基于机械比能与滑动摩擦系数的PDC钻头破岩效率试验

双级PDC钻头的理论及试验研究随着深井和超深井的增多,φ311mm及更大直径井段增多,提高深井大直径井段的机械钻速已成为一个急需解决的主要问题。

双级PDC钻头通过钻出一段小井眼释放地层应力和产生一大的自由面,有效提高机械钻速。

本文对双级PDC钻头进行较全面研究具有重要意义。

①在岩土开挖及有限元的理论和方法的基础上,建立了双级PDC钻头和常规PDC钻头的井底有限元模型。

提出用3个时间步较真实地模拟了开钻前、钻进过程中和井底形成后3种状态下的井底应力场,编写了有限元分析程序。

经分析得到了一系列钻头的井底应力场。

对比双级PDC钻头和常规PDC钻头的井底应力场,研究了其提高机械钻速的力学机理。

通过对比不同导眼体直径的双级PDC钻头的井底应力场,优选出导眼体直径。

②应用非牛顿流体力学、钻柱水力学和钻头水力学的理论,推导出了双级流量分配的方程组及参数影响的简化公式,编写了双级流量分配和喷嘴组合设计程序。

经参变分析得出:导眼体分流流量随扩眼体喷嘴组的当量直径的增大而减小,随导眼体喷嘴组的当量直径的增大而增大,随级间段长的加长而减小的影响规律和曲线,和随其它参数变化影响的幅度。

进而提出了双级流量分配的基本原则。

③应用有限元方法和间隙元法思想,以全井钻柱为研究对象,提出钻头与地层接触为弹性接触的假设和用现代多向间隙接触理论实现间隙元的思想,建立了双级PDC钻头和常规PDC钻头的钻具组合的有限元分析模型。

通过真实PDC钻头的性能模拟和曲线拟合,考虑钻头与地层的摩阻推导出PDC钻头扭矩预测公式;提出用迭代方法计算零钻压下的悬重和给定指重表钻压下的钻头钻压,较真实地模拟钻井的钻压-扭矩响应、稳定或振荡过程;考虑泥浆浮力、钻井液阻力偶、钻柱-井壁摩擦力及扭矩、钻头扭矩等边界条件,编写了有限元分析程序,研究了双级PDC钻头的井底钻具组合的井斜控制特性。

分析双级PDC钻头的塔式钻具组合和塔式钟摆钻具组合得出:在小井斜和较大井眼扩大系数下,双级PDC钻头与塔式(钟摆)钻具组合配合使用具有较好的防斜作用。

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。

PDC钻头英文：Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片钻头的简称。

是石油钻井行业常用的一种钻井工具。

PDC产品性能不断改进。

在过去的几年间，PDC切削齿的质量和类型都发生了巨大的变化。

如果将２０世纪８０年代的齿与当今的齿进行比较的话，差异是相当大的。

由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。

工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，以提高切削齿的韧性。

层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。

除了材料和制造工艺方面的发展以外，PDC产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。

现在，PDC产品已可被用于以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。

这种向新领域中的扩展，对金刚石（固定切削齿）钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。

8-1/2TD164A 4刀翼PDC钻头2TD194B 4刀翼PDC钻头8-1/2TD165A 5刀翼PDC钻头8-1/2TD196A 6刀翼PDC钻头9TD195A5刀翼PDC钻头9-1/2TD166A 6刀翼PDC钻头最初，PDC 钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。

但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC 钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。

PDC 钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC 齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。

由于钻头设计和齿的改进，PDC 钻头的可定向性也随之提高，这进一步削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。

