国标-》新型PDC钻头设计及应用
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孙明光
(|j9剂石油管哩国
摘要POC钻头在钻井破岩中所占的比蝌越来越大，但在软硬交错的多夹层
地 层钻进时效果却不理想，常常发生先期损坏。本文针对胜利油田多夹层地层
栈点 进行了PDC钻头的优化设i十‟根据该设计制造的一种新型复合式PDc钻头在
多彳 层挝L层中取得了轼好的应用竞贮果。与牙轮钻头相比，复合PDC钻头机榭}阽速
高， 寿命长，进尺多等特点，对船∞由田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意
义c
主黝PDC钻头谢十桃嬲牙}徽谶
作者简介孙明光，1965年生。1994年毕业于石油大学北京研究生院石油工
程专业，获硕士鞘立，1999年毕业于西南石浊学院机械谢十及理论专业，获博士
前言
早4E 80年f{=中期，胜乖蝣由田就开始试用PDC钻头，但只在渤南等少数地层岩|生柜对较为埝
质的地因驭}导了鞍好的效果，在H烯0油阳大部分地区鼎卜一直没有好的指标和效益其主要原因在 于
胜利油田大多数I电l动电J犁i雯=勾复杂，夹层较多且软哽交瞧使常规PDc钻头钻进时，庄隆籍9躺
坏而影响其使用寿命。本文针对胜f蛐罔地层榻髓行了专题研究，设计了一种适合多夹层地层
的新型复合PDc钻头，为提高胜利油田的钻井速度、降低钻井成本提供了有效的破岩二[具。
1常规PDc钻头的损坏特征
从回收使用过PDC钻头来看，绝大部分I，DC钻头损坏的主要特征为齿柱折断、
复合片碎裂、掉片、冲蚀、钻头基体冲蚀等现象，从POC钻头的损坏特征来看，
POC 钻头在井下工作时，除了正常的切削地层而受到的反作用力和地层岩石磨损
外， 还受到了额外作用力的影响，这个额外作用力是造成PDC钻头非正常损坏
的主要 原因。在统计和分析POC钻头的使甩睛况后，结合PEC钻头使用的地区
和地层层 段，认为POC钻头的损坏有下面几点原因：
1)、地层硬夹层较多。地层中硬夹层较多是POC钻头上复合片碎裂、掉片或
齿 拄式切削齿断裂的主要原因，因为PDc钻头在钻进过程中，从软地层钻至硬
夹层 时，由于PDC钻头冠部轮廓胗趺使得钻头表面的切削齿接触地层的硬度不一叶
筝， 造成切削齿切削地层时受力不均，造成钻头出现蹩钻跳钻现象，作用在钻头
上的 载荷大部分集中在切削硬夹层的几介切削齿上，蹩钻跳钻产生的瞬时载荷导
致这 几个切削齿因受力较大而碎裂或折断(特别是在切削硬地层中某些硬质点
时，瞬 时产生的载荷足队造成了切削齿的碎裂或切削齿折断)。如果PDC复合片
和钻头 基体焊接的不牢固，当受很大的瞬时载荷作用时，就造成了复合片掉片现
象。如 果地层存在倾角并且倾角较大，钻头钻遇硬夹层时蹩钻跳钻现象更加严
重，对切 削齿造成更严重的损坏。如图3．1所示，钻头钻进硬地层所受的反作用
力集中在 复合片边缘，钻进软地层的反作用力分布在切削面上，因此，即使同样
的钻井参 数，钻进硬地层比钻进软地层容易损坏切削齿。
2)、PI)C钻头水力参数不适合。在使用PE}C钻头时，如果比水功率选择过大，就会
造成钻头基体严重冲蚀，致使切削齿柱或喷嘴脱落。如果喷嘴布置位置不合适， 喷射的槲击井底后会反射直∞啊虫切削齿。如果k劬勘率j蠢黜J、，对复合崩箭凫
冷却不利，特别是在软地层中易造成钻头泥包，在硬地层中易造成复合片辩
热加速磨损。
在胜利油田使用常规的PDC钻头时，由于胜利油田地层多夹层的特点，往往
出现钻头的先期损坏，加之PDC钻头盼价格较高，致使钻井速度比使用新的牙轮
钻头没有明显的提高，不能提高经济效益是常规PDC钻头在胜利油田没有市场
的 主要原因。因此，研制开发适合胜利油田多夹层地层的复合型PDC钻头，是
提高 钻井速度，B科瞄醪嗣￡本，大幅度提高综合经济效益的关键所在。
2钻头设计
2．1冠部轮廓设计 PDC钻头冠部轮廓谗惺在单锥、浅锥、双锥三种基本轮廓E进行的。单
锥 轮廓钻头主要使用于软地层，它常常镶状大切削氤这种轮廓的钻头容易发挥
水 力作用，在翁渤吐崛中髓产生高机械钻速。适合于低到中等密度布氨适用于
钻 进极车桎0中软地层。浅锥轮廓钻头加强了切削齿的抗载荷能力而具有较长
的寿
命'适合于低到高密度布齿，适用于钻进车爆0中硬地层。双锥轮廓钻头具有尖的
薄部和深的内锥．适合于中到高密度布齿，适用于钻进中到中硬地层。TSP钻头和
燃金网牾钻头通常也使用双锥轮廓。
按不同的设汁原贝4设计钻头时，钻头具有不同的理论冠部曲线方程式：
捌鼎蹴吲肝 ㈦)
揪劂峻计：h=f孵
毋+c O≥„)
锄翱帔计m帕÷舶+。㈦)等功率翮帔计m J心Il抓
