pdc钻头破岩规律分析
PDC钻头复合片磨损规律研究
PDC钻头复合片磨损规律研究 刘杰樊冀安 摘要：在理论分析的基础上，建立了一种简便实用的复合片磨损实验方法，即采用了复合片在车床上磨损方式模拟PDC钻头切削齿切削岩石的方法进行了大量的实验研究。研究分析了复合片齿的体积磨损速度与切削正压力、切削线速度、磨损弦长及岩性间的关系，并由实验结果得出了复合片磨损速度模式。 主题词：聚晶金刚石复合片钻头切削钻头磨损速度岩样 数学模型实验室试验 中图分类号：TE821.1 文献标识码：A 文章编号：1001-0890(1999)01-0037-03 Study on PDC Cutters Wearing Mechanism Liu Jie，Fan Ji'an (Drilling Research Department, Petroleum Exploration & Production Research Institute,Beijing 100083,China) Abstract：A simple and effective wearing experimentation method that lets PDC cut rock in a lathe so as to simulate PDC bit working behavior bottomhole,is established based on theoretic analyses. The relations between PDC bit volumetric wearing speed and cutting force, cutting linear velocity, wearing subtebse length, lithology are investigated, and therefore a wearing speed model is put forward based on experimental results. Keys：polycrystalline diamond compact cutter,cutting,bit wear,mathematical model,lab testing 引言 PDC钻头复合片（Polycrystalline Diamond Compact）是聚晶金刚石钻头复合片的简称，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钻头的问世是80年代石油工业方面的一项突出成就，它为石油钻井工程带来了一场新的技术革命。国内外许多钻井专家和学者对如何提高PDC钻头破碎岩石的效率和改进PDC钻头的性能进行了多方面的研究，而对于切削齿磨损的研究则较少。因此，有必要建立一套实验方法对复合片切削齿进行分析研究，使其更接近于实际情况，具有更大的使用价值。试验研究表明，在实验室内模拟PDC钻头工作方式，可以得出与PDC钻头复合片实际磨损相符的结论，从而为PDC钻头的合理设计和
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。另外PDC钻头应避免在高硬度，高研磨性的地层中高转速钻进，以免造成局部摩擦温度过高。 §2.1 PDC钻头及钻进主要影响因素 §2.1.1 PDC钻头结构介绍 聚晶金刚石复合片分柱式和片式两种，常用的形状有圆形、尖形及半圆形等。通常以柱式方式镶嵌在胎体上。 1. 切削齿的布置 切削齿的布置与所钻地层及钻头类型有关，它将影响到钻头的机械钻速、总进尺和磨损。切削齿布置越多，磨损越慢，钻头寿命越长，但机械钻进速度越低。切削齿的布置应使每个切削齿的切削力、所切削的岩石量、载荷、扭矩、磨损以及水力清洗等都相同，所以有等切削、等功率、等磨损设计要求。 2. 切削齿出刃与胎体
江钻新型复合破岩PDC钻头在川中高磨区块的应用
