PDC钻头破碎岩石机理分析

实际上,PDC钻头在钻进过程中,切削齿是作用 在具有不同曲率的岩石自由面上的,如果我们假定 外锥齿切削的曲面为负曲面,则内锥齿切削的曲面 就为正曲面.特别是这种具有负曲率的自由面对岩 石破碎起支撑作用,这种负曲率的绝对值越大,其 支撑力越大,对于内锥齿来说,周围的岩石对岩石 的破碎基本上不起支撑作用,因此这一部分的岩石 比较容易破碎。对于锥顶部分的岩石,由于它没有 轴向自由面, 是最难破碎的,所以,如果切削面积 相同的话,锥顶的切削齿承受的轴向载荷最大.
关键词 PDC钻头;切削齿;破岩载荷; 载荷规律
1.PDC钻头切削齿切削岩石特点
在许多的分析中都涉及PDC钻头切削齿切削岩 石时的切削过程,即在切削塑性岩石时和切削软金 属差不多;在切削脆塑性岩石时可分为挤压、小剪
切、大剪切三个过 程,因此,在切削岩 石的过程中,切削 齿的运动是呈阶跃 式向前运动的,因 而作用在切削齿上 的力也是阶跃式变 化的,如图1所示.
2．2.切削齿磨损的影响. 钻头上的切削齿在切削岩石时,在切削齿与岩石
接触的底部首先是金刚石层与地层接触,这时可认为 金刚石层承担了大部分的钻压,但是随着金刚石的磨 损,金刚石层后面的碳化钨层也与岩石发生接触,并 且承担一部分钻压(尽管此时仍然是由金刚石层承担 大部分的钻压),由于切削齿的形状是圆柱形的,倾斜 一个角度后在磨损的过程中,它与岩石的接触面积是 不断变化的;另外,由于切削齿周向各点受力的不同, 其周向磨损速度也是律为: 内锥部分的切削齿的 磨损较小,而外锥齿的磨损却很大,锥顶齿的
PD。C钻头切削齿破岩载 荷规律的分析
华北石油局第五普查勘探大队 许爱
摘要 通过对PDC钻头切削齿上的载荷变化规律 的分析,认清各切削齿的受力情况.PDC钻头的各切削 齿的磨损情况与各个切削齿的受力有着直接的关系, 本文进行了PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和 切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力 的分析.用相邻的三个切削齿之间的关系(不同的切削 齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差) 来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削 齿受力的影响,以及将切削齿的磨损状态简化成与切 削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨 损状态对切削齿受力的影响.

174PDC钻头代表了钻头的一个新的发展阶段。

这种钻头通过破碎岩石作用钻进岩石。

安全系数高，风险低。

金刚石复合片为聚晶片，后约1/32in，镶嵌在已植入钻头本体预先所钻的洞内的碳化物金属块里。

1 PDC钻头的结构PDC钻头结构有钢体与胎体两种类型，其中胎体钻头的材料为铸造碳化钨粉，经烧结制成钻头，在烧结时钻头工作面留下窝槽，然后再在窝槽上直接焊接复合片。

钢体钻头的材料为整块合金钢经机械加工铸成，然后在碳化钨齿柱上将复合片制成切削齿，并将切削齿镶嵌在钻头体上，保径部位也是将金刚石块或其他耐磨性材料镶嵌在钻头体上，为防止冲蚀，可在钻头工作面上喷涂一层耐磨材料。

PDC钻头工作面的几何形状其对钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部荷载的分布都有明显的影响。

钻头工作面性状有五个基本要素，包括顶部、内锥、肩部、侧面与保径。

2 PDC钻头的工作原理PDC钻头实际上就是微型切削片刮刀钻头，所以PDC 钻头的工作原理基本与刮刀钻头的基本相同，在软至中硬的地层中钻头通过剪切方式将岩石破碎，在较小的钻压下就能够完成高机械钻速。

由于聚晶金刚石层极薄（1mm）左右、极硬，且比碳化钨衬底的耐磨性高100倍以上，因此在切削岩石过程中刃口能保持自锐。

3 PDC钻头的特点PDC钻头特点主要有以下几个方面：即没有活动的零件，切削钻用能力强，钻头有较长的使用寿命，和比其它类型钻头相比较其机械钻速和抗冲击性更高，最适合于井下动力钻井。

获得极高的机械钻速，与牙轮钻头相比，PDC钻头本身没有活动件，可防止掉牙轮等井下事故与复杂情况的发生。

4 PDC钻头适用性PDC钻头主要在软至中硬地层中比较适用，地层有适度的研磨性，PDC钻头在砾石、燧石及大段不均质地层中应该避免使用。

同时根据地层的具体情况要选择合适的PDC钻头，当遇到硬且脆的地层则要选择布齿密度大、切削齿初刃小的钻头类型；遇到软土地层则需要选择布局密度小、切削齿初刃大的钻头，增加钻头的吃入深度以及有助于井底清洗，防止钻头泥包。