目前，PDC 钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。

PDC 钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践:为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC 钻头厚层砾岩钻进技术.在保持普通PDC 钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC 切削 齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用 合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防PDC 钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命.应用该技术实现 了用PDC 钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80 m 的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深.采用PDC 钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用.PDC 钻头工程技术措施石油钻井装备:1）、首先做好PDC 钻头的选型工作，钻头水眼、流道设计应利于排屑；2）、下入PDC 钻头之前，应充分循环泥浆，清洗井眼，防止起钻后滞留在井眼内的钻屑继续水化分散；3)、下钻时钻头不断刮削井壁，井壁上的泥饼或滞留于井内的钻屑会在钻头下堆积，到一定程度便会压实在钻头上，那么下钻中途进行循环，将钻头 冲洗干净也是有其必要的；4）、下钻过程中还应适当控制速度，防止钻头突然冲入砂桥，钻进一堆烂泥中；另外如果速度恰当，PDC 钻头会顺着上一只钻头所钻的螺旋形井眼轨道行 进，而不是在井壁上划拉下大量泥饼。

第 51 卷 第 4 期石 油 钻 探 技 术Vol. 51 No.4 2023 年 7 月PETROLEUM　DRILLING　TECHNIQUES Jul., 2023doi:10.11911/syztjs.2023022引用格式：高德利，刘维，万绪新，等. PDC钻头钻井提速关键影响因素研究[J]. 石油钻探技术，2023, 51（4）：20-34.GAO Deli, LIU Wei, WAN Xuxin, et al. Study on key factors influencing the ROP improvement of PDC bits [J]. Petroleum Drilling Techniques，2023, 51(4)：20-34.PDC钻头钻井提速关键影响因素研究高德利1， 刘 维1， 万绪新2， 郭 勇3（1. 石油工程教育部重点实验室（中国石油大学（北京）），北京 102249；2. 中石化胜利石油工程有限公司，山东东营 257000；3. 中国石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000）摘　要: 为了在钻井工程中发挥出PDC钻头的最大功效，通过理论分析、室内试验、案例分析、现场试验等，探讨了高钻压、高转速等钻井参数强化对PDC钻头钻速和磨损的影响规律，同时分析了PDC钻头的磨损机理与过早失效主因。

研究结果表明：1）钻压是影响PDC钻头机械钻速的直接和首选因素，当钻头处于高效破岩状态时，无论钻遇一般地层还是硬岩地层，钻压与机械钻速均应呈线性关系；钻遇均质硬岩地层时，建议将200 kN以上高钻压纳入PDC钻头的常规应用参数；2）提高转速可实现钻井提速，虽然高转速会加剧PDC钻头的磨损，但目前切削齿的质量足以满足PDC钻头在高转速（400～500 r/min）下长时间钻进多数地层的需求；3）布齿密度对钻头机械钻速有影响，但并非直接因素，只要“吃得进去，切得下来，排得及时”三者建立动态平衡，即便是高布齿密度PDC钻头也可以实现优快钻进；4）PDC钻头破岩效率越高，钻头磨损会越小，如提高钻压，会增大切削齿吃入深度、减少钻头磨损；5）动态冲击和低效破岩是造成PDC切削齿和钻头过早失效的主因，实现PDC钻头高效钻进的核心是提高破岩效率与抑制钻头振动。

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。

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钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究引言PDC 钻头切削齿的空间结构参数直接影响钻头的破碎效果，切削齿的切削角度为空间结构参数之一，优化PDC 钻头切削齿切削角度是提高钻头破岩效果的有效途径之一。

本文利用有限元数值模拟不同切削角度的切削齿与岩石相互作用，通过计算岩石破碎体积、切削比功，得出切削角度与二者之间的关系规律，分析切削角度与破岩效果的关系，以优化切削齿的切削角度。

1切削齿切削角度的优化方法PDC 钻头是在钻压和扭矩的联合作用下钻进，对于每一个切削齿的受力，可简化为切削齿受压入力和切削力作用（见图1）。

PDC 切削齿与岩石作用过程是一个高度非光滑非线性接触问题。

对于这种问题的分析，有限元是一种行之有效的分析方法，研究中通过计算岩石破碎体积、破碎比功来衡量破岩效果。

破岩体积越大说明岩石受的力越大，而不同切削角度的切削齿与岩石之间的作用力是不同的，不同作用力破碎岩石所做功需要用破碎比功来衡量，岩石破碎比功是切削齿与岩石接触过程中所作的功比上岩石破碎总体积得出比功的概念，破碎比功是定量地从能量的角度反映切削方式的破岩效率。