江钻新型复合破岩PDC钻头在川中高磨区块的应用 中石化江钻石油机械有限公司湖北省武汉市 430223 前言 川中高磨区块，是中国石油集团公司天然气增储上产的重点勘探开发区，近年来年均钻 井40口、钻井总进尺在20万米以上。随着PDC钻头技术的发展和全面推广应用，在钻井开 发效率和经济性方面取得了较大的进步，但在下部海相地层钻遇二叠系龙潭组的铝土质泥岩，及寒武系筇竹寺组的泥岩、泥质粉砂岩等，地层坚硬、致密，加上井深和使用高密度泥浆的 压实作用，地层具有较强的硬塑性，使用常规PDC进尺少、机械钻速低，频繁起下钻增加钻 井周期。 一、复合破岩PDC钻头破岩机理介绍 采用特殊的“尖/圆”齿交替布置的复合破岩切削结构，尖齿先与地层接触，在岩石中切出 一条条较小的环状“卸荷槽”，使地层应力预先释放而其强度大大减弱，从而使得圆形切削齿 能充分吃入地层形成体积破碎，大大提高了切削效率。 二、复合破岩PDC钻头应用介绍 1、黄202井311.2mmKS1652DGRX复合破岩钻头使用情况 该井进入龙潭组后，连续使用了1只川石311.2mmGP1646D、1只川克311.2mmCKH506 和1只格瑞特311.2mmGM1605T，3只PDC钻头累计进尺20.09m、平均机速 0.4m/h。平均 钻时均较高，分别为95.27min、177.5 min和188.9 min，试验了1只311.2mmKPM1633DST 混合钻头，平均钻时120.9min，相比前3只PDC，虽然平均进尺提高18.1%，平均机速提高17.5%，但平均机速仍然较低，使用与对比情况如表1。 随后，试验了1只311.2mmKS1652DGRX新型复合破岩PDC钻头，该钻头在龙潭组钻遇 地层岩性变化频繁，平均机速2.5，钻遇灰黑色页岩、吕土质泥岩钻时50-90 min，碳质页岩、煤层钻时5-20 min。在茅口组进尺77m，钻至至2984钻时由34上升至40－46 min，最后 4m钻时持续升高（钻时59、73、93、98 min），分析钻头切削齿磨损，决定起钻。其中在 龙潭组进尺78.32m、平均钻时21.9min，平均机速0.95m/h，其中钻遇18m灰黑色页岩、吕 土质泥岩等地层，平均钻时58.38min，钻遇碳质页岩、煤层等地层钻时5-16min；按钻遇硬 塑性地层对比3只常规PDC钻头，311.2mmKS1652DGRX平均进尺提高168.7%、平均机速提 高137.5%，提速提效成果十分显著。 2、合201井311.2mm KS1652DGRX复合破岩钻头使用情况 合201井进入龙潭组使用了2只常规PDC钻头（1只川石311.2mmCK505，1只盛辉311.2mmMQ616J），采用转盘钻钻进，累计进尺36m，平均机械转速0.55m/h。 其中311.2mm CK505:2808.3-2825.74，进尺17.44 m、平均钻时99.9min、平均机速 0.58m/h。钻头起出1个水眼堵，2个刀翼包，切削齿完好。311.2mm MQ616J：2825.74－2844.3，进尺18.56m、平均钻时108.3min、平均机速0.53m/h。起出钻头两个刀翼槽泥包， 水眼完好，正常磨损。 下入1只311.2mmKS1652DGRX复合破岩钻头，该钻头钻遇龙潭组、茅口组，进尺 109.7m，纯钻时间91h，机械钻速1.21m/h，进入茅口组钻时持续升高，起钻更换PDC钻头。其中，在龙潭组进尺68.7m、平均钻时60min，对比2只普通PDC钻头平均指标， 311.2mmKS1652DGRX平均进尺提高141.8%、平均机速提高81.82%，提速提效成果十分显著。 3、高石001-X36井215.9mm KS1652DGRX复合破岩钻头使用情况 高石001-X36井由4818米进入筇竹寺组，先后使用了2只215.9mm KPMD1642DRT混合 钻头和1只215.9mmDF1606BIU。第1只215.9mmKPMD1642DRT混合钻头由沧浪铺下入，在 筇竹寺进尺124.2m，复合钻时平均20 min、定向钻时平均35 min。第2只8-1/2DF1606BIU 在筇竹寺复合钻进2.24m、纯钻8h、平均机速0.28m/h，其中2米复合钻时分别为12 3 min 和131 min。第3只215.9mm KPMD1642DRT混合钻头，在筇竹寺进尺16.36m、纯钻39h、平均机速0.42 m/h，复合钻时平均143 min。钻头出井切削齿均无磨损。 下入1只215.9mm KS1652DGRX复合破岩钻头，日进尺130.7m、纯钻21.4h、平均机速6.12 m/h。复合钻时6-9 min、定向钻时32-38 min。钻压100-120kN，转速40-50+1.5度螺杆，
岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系
岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系 体会： Ⅰ、钻头一般破岩过程：压入剪切 牙轮： （1）主要方式—冲击、压碎，作用来源：①静压，②冲击载荷（牙齿交替接触井底）； （2）剪切作用，来源：①牙齿吃入地层，楔形面对岩石的正压力与摩擦力合力，②主要来源：牙轮滚动的同时产生牙齿相对地层的滑动。 刮刀：主要方式—剪切，辅以研磨和压碎 PDC：主要方式—剪切，辅以研磨和压碎 [1]P19:刮刀和PDC钻头破岩是压入和剪切综合作用的结果，从而是破岩所需的纵向压力大大减小。试验证明大约只相当于静压入破岩的1/6---1/4。 Ⅱ、可利用研磨性理论的一些结论解释如下现象： 相对于泥岩，砂岩表面粗糙度高，摩擦力大，所以： PDC钻头钻遇砂岩时扭矩呈现高频高幅振荡 牙轮钻头扭矩增大但仍呈钻遇泥岩是的平直状。 Ⅲ、PDC刀翼数量对扭矩的影响 刀翼数越多，扭矩越平稳；越少，扭矩波动越大。原因：刀翼数少，刀翼钻头周期性接触井底波动越大，从而导致扭矩波动大。实例： 克深202井钻吉迪克第三套砂砾岩层，采用6刀翼PDC，钻压10--12t，扭矩曲线平直；下部泥岩段，钻压10--12t，扭矩波动大11—16KN.m，扭矩曲线呈高频振荡。
地层可钻性分级、梯度规律 地层可钻性梯度规律[3] ①地层埋深越深越难钻，②年代越老越难钻 由以下实例可知：地层可钻性梯度规律受埋深压实和成岩年代两 种因素控制。 体会：浅部地层不存在特别难钻的地层。如大北202井1324～3900m井段，对纯岩性地层钻时一致，含少量的砾石即可导致钻时上升。3496.46～3783.23m 采用95/8″Power-V +16″M1665SSCR PDC 3685～3706m为褐色泥岩，钻时31～43min/m；3715～3723m为褐色含砾泥岩和含少量（5%左右）砾的褐色泥岩，钻时51～103min/m。 例：济阳凹陷 ①地层埋深越深越难钻， ②年代越老越难钻 古生界奥陶系地层，虽然由于造山运动上升至1800～2000m，但其平均可钻性为6.09，其深度与东营组相当，但其平均Kd值却比东营组高1倍多。
PDC钻头的特点和破岩机理
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，就是聚晶金刚石复合片钻头，即Polycrystalline Diamond Compact Bit。它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
PDC钻头岩性特征识别探讨
东濮凹陷PDC钻头录井岩性特征及识别方法 柳金钟 一、前言 随着科学技术的进步，钻井工艺有了进一步的提高。复合钻进、PDC 钻头钻进、大位移定向井、水平井等钻井新技术广泛地应用，给我们录井提出了新的技术要求。特别是PDC钻头特殊的破岩机理，导致钻井岩屑非常细碎（近似粉末状），钻井速度快，岩屑采集困难，甚至采集不到岩屑，造成岩性识别困难，难以有效地划分储集层和非储集层，加上挑样困难，严重影响了地化分析和地质取样，增加了油气识别难度，使岩屑描述符合率较低，给录井及时发现油气层带来很大困难。在这样的条件下如何提高岩屑录井的准确性，提高剖面符合率，已是摆在我们面前十分迫切需要解决的课题。在以前的研究课题中也得到了一些方法，但现场适用性不强。有的甚至从设备到人力都要求投入太高，分析一包岩屑甚至需要很长的时间，就目前的钻井速度是不能适用现场工作要求的。因此我们在实际工作中通过不断探索，总结出了一套适用于现场识别岩性特征的简单易行的新方法，实施后取得了很好的效果。 二、PDC钻头岩性特征分析 东濮凹陷是渤海湾含油气区的一个组成部分，也是一个多油气藏类型的复杂断块油气田，面积约5300km2。目前油田勘探开发进入中后期，钻井工程采用PDC＋螺杆＋转盘的复合钻井新工艺，虽然大大提高了钻井速度，但也造成了岩屑采集、分析、识别的困难。给我们地质录井工作带来了新的挑战，结合目前实钻情况，对PDC钻头岩屑特征进行分析如下：PDC钻头因其特殊的结构构造和独特的破岩机理，造成岩屑稀少、细小（近似成粉状），并且改变了岩屑颗粒的原始形状，通过钻井液携带到地
面的岩屑一般都是破碎后重新凝结而形成的，通常呈片状，或中细粒状，总的特征一般是一面光滑一面褶皱。见表1、图例一、二、三、四 岩性特征 图例一： 砂岩
影响PDC钻头应用性能的因素分析
