PDC钻头设计技术研究.ppt(西安)

PDC钻头设计作者：贾维江来源：《中国科技博览》2014年第01期摘要：PDC钻头的设计包括冠部形状设计、布齿设计和水力结构设计，文中结合胜利油田的地层特点，将理论设计与实践相结合，进行了PDC钻头设计。

关键词：PDC钻头；冠部形状设计；布齿设计；水利结构设计中图分类号：TV5针对胜利油田的砂岩地层，在总结前人经验的基础上，结合PDC钻头计理论及计算机技术，设计PDC钻头。

一般情况下，PDC钻头对砂岩具有良好的可钻性。

1 冠部形状设计钻头冠部形状设计模式很多，包括三段式组合（模式A直线-圆弧-直线和模式B直线-圆弧-抛物线）及两段式组合（模式C直线-圆弧和模式D直线-抛物线）。

根据冠部形状设计理论，并结合砂岩地层的特点，选用 215.9 的PDC钻头，钻头冠部采用直线-圆弧曲线设计。

根据设计要求，本次设计中采用浅内锥；针对胜利油田砂岩地层的特点，采用等切削原则进行冠部轮廓设计，在冠部轮廓理论曲线方程进行拟合的基础上，结合钻头设计经验和使用钻头类比，确定出适合钻进砂岩地层的钻头冠部轮廓形状：浅锥、直线—圆弧冠部轮廓，外锥长度适中。

这种直线—圆弧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。

2 布齿设计（1）切削齿的大小。

钻头设计时既要考虑获得较高的机械钻速，又要考虑延长钻头的使用寿命，这2个指标都与切削齿的大小和密度有关。

选择直径为19.05 的PDC复合片作为主切削元件。

（2）切削角度。

根据所钻地层的软硬程度和岩性特点以及PDC复合片的破岩特点，随着地层硬度的由低到高，切削齿的切削角度逐渐由小到大，但一般控制在10°～30°之间。

而切削齿的侧转角度则随着钻头切削刀翼的不同而不同。

直切削刀翼上切削齿的侧转角一般取5°～15°，而螺旋切削刀翼上切削齿的侧转角则随着螺旋线变化。

切削角取20°，侧转角取5°。

第26卷第3期2003年6月 勘探地球物理进展Progress in Exploration G eophysicsV ol.26,N o.3Jun.,2003文章编号:167128585(2003)0320225203PDC钻头布齿设计技术刘建风(成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都610059)摘要:合理的布齿是保证PD C钻头具有优良工作性能的关键。

目前常用的PD C钻头布齿设计方法是图解调整法,该方法速度慢,设计工作烦琐,工作量大,效率低,欠灵活,而且有时会出现不必要的误差。

讨论了PD C钻头布齿设计的特点,按切削原则设计了钻头冠部形状,并选择了合理的切削结构,为PD C钻头布齿计算机辅助设计软件提供了理论支撑。

关键词:PD C钻头;布齿;结构设计中图分类号:P63414 文献标识码:AComputer2aided placement of tooth for PDC bitLiu Jianfeng(C ollege of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of T echnology,Chengdu610059,China)Abstract:Proper placement of tooth is the key to ensure the performance of PDC bit.The comm only used method for placement of tooth for PDC bit is to draw and adjust the scheme.It is boring and inefficient,s ometimes even leads to errors.This paper discusses the principle and the way to place teeth for PDC bit,which provide a theoretical ground for placement of tooth for PDC bit by the C omputer2aided design.K ey w ords:PDC bit;tooth placement;structural design PDC钻头(P olycrystalline Diam ond C om pact Bit)用人造聚晶金刚石复合片作为切削元件以切削方式破碎岩石。

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。

定向井用PDC钻头研究摘要定向井技术是提高石油勘探开发效率有效的技术之一，而PDC钻头以其自身的性能优势，在定向井钻井中发挥越来越重要的作用。

随着定向井PDC 钻头的不断发展与应用，在提高定向井钻井的效率和质量方面作用明显。

但是PDC钻头在定向井钻井过程中，方位的偏移严重，为了提高钻井的质量，需要提高定向井PDC钻头钻进趋势的研究，通过对影响定向井PDC钻头钻井的影响研究，提高定向井钻井的效率。