因此，寻求切削角度的最优数值，需要综合考虑二者关系，即岩石破碎体积大，同时切削齿与岩石作用过程中做功最小。

图1PDC 钻头切削齿破岩示意图1.1有限元模型的建立为便于计算和分析，对问题假设：（1）切削齿切削岩石的部分为聚晶金刚石复合片，由于金刚石极硬，可认为是绝对刚性体；（2）岩石为弹塑性体，其破坏方式遵循Drucker —Prager 破坏准则，不考虑围压及温度对岩石的影响；（3）研究中假定钻头机械钻速不变，则切削齿的每转吃入量一定，在本文中吃入量取值为3mm ／r 。

（4）切削齿在井底的实际运动形式为螺旋线，由于螺旋角很小，将切削齿的运动简化为平面运动。

根据以上简化和假设，建立有限元模型如图2所示。

针对PDC 钻头适应于软到中硬地层，本文选用砂岩、页岩为代表性岩样。

第二章PDC 钻头工作原理及相关特点第二章 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(a) 复合片式切削齿(b)齿柱式切削齿图1-3 复合片的结构图1-2 切削齿在钻头上的安装方式硬度及高耐磨性，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。

基于机械比能理论的复合钻井参数优选探讨刘㊀粱摘㊀要：机械比能理论将破碎单位体积岩石所需能量与钻头的破岩效率关联起来，将钻头输出的功整合成一个综合参数，并利用这一参数来描述钻头破岩效率，从而实现钻井效率的量化评价㊂本文分析了机械比能理论及基础模型的概念，进一步探讨了对该模型的优化机理以及在复合钻井条件下的比能模型，希望对深层提速和降低钻井成本提供一定的参考价值㊂关键词：机械比能；复合钻井；优选方法；钻进参数一㊁引言目前，常用机械钻速与同区块邻井的机械钻速进行偏差分析来评价钻井效率，虽然能体现出钻井的相对效率，但无法在钻井设备和地质条件一定情况下，给出钻井参数的优化方法，且具有地域限制㊂近年来，随着各类钻头在导向系统和旋转导向系统的应用，以及钻井深度㊁难度的不断增大，如何提高钻井效率变得日益重要㊂Ｔｅａｌｅ比能模型将破碎单位体积岩石所需能量与钻头的破岩效率关联起来，将钻头输出的功整合成一个综合参数，称为机械比能，利用这一参数来描述钻头破岩效率，从而实现钻井效率的量化评价㊂笔者在Ｔｅａｌｅ比能模型的基础上，建立了复合钻进条件下的破岩比能模型，并开发了配套的实时优化软件，现场应用表明，机械比能理论能够用于钻井参数优化，从而提高钻井速度，并及时识别井下复杂情况㊂二㊁机械比能及基础模型概念钻头破碎岩石所需能量与岩石强度有关，是通过钻头做功实现的㊂Ｒ．Ｔｅａｌｅ提出了在钻进岩石过程中机械比能的概念，即钻头在钻压和扭矩作用下破碎单位体积岩石做的功（所需要的机械能量）㊂这一概念将破碎单位体积岩石所需能量与钻头的破岩效率关联起来，提供了一种评价钻井效率的方法，比能越大，说明钻头破岩效率越低，钻头与地层适应性越差，钻井参数有待优化㊂该机械比能模型为：Ｅ＝４ＷπｄＢ２＋４８０ｎＴｄＢ２ｖ（１）式中：Ｅ为机械比能，ＭＰａ；Ｗ为钻压，ｋＮ；Ｔ为扭矩，ｋＮ㊃ｍ；ｎ为转速，ｒ／ｍｉｎ；ｖ为机械钻速，ｍ／ｈ；ｄＢ为钻头直径，ｍｍ㊂Ｔｅａｌｅ通过试验证实了理想条件下，机械比能与岩石的抗压强度相等㊂然而，在实际钻井过程中，受井筒摩阻㊁井下振动等不利因素的影响，能量利用率很低，通常为３０％ ４０％㊂钻头破岩效率低，导致实际比能是岩石强度的３倍左右，因此为了满足现场实际需要，使比能更接近岩石的真实强度，将钻头有效能量利用率定义为Ｅｆ，则修正后的机械比能模型为：Ｅｍ＝Ｅｆ（４ＷπｄＢ２＋４８０ｎＴｄＢ２ｖ）（２）式中，Ｅｍ为修正机械比能，ＭＰａ㊂为了便于现场应用，Ｅｆ通常取０．