PDC钻头+史密斯高速涡轮钻具

休斯克里斯坦森公司的新型PDC钻头及牙轮钻头
卢芬芳;徐昉;申守庆
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】2004(32)6
【摘要】美国休斯·克里斯坦森公司新近推出一种称为Genesis XT的新型PDC钻头，能够用于钻进硬度和研磨性更大的地层。

Genesis XT型PDC钻头采用了该公司的新一代切削齿和已获专利的切削深度控制技术，以便能在恶劣的钻井环境中提高钻头的稳定性和耐用性。

其新一代切削齿称之为OdysseyTM系列齿，
【总页数】1页(P31)
【作者】卢芬芳;徐昉;申守庆
【作者单位】江汉钻头股份有限公司产品开发所,湖北,潜江,433124;江汉钻头股份有限公司产品开发所,湖北,潜江,433124;江汉钻头股份有限公司产品开发所,湖北,潜江,433124
【正文语种】中文
【中图分类】TE921.1
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pdc取芯钻头的结构PDC取芯钻头是一种常用于钻探岩石、石油、天然气等地下资源的工具，其独特的结构使其具有高效、耐用和精确的钻孔能力。

下面将通过介绍PDC取芯钻头的结构及其主要组成部分来详细了解这一工具。

首先，让我们来了解PDC取芯钻头的结构。

PDC是Polycrystalline Diamond Compact（多晶金刚石）的简称，取芯钻头的结构就是以该种材料作为切削刃的主要部件。

这种材料具有优异的硬度和抗磨性，能够在钻探过程中有效切削岩石。

PDC取芯钻头通常由钻杆接头、连接体、切削刃和支撑体四个主要组成部分构成。

钻杆接头是PDC取芯钻头连接到钻杆上的部分，通常采用螺纹连接或者直接焊接。

其设计合理的连接方式能够保证钻头的稳定与可靠性，在高强度、高扭矩的作业环境中发挥重要作用。

连接体位于钻头和切削刃之间，起到连接和传递扭矩的作用。

合适的连接体设计能够使得钻头能够承受较大的压力，并将扭矩传递给切削刃，以实现钻探的目的。

切削刃是PDC取芯钻头最重要的部分。

它是由多晶金刚石层和钎焊层组成。

多晶金刚石层具有超高硬度和出色的切削性能，可用来切削各种类型的岩石。

钎焊层是将多晶金刚石层连接到连接体上的部分，起到固定和加固刃体的作用。

切削刃的设计和制造工艺直接影响着钻头的钻探单位功和使用寿命。

在切削刃的下方，支撑体起到支撑和稳定切削刃的作用。

支撑体通常由钢或者硬质合金制成，具有较高的强度和韧性，能够在高负荷工况下保证钻头的稳定性和持久性。

PDC取芯钻头的结构设计不仅需要考虑各个部件的功能和性能，还需要根据具体的钻井条件和需求来进行优化。

例如，在不同的岩石类型和井深下，可以选择不同尺寸、形状和密度的切削刃；钎焊层的材料和焊接工艺也需要根据钻井条件进行合理选择，以提高钻头的使用寿命和效率。

总之，PDC取芯钻头是一种结构复杂、功能多样的工具。

合理的结构设计和优质的材料选择能够使其具有高效、耐用和精确的钻孔能力。

钻井工程人员在选购和使用PDC取芯钻头时应根据具体需求和工况选择合适的规格和型号，并严格按照使用说明操作，以保证钻探工作的顺利进行。

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。

钻井过程中的技术创新，看世界PDC钻头的最新进展（一）研磨性页岩地层驱使着新钻头的设计，以应对坚硬岩石及高温井的钻探。

在金刚石切削齿与碳化物基岩面相互作用期间，贝克休斯的休斯克里斯滕森Quantec Force强力PDC钻头获得了最佳效果，表现出更高的耐用性和热稳定性，通过获得的有限的切削齿分析，切削刃上的残余应力被迁移。