文章研究了定向井PDC钻头与地层的作用模型，分析影响PDC钻头钻井趋势的影响因素，提高了定向井钻井的速度和质量。

关键词定向井；PDC钻头；因素；模型；钻井随着定向井理论与方法的发展，对于定向井的工具提出了更高的要求，PDC 钻头通过不断的改进和完善，在定向井钻井中发挥着重要的作用。

由于定向井钻井在地表之下，井下地层条件复杂，定向井对于钻井的质量要求较高，因此需要进行定向井专用工具的优化改进，保证定向井钻井的质量和速度。

井下PDC钻头的结构和参数是否合适，直接影响到定向井钻井的准确性和速度，因此需要开展定向井用PDC钻头的研究，提高定向井PDC钻头的效率和寿命。

1定向井PDC钻头和地层相互作用的模型分析影响到定向井PDC钻头与地层相互作用的影响因素较多，为了能够表示地层岩石的定量参数，首先要对地层岩石的参数进行定量分析，地层各向异性参数就是地层岩石主要参数之一，由于地层岩石特殊的形成原因，地层岩石的强度和硬度在地层的各个方向上，具有不同数值，所以石油钻井钻遇的地层一般都会各个方向上存在区别，这就指的是地层的各向异性。

在沉积岩地层中由于沉积条件的不同，一般会存着各向异性。

在石油钻井过程中，钻遇较多的就是沉积岩地层。

由于地层各向异性现象的存在，导致了定向井钻井过程中，容易产生井下钻头偏离预定轨迹的现象，影响了定向井钻井的质量和效率。

在PDC钻头钻进过程中，不但会存在钻头轴向钻进的趋势，同时也会存在着钻头侧向钻进的趋势，PDC 钻头这种在轴向和侧向上钻井趋势的不同，就是PDC钻头的轴侧方向钻进的不同性能。

PDC钻头设计与优选技术PDC钻头的设计包括刀体结构设计和PCD片设计两个方面。

刀体结构设计是指设计钻头的外形和内部通道结构，以适应不同的钻井条件和作业需求。

常见的刀体结构包括梯形刀体结构、平底刀体结构和球形刀体结构等。

梯形刀体结构适用于软、中等硬度的岩石，平底刀体结构适用于硬岩和石英等非均质岩石，而球形刀体结构适用于软岩、泥质岩石等易堵塞的地层。

此外，刀体结构还需要考虑通道设计，以确保冷却液和岩屑能够顺利地通过钻头。

PCD片设计是指设计金刚石颗粒的形状、分布和固化方式，以获得更好的切削性能和使用寿命。

常见的PCD片形状包括圆形、矩形和三角形等。

圆形PCD片适用于软岩和泥质岩石，矩形PCD片适用于中等硬度的岩石，而三角形PCD片适用于硬岩和石英等非均质岩石。

此外，PCD片的分布也需要考虑，通常采用均匀分布或者密集分布的方式，以提高整体的切削效果和使用寿命。

固化方式决定了PCD片与刀体之间的结合强度，一般采用高温高压、高温低压和超高压等方式，确保PCD片能够牢固地固定在刀体上。

PDC钻头的优选技术主要是根据不同的地质条件和作业需求来选择最合适的钻头参数。

一般来说，硬度大、磨损大的地层适合选用具有较多PCD片且PDC钻头刃磨度较强的钻头；而软、破碎易塌方的地层则适合选用刃磨度较低的钻头。

此外，还需要考虑钻头的速度和压力等参数，不同的地层压力和速度对切削效果和钻井效率都有影响。

因此，根据具体的地质条件和作业需求，通过试验和模拟分析等方法来选择最合适的钻头参数，可以提高钻井效率和降低成本。

总之，PDC钻头的设计和优选技术是提高钻井效率和保证钻孔质量的关键。

通过合理的刀体结构设计和PCD片设计，可以获取更好的切削性能和使用寿命。

根据不同的地质条件和作业需求来选择最合适的钻头参数，可以提高钻井效率和降低成本。

随着石油工程和地质勘探等行业的不断发展，PDC钻头的设计和优选技术也将不断完善和创新。

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形成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿空内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。

复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。

复合片一般为圆片状，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一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，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出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钻头模具三维设计和数控加工技术研究与应用摘要本文对PDC钻头模具三维设计和数控加工一体化技术的方法、步骤和相关工艺技术进行了研究。