2000 1500 1000
500 0
-500 0
胎体钻头
钢体钻头
PDC钻头的结构
PDC 钻 头 主 要由钻头体、切 削齿、喷嘴、保 径面和接头等组 成。
PDC钻头的保径结构
主动保径 (保径齿) 被动保径 (保径块)
PDC钻头的冠部剖面形状
PDC钻头冠部剖面的几何形状影响钻头的稳定性、 井底清洗、钻头磨损、钻头各部位载荷分布。钻头冠部 剖面形状一般包括内锥、鼻部、侧面、肩部及保径五个 基本部位。常见的形状如下图。
PDC复合片磨损机理
1.复合片磨损速度与岩石的岩性关系密切。 岩石抗压强度增加,岩石中石英含量及粒度 增大,复合片的磨损速度随之增大。 2.磨损速度与切削正压力的α次方成正比。 随正压力增加,破岩速度增大,同时磨损速度 也增大。正压力指数α值为0.93～1.62。 3.复合片磨损速度与切削线速度的β次方成 正比。切削线速线增加,磨损速度加快。切 削线速度指数β值为0.98～1.29。
PDC钻头轮廓结构
双锥轮廓钻头具有尖的鼻部和深 的内锥,适合于中到高密度布齿,适用于 钻进中到中硬地层。适合钻进多夹层 地层的钻头冠部轮廓形状,浅锥、双圆 弧冠部轮廓,外锥长度适中。这种双圆 弧形轮廓剖面具有的特点：一是使得 钻头表面尽可能有效地布置切削齿； 二是使钻头从鼻部切削齿到保径切削 齿能够圆滑地过渡。
人造聚晶金刚石复合片它由两层组成,一 层是聚晶金刚石切削层(一种人造超硬材料); 另一层是硬质合金(碳化钨)衬底层。PDC钻 头是用聚晶金刚石复合片镶嵌于钻头钢体(或 焊于钻头胎体)而制成的一种切削型钻头,它以 聚晶金刚石复合片作为切削刃,以负刃前角剪 切方式破碎岩石。
PDC钻头的发展
20世纪的后半个世纪，钻探工业的 发展与金刚石钻头的发展密切相关。60 年代初，人造金刚石的应用大大推动了 金刚石钻探技术的发展，使钻探成本大 幅度降低，70年代，PDC钻头的兴起大 大提高了钻进效率，并在软-中硬地层中 得到广泛应用，随后热稳定PDC钻头的 发展，使之硬地层中的应用成为可能，

目录硕士学位论文独创性声明 (I)硕士学位论文版权使用授权书 (I)摘要 .......................................................................................................................... I I ABSTRACT (III)第1章绪论 (6)1.1选题来源、目的和意义 (6)1.2国内外研究现状 (7)1.2.1PDC钻头破岩机理研究 (7)1.2.2PDC钻头设计理论研究 (8)1.2.3PDC钻头设计方法研究 (12)1.3论文的研究内容 (15)第2章PDC钻头个性化设计理论 (16)2.1冠部形状设计研究 (16)2.2切削齿布齿设计 (25)2.2.1刀翼设计 (25)2.2.2切削齿基本参数 (27)2.2.3局部强化布齿理论 (30)第3章基于个性化设计理论的钻头设计方法 (32)3.1冠部形状参数确定 (32)3.2布齿设计方法 (33)3.2.1切削齿参数设计 (33)3.2.2径向布齿设计 (36)3.2.3周向布齿设计 (41)3.3切削齿出露高度及刀翼轮廓设计 (44)3.3.1切削齿出露量对钻头性能的影响 (44)3.3.2刀翼轮廓设计计算方法 (44)3.4侧向受力计算模型 (47)第4章PDC钻头个性化设计软件编制 (51)4.1软件运行环境及设计特点 (51)4.2软件介绍 (52)4.3软件设计实例 (59)第5章结论及展望 (64)参考文献 (65)致谢 (67)第1章绪论1.1选题来源、目的和意义随着金刚石复合材料的发展，PDC钻头问世并兴起，直到今天设计理论和技术仍在不断完善。

