头优缺点分析人造金刚石具有比硬质合金更高的耐磨性，PDC探头主要优点是钻头的结构相对简单，PDC切削齿为其主要工作部件，耐磨性较强，钻头自身无旋转部件，因此也被称为“固定式探头”。
早期这一探头只可在软页岩地层内使用，后来随着其性能逐渐提升，同时钻头结构不断优化，故现阶段PDC钻头已可在硬夹层、长段中硬岩地层中使用。
另外，PDC钻头对于地层有很强的针对性，在应用时需根据地层深度、各区块地层特征展开针对性工艺试验，并对PDC钻头进行合理选型。
PDC钻头比牙轮钻头的机械钻速更高，在较小钻压下即可实现高压牙轮钻头所实现的机械钻速，且可促使钻机负荷降低，同时可降低整个系统的运行成本。
聚晶PCD主要拉拔用有色金属和黑色金属线材，与硬质合金拉丝模相比，其耐用度要高出数百倍，且比人造及天然大颗粒单晶金刚石拉丝模更高。
目前市场中所用PCD是由钴做结合剂的，这是因其具有较好的耐磨性、强度较高，使用使命较长，且拉丝的成本较低。
2 适合PCD及PDC钻头的地质分析对于石油工业的钻井而言，选择合适的钻头至关重要，对于深井且地质为岩石的区域需选择PDC钻头以及与之相应的钻井工具。
例如胜利油田，它的地层较为复杂，多为沉积岩。
岩石的直径较大，粗砂岩的分布密度较强，对钻头的磨损强度相对较强，而PCD及PDC钻头以破岩为主，面对强大的岩石也会受到一定的损害，因此PDC钻头在进行钻井的过程中，选取适合型号的钻头是非常重要的。
对于胜利油田而言，应选择刮刀式的PDC钻头。
3 PCD及PDC钻头在石油钻井中的具体应用以胜利油田为例，分析其应用的效果，选用PCD及PDC钻头进行下井200次，共使用钻头90个，进井的长度为60000.25米，共用时间为6252小时左右，平均的钻进速度相对较高，总体费用有所降低，整体的效益得到了增加。
PDC钻头1. 简介PDC钻头是一种常用于石油钻井的钻探工具。
PDC钻头由多个聚晶体金刚石（Polycrystalline Diamond Compact）切削元件组成，被广泛应用于地层钻探、岩石切割和石油开采中。
本文将介绍PDC钻头的结构、原理以及应用领域。
2. 结构PDC钻头主要由刀翼、钻头体和连接部分组成。
2.1 刀翼刀翼是PDC钻头的重要组成部分，通常由金刚石切削元件制成。
刀翼的数量、形状和布局对钻头的钻井性能和钻孔质量起着重要作用。
刀翼一般采用均匀分布的方式，以保证钻头在钻井过程中的均匀磨损。
2.2 钻头体钻头体是连接刀翼和连接部分的主要结构，通常由钢铁材料制成。
钻头体的设计需要考虑到钻井环境、井眼尺寸和钻头的稳定性等因素。
钻头体一般具有良好的强度和刚度，以确保钻头在高强度的钻井过程中不会发生变形或破损。
2.3 连接部分连接部分是将钻头与钻杆连接在一起的部分，通常采用标准的API连接方式。
连接部分需要具有良好的密封性和承载能力，以确保钻头和钻杆之间的传递力矩和转速。
3. 原理PDC钻头通过刀翼上的金刚石切削元件对地层进行切削和磨损，从而实现钻井的目的。
PDC钻头利用金刚石的高硬度和强大的切削能力，能够在岩石中快速切削并形成孔道。
PDC钻头的切削原理主要有两种：剪切和破碎。
3.1 剪切剪切是PDC钻头常用的切削方式之一。
当PDC钻头旋转时，刀翼上的金刚石切削元件与地层接触，通过相对运动切削地层。
金刚石的高硬度和切削元件的锋利边缘使得PDC钻头能够在地层中形成清晰而平滑的孔道。
3.2 破碎破碎是PDC钻头另一种常用的切削方式。
当地层硬度较高时，剪切切削效果可能不佳。
此时，PDC钻头通过施加较大的冲击力将地层破碎，进而形成孔道。
4. 应用领域PDC钻头广泛应用于石油、天然气和水井钻探领域。
其高效的切削能力和稳定的性能使其成为钻井操作中的重要工具。
4.1 石油钻井在石油钻井中，PDC钻头常用于垂直井、水平井和定向井的钻铤作业。
◀钻井技术与装备▶连续管钻井个性化ＰＤＣ钻头降扭机理及试验研究∗杨高(中石油江汉机械研究所有限公司)杨高.连续管钻井个性化ＰＤＣ钻头降扭机理及试验研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２４ꎬ５２(４):３３－４０.ＹａｎｇＧａｏ.ＴｏｒｑｕｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｔｅｓｔｓｔｕｄｙｏｆＰＤＣｂｉｔｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２４ꎬ５２(４):３３－４０.摘要:由于连续管自身管径小㊁柔性大等特性ꎬ在进行井下钻进时容易导致摩擦自锁和管柱屈曲ꎬ存在钻压施加困难㊁进尺低下等问题ꎮ为提高连续管在低钻压情况下的钻进能力ꎬ个性化设计了连续管钻井专用小尺寸ＰＤＣ钻头ꎮ通过单齿切削试验㊁水平井钻柱微钻头破岩试验㊁全钻头破岩试验开展小尺寸ＰＤＣ钻头的降扭机理研究ꎬ对比不同齿形对破岩效果的影响ꎮ研究结果表明:在ＰＤＣ切削齿前倾角较小时ꎬ破碎相同体积的岩石ꎬ宽刃齿所受切削力平均值比常规齿小１０ ３５％~２４ ５６％ꎻ同机械钻速情况下ꎬ宽刃齿钻头的扭矩小于常规齿钻头ꎬ最高降扭３７ ６４％ꎻ同转速和钻压情况下ꎬ宽刃齿钻头最高降扭２８ ５８％ꎬ钻压越大ꎬ降扭效果越显著ꎮ个性化设计的宽刃齿ＰＤＣ钻头更适用于连续管实现低钻压㊁低扭矩㊁高转速破岩ꎮ研究结果可为改善连续管钻井技术在低钻压钻进时的适应性提供新的解决思路和理论支撑ꎮ关键词:连续管钻井ꎻＰＤＣ钻头ꎻ宽刃齿ꎻ降扭ꎻ托压中图分类号:ＴＥ９２１㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２４ ０４ ００５ＴｏｒｑｕｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＴｅｓｔＳｔｕｄｙｏｆＰＤＣＢｉｔＳｐｅｃｉａｌｌｙＤｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒＣｏｉｌｅｄＴｕｂｉｎｇＤｒｉｌｌｉｎｇＹａｎｇＧａｏ(ＪｉａｎｇｈａｎＭａｃｈｉｎｅｒｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＬｉｍｉｔｅｄＣｏｍｐａｎｙｏｆＣＮＰＣ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｄｕｅｔｏｓｍａｌｌｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｈｉｇｈｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇꎬｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｓｅｌｆ￣ｌｏｃｋｉｎｇａｎｄｂｕｃｋｌｉｎｇｅａｓ￣ｉｌｙｏｃｃｕｒｄｕｒｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇꎬｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔＷＯＢａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔＲＯＰａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍ￣ｐｒｏｖｅｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｕｎｄｅｒｌｏｗＷＯＢꎬａｓｍａｌｌ￣ｓｉｚｅｄＰＤＣｂｉｔｕｓｅｄｆｏｒｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｗａｓｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇｔｅｓｔｏｆｓｉｎｇｌｅｃｕｔｔｅｒꎬｍｉｃｒｏ￣ｂｉｔａｎｄｆｕｌｌ￣ｂｉｔｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｔｅｓｔｓｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇꎬｔｈｅｔｏｒｑｕｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｍａｌｌ￣ｓｉｚｅｄＰＤＣｂｉｔｗａｓｓｔｕｄｉｅｄꎬａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｅｒｓｈａｐｅｓｏｎｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｅｆｆｅｃｔｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ.ＴｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｒａｋｅａｎｇｌｅｏｆＰＤＣｃｕｔｔｅｒｉｓｓｍａｌｌꎬｔｈｅａｖｅｒａｇｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｏｎｗｉｄｅｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒｉｓ１０ ３５％ｔｏ２４ ５６％ｓｍａｌｌｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｕｔ￣ｔｅｒｗｈｅｎｂｒｅａｋｉｎｇｒｏｃｋｓｏｆｔｈｅｓａｍｅｖｏｌｕｍｅ.ＡｔｔｈｅｓａｍｅＲＯＰꎬｔｈｅｔｏｒｑｕｅｏｆａｗｉｄｅｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒｂｉｔｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆａｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｕｔｔｅｒｂｉｔꎬｗｉｔｈａｍａｘｉｍｕｍｔｏｒｑｕｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆ３７ ６４％.ＡｔｔｈｅｓａｍｅｒｏｔａｒｙｓｐｅｅｄａｎｄＷＯＢꎬｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｏｒｑｕｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆａｗｉｄｅｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒｉｓ２８ ５８％ꎬａｎｄｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅＷＯＢꎬｔｈｅｍｏｒｅｏｂｖｉ￣ｏｕｓｔｈｅｔｏｒｑｕｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｉｓ.ＴｈｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｄｅｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒＰＤＣｂｉｔｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃｏｉｌｅｄｔｕｂ￣ｉｎｇｔｏｒｅａｌｉｚｅｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｗｉｔｈｌｏｗＷＯＢꎬｌｏｗｔｏｒｑｕｅａｎｄｈｉｇｈｓｐｅｅｄ.ＴｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｎｅｗｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｄｒｉｌｌｉｎｇｗｉｔｈｌｏｗＷＯＢ.３３ ㊀２０２４年㊀第５２卷㊀第４期石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀㊀㊀∗基金项目:国家重点研发计划资助(２０２１ＹＦＢ３４０１４００)ꎻ中国石油集团工程技术研究院有限公司科学研究与技术开发课题 连续管侧钻短半径水平井技术研究 (ＣＰＥＴ２０２３０５)ꎮＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ(ＣＴＤ)ꎻＰＤＣｂｉｔꎻｗｉｄｅｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒꎻｔｏｒｑｕｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎꎻＷＯＢｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ０㊀引㊀言在过去的几十年中ꎬ石油和天然气工业经历了巨大的发展ꎮ随着主力油藏逐渐失去产能ꎬ国内外研究人员试图对老井进行改造ꎬ以此进一步挖掘剩余油气资源ꎮ连续管钻井技术凭借高作业效率㊁高安全性㊁低成本㊁小占地等诸多优点ꎬ被认为是油田提高采收率㊁进一步挖掘剩余油㊁稳产的重要措施ꎬ它适用于低渗透㊁薄油层等油藏的开发ꎬ成为油气开发降本增效的技术利器㊁老井挖潜增产的重要手段[１－６]ꎮ而随着页岩气平台井水平段长度的不断延伸ꎬ连续管无法使用钻铤来增大钻压ꎬ管径小㊁柔性大㊁滑动钻进等特点也使其在工程实际应用中存在一些局限性ꎮ随着裸眼段长度的增加ꎬ连续管由于弯曲而与井壁的接触面积增大ꎬ导致与井壁之间的摩擦力增加ꎬ产生螺旋屈曲的自锁现象ꎬ钻进过程中易出现弹簧效应ꎬ从而使连续管下放困难ꎬ钻压施加困难㊁不能有效传递到钻头ꎬ机械钻速低ꎮ研究表明ꎬø５０ ８ｍｍ连续管下入水平井段２０００ｍ左右基本就会发生螺旋锁定ꎬ导致连续管无法继续下入ꎬ不能达到目标深度[７－１０]ꎮ针对连续管钻井钻压传递困难导致机械钻速低的问题ꎬ大多数研究人员采用减小连续管与井壁之间的摩阻㊁增大井下压力这２种解决办法提高钻压ꎬ即在钻井液中加入润滑剂以及采用减阻工具进行减阻㊁研制不同尺寸和结构类型的水力增压工具[１１－１６]ꎮ国内主要使用在钻井液中加入润滑剂进行减阻ꎬ但润滑剂在高温和高压等复杂工况下性能会受到影响ꎻ国外采用油基钻井液或合成基钻井液来降低摩阻ꎬ但该类型钻井液成本较高ꎬ并且施工复杂ꎮ水力增压工具分为单级水力加压器和多级水力加压器ꎬ级数越多ꎬ所能提供的钻压越大ꎮ但水力增压工具级数越多ꎬ工具越复杂ꎬ工具构件之间的配合越容易出现问题ꎬ且增压器的外径受连续管管径的限制ꎬ无法同时满足增压效果和工具的工作效率ꎮ为此ꎬ本文采用个性化小尺寸ＰＤＣ钻头ꎬ从降低扭矩㊁提高转速进行破岩的角度来增强连续管钻井技术在低钻压情况下的钻进能力ꎮ开展单齿刮切试验ꎬ对常规齿和宽刃齿同体积破碎岩石的差异进行了研究ꎮ为验证个性化设计ＰＤＣ钻头高转速㊁低扭矩破岩的效果ꎬ进行了室内微钻进试验以及全钻头试验来验证宽刃齿钻头优越的破岩性能ꎮ研究结果有利于改善连续管钻井在钻压施加困难情况下的技术适应性ꎬ可为连续管实现高转速㊁低扭矩的破岩提供新思路ꎮ１㊀ＰＤＣ单齿切削力试验研究１ １㊀ＰＤＣ钻头切削齿选用使用连续管进行井下钻进时ꎬ由于连续管管径小的特点ꎬ需要小尺寸钻头配合其钻进ꎬ以便有效地破碎岩石且产生的岩屑较小[１７]ꎮ同时ꎬ不同的切削齿直径对破岩过程也有着显著影响:切削齿的齿径越大ꎬ其产生的岩屑尺寸越大ꎻ相同切深下ꎬ切削力随齿径的增大而增大ꎬ且小齿径比大齿径受力更为均匀[１８－１９]ꎮ故采用小尺寸直径的ＰＤＣ切削齿ꎬ齿形拟选用直径９ｍｍ的常规齿和宽刃齿ꎮ宽刃齿[２０]是在常规齿的基础上ꎬ垂直于切削面切除部分金刚石和基底ꎬ形成直线切削刃口ꎬ如图１所示ꎮ在切削岩石的过程中ꎬ宽刃齿与岩石的接触线为一条与其直刃口宽度相同的直线ꎬ而常规齿的齿面轮廓投影为一条圆弧状ꎮ切削齿在压入岩石时会因为切削刃的形状不同而形成不同的接触线ꎬ因此ꎬ宽刃齿特殊的齿面结构使其破岩过程和常规齿相比存在很大的区别ꎮ图１㊀宽刃齿模型图Ｆｉｇ １㊀Ｍｏｄｅｌｏｆｗｉｄｅｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒ依据胡莉等[２１]㊁ＹＡＮＧＢ 等[２２]基于比钻压的宽刃齿破岩机理研究ꎬ宽刃齿的刃边上比钻压较为均衡ꎻ而常规齿比钻压分布规律呈抛物线ꎬ越靠近齿刃底部其比钻压越大ꎬ依次向两边减小ꎮ在破岩机理上ꎬ宽刃齿若达到岩石临界破碎压力ꎬ则宽刃齿刃口均能吃入岩石ꎻ而常规齿底部周围达到了岩石临界破碎压力ꎬ其而齿刃边沿区域没达到岩石临界破碎压力ꎬ岩石仍将处于弹性变形状态ꎮ因此ꎬ４３ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期在破岩过程中ꎬ常规齿只有一部分吃入岩石ꎬ而宽刃齿整体吃入岩石ꎬ故破碎相同体积的岩石时ꎬ宽刃齿所受切削力小于常规齿ꎮ１ ２㊀单齿切削试验为验证宽刃齿的破岩机理ꎬ同时比较常规齿和宽刃齿的破岩规律ꎬ对直径均为９ｍｍ的常规齿㊁宽刃齿在相同时间间隔内破碎相同体积(即截面面积一样)的岩石进行了单齿切削试验ꎮ同体积破碎示意图如图２所示ꎮ图２㊀同体积破碎示意图Ｆｉｇ ２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓａｍｅｖｏｌｕｍｅｂｒｅａｋａｇｅ为实现等体积破岩ꎬ计算了切削相同截面面积岩石时不同齿形的切削齿所对应的切削深度ꎮ切削齿的切削参数如表１所示ꎮ由表１可发现ꎬ当切削截面面积均为６ ７５ｍｍ２时ꎬ前倾角越大ꎬ切削齿的切削深度越小ꎮ且在相同前倾角下ꎬ切削相同截面积时ꎬ宽刃齿的切削深度均小于常规齿的切削深度ꎮ这是由于宽刃齿的直刃口部分使得其在相同切削条件下ꎬ与岩石的接触线长度大于常规齿与岩石的接触线长度ꎮ针对不同的切削参数设计了多种切削齿齿座ꎬ齿座用于改变切削齿的前倾角ꎬ通过钎焊将切削齿固定在齿座的齿槽内ꎬ如图３所示ꎮ表１㊀切削齿参数通过牛头刨床试验机进行单齿切削试验ꎬ如图４所示ꎮ岩石选为２５０ｍｍˑ２５０ｍｍˑ２５０ｍｍ表面平整的砂岩ꎬ岩石材料参数如表２所示ꎮ牛头刨床作为动力源驱动刀柄做直线运动ꎬ切削齿与特定的齿座钎焊固定后安装在刨床刀柄上ꎮ通过预设不同的切削齿角度㊁深度等来实现切削齿直线破碎岩石的过程ꎮ在切削岩石的过程中ꎬ通过传感器实时采集切削齿受到的切向力和轴向力ꎬ每组试验重复３次ꎮ图３㊀切削齿及齿座实物图Ｆｉｇ ３㊀Ｐｈｙｓｉｃａｌｐｉｃｔｕｒｅｏｆｃｕｔｔｅｒａｎｄｃｕｔｔｅｒｈｏｌｄｅｒ图４㊀单齿切削试验装置Ｆｉｇ ４㊀Ｃｕｔｔｉｎｇｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅｏｆｓｉｎｇｌｅｃｕｔｔｅｒ表２㊀岩石材料参数切削速度为４００ｍｍ/ｓ㊁破碎截面面积为６ ７５ｍｍ２时ꎬ不同前倾角的常规齿㊁宽刃齿切向力㊁轴向力对比分别如图５ａ和图５ｂ所示ꎮ总体看来ꎬ前倾角较小(５ʎ㊁１０ʎ)时ꎬ宽刃齿所受切向力平均值和轴向力平均值比常规齿小１０ ３５％~２４ ５６％ꎻ前倾角较大(１５ʎ㊁２０ʎ)时ꎬ宽刃齿所受切向力平均值和轴向力平均值均大于常规齿ꎮ这说明前倾角较小时ꎬ破碎相同体积的岩石ꎬ宽刃齿钻头所受切削力平均值和所需钻压要小于常规齿钻头ꎬ更适合于钻压施加困难的连续管钻井中ꎻ而前倾角较大时情况则相反ꎬ即破碎相同体积的岩石ꎬ５３ ２０２４年㊀第５２卷㊀第４期杨高:连续管钻井个性化ＰＤＣ钻头降扭机理及试验研究㊀㊀㊀常规齿钻头所受切削力平均值和所需钻压小于宽刃齿钻头ꎮ故选用宽刃齿作为连续管个性化ＰＤＣ钻头的齿形时ꎬ在保证较高的切削效率情况下ꎬ应当选用较小的前倾角(１０ʎ)ꎮ图５㊀常规齿与宽刃齿所受切削力对比Ｆｉｇ ５㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｓｏｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｕｔｔｅｒａｎｄｗｉｄｅｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒ２㊀水平井钻柱微钻头破岩试验在单齿切削试验的基础上ꎬ基于水平井钻柱微钻头破岩试验台架ꎬ进行了宽刃齿与常规齿钻进砂岩的微钻试验ꎬ分析在不同转速条件下微钻头破岩情况ꎬ以验证宽刃齿钻头高转速㊁低扭矩的破岩效果ꎮ２ １㊀试验台架与试验设计水平井微钻头－井筒－小钻杆试验台架如图６所示ꎮ为模拟水平井的水平段钻柱动力学特性ꎬ且尽可能使钻柱模型有足够的长细比ꎬ将钻柱模型水平布置ꎬ采用顶端加压的方式来为钻杆提供钻压ꎮ综合考虑钻柱与井壁的接触㊁钻头与岩石互作用等影响ꎬ根据试验条件选择适用的钻柱材料和几何尺寸ꎬ井筒直径及轴向压力等参数ꎬ使其与实际钻井过程中的破岩机理相似ꎮ试验台架分为５大系统:动力系统㊁钻柱系统㊁破岩系统㊁支撑系统以及数据采集系统ꎮ动力系统通过变频电机和液压系统为破岩提供扭矩和钻压ꎻ钻柱系统的钻杆可传递破岩所需的扭矩和轴力ꎬ分段套管可模拟实际工况下钻杆与井筒的接触ꎻ破岩系统包括微型ＰＤＣ钻头和岩石夹持装置ꎬ用以模拟水平井钻进过程中钻头与岩石的互作用ꎻ支撑系统有槽钢台架㊁电机导轨支架等框架结构ꎻ数据采集系统包括测量电机端和钻头端的钻压㊁扭矩㊁转速㊁机械钻速以及钻杆上各点的加速度所必须的传感器㊁数据采集仪ꎮ图６㊀水平井钻柱微钻头破岩试验台架示意图Ｆｉｇ ６㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｆｏｒｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇｔｅｓｔｂｅｎｃｈｏｆｍｉｃｒｏ￣ｂｉｔｏｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇ㊀㊀为真实反映钻头－岩石互作用的效果ꎬ个性化设计了宽刃齿㊁常规齿２种类型的三刀翼微型ＰＤＣ钻头ꎬ如图７所示ꎮ微钻头直径均为７０ｍｍꎬ切削齿直径均为９ｍｍꎬ相邻翼间角为１２０ʎꎮＰＤＣ齿通过焊接与刀翼进行连接ꎬ以满足破岩时的工作强度ꎬ同时模拟实际破岩情况ꎮ采用侧向力平衡布齿理论和径向布齿全覆盖原理进行钻头的布齿设计[２３]ꎮ微钻头３刀翼均采用直线型ꎬ刀翼和基体分别设计加工ꎬ刀翼侧面加工螺栓孔ꎬ通过螺栓与基体连接ꎬ组装成一个刀翼可拆卸的完整的钻头ꎮ６３ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期将试验所用砂岩固定到夹持装置上ꎬ通过调节变频电机的转速和液压系统ꎬ测试在不同机械钻速和转速条件下钻头的破岩情况ꎮ加载不同的测试点ꎬ观察微钻头的破岩情况ꎬ同时记录从开始加载直到破岩稳定１~２ｍｉｎ内的各物理量ꎬ并将数据储存到计算机上ꎮ岩样属性如表２所示ꎮ图７㊀微型ＰＤＣ钻头模型图Ｆｉｇ ７㊀ＭｏｄｅｌｏｆｍｉｃｒｏＰＤＣｂｉｔ２ ２㊀试验结果微钻头在钻进砂岩时ꎬ钻头扭矩随转速的变化规律如图８所示ꎮ图８ａ为机械钻速为０ ２ｍｍ/ｓ的情况下ꎬ宽刃齿微钻头和常规齿微钻头破岩受到的扭矩对比ꎮ由图８ａ可知ꎬ在相同机械钻速下ꎬ随着转速的增加ꎬ２种微钻头的扭矩都呈现出降低的趋势ꎬ宽刃齿微钻头的扭矩均小于常规齿微钻头的扭矩ꎮ并且从图８ａ可以看出ꎬ宽刃齿微钻头的扭矩降幅明显大于常规齿微钻头:当转速从１２ｒ/ｍｉｎ增大到２１ｒ/ｍｉｎꎬ宽刃齿微钻头的扭矩降低了３７ ６４％ꎬ而常规齿微钻头的扭矩仅降低了２７ ９９％ꎮ这意味着在相同机械钻速下ꎬ相比于常规齿微钻头ꎬ提高转速ꎬ宽刃齿微钻头在破岩过程中所受阻力更小ꎮ图８ｂ为机械钻速分别为０ １㊁０ ２和０ ３ｍｍ/ｓ时ꎬ宽刃齿微钻头所受扭矩与转速的关系图ꎮ由图８ｂ可知ꎬ相同转速下ꎬ机械钻速增加时宽刃齿微钻头所受扭矩增大ꎮ当转速从１２ｒ/ｍｉｎ增大到２１ｒ/ｍｉｎ时ꎬ宽刃齿微钻头在０ １㊁０ ２㊁０ ３ｍｍ/ｓ机械钻速下的钻头扭矩分别降低了３６ ２９％㊁３７ １３％㊁３７ ６４％ꎮ通过对宽刃齿微钻头扭矩随转速变化规律的进一步研究可发现ꎬ在同一机械钻速下ꎬ微钻头扭矩随转速的增大而降低ꎬ且机械钻速越大ꎬ降幅越大ꎮ这说明宽刃齿微钻头在高转速下瞬时吃深较小ꎬ能够减小钻头所受的扭矩ꎬ可有效应对连续管钻井过程中钻压施加困难的问题ꎮ图８㊀微钻头扭矩随转速变化规律Ｆｉｇ ８㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｏｆｍｉｃｒｏ￣ｂｉｔｔｏｒｑｕｅｗｉｔｈｒｏｔａｒｙｓｐｅｅｄ３㊀连续管个性化钻头试制及试验基于上述对ＰＤＣ切削齿的试验研究ꎬ个性化设计了２只直径为１１４ ３ｍｍ的连续管钻井专用小尺寸ＰＤＣ钻头ꎬ分别为宽刃齿ＰＤＣ钻头和常规齿ＰＤＣ钻头ꎬ如图９所示ꎮ这２只钻头的冠部曲线等设计参数均相同ꎮ由于钻头直径较小ꎬ采用５刀翼和ø９ｍｍ小齿设计ꎬ适应连续管钻井高转速ꎬ并进行了切削结构的力平衡设计ꎬ用以提高钻头的钻进效率和稳定性ꎮ在实际钻井过程中ꎬ钻压和转速对钻头的扭矩图９㊀个性化连续管钻井专用ＰＤＣ钻头Ｆｉｇ ９㊀ＰＤＣｂｉｔｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ有很大影响ꎮ为进一步了解钻头钻压－转速－扭矩关系ꎬ探究宽刃齿钻头高速低扭的钻井特点ꎬ同时７３ ２０２４年㊀第５２卷㊀第４期杨高:连续管钻井个性化ＰＤＣ钻头降扭机理及试验研究㊀㊀㊀验证ＰＤＣ切削齿种类对单齿切削试验㊁微钻头破岩试验与全尺寸ＰＤＣ钻头破岩效果的影响规律是否相同ꎬ以砂岩为破岩对象ꎬ开展了连续管全尺寸钻头破岩试验ꎮ试验通过ＧＸＹ－２００Ｂ型钻机进行ꎬ试验装置如图１０所示ꎮＧＸＹ－２００Ｂ型钻机由钻压控制系统㊁转速控制系统㊁传感器以及数据采集系统组成ꎮ钻头的加载和升降由钻压控制系统完成ꎬ通过转速控制系统调节钻压ꎬ六方钻杆传递扭矩ꎬ从而带动钻杆和钻头的旋转ꎮ选择不同的钻压和转速对岩石进行破碎ꎬ由压力传感器㊁位移传感器㊁扭矩传感器等装置传递数据信息ꎬ进而对钻头所受扭矩进行分析ꎮ分别设定４３㊁７４㊁１１７ｒ/ｍｉｎ这３种低㊁中㊁高转速ꎬ在每次钻进试验中ꎬ使用压力㊁扭矩传感器记录钻头上的钻压和扭矩数据ꎬ用以分析不同钻压下钻头的破岩效果ꎬ比较常规齿钻头和宽刃齿钻头的扭矩变化规律ꎮ图１０㊀ＧＸＹ－２００Ｂ型钻机Ｆｉｇ １０㊀ＧＸＹ－２００Ｂｒｉｇ图１２㊀４３㊁７４㊁１１７ｒ/ｍｉｎ转速下钻压对扭矩的影响Ｆｉｇ １２㊀ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＷＯＢｏｎｔｏｒｑｕｅａｔ４３ꎬ７４ａｎｄ１１７ｒ/ｍｉｎｒｏｔａｒｙｓｐｅｅｄ㊀㊀图１１为常规齿和宽刃齿全钻头钻进砂岩的井底形貌ꎮ通过对比２种全钻头井底形貌图可以发现:宽刃齿全钻头井底形貌较为平缓ꎬ岩脊较低ꎻ常规齿全钻头井底形貌图较为陡峭ꎬ岩脊较高ꎮ这说明宽刃齿钻头更有利于钻井过程中岩屑的排出ꎬ即降低钻头重复切削ꎬ破岩效率更高ꎮ４３㊁７４㊁１１７ｒ/ｍｉｎ这３个转速下的钻压－扭矩关系如图１２所示ꎮ由图１２可知ꎬ２种钻头所受的平均扭矩近似与钻压呈线性正相关关系增大ꎮ这是因为随着钻压的增加ꎬ钻头吃入岩石的深度越深ꎬ图１１㊀井底形貌Ｆｉｇ １１㊀Ｂｏｔｔｏｍ￣ｈｏｌｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ８３ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期剪切岩石所需的扭矩也增大ꎻ钻压超过８ｋＮ后ꎬ钻头扭矩增大幅度趋缓ꎮ通过对比３种转速可发现ꎬ转速越高时ꎬ同钻压下钻头的平均扭矩越小ꎮ进一步对比分析常规齿全钻头和宽刃齿全钻头的钻压－扭矩曲线可知ꎬ在相同的转速和钻压下ꎬ宽刃齿钻头所受扭矩小于常规齿钻头的扭矩ꎬ宽刃齿ＰＤＣ全钻头最大降扭２８ ５８％ꎮ且钻压越大ꎬ２种切削齿钻头的扭矩差距越显著ꎮ这说明相同钻压下ꎬ宽刃齿钻头的吃入性能更好ꎬ扭矩更小ꎮ在连续管钻井中ꎬ使用宽刃齿进行高转速钻进可以得到更好的破岩效果ꎮ４㊀结㊀论(１)连续管个性化ＰＤＣ小尺寸钻头可实现小扭矩㊁高转速破岩ꎬ是目前较为先进的㊁应对连续管钻井钻压施加困难和进尺低下等问题的ＰＤＣ钻头ꎮ(２)单齿切削试验㊁水平井钻柱微钻头破岩试验以及全钻头试验结果表明:前倾角较小时ꎬ破碎相同体积的岩石ꎬ宽刃齿的压入深度小于常规齿钻头ꎬ宽刃齿所受切削力平均值比常规齿小１０ ３５％~２４ ５６％ꎮ同机械钻速情况下ꎬ宽刃齿微钻头的扭矩小于常规齿微钻头ꎬ最高降扭３７ ６４％ꎮ说明宽刃齿微钻头在高转速下瞬时吃深较小ꎬ能够减少钻头所受的扭矩ꎮ转速越高时ꎬ同钻压下钻头的平均扭矩越小ꎬ宽刃齿全钻头比常规齿全钻头扭矩小ꎮ在相同的转速和钻压下ꎬ宽刃齿ＰＤＣ全钻头最大降扭２８ ５８％ꎬ钻压越大ꎬ降扭效果越显著ꎮ(３)在连续管钻井中ꎬ采用高转速㊁小钻压的钻井参数ꎬ同比情况下ꎬ宽刃齿钻头具有更小的扭矩ꎬ更为适应连续管钻井的需求ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀于东兵ꎬ刘寿军ꎬ张富强ꎬ等.国内连续管侧钻定向井现状与难点分析[Ｊ].辽宁化工ꎬ２０２０ꎬ４９(５):５７２－５７５.ＹＵＤＢꎬＬＩＵＳＪꎬＺＨＡＮＧＦＱꎬｅｔａｌ.Ｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａ￣ｔｉｏｎａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆＣＴｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎＣｈｉｎａ[Ｊ].ＬｉａｏｎｉｎｇＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２０２０ꎬ４９(５):５７２－５７５[２]㊀鲁明春ꎬ姜方林ꎬ章志轩.我国连续管技术的发展与展望[Ｊ].焊管ꎬ２０１９ꎬ４２(１２):１－５.ＬＵＭＣꎬＪＩＡＮＧＦＬꎬＺＨＡＮＧＺＸ.ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｃｏｉｌｄｔｕｂｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａ[Ｊ].Ｗｅｌ￣ｄｅｄＰｉｐｅａｎｄＴｕｂｅꎬ２０１９ꎬ４２(１２):１－５ [３]㊀ＥＢＲＡＨＩＭＩＡ.ＣｅｍｅｎｔｅｄｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｓａｎｄＴｈｒｏｕｇｈ￣ＴｕｂｉｎｇＣｏｉｌｅｄ￣Ｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｅｎａｂｌｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｓｔｒｅ￣ｄｕｃｔｉｏｎｉｎｍａｔｕｒｅｇａｓｆｉｅｌｄｓ[Ｃ]ʊＡｂｕＤｈａｂｉＩｎｔｅｒｎａ￣ｔｉｏｎａｌＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ.ＡｂｕＤｈａｂｉꎬＵＡＥꎬ２０１８:ＳＰＥ１９２８４７－ＭＳ.[４]㊀ＡＬＩＭＵＤＤＩＮＳꎬＳＨＡＨＮꎬＤＡＳＡꎬｅｔａｌ.Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉ￣ｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ(ＣＴＤ)ｉｎｅｘｔｅｎｄｅｄｒｅａｃｈｄｒｉｌｌｉｎｇ(ＥＲＤ)[Ｃ]ʊＮｏｒｔｈＡｆｒｉｃａＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒ￣ｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＣａｉｒｏꎬＥｇｙｐｔꎬ２０１２:ＳＰＥ１５０９１０－ＭＳ.[５]㊀ＫＡＲＩＭＩＮＥＪＡＤＳꎬＬＵＮＤＩＮＨꎬＨＯＲＶＡＴＨＬꎬｅｔａｌ.Ｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ:ｃａｓｅｓｔｕｄｙꎬＮｅｗＺｅａｌａｎｄ[Ｃ]ʊＳＰＥ/ＩＣｏＴＡＣｏｉｌｅｄＴｕｂｉｎｇａｎｄＷｅｌｌＩｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ.ＴｈｅＷｏｏｄｌａｎｄｓꎬＴｅｘａｓꎬＵＳＡꎬ２０１８ꎻＳＰＥ１８９９３０－ＭＳ.[６]㊀逄仁德ꎬ崔莎莎ꎬ韩继勇ꎬ等.水平井连续管钻磨桥塞工艺研究与应用[Ｊ].石油钻探技术ꎬ２０１６ꎬ４４(１):５７－６２.ＰＡＮＧＲＤꎬＣＵＩＳＳꎬＨＡＮＪＹꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇꎬＭｉｌｌｉｎｇ￣Ｇｒｉｎｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｄｒｉｌｌｉｎｇｏｕｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｒｉｄｇｅｐｌｕｇｓｉｎｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｓ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓꎬ２０１６ꎬ４４(１):５７－６２[７]㊀余长柏ꎬ黎明ꎬ刘洋ꎬ等.水力振荡器振动特性的影响因素[Ｊ].断块油气田ꎬ２０１６ꎬ２３(６):８４２－８４５ꎬ８５０.ＹＵＣＢꎬＬＩＭꎬＬＩＵＹꎬｅｔａｌ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｎｖｉ￣ｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ[Ｊ].Ｆａｕｌｔ￣ＢｌｏｃｋＯｉｌａｎｄＧａｓＦｉｅｌｄꎬ２０１６ꎬ２３(６):８４２－８４５ꎬ８５０[８]㊀孙庆春ꎬ郭宝林ꎬ赵利锋.水力振荡器降低摩擦阻力影响的分析[Ｊ].探矿工程(岩土钻掘程)ꎬ２０１５ꎬ４２(１２):６９－７１ꎬ７５.