解决了PDC钻头模具辅助设计二维数据的三维转化问题，提出了模具三维造型和参数化开发的方法，并应用CAD／CAM系统软件PRO／E建立了PDC钻头模具三维模型，应用PRO／PROGRAM(程序)开发模块进行PDC钻头模具造型的参数化开发，并编制了相应的参数化开发软件，提高了PDC钻头模具造型速度和准确性。

在建立PDC钻头模具三维造型的基础上，确定了模具数控加工工艺，摸索出一套利用PRO／E软件进行PDC钻头模具计算机辅助制造的方法和步骤，实现了PDC钻头模具一次装卡、一次成形的高精度自动化数控加工技术。

关键词 PDC钻头模具三维设计数控加工技术 CAD／CAM 聚晶金刚石复合片钻头(简称PDC钻头)由钻头体、接头组成，根据钻头体按材料的不同分为胎体PDC钻头和钢体PDC钻头。

胎体PDC钻头的钻头体是采用铸造碳化钨粉和浸渍料经无压浸渍烧结而成的。

钻头体形状是通过模具的形状而间接实现的。

模具由底模、中模和上模三部分组成。

模具的中模和上模的设计与加工都很容易实现。

但底模是具有复杂曲面特征的实体，PDC钻头的冠部形状参数、切削齿位置和方向参数、水力结构参数等都是通过底模的形状来实现的。

因此底模的设计和加工是模具设计和加工中最重要的一部分，其设计的好坏和加工的精度都直接关系到钻头的最终使用效果。

高质量的模具是保证PDC钻头质量的关键因素之一。

目前国内PDC钻头模具的形成主要有三种方法。

第一种(应用最多的，如图1所示)是利用普通车床车削形成钻头冠部形状，依靠分度头手工划线定位、普通万能铣床铣削完成切削齿和水眼的加工，再通过手工修模完成水力结构的造型等多道工序完成的。

这种加工方法的缺点是工人劳动强度大、加工精度低、人为误差大，难以控制和保证质量，很难达到设计的要求。

第二种是数控加工，利用数控机床加工形成钻头的冠部形状和切削齿的定位，然后再通过手工修模或者粘上相应形状成形的水力结构(粘上以后也要进行一定的手工修理)而最后形成模具的。

PDC钻头使用类型PDC（聚晶钻头）钻头是近年来石油钻探领域中广泛使用的一种钻井工具。

它以高硬度、高韧性和抗磨损性能而著称，具有很高的钻进速度和良好的钻井性能，被广泛用于各类岩石的钻井作业。

根据不同的使用场景和岩石性质，PDC钻头可以分为几种不同的类型。

1.全面固结PDC钻头（Matrix PDC Bits）:这种钻头主要由聚晶齿和基体（又称为矩阵）组成，聚晶齿通过高温高压的工艺固结在基体上。

聚晶齿具有异常高的硬度和韧性，可以很好地抵抗地层的磨损和破碎，而基体则提供了一定的强度和稳定性。

全面固结PDC钻头适用于一般的钻井环境和弱-中硬度的岩石。

2.增韧型PDC钻头（Toughened PDC Bits）:增韧型PDC钻头采用类似金属的材料作为基体，可提供更高的强度和韧性。

增韧型PDC钻头的聚晶齿比全面固结型更细小，能在基体上形成更强的支撑结构，从而提高了钻头的抗磨损和抗冲击性能。

增韧型PDC钻头适用于中硬-高硬度的岩石，如石英岩、玄武岩等。

3.钢体PDC钻头（Steel Body PDC Bits）:钢体PDC钻头采用整体钢体结构，包括钢体本身和装配在其上的聚晶齿。

与前两种钻头相比，钢体PDC钻头更适用于特殊的钻井环境，如高温高压的深层井口、酸性环境等。

钢体PDC钻头的钻具设计更为复杂，需要更高的技术难度和成本，但由于其良好的耐压性和抗腐蚀性能，使其成为一些特殊作业的首选。

4.侧喷PDC钻头（Jet Deflection PDC Bits）:侧喷PDC钻头在钻井过程中注入高速射流，把钻井液喷出来，通过液体的冲刷和冲击来清除井底碎屑，防止碎屑卡钻。

这种钻头适用于易卡钻的地层，如软-中硬的沉积岩。

5.方形PDC钻头（Square PDC Bits）:方形PDC钻头的切削齿排列为方形，相比于传统的圆形排列，能够提供更多的侧切削面积，有利于提高钻井效率和采取更大的传动力。

方形PDC钻头适用于中-高硬度的岩石。