随着北美油气井页岩层的不断出现，钻头公司迫切地公关，以应对这些地层钻探的挑战并不让人惊讶，对于具体的应用，随之而来的是新钻头的设计，或是改进现有钻头的设计。

一些近期的设计，包括一些应对研磨性地层或高温地层钻井的新切削材料，也有一些8刀翼钻头的外形设计，这些设计都吸收了新切削齿技术和新材料技术，还有一些更新的钻头体材料技术，这些技术都是为了增强钻头的耐用性和提高钻头的性能表现，唯一的目的就是为了降低作业者的钻井成本。

一位服务于Varel国际公司西半球的现场工程经理卡尔罗斯（Karl Rose）说：“在开发钻头切削齿方面，许多钻头技术基本上都是材料技术，使钻头能够承受钻极硬的研磨性地层，切削齿能够在钻硬地层、软地层和夹层地层的变化中不会损坏”。

在钻头本身的材料特性方面也有了新的进展，为了使钻头更加结实和耐用，促使设计者设计出应对更硬地层类型的PDC钻头，罗斯先生说：“随着更坚硬材料的出现，切削齿材料的密度也会增加，使钻头从根本上更加坚韧耐用，这会让作业者在钻硬地层和研磨性地层时，用一只钻头打更多的进尺”。

一位史密斯国际公司的技术支持经理弗莱明克雷格同意说：“切削齿越好，钻头在井里滞留的时间就越长，就能打更多的硬地层和研磨性地层，作业者花费的成本就会越少”。

弗莱明先生说：“我们首先要能让一个切削齿应对更硬和更高研磨性地层，以便能使整个PDC钻头切削齿吃入这些地层，另一方面，钻头的刀翼越多，触到井底的金刚石体就越多”。

然而，弗莱明先生接着又说：“当钻头处于动态稳定的状态时，我们将会停止增加刀翼的数量，史密斯钻头目前就是这样做的，接下来把精力集中在切削齿技术上，不一定要增加更多的刀翼数量”。

PDC钻头使用方法PDC（Polycrystalline Diamond Compact）钻头是一种高效、高精度的钻井工具，广泛应用于石油、天然气勘探和采集过程中。