ＳＵＮＱＣꎬＧＵＯＢＬꎬＺＨＡＯＬＦ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｉｎ￣ｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｂｙｈｙｄｒａｕｌｉｃｏｓ￣ｃｉｌｌａｔｏｒ[Ｊ].ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ(Ｒｏｃｋ＆ＳｏｉｌＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ)ꎬ２０１５ꎬ４２(１２):６９－７１ꎬ７５[９]㊀刘怀.连续管的全生命周期管理[Ｊ].中国石油和化工标准与质量ꎬ２０２１ꎬ４１(１４):６６－６７.ＬＩＵＨ.Ｌｉｆｅｃｙｃｌｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＳｔａｎｄａｒｄａｎｄＱｕａｌｉｔｙꎬ２０２１ꎬ４１(１４):６６－６７[１０]㊀刘卫东ꎬ赵签ꎬ王建磊ꎬ等.连续管寿命影响因素及对策探讨[Ｊ].钻采工艺ꎬ２０１７ꎬ４０(４):１１０－１１２.ＬＩＵＷＤꎬＺＨＡＯＱꎬＷＡＮＧＪＬꎬｅｔａｌ.Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇ９３２０２４年㊀第５２卷㊀第４期杨高:连续管钻井个性化ＰＤＣ钻头降扭机理及试验研究㊀㊀㊀ａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ[Ｊ].Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４０(４):１１０－１１２[１１]㊀卢秀德ꎬ刘佳林ꎬ刘志尧ꎬ等.自研水力振荡器在川渝地区连续管水平井作业中的应用[Ｊ].焊管ꎬ２０２３ꎬ４６(７):８８－９２.ＬＵＸＤꎬＬＩＵＪＬꎬＬＩＵＺＹꎬｅｔａｌ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｅｌｆ￣ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｖｉｂｒａｔｏｒｉｎｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｈｏｒｉ￣ｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎＳｉｃｈｕａｎａｎｄＣｈｏｎｇｑｉｎｇａｒｅａ[Ｊ].ＷｅｌｄｅｄＰｉｐｅａｎｄＴｕｂｅꎬ２０２３ꎬ４６(７):８８－９２[１２]㊀吴德胜ꎬ黄瑞ꎬ张楠ꎬ等.水力振荡器＋大功率螺杆在吉木萨尔的应用及分析[Ｊ].云南化工ꎬ２０２０ꎬ４７(７):１０９－１１１.ＷＵＤＳꎬＨＵＡＮＧＲꎬＺＨＡＮＧＮꎬｅｔａｌ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｏｓｃｉｌｌａｔｏｒａｎｄｈｉｇｈ￣ｐｏｗｅｒｓｃｒｅｗｉｎｊｉｍｓａｒ[Ｊ].ＹｕｎｎａｎＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４７(７):１０９－１１１[１３]㊀ＳＨＡＤＲＡＶＡＮＡꎬＡＭＡＮＩＭ.Ｈｐｈｔ１０１－ｗｈａｔｐｅｔｒｏ￣ｌｅｕｍｅｎｇｉｎｅｅｒｓａｎｄｇｅｏｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓｓｈｏｕｌｄｋｎｏｗａｂｏｕｔｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅｌｌｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１２ꎬ４(２):３６－６０[１４]㊀ＡＢＤＩＭꎬＴＡＨＥＲＩＡＫꎬＢＡＫＨＴＩＡＲＹＤＡＶＩＪＡＮＩＡ.Ａｎｅｗａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｄｒｙｓｌｉｄｉｎｇｗｅａｒｐｒｏｃｅｓｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅ￣ｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬ２０１４ꎬ２３(３):１０９６－１１０６ [１５]㊀苗芷芃ꎬ夏宏南ꎬ童启金ꎬ等.连续管钻井震击工具的设计及研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０１９ꎬ４７(５):５６－６０.ＭＩＡＯＺＰꎬＸＩＡＨＮꎬＴＯＮＧＱＪꎬｅｔａｌ.ＤｅｓｉｇｎｏｆｊａｒＴｏｏｌｆｏｒｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅ￣ｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０１９ꎬ４７(５):５６－６０[１６]㊀张锐尧.新型增压器改善钻井托压问题的研究[Ｄ].荆州:长江大学ꎬ２０１８.ＺＨＡＮＧＲＹ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｏｎｂｉｔｗｅｉｇｈｔｂｙｕｓｉｎｇｎｅｗｔｈｒｕｓｔｅｒ[Ｄ].Ｊｉｎｇ￣ｚｈｏｕ:ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１８[１７]㊀杨靖.微井眼连续管钻井技术[Ｊ].中国石油和化工ꎬ２０１６(增刊１):２６５ꎬ２６２.ＹＡＮＧＪ.Ｍｉｒｏｈｏｌｅｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２０１６(Ｓ１):２６５ꎬ２６２[１８]㊀易杨.ＰＤＣ钻头个性化设计及钻速模型研究[Ｄ].青岛:中国石油大学(华东)ꎬ２０１７.ＹＩＹ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＰＤＣｂｉｔｐｅｒｓｏｎａｌｉｚｅｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｒａｔｅｍｏｄｅｌ[Ｄ].Ｑｉｎｇｄａｏ:ＣｈｉｎａＵ￣ｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(ＥａｓｔＣｈｉｎａ)ꎬ２０１７ [１９]㊀况雨春ꎬ张明明ꎬ冯明ꎬ等.ＰＤＣ齿破岩仿真模型与全钻头试验研究[Ｊ].地下空间与工程学报ꎬ２０１８ꎬ１４(５):１２１８－１２２５.ＫＵＡＮＧＹＣꎬＺＨＡＮＧＭＭꎬＦＥＮＧＭꎬｅｔａｌ.