３５㊂三㊁优化机理分析钻进过程中，钻压作用于钻头的切削齿使其切入岩石，利用钻头旋转产生的横向运动粉碎岩石，实现破岩㊂典型的机械比能和机械钻速的关系分为三个部分，第一部分钻压过低时，钻头切屑齿切入地层的深度浅，能量不足导致钻头破岩效率低，机械钻速较低㊂第二部分，随着钻压的提高，钻头切屑齿切入足够深，钻头输出能量稳定，比能和机械钻速呈正比线性关系，破岩能量充分应用㊂第三部分，受井下各种因素的影响钻井过程中的不稳定点出现，钻速不再同机械比能呈线性关系，不稳定点处已经接近当前钻井系统可能获得的最高钻速㊂第三部分中会出现不稳定点，这是因为钻头泥包㊁井底泥包及钻具振动影响产生㊂钻头泥包和井底泥包阻碍了机械能量的有效传输，尽管消耗的破碎比能很大，但破岩效率降低，机械钻速低㊂钻进过程中若出现不稳定点，在设备允许的情况下，为进一步提高钻速，需要重新设计和优化钻井参数，提高不稳定点位置㊂钻井过程中无法彻底消除不稳定点的出现，只能尽可能延迟稳定点的出现㊂四㊁复合钻进条件下的比能模型（一）机械比能修正模型Ｔｅａｌｅ比能模型中，扭矩是一个主要的变量㊂在实验室或者通过ＭＷＤ可以很容易地获得㊂然而，在实际钻进过程中，地表记录的主要数据有钻压㊁转速和机械钻速等，往往缺乏井下钻头上真实扭矩的测量值，需要用测量数据来计算扭矩，即利用钻头滑动摩擦系数和钻压计算钻头扭矩㊂（二）复合钻进条件下的机械比能模型复合钻井是指在井下钻具组合中加入井下动力钻具，将钻井液循环时的水力能量转换为钻头的机械能，从而破岩钻进，其转速可以通过钻井液流量的变化在一定范围内进行调整㊂在复合钻进过程中，钻头的驱动由地面驱动（转盘或顶驱）和地下驱动（一般为螺杆钻具）组成，其中地下驱动作为钻头的主要动力㊂螺杆钻具（动力钻具）的主要性能参数是扭矩和转速，螺杆的理论转速只与流经钻具的流量和钻具每转排量有关，而与工况（钻压㊁扭矩等）无关㊂（三）比能基线的确定比能基线是优化钻井过程中所能达到的最高破岩效率的对照线，是观测比能曲线的基准线，将其与实际钻井过程中的比能曲线进行对比，就可以知道钻井参数优化的效果，实际比能曲线与比能基线偏离越大，说明破岩效率越低，需对钻井参数进行调整㊂根据Ｔｅａｌｅ的实验结果，理想情况下的比能应该与岩石强度相等，因而可利用围压下岩石强度作为参照，对比分析实际比能，确定破岩效率的高低㊂目前，钻井工程主要利用现场测井资料，并结合室内单轴抗压试验得到的经验公式，来连续评价地层无围压条件的岩石强度分布情况，该方法只适用于清水钻进的渗透性地层（无滤饼形成），仅代表了钻井施工的一部分情况㊂当渗透性地层用钻井液钻进和地层为非渗透性岩石时，必须选择合理的岩石强度模型㊂五㊁结论（一）建立了复合钻进条件下的比能模型，能够更加精确地评价复合钻进过程中的钻头破岩效率㊂（二）比能理论可用于钻井提速，并能实时有效地识别钻进过程中影响钻头破岩效率的主要因素，为深层提速和降低钻井成本探寻了一条有益途径，可以在钻井设计㊁优化与分析的各个环节中推广应用㊂参考文献：［１］陈晓华．基于机械比能理论优化钻井效率新方法在大牛地气田的应用［Ｊ］．钻采工艺，２０１７，４０（４）：２８－３１＋３．［２］韩博，李士斌，张立刚．基于虚拟强度指数的复合钻井钻头优选［Ｊ］．当代化工，２０１５，４４（９）：２１５５－２１５７＋２１６１．作者简介：刘粱，中石化胜利石油工程公司科威特钻井项目管理部㊂０８１。