1978年L.E.HIBBS指出，无论新钻头采用何种形式，其设计都需要从一些基本的准则入手，并指出钻头布齿设计在理论上应当遵循等切削、等磨损和等功率三个原则[1]。

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。

异形pdc齿切削破岩提速机理研究
异形PC齿是一种具有独特齿形结构的刀具,主要用于矿山、建筑材料、航空航天等领域。

由于其具有较高的硬度、韧性和耐磨性,因此在破岩提速方面具有重要意义。

下面对异形PC齿切削破岩提速机理进行深入研究。

1. 破岩提速机理
破岩提速是指在矿山或建筑工程中,通过使用刀具切削或打磨等手段,加速岩石的破裂和分离,以达到提升生产效率和降低成本的目的。

破岩提速的关键在于提高刀具的切入能力和刀具表面的光洁度。

异形PC齿刀具的切削能力主要取决于其设计和材料质量。

通过优化刀具的齿形和结构,可以提高刀具的切入能力,使刀具能够更有
效地穿透岩石。

此外,通过提高刀具的硬度和韧性,可以提高刀具的耐用性,减少刀具的磨损和断裂,从而延长刀具的使用寿命。

2. 破岩提速影响因素
异形PC齿切削破岩提速的影响因素包括以下几个方面:
(1)刀具材料:刀具材料的硬度、韧性和耐磨性等因素都会影响刀具的切削能力和耐用性。

(2)刀具设计:刀具的齿形、角度和长度等因素都会影响刀具的切入能力和切削效果。

(3)切削温度和压力:切削温度和压力等因素都会影响刀具的磨
损和断裂,进而影响破岩提速效果。

(4)岩体性质:岩体的性质(如硬度、韧性、含水量等)也会影响破
岩提速效果。

3. 结论
异形PC齿刀具在破岩提速方面具有重要作用。

通过优化刀具的齿形和结构,提高刀具的切入能力,以及控制切削温度和压力等因素,可以提高刀具的破岩提速效果,从而提高生产效率和降低成本。

技术创新
推动PDC钻头技术的创新发展，研究新的制备方 法和加工技术，提高生产效率和质量。
3
人才培养
加强专业人才的培养和引进，建立完善的人才激 励机制，为PDC钻头技术的持续发展提供人才保 障。
THANKS
感谢观看
详细描述
PDC钻头的安装步骤包括检查钻头、选择合适的钻头、涂抹润滑剂、逐渐紧固 等步骤。在拆卸时，需要使用合适的拆卸工具，并按照正确的拆卸顺序进行。
PDC钻头的操作规程
总结词
PDC钻头的操作规程是确保使用安全和提高使用效果的关键，需要遵循一定的步 骤和注意事项。
详细描述
PDC钻头的操作规程包括选择合适的转速和进给速度、检查冷却液是否充足、避 免过度负载等步骤。在使用过程中，需要密切关注钻头的运行状态，及时调整参 数或采取必要的措施。
钻头跳动的问题及解决方案
总结词
PDC钻头在工作中如果出现跳动，会导 致钻进不平稳，影响工作效率和钻头寿 命。
VS
详细描述
PDC钻头跳动的原因可能是由于钻头与岩 石的摩擦力不平衡，或者由于钻进参数选 择不当。为了解决这个问题，可以采取以 下措施：1）调整钻进参数，如降低转速 或增加压力；2）检查钻头的安装是否正 确，如刀片是否安装平整、紧固件是否拧 紧等；3）选用具有优良稳定性的PDC钻 头材料和结构设计。
热效应
PDC钻头的刀头在旋转过 程中，产生高温，通过热 效应影响岩石或其他硬材 料的破碎。
03
CATALOGUE
PDC钻头的分类与选择
PDC钻头的分类方法
根据用途分类 石油钻井用PDC钻头
地质勘探用PDC钻头
PDC钻头的分类方法
水井用PDC钻头 工程用PDC钻头
根据结构分类

1 PDC钻头的结构切削齿、水力系统、排屑槽和保径齿组成。

它有两种基本的类型:钢体钻头和胎体钻头。

钢体钻头完全由机械加工而成，首先将整块合金钢毛坯经机加工成钻头体，再将切削件焊在连接柱上，最后将连接柱压入事先在钻头上钻的孔中(孔不钻透)，其加工质量容易保证。

胎体钻头与金刚石钻头制造方法相似，钻头体采用铸造碳化钨粉、碳化钨粉和浸渍料烧结而成，PDC切削件通常带有一伸长衬底焊到钻头上，其具有最好的保径能力，有较强的抗侵蚀能力，没有连接柱，因而不会出现连接柱断裂的现象，但制造工艺复杂些，加工不易控制。

PDC钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿按照一定的方式布置在钻头体表面上，切削齿的安装方位角度也不尽相同，切削齿有复合片式和齿柱式两种结构。

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成的，它一般用于胎体钻头;齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿孔内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。

2 PDC钻头的破岩机理PDC钻头的具体破岩方式主要取决于钻头的切削结构及所钻地层的硬度和岩性，主要分为四种:2.1 剪切。

当PDC钻头在软到中等硬度地层钻进时，复合片切削齿在钻压和扭矩的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，切削所产生的岩屑呈大块片状。

这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似。

2.2 预破碎。

PDC钻头的“尖/圆”齿交替布置切削结构所特有的岩石破碎方式，主要作用于以纯剪切方式不容易钻进的地层，如中等、中硬和硬地层及带有硬夹层的地层等。

预破碎过程是通过开槽切削来完成的，具有这种切削结构的钻头在钻进过程中，尖形切削齿因与地层接触面积小受力集中而先行吃入地层，岩石在接触应力作用下产生破碎裂纹，随着钻头的不断旋转，尖形齿在岩石中切出一条条小小的螺旋状“卸荷”槽，紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削强度已大大减弱的大块岩石，达到快速钻进的目的。

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。

为明显高阻段。

沙一下、沙二上界面划分：以盐膏层结束见暗紫红色泥岩为
进沙二上地层，沙二上地层岩性以暗紫红泥岩、灰色含膏泥岩
不等厚互层，偶见粉砂岩。

沙二上、沙二下划分原则：通常以见砂岩进入沙二下，沙二
下砂体发育为主力油气层段，视电阻率曲线呈“指状”跳跃，
幅度中等。沙二段在全区具二分性，沙二下在全区均以粉砂岩
沙二下、沙三上地层界面划分原则：通常 以见灰色岩性为进入沙三上地层，但应注意沙 二下8砂组底见灰色地层，其底界厚层砂层结束 ，为沙二下底地层界面。沙三上砂组顶部有 20m厚泥岩段。
沙三上4砂厚约25m的泥岩段，俗称“泥脖 子”为本区标志层，沙三上5砂组以下见页岩或 油页岩，沙三上6-9砂组为主力油气层段，其中 沙三上8-9砂组为厚层砂层。
表1
三、岩性识别方法研究
1、直观（望、闻、切）鉴定法
大段摊开，宏观细挑，远看颜色，近看岩性，干湿结合， 挑分岩性，分层定名，按层描述，同样适用PDC钻头条件下 的岩屑描述。
通过本法可初步判断其岩性，并描述定名。
1.1、直观鉴定法——望
远看颜色，观察岩屑色调新鲜度，其形状呈棱角状或片 状，通常是新钻开地层岩屑，一般来讲，砂岩颜色浅，泥岩 颜色深。近看岩屑砂泥混杂，难以区分，远观的结果就不一 样，新成份的出现及同类岩屑含量的变化，从岩屑的颜色能 反映出来，因而可以从颜色上进行卡层。近看岩样必须注意 观察新成份的出现，对一些深层，有时仅出现数颗新成份岩 屑，也表明进入新地层。
当大斜度、大位移定向井砂样中存在包包都有荧光现象 的。此时可采取“多包同照荧光”来解决，在相邻2-3包岩屑 中各取近似等量的一份洗净，同时放在荧光灯下观察，比较 各自的荧光含量、发光、颜色等，如荧光发光颜色与上部井 段有明显区别，应确定新显示层，发光岩屑百分比含量变化 可判断是否为井内滞后岩屑，荧光分布状况不同则标志不同 含油气产状岩层。

