PDC钻头设计与优选技术

2018年第1期·石油科技论坛33

PDC钻头技术发展现状与展望

杨金华　郭晓霞中国石油集团经济技术研究院石油科技研究所

摘　要：从切削齿、钻头结构、钻头设计与制造、钻头优选及使用技术等方面，介绍了国内外PDC钻头技术发展现状，指出目前PDC钻头居市场主导地位，切削齿的改进和创新是钻头研发的主攻方向，钻头结构趋向多样化、集成化，更为强调个性化设计，强化参数钻井。列举了包括水平井一趟钻在内的应用案例，PDC钻头提速降本效果显著，助力非常规油气高效开发，深井钻井周期持续缩短，钻井记录不断刷新。未来适时引入高新技术和高新材料，将带来钻头技术的重大突破，集成创新和颠覆性创新进一步加快，智能钻头不断提高储层钻遇率和机械钻速，新一代钻头将会促进水平井超级一趟钻的推广应用。同时分析了中国石油集团PDC钻头技术发展现状与差距，提出了有针对性的发展建议。关键词：PDC复合片；PDC钻头；切削齿；钻头设计；钻头制造；发展趋势DOI：10.3969/j.issn.1002-302x.2018.01.008中图分类号：TE921 文献标识码：Ａ

基金项目：中国石油天然气集团公司项目“重大工程关键技术装备研究与应用”之“高效破岩工具研制”课题（编号：2013E-38-04）。第一作者简介：杨金华，1963 年生，1984 年毕业于西南石油大学，高级工程师，长期从事钻井技术调研与发展战略研究。E-mail：yangjh@钻头性能直接关系到钻井的效率、质量、成本乃

至安全。钻头虽小，却是钻井提速降本的第一利器。

改进钻头往往能收到事半功倍的效果，对于水平井、

深井、超深井来说尤为如此。如少用一只钻头，不仅

可以直接节省钻头成本，还可缩短钻井周期，效益十

分可观。因此，国内外石油公司和油服公司都高度重

视钻头技术的改进与创新。

1　PDC钻头技术发展现状

钻头技术的改进和创新可归纳为集成创新和颠覆

性创新两大类。1.1　PDC钻头居市场主导地位

，１　肛　＿技删ｏＪ１年第１期　

Ｇ　Ｓ　１号区块Ｐ　Ｄ　Ｃ钻头的优选及应用　

鼯　单　

（江苏油田工程院钻井室）　技术创新　

摘要近些年，江苏油田正在开展优快钻井技术的研究，ＰＤＣ钻头的优选，对提高机械钻速起着很大的作用，本文通过对　

ＰＤｃ钻头基本切削原理的介绍及Ｇ１区块两口从式井的施工ｑ＇ＰＤＣ￣头实际使用情况介绍及对比，得出该区块优快钻进建议使用的　

ＰＤＣ类型，以及需要注意和改进的相关建议　关键词ＧＳ区块ＰＤＣ机械钻速井身质量　

ＰＤＣ钻头具有结构简单，高强度，高耐磨性和抗冲击的能力，在　

软、中硬地层中钻进时，具有速度快，进尺长，寿命长，工作平稳，　

井下事故少等优点，在钻井过程中被应用的越来越广泛，找到适合某　

区块施工的ＰＤＣ，对提高该区块的机械钻速，缩短钻井周期，从而减　

少对油气层的伤害，提高效益，具有非常大的作用，ＧＳ区块，目前　

有多家油田公司在此附近开发，Ｇ１—６和Ｇ１—８井为江苏油田施工的两　

口开发井，钻井周期短，井身质量优。　

１　Ｇ１区块两口井基本情况介绍　

Ｇ１—６及Ｇ１－８两口井属溱潼凹陷东北部斜坡带ＧＳ１号区块，该区　

块地层特征为：ｏ．２５０米以沙砾层和粉砂岩为主；２５０～４２０米为黄色粘　

土；４２０～１３００￣以沙砾层和粉砂岩为主，黄色粘土夹层；　

１３００—１３６ｏ￣流沙层；１３６０—１９８ｏ￣以棕红色、棕红色泥岩为主；　

１９８０—２２５０米为细砂岩和砂砾岩；２２５０米以后为灰黑色泥岩及泥砂　

岩。　

该区块钻井施工的难点如下。　

（１）上部长的盐城组不稳定地层，Ｇ１井，就在测井中出现常，　

通井的过程中，在１３００多米的地方通出新的井眼，无法回到老井眼，　

结果只能填井侧钻，耽误很长时间，快速穿过这部分地层，对于减少　

地层被钻井液浸泡时间，稳定井壁，安全施工具有很大作用。　

（２）该块１３００多米至１９８０米之间，有很长一段泥岩地层，容易　

发生泥包，对ＰＤＣ钻头的防泥包性能有很大的要求。　

（３）该块下部２０００米至２３００米之间有一段砂砾岩夹层，对　

未知驱动探索，专注成就专业

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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。 未知驱动探索，专注成就专业

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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。 未知驱动探索，专注成就专业

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dk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；dk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dk值小于3.48的地层中采用10°～15°后倾角，dk值在dk=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dk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，dk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

Abstract

In 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