Ｓｉｍｕ￣ｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＰＤＣｔｏｏｔｈｃｕｔｔｉｎｇｒｏｃｋａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｂｉｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｄｅｒ￣ｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ１４(５):１２１８－１２２５[２０]㊀韩一维ꎬ况雨春ꎬ朱光辉ꎬ等.一种带有宽刃口切削齿的ＰＤＣ钻头:ＣＮ２０１９２２１９２１８０ ９[Ｐ].２０１９－１２－１０.ＨＡＮＹＷꎬＫＵＡＮＧＹＣꎬＺＨＵＧＨꎬｅｔａｌ.ＡＰＤＣｂｉｔｗｉｔｈＣｈｏｒｄ￣Ｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒ:ＣＮ２０１９２２１９２１８０ ９[Ｐ].２０１９－１２－１０[２１]㊀胡莉ꎬ况雨春ꎬ韩一维ꎬ等.塑性地层宽刃齿破岩机理研究与提速应用[Ｊ].石油机械ꎬ２０２２ꎬ５０(８):５２－６０.ＨＵＬꎬＫＵＡＮＧＹＣꎬＨＡＮＹＷꎬｅｔａｌ.Ｒｏｃｋｂｒｅａｋ￣ｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｗｉｄｅ￣ｂｌａｄｅｄｔｅｅｔｈｉｎｐｌａｓｔｉｃｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＲＯＰｉｎｃｒｅａｓｅ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅ￣ｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２２ꎬ５０(８):５２－６０[２２]㊀ＹＡＮＧＢꎬＫＵＡＮＧＹＣꎬＪＩＮＧＰＥＩＺꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉ￣ｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｎｏｖｅｌＣｈｏｒｄ￣Ｅｄｇｅｃｕｔｔｅｒｔｏｂｒｅａｋｒｏｃｋｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｉｔｓｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[Ｊ].ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇ＆Ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎꎬ２０２３ꎬ３８(２):２７３－２８８[２３]㊀邹德永ꎬ王瑞和.刀翼式ＰＤＣ钻头的侧向力平衡设计[Ｊ].中国石油大学学报(自然科学版)ꎬ２００５ꎬ２９(２):４２－４４.ＺＯＵＤＹꎬＷＡＮＧＲＨ.Ｌａｔｅｒａｌｆｏｒｃｅｂａｌａｎｃｉｎｇｄｅ￣ｓｉｇｎｏｆｂｌａｄｅＰＤＣｂｉｔｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒ￣ｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(ＥｄｉｔｉｏｎｏｆＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ)ꎬ２００５ꎬ２９(２):４２－４４㊀㊀作者简介:杨高ꎬ高级工程师ꎬ生于１９７９年ꎬ２００７年毕业于西南石油大学机械电子专业ꎬ获硕士学位ꎬ现从事连续管作业技术与装备的研究和管理工作ꎮ地址: (４３４０００)湖北省武汉市ꎮ电话:(０２７)８３５６７９３７ꎮｅｍａｉｌ:５９８１３５３２３＠ｑｑ ｃｏｍꎮ㊀收稿日期:２０２４－０１－０３(本文编辑㊀刘㊀锋)０４ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期。
PDC 钻头自动优化布齿设计软件平台建立田红平;杨春雷【摘要】在 PDC 钻头产品结构中，布齿结构设计至关重要，直接影响 PDC 钻头的使用性能和寿命。
利用 PDC 钻头切削力学分析程序计算钻头不平衡力和径向力／周向力比值，调整 PDC 钻头布齿结构，直到钻头力平衡与功力满足要求为止。
采用人工探索的方式进行布齿结构设计，存在设计效率低、设计质量不稳定等缺点。
利用 MDO 方法建立 PDC 钻头自动优化布齿设计平台，实现布齿结构自动优化设计，布齿结构设计时间仅为原来的1／16～1／8，其中人工干预时间仅为原来的1／96～1／48，布齿结构设计质量提高3～5倍，大幅降低了产品开发成本，提高了产品设计可靠性。
%Among the structure of PDC bits,design of cutter arrangement is vital,which will di-rectly affect the application performance and service life of PDC bits.Mechanical analysis proce-dure for cutting structure of PDC bits is utilized to calculate the unbalanced force and radial force/circumferential force ratio of bits,cutter arrangement of PDC bits is adjusted,until force balance and power as well as cutting force ofbits can meet the requirements.Disadvantages like low de-sign efficiency and unstable design quality normally exist when design cutter arrangement with ar-tificial research e MDO method to set up automatic optimization design platform for cutter arrangement of PDC bits,and realize automatic optimization design for cutter arrangement, the cutter arrangement design time is only 1/16 ~1/8 ofprevious,wherein,artificial intervention time is only 1/96~1/48 of previous,but cutter arrangement design quality is 3~5 times of previ-ous,which dramatically decrease product development cost and enhance product design reliability.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】5页(P22-26)【关键词】MDO;优化设计;PDC 钻头;布齿结构【作者】田红平;杨春雷【作者单位】江汉石油钻头股份有限公司，武汉 430223;江汉石油钻头股份有限公司，武汉 430223【正文语种】中文【中图分类】TE921.102在PDC钻头设计过程中，布齿设计至关重要，直接影响PDC钻头的使用性能和寿命。