第4卷第2期2006年6月石油工程技术PETROLEUM%ENGINEERING%&%TECHNOLOGYVol.4,No.2June 2006图1微型PDC 钻头示意图20°13.3mm ×4.5mmPDC 复合片压板内六角螺钉钻头体4荨荩收稿日期：2006-03-17改回日期：2006-05-29作者简介：李祖奎（1949—），男，1977年毕业于华东石油学院开发系钻井工程专业，高级工程师，国际岩石力学与工程学会（ISRM ）中国小组成员。

联系电话：（0546）8558725，通讯地址：山东省东营市北一路827号钻井工艺研究院钻井所。

李祖奎耿应春唐洪林（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017）在简要介绍国内研发的PDC 钻头测定方法与分级标准的基础上，分析了PDC 钻头钻进特性的室内实验情况，论述了数据处理分析过程及其获取的定性定量结论，提出了钻头切削齿有效吃入岩石、地层岩性与切削齿相融、钻进技术参数互补的PDC 钻头选择与使用方法。

PDC 钻头可钻性测定方法微实验机理研究选择和使用方法PDC 钻头在钻压和扭矩的作用下，以人造聚晶金刚石复合片吃入地层并充分利用其极硬、耐磨、自锐等特点犁削、剪切地层和破碎岩石。

PDC 钻头无活动部件，在低钻压、高转速条件下可获得较高的钻速和进尺，因而现场应用广泛。

对于硬度小的塑性岩石，在钻压的作用下，切削齿极易吃入地层，在扭矩的作用下，刀刃前方的岩石产生塑性流动，使岩石出现切削破碎；对于硬度较大的塑脆性岩石，在钻压和扭矩的同时作用下，PDC 钻头切削齿切入岩石，使岩石产生剪切破碎[1]。

所以，PDC 钻头的破岩方式不仅取决于钻头冠部轮廓形状、切削结构、切削齿材质、布齿密度/方式与方法等设计因素，而且受控于钻头与所钻地层及其岩性的匹配性。

国内外钻井工程界不仅致力于钻头结构、水力结构、切削齿材质/布置方式、制造工艺等方面的研发与技术创新，还十分重视PDC 钻头特性的室内实验研究。

《钻井与完井工程》
本节主要内容
一、钻头的类型
牙轮钻头
全面钻进钻头
本节主要内容
二、刮刀钻头
优缺点和适用条件
刮刀钻头适用于松软一软的地层
本节主要内容
1.牙轮钻头的基本结构
2.牙轮钻头的破岩机理
2.牙轮钻头的破岩机理
单、双齿交替着地引起纵向振动
本节主要内容
四、金刚石钻头
1.金刚石钻头的类型
PDC钻头TSP钻头
天然金刚石钻头
喷嘴钻头体
2.PDC 钻头的基本结构钢体PDC 钻头胎体PDC 钻头
四、金刚石钻头
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四、金刚石钻头
3.PDC钻头的破岩机理
4.PDC钻头的正确使用
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按金刚石来源可分为天然金刚石钻头和人造金刚石钻头
分类：
按功用可分为取心钻头和全面钻进钻头； 按镶嵌方式可分为表镶和孕镶两类； 按钻井方式则可分为转盘钻井和涡轮钻井用两类。
一、金刚石钻头
1、金刚石钻头的结构
钢体 胎体 切削刃 水眼与水槽
(1) 钢体
钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与胎体烧结在一起。刚体有一体式的，也有由 两部分构成的，即上部为合金钢车有螺纹，下部为低碳钢连接胎体。钢体上下两部分 以螺纹连接在一起然后焊死。
金刚石钻头的切削刃根据金刚石颗粒镶装在胎体上的形式有表镶式、孕镶式 和表孕镶式三种。
把金刚石颗粒只镶在胎体表面上层。 表镶式 颗粒大小：0.5~1.5粒/克拉，出刃高度：1/3~1/4，棱角不宜尖锐， 以免钻进中崩裂。 把金刚石颗粒均匀分布在钻头工作面胎体金属层的一定厚度层 内，随胎体磨损，金刚石颗粒不断露出而不断磨削岩石，并不 断自锐，不断磨损，直到金刚石磨完为止。 颗粒粒度：20~200粒/克拉，棱角越大越好，孕镶层厚度： 2~12mm。 表孕镶式 是在表镶式钻头工作面上薄弱部分的胎体内，孕镶一层金刚石。 破碎效果好，寿命长。
冠部载荷分布均匀，无明显载荷过渡区，载荷不致过分集中。这种冠部 外形可使钻头及规径部位布更多的切削齿。
抛物线形
特点：具有良好的寿命；要求较高的流量和水力能量来实现清洗和冷却， 钻头的鼻部在钻夹层时易受损坏。 适用范围：高速井下动力钻进。
（2） 钻头切削齿
聚晶金刚石复合片是经过特殊工艺将金刚石微粒粘 结在一起形成的复合材料。复合片上部为聚晶金刚石薄 层，其厚度为0.500~0.635mm，是切削齿锋利的刃口，硬 度及耐磨性极高，当抗冲击性较差。复合片下部为碳化 钨基片，聚晶金刚石片与碳化钨基片之间的有机结合， 使得PDC齿既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨 的结构强度的抗冲击能力。 PDC齿具有良好的自锐性，聚晶金刚石晶粒在切削岩石的过程中不断脱 落，使刃面的晶粒更新自锐。此外，碳化钨基片先磨损，形成锋利的刃口， 同时具有良好的抗冲击性能,为金刚石提供良好的弹性依托。