㈦)
在上述方程中，均包含参数rS，钻头所适应的地层越硬，rs越大，冠部外锥越
„岳反之，rs越小，冠部外锥越长。
针对胜利油田的多夹层地层的挎点，采用等磨损原则和等切削原则柜结僦生
。亍冠部轮廓谢P，在三种基本轮廓理论曲线力„程进行拟台的基础E，结合钻头没
f经验和使用钻头类比，确定出适合}占进多夹层地层的钻头冠部轮廓形)比浅锥、
、殳圆l噶西部轮廓，外锥长度适中。
卫切削结梅国十
2．2．1切削齿的密度和尺寸大小
切肖啮的密受和尺寸大小与钻进}电层的岩石特胜和机碱钻速紧密相关，所钻
营石的类型决定钻头切削齿的大小以及钻头清洗轮廓。
{吣t‟c、t{心，op．h、
程喇妇嫦荆她层'钻为搀叫磁故暾聋起钻头表面l瑚截触目砻和猫匦由
于水力能影默蝴蚨，关键因素是在切肖t齿和喷嘣司保挣—个最，』啦【平均躏。
在较恻轮廓上使用较大的切削齿就减!珍切削齿数量，并开放了钻头冠部和增
加了流道面积。在较哽地层，在锥型轮廓上使用较小切削齿，没有减!l冲j；ci鲕螨只 却
增加了抗磨损}生。当需要较多切削齿日寸，表面面积小的平底钻头就妨碍了切削
齿的布置。由于限于PDC复合片的尺寸，增加切削齿数量就限制了排量并导致钻
头清洗不好，而减少切肖雌耪瞪蝥挠勋献的抗磨损性。
针对胜利油田软硬交错的地层特．点，既要加快在软地层中的机械钻速，又要增
强在硬地层中的耐磨性和使用寿命'我们设计了PDC复合片和TSP(热稳定聚晶
金刚石)齿的复合切削结构，在合哩布置直径13mm的PDC复合片的基础E，增
加了4mmx4mmx4mm的TSP切肖t齿，这样切静脑分布谤带黼了钻头在软地
层中的机械钻速，又增强了在硬地层中的耐磨性和使用寿命。
2．2．2切削齿的出露量和切削角 切肖t齿的出露量和切削角受所要钻地层特性的
影响。在较软地层．切削齿出
露量的大小影响机械钻速的大小，钻头体表面与地层的间隙越大。切削产生的岩
屑返出越快，清洗效果越好，机捌海撇}戋因此列钻进软地层的钻头设{探用 切
削齿的全出露量。当地层变哽后，为保持有效切削深度需要较大的压入载荷， 而鞍
汰崩耐潴易造成全出露切削齿的折断域墨{裂。将切削齿音B分出露对切削齿
会有较大的支撑和保护，具有部分出露量切削齿可配置铰高的压入载荷，在压缩
状答F，金刚石和碳化钨越强，金刚石碎裂和碳化钨支往折断就越少。但切肖口齿
的部分出露量将减少钻头体表面与地层的问隙，对钻头清洗有一定影响。
具有较，J、切削角的切削齿受j0越大，典切削量越大，所受的剪切载荷也越大，
因此设计在较软地层使用的钻头，切削齿的切削角较小，而硬地层中使用的钻
头，切削齿白勺切削角较大。切削角的范围—咱殳控制在50～3妒。
对一致软或一致锄自地层很容易选择切削齿的出露量和切削角。然而在钻一
口井时，松软地层中的硬夹层或硬研磨地层是很频繁出现的，因此设汁钻头时应
把切肖t齿的出露量和切削角变化结合起来，来提高钻头钻进变异地层的机械钻速
和延长其使用寿命。针对胜利油田地层梅点，设计了由钻头中心向外切削齿切削
角度由1宇逐渐增加到2∥，切削齿出露高度逐渐降低，切肖t齿倾噼专角则取垂直于
螺旋刀翼线法线的角度。
2．2．3切削齿的布置方式
PDC钻头—般采用两种带齿j宁式刀翼式和散布式。刀翼式布齿E匕车飙则，
流道面积较大，能形戎仃效的流场，容易清洗和排泄岩屑。散布式布齿能充分利
用钻头表面积，形成高密度布齿，征葑青洗效果不好。针对胜利油田地层软硬交错
的特点，采用刀翼式布旨设汁，在软地曝加强清洗和携带岩屑效果，在硬夹层加
强冷却效果。
2．3水力伐计 水力设计主要是针对钻头切削结构的设计来确定喷嘴的位置和喷射
角度，来增
强水力破糊阱戚耗动绷撒果，删青洗井底、携带岩屑尉令去I】钻头。
2．3．1 PDC钻头喷嘴的方位和定位
合适的钻头设计需要同时考虑岩石破碎和清洗必须根据破碎地层岩餍的体
积}Ⅱ方向来确定喷嘴方位，以便使流经每个切削元素的流量能够足以完成钻头清
洗和冷却功能。因此岗斗南瞰的水力参数必须考虑钻头不同部位的水力要求的
变化在满足}献和冷去口的基础上，必须认溽4钻头的三个部位需环同的设计。
钻头的三个部位以及水力要求是：在钻头中一“；啦，岩屑移到环形空间的距
离长，需赫麟洗中等黻p。在钻头中间触切削齿密度大需要±句{葑瓣 分
布，高度清洗，高度冷却。在钻头保径树瀚抛低流速携带大且岩屑，
高度冷却，中等清洗。 PDc钻头不同于牙轮钻头，它常需要三个以上喷嘴来提
供均匀的流场j}布，
以便完成清洗和冷却功能。钻头的划、和轮廓将决定喷嘴的数量和定位。
232钻头面的渍场分布
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