本文将介绍PDC钻头的使用方法，包括选型、安装和维护等方面的内容。

1. PDC钻头的选型在选择PDC钻头之前，需要考虑以下几个因素：1.1 钻井环境PDC钻头的性能受到钻井环境的影响。

根据钻井地层的硬度、饱和度、温度等因素，选择合适的PDC钻头，以确保钻井工作的效率和质量。

1.2 钻井目标不同的钻井目标对PDC钻头的要求不同。

例如，对于探测天然气储层的钻井，需要选择具有较高冲击强度和耐磨性能的PDC钻头。

1.3 钻井参数钻井参数包括钻速、切削速度、进给速度等。

根据钻井参数的要求，选择具有相应性能指标的PDC钻头。

2. PDC钻头的安装对于PDC钻头的安装，需要依次进行以下步骤：2.1 准备PDC钻头在安装PDC钻头之前，需要检查钻头的质量和完整性。

确保PDC钻头没有损坏或磨损。

2.2 加固钻头连接部分将PDC钻头安装在钻杆的连接部分。

使用正确的扳手和力量，将钻头牢固地固定在钻杆上。

2.3 进行预检安装好PDC钻头后，进行预检。

确保钻头连接部分牢固可靠，并进行必要的检查和调整。

3. PDC钻头的使用注意事项在使用PDC钻头时，需要注意以下几点：3.1 控制钻速在钻井过程中，要根据地层的硬度和井眼的尺寸，适当控制钻头的转速。

过高的钻速可能导致钻头过度磨损或损坏。

3.2 保持稳定保持钻井过程的稳定性是使用PDC钻头的关键。

通过控制进给速度和注浆质量，保持钻头的稳定工作。

3.3 注意钻头冷却PDC钻头因为切削过程中会产生高温，所以需要进行有效的冷却。

采用合适的冷却液体，保持钻头的正常工作温度。

4. PDC钻头的维护定期进行PDC钻头的维护，可以延长其使用寿命。

以下是几个常见的维护方法：4.1 清洗和磨削定期清洗和磨削PDC钻头，去除切削面上的积土和残留物。

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钻头分类PDC钻头分类PDC钻头，即多晶金刚石复合钻头，是一种高效率、高性能的钻井工具，广泛应用于石油、天然气勘探开发、地热能利用、水井、地质勘探等领域。

根据其结构和功能特点的不同，可以将PDC钻头分为几种主要类型。

1. 直齿PDC钻头直齿PDC钻头是最常见的一种类型，其主要特点是在钻头表面直接安装了一层PDC切削牙。

这种设计能够提高钻头钻进速度和穿透率，适用于软岩、煤层等较软地层的钻井作业。

2. 扩孔PDC钻头扩孔PDC钻头在直齿PDC钻头的基础上进行了改进，通过增加扩孔结构，使得钻头在钻进过程中能够扩大孔径，提高钻井效率。

这种钻头适用于需要扩孔的地层，如石灰岩、砾石等。

3. 钻进导向PDC钻头钻进导向PDC钻头是一种具有导向功能的钻头，通过在钻头上安装导向翼片或弯曲导向装置，可以实现井眼的导向控制，使钻井方向更加准确。

这种钻头适用于需要进行水平井、定向井等作业的情况。

4. 钻进动力PDC钻头钻进动力PDC钻头是一种具有自驱动功能的钻头，通过在钻头内部安装动力装置，可以提供钻井过程中所需的动力，减轻钻机的负荷，提高钻井效率。

这种钻头适用于需要大功率、高效率的钻井作业。

5. 钻头组合PDC钻头钻头组合PDC钻头是一种将不同类型PDC钻头组合在一起的复合钻头，通过不同结构和功能的PDC切削牙相互配合，实现钻井过程中的多种功能，提高钻头的适应性和效率。

这种钻头适用于复杂地层条件下的钻井作业。

总的来说，PDC钻头具有高效率、高性能的特点，能够满足不同地层条件下的钻井需求。

不同类型的PDC钻头在结构和功能上有所差异，用户可以根据具体的钻井需求选择适合的钻头类型，以提高钻井效率，降低成本，实现更好的钻井效果。

第二章 PDC 钻头工作原理及相关特点PDC 钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿有复合片切削齿和齿柱式两种结构，它们的结构以及在钻头上的安装方式如图1-2所示。

复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而形成的。

它普通用于胎体钻头；齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而形成的，安装时将其齿柱镶嵌或者焊接在钻头体上的齿空内，它普通用于钢体钻头，也实用于胎体钻头的。

复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。

复合片普通为圆片状，其结构如图1-3所示，它是由人造聚晶金刚石薄层及碳化钨底层组成，具有高强度、高硬度及高耐磨性，可耐温度750℃。

人们早就从实验中发现，岩石的诸力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。

显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。

PDC 钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到了快速钻井的(a) 复合片式切削齿 (b)齿柱式切削齿图1-2 切削齿在钻头上的安装方式图1-3 复合片的结构图1-4 PDC 钻头的切削方式目的。

当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩削呈大块片状，这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似（见图1-4）。

被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运至井外。

PDC钻头因使用了聚晶金刚石复合片作切削元件而使得切削齿有很高的硬度和耐磨性。

PDC齿的缺点是热稳定性差，当温度超过700℃时，金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏，因此PDC齿不能直接烧结在胎体上而只能采用低温钎焊方式将其固定在钻头体上。

在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下向来与岩石表面滑动磨擦要产生大量的磨擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损（350-700℃时，切削齿的磨损速度很快，这一现象称为切削齿的热磨损）而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损浮现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。