PDC钻头名词解释1. 引言PDC钻头是石油钻采工具之一，广泛用于石油勘探和采油作业中。
本文将对PDC钻头进行详细解释，并探讨其相关技术和应用。
2. PDC钻头概述钻头是一种用于在地下钻孔的工具，PDC钻头是其中一种类型。
PDC（多立克结晶体）是一种非常坚硬的合成金刚石制成的切削材料，常常用于制造高效、耐用的钻头。
PDC钻头以其高度的切削效率和出色的耐磨性而备受石油工业的青睐。
3. PDC钻头结构和原理PDC钻头通常由刀具体和钻头体两部分组成。
3.1 刀具体刀具体是PDC钻头的中央部位，由多个PDC切削齿粘结在刀具体表面上。
这些切削齿通常由金刚石颗粒通过高温高压制成，然后与刀具体表面粘合。
PDC切削齿的形状和布局可以根据不同的应用需求进行设计，以实现更好的切削效果和稳定性。
3.2 钻头体钻头体是PDC钻头的外层部分，通常由高强度的合金材料制成。
它的主要功能是固定PDC切削齿和传递钻探液到切削部位，同时提供必要的强度和刚性，以抵抗来自地下岩石的巨大压力和摩擦。
3.3 工作原理PDC钻头通过旋转的方式将切削齿与地下岩石接触，产生摩擦力，将岩石表面磨削下来。
同时，钻探液通过钻头体进入切削部位，冲刷碎屑并冷却钻头。
切削过程中，切削齿会因摩擦而加热，但由于PDC切削齿具有良好的导热性，它们能迅速散发热量，避免过热造成切削效率下降或切削齿破碎。
4. PDC钻头的优势相比传统的钻头类型，PDC钻头具有许多优势。
4.1 高效切削PDC钻头采用多个粘合在刀具体上的PDC切削齿，这种设计可以实现高效的切削，快速消耗岩石表面，提高钻探效率。
4.2 耐磨性强PDC切削齿具有良好的耐磨性，能够承受长时间的高强度切削，减少了频繁更换切削齿的需要，提高了钻头的使用寿命。
4.3 高度稳定PDC钻头的切削齿布局和形状经过精心设计，可以实现平衡切削力和稳定性。
它们减少了钻头的震动和偏离轨迹的可能性，确保了钻孔的准确度和质量。
4.4 适应多种地质环境PDC钻头可以适应各种地质环境，如软土、硬岩、砾石等。
PDC钻头的原理与应用1. 简介PDC钻头是一种新型的刀具，它采用多个聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond Compact，PDC）片嵌入钢体基体制成，广泛用于石油勘探和开发领域。
本文将介绍PDC钻头的原理和应用。
2. PDC钻头的原理PDC钻头的原理是将多个聚晶金刚石片嵌入钢体基体制成，利用聚晶金刚石的高硬度和耐磨性，以及钢体基体的韧性和强度，实现高效的钻井作业。
PDC钻头的原理主要包括以下几个方面：2.1 聚晶金刚石片PDC钻头采用的聚晶金刚石片由多个金刚石颗粒和金属结合剂组成，具有高硬度、耐磨性好等特点。
聚晶金刚石片通过特定的制备工艺，使得每个金刚石颗粒都与周围的颗粒紧密结合，形成一个整体。
2.2 钢体基体钢体基体是PDC钻头的主体部分，它由高强度的钢材制成。
钢体基体承载着聚晶金刚石片，并且通过特定的工艺将聚晶金刚石片与钢体基体紧密结合，形成一个整体结构。
钢体基体具有良好的韧性和强度，能够有效地传递钻井力，同时保护聚晶金刚石片。
2.3 刀具形态PDC钻头的刀具形态通常有平面PDC钻头、锥度PDC钻头和斜面PDC钻头等。
不同形态的刀具适用于不同的地质条件和钻井需求。
例如，平面PDC钻头适用于较硬的地质层，而锥度PDC钻头适用于软、粉状的地质层。
2.4 作用原理PDC钻头在钻井作业中，通过旋转和下压力来完成钻井作业。
当PDC钻头旋转时，聚晶金刚石片切削岩石，同时钢体基体提供支撑和切削力。
通过连续的旋转和下压力，PDC钻头可以持续地切削岩石，实现高效的钻井作业。
3. PDC钻头的应用PDC钻头由于其优良的性能，在石油勘探和开发领域得到了广泛的应用。
主要应用于以下几个方面：3.1 石油勘探PDC钻头可以在石油勘探中使用，用于钻取各种类型的地层。
由于其高硬度和耐磨性，PDC钻头可以有效地切削各种岩石，包括硬质岩石和软质岩石。
在石油勘探中，PDC钻头可以提高钻探的效率，减少钻井时间，降低勘探成本。
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钻头执行标准PDC钻头是一种广泛应用于石油钻井、煤矿开采和地质勘探等领域的钻井工具，其执行标准的制定对于保障钻头质量、提高钻井效率具有重要意义。
本文将从PDC钻头的材料要求、制造工艺、性能测试等方面，对PDC钻头执行标准进行详细阐述。
一、材料要求。
PDC钻头的刀片通常采用聚晶金刚石复合片作为切削元件，刀体则采用优质的合金钢材料。
PDC钻头的执行标准应明确规定刀片和刀体材料的选用标准、化学成分要求、热处理工艺等，以保证PDC钻头具有良好的耐磨性、抗冲击性和热稳定性。
二、制造工艺。
PDC钻头的制造工艺对其质量和性能具有重要影响。
执行标准应规定PDC钻头的整体设计要求、刀片与刀体的结合工艺、焊接工艺、表面涂层工艺等，确保PDC钻头具有良好的耐磨性和抗冲击性，同时提高钻头的使用寿命和钻井效率。
三、性能测试。
PDC钻头的性能测试是保证其质量的重要手段。
执行标准应明确规定PDC钻头的性能测试项目和测试方法，包括静态性能测试、动态性能测试、耐磨性测试、抗冲击性测试等，以确保PDC钻头符合设计要求，并能在实际工程中发挥良好的钻井效果。
四、质量控制。
PDC钻头的质量控制是执行标准的核心内容。
标准应规定PDC钻头的质量控制要求，包括原材料的采购检验、生产过程中的质量控制、成品的检测验收等，以确保PDC钻头的质量稳定可靠。
五、使用与维护。
执行标准还应包括PDC钻头的使用与维护要求，包括钻头的安装与拆卸、使用过程中的注意事项、钻头的修复与保养等，以延长PDC钻头的使用寿命，降低钻井成本。
六、结语。
PDC钻头执行标准的制定对于规范PDC钻头的生产与使用具有重要意义。
本文从材料要求、制造工艺、性能测试、质量控制、使用与维护等方面对PDC钻头执行标准进行了全面的阐述，希望能为相关行业的从业人员提供参考，推动PDC 钻头行业的健康发展。
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。