PDC钻头又称聚金刚石复合片钻头，金刚石复合片，是在高温，高压下由人造金刚石与硬质合金一次性合成的超硬材料，它不但具有金刚石所具备的强度高，耐磨等优点，同时还具备了硬质合金所具备的抗冲击性强，出刃大等特点。

用PDC钻头作为钻头的切削可大大提高钻头的工作效率，是钻进中硬岩层的理想钻头。

一 PDC钻头的特点PDC（复合片）中的金刚石层有极高的耐磨性，硬质合金层有较高的抗冲击性，并且金刚石层能始终保持锐利的切削刃。

切削刃以负前角的位置切削岩石，不仅能提高复合片的工作刚度，延长其使用寿命，提高切削速度，而且还可以减少或避免岩屑挤压在钻头体与岩石之间。

负前角的大小依据地层而定，对于可钻性好，钻头寿命和时效都好的地层，负前角为0°～-5°，对于大部分的沉积岩，一般负前角为-10°～-20°时钻头性能最好，在实际应用中，负前角一般采用为-15°。

二 PDC钻头的使用分析1 ￠311.1mm M1985型阿尔及利亚438B区块的HEB-A-2井使用该型钻头钻进。

￠339.7mm套管下深888m,在用铣齿钻头扫完套管附件后，￠311.1mm M1985型钻头无划眼顺利下入井底，入井深度893m,采用双稳定器钟摆钻具组合，增加了下部钻柱的弯曲刚度及防粘卡能力，并减小了钻头的倾斜和震动，使钻头工作平稳，避免了部分切削刃过载而引起早期不正常磨损，保证了钻头面上钻井液的均匀流动，使切削刃充分冷却。

￠311.1mm 钻头所钻井段上部为成岩性差，可钻性好的粉砂岩，泥岩，砂质泥岩，采用轻压慢转造型后，修正牙轮钻头形成的井底模型，使井底逐渐形成与PDC 钻头冠型一致的形状，以利于正常参数钻井时各PDC切削齿受力均匀，转入正常钻进，钻井参数为：钻压60kN,转速120r/min,排量42L/s,泵压15Mpa,钻头工作平稳，纯钻时间43.00h,进尺693m,平均转速16.11m/h. 井深1500m进入barremian地层，岩性以硬质灰岩，白云岩为主，中等硬度，可钻性较差，是438B 区块最难钻的层位，因此提高钻压到80KN，并注意保持充分的水冷却，纯钻时间79.86h,进尺315m,平均转速3.94m/h.由于机械转速变慢，起钻换另一￠311.1mm M1985钻头，所钻地层为泥岩，灰岩互层，钻井参数为：钻压8-10KN，转速100-140rpm,排量50L/s,泵压18Mpa,纯钻时间98.5h,进尺695m,机械转速7.05m/h,钻达三开设计完钻井深2595后，起钻发现，钻头长刀翼上心部的九颗切削齿磨损轻微，而冠部，肩部，保径及后排切削齿磨损严重，有部分切削齿断裂，但不掉齿，钻头直径磨损1mm,喷嘴无冲蚀，无损坏。

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。