浅析新型屋脊齿PDC钻头的破岩机理摘要：PDC钻头的基本切削单元为PDC切削齿，传统PDC切削齿的齿面为平面，仅适用于软至中硬地层，但随着油气勘探开发逐渐向深井超深井发展，岩石硬度和抗研磨性强度逐渐增大，各大钻井现场迫切需要破岩效果更佳的钻头，因此众多非平面PDC切削齿应运而生，其中屋脊齿使用更为频繁，但针对新型屋脊齿的破岩机理研究还较少。

本文基于PDC钻头的损坏机理及传统PDC钻头的破岩机理，浅析新型屋脊齿钻头的破岩机理，以期能够为该钻头的发展奠定一定的基础。

关键词：屋脊齿；损坏形式；破岩机理PDC钻头作为石油开发过程中重要的技术工具，其性能优劣直接影响着钻井效率、成本及质量。

伴随着油气勘探开发的快速发展，钻井深度也逐渐朝着深井超深井不断发展，而传统的PDC钻头仅在软至中硬地层破岩效果较好，在硬地层及抗研磨性高地层破岩过程中钻头损坏严重，崩齿现象频发，导致钻井过程中起下钻频繁，严重影响钻井效率，缩短钻头使用寿命，增加钻井成本。

针对该问题，近年来国内外对硬地层钻头技术进行了大量的研究，陆续出现了多种非平面PDC切削齿，其中屋脊齿的发展最为快速，使用范围更广，但目前对于屋脊齿的研究大多停留在如何设计齿面形状，对其破岩方式和机理研究较少，基本处于起步或试验阶段。

因此，了解屋脊齿PDC钻头的破岩机理有利于调整其结构设计，才能更好地运用在钻井现场中，最大程度提高钻井效率。

一、传统PDC钻头的损坏原因从钻井现场回收使用过的PDC钻头来看，绝大部分PDC钻头损坏的特征为崩齿、复合片碎裂、冲蚀等情况。

在钻进的过程中，逐渐从软地层过度到硬地层，岩石的强度及抗研磨性强度逐渐增大，导致PDC切削齿受力增大且受力面积不均匀，造成钻头在破岩过程中出现跳钻、蹩钻等情况，破岩效率明显降低，并且会对切削齿造成严重的损坏，崩齿、断齿现象频发，最终影响钻头使用寿命和钻井效率。

图1 崩齿图除了岩石强度对钻头本身造成的损坏以外，钻头自身的水力结构设计也直接影响着钻井效率、成本及质量。

PDC钻屑录井岩性识别方法概述由于PDC钻头与3A钻头在制造工艺和结构方面有着本质的区别，加之其特殊的破岩机理，导致PDC钻屑非常细碎（粒径最小达0.5-2.0mm或粉末状）；同时，由于PDC 钻头机械钻速高、米钻时小，地质工岩样采集难以跟上钻头进度，造成岩性识别、分析化验挑样困难和剖面符合率低。

因此，目前石油石化录井行业在钻达目的层时往往限制PDC钻头的使用，其原因可归纳为：①PDC钻头机械钻速高，给按地质设计实施岩屑录井带来了困难；②PDC钻屑细碎、岩性难辩，造成岩屑剖面符合率偏低，尤其是当油质轻、显示级别低时，易造成油气显示漏失；③PDC钻头使用井段砂泥岩钻时幅差不明显，尤其是在砂泥岩颜色相近、砂岩泥质含量高、粒径小、地层成岩性较差的层段，给借助钻时分层带来很大困难。

为此，开展PDC钻屑录井随钻岩性识别技术的研究，就是要在钻井采用新技术的条件下，保证录井能够不影响钻井技术的进步，齐全准确地收集各项录井资料，使地质录井各项技术指标如：油气显示的发现率、岩性识别准确率、地质剖面归位符合率等满足油田勘探开发工作的需求，使随钻录井岩性识别和油气显示快速评价解释技术进一步提高，提升油田的整体勘探开发效益。

一、PDC钻屑成因分析1.金刚石钻头的分类（国内）金刚石钻头由国外七十年代初研制成功，并于八十年代得到迅速发展，其显著的高钻速、低成本特点在实践中被钻井界证实和认可，因此获得广泛推广及普及。

目前全国大部分油田都在使用 PDC钻头，具备不完全统计，全国近 50% 探井 ,80%的生产都不同程度当地使用了PDC钻头。

河南油田自 1987 年引进该技术以来，得到了广泛的推广和使用，钻井时效提高了 30-50% ，不论给钻井公司还是给河南油田均带来了显著的经济效益和社会效益。

从近期收集的中石化西部新区钻探资料看，PDC钻头的使用率达80%以上，但大多为非目的层段使用，如征1井使用FM256D型PDC钻头于3020.20-4616.90m井段，连续钻进1596.70m，纯钻进时间231小时，平均机械钻速7m/h，给提高钻井时效、降低勘探成本带来了显著的经济效益。

PDC钻头破岩的动态数值模拟陈勇;万教育;赵子仁;钟智慧【期刊名称】《新疆石油天然气》【年(卷),期】2009(005)003【摘要】使用CAD软件建立了81/2PDC钻头的几何模型,导入有限元软件进行钻头破岩的动态数值模拟,将地层材料设定为正交各向异性,地层倾角为15°.数值模拟结果表明:井眼是一步步"跳跃式"加深的,钻头偏离了地层层面的垂直方向;钻头与地层的接触具有随机性,主要是底部和侧面牙齿与岩石的接触,其它部位与地层的接触较少;在破岩过程中,钻头上下振动引起瞬时速度随时间不断变化,并且在加深井眼的同时,不断横向运动,扩大井眼;在整个数值模拟过程中钻头扭矩也是在不断变化,钻头会发生"空转"和"滞动"现象,并且存在"反转"趋势.本文的研究结果对提高PDC钻头破岩机理的认识具有重要意义,同时为研发控制反扭矩的钻具奠定了基础.【总页数】5页(P69-73)【作者】陈勇;万教育;赵子仁;钟智慧【作者单位】西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院,新疆,克拉玛依,834000;西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院,新疆,克拉玛依,834000;西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院,新疆,克拉玛依,834000;西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院,新疆,克拉玛依,834000【正文语种】中文【中图分类】TE921.1【相关文献】1.PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究 [J], 李琴;刘永升;黄志强;蔡春雷2.PDC全钻头破岩数值模拟及试验研究 [J], 况雨春;彭亚洲;张雨婷3.锥形聚晶金刚石复合片钻头(PDC)齿与常规PDC齿破岩效果对比试验 [J], 孙源秀;邹德永;徐城凯;郭玉龙4.旋转导向钻井PDC钻头破岩数值模拟研究 [J], 赫文豪;魏秀艳;秦雷;史怀忠;刘才庚;赵旭5.两种中部切削结构的PDC钻头破岩效率研究 [J], 刘永旺;陶兴华;张喆;管志川;于广海;周健;王斌;马广军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。