影响PDC钻头应用性能的因素分析 发表时间：2019-12-18T15:02:02.567Z 来源：《基层建设》2019年第26期作者：戴方刚[导读] 摘要：随着油气钻井事业的发展，地质结构越来越复杂，对PDC钻头的应用性能提出了更大的挑战。中石化石油机械股份有限公司湖北武汉 430223摘要：随着油气钻井事业的发展，地质结构越来越复杂，对PDC钻头的应用性能提出了更大的挑战。比如在深井、超深井的硬岩地层或研磨性地层中，钻进缓慢，钻头破坏和磨损严重；在定向井和水平井中出现初始造斜困难、方位不稳、钻头偏移等现象，严重影响了钻头的稳定性。本文基于影响PDC钻头应用性能的因素分析展开论述。 关键词：影响；PDC钻头应用性能；因素分析引言如何既能提高机械钻速又能减小井下复杂情况的发生、提高作业质量和效率显得尤为重要。受埋藏深度的影响，井深越深，地层的压实程度越高，岩石硬度增加，塑性增强，PDC钻头吃入地层的能力越差，机械钻速越低，进而导致钻井周期越长。目前渤海海域深层太古界变质岩潜山地层平均埋深4304m，地层岩性主要为花岗片麻岩，地层很硬，机械钻速很低。常规PDC钻头配合扭力冲击器技术，钻头单趟进尺少，机械钻速低，钻头破坏严重。 1.PDC钻头简介 PDC钻头在世界油气钻井中完成的进尺已经超过总进尺的90%，其性能(特别是破岩效率)对钻井成本具有决定性的影响。随着油气钻井向深层、海洋、非常规油气发展，对钻头技术提出了越来越高的要求。PDC钻头的齿虽然硬度高，但受抗冲击能力和抗热磨损能力的限制，PDC钻头在硬地层、高研磨性地层、严重不均质地层(软硬交错夹层、含砾岩层等)钻进时，很容易导致复合片的快速磨损失效，复合片的崩损使钻头的切削效率和工作寿命均大大降低，复合片崩损的主要原因是切削齿承受的冲击力来自钻头的振动，特别是横向振动，且PDC钻头有一个弱点，即钻井过程中破碎井底岩石后形成的岩屑尺寸很细小，过于细小的岩屑将不利于对井下地层信息分析和判断。近年来的PDC钻头新技术主要体现在切削齿技术和钻头切削结构设计方面。典型新技术包括:ONYX-360旋转PDC齿以及旋转齿PDC钻头(斯伦贝谢公司);PDC-牙轮复合钻头(贝克休斯公司)等。现有的研究大多集中于钻头结构与破岩方式上，而岩石对破岩方式的适应性研究相对滞后，对钻头的选择主要依据岩石的可钻性。笔者认为井底岩石的形貌对于钻头的破岩效率影响较大，提出一种具有环槽式的PDC钻头，以降低钻头的切削能耗，提升钻头破岩效率，同时抑制钻头横向振动，有效减少钻头切削齿的冲击失效，并产生较大尺寸的岩屑，改善地质录井质量，提高实钻条件下对井下地层信息分析和判断的准确性。本文通过室内实验，探讨、验证这种钻头的破岩机理和工作性能。 2.国产PDC的优选提高深部硬地层的机械钻速是钻探行业永恒的目标，冲击破岩钻井技术是当前深井、超深井钻进硬地层应用效果较好的高效破岩技术。传统的旋冲钻井和扭冲钻井冲击方式维度单一，轴向冲击钻具提供的压力很难使钻头吃入较深地层，周向磨蚀岩石能力受限，扭力冲击钻具对钻头与冲击器的匹配性具有较高要求。在当下新生多种新型冲击钻具的形势下，使钻具兼有轴向冲击和扭向冲击两种钻井冲击破岩的优点，提出新型破岩钻具在钻井提速方面具有重要意义。（1）对软硬地层交错采用穿夹层设计，防止复合片早期失效；（2）采用非对称式刀翼结构、防回旋设计技术，防止钻头在井底回旋，造成钻头早期失效；（3）采用特有的表面涂层技术，能有效缓解粘土对钻头表面的粘附能力，减低泥包发生的可能；（4）优化钻头攻击轮廓及布齿间距，加强钻头在泥质含量较高的致密地层吃入效果；PDC切削齿与岩石之间的接触为高度非线性动态侵蚀接触，在接触界面之间伴随着互相挤压和相互运动，因此定义钻刃与岩石间的接触为面－面侵蚀接触。在模拟复合冲击破岩过程中，PDC切削齿受钻压、转速、转盘扭矩和交变冲击扭矩、交变轴向冲击力等多个载荷的共同作用。井底岩石受到钻头传递的钻压、交变冲击载荷和交变扭矩的共同作用。（5）采用抗冲击性优越的PDC复合片，优化布齿技术，钻头具有较高综合性能。 3.钻头个性化设计特征随着科技的发展、技术的不断创新，钻井工艺也不断优化，近年来国内钻头厂家加强与钻探企业密切配合，根据不同区块、不同地层岩性针对性的设计优化钻头，不断优化钻头选型，大幅提高机械钻速。（1）优化个性化钻头选型，针对砾岩、含砾不等粒砂岩、沙河街地层玄武岩、安山岩、白云质灰岩等特殊岩性，一般都是在上部地层使用PDC钻头，钻遇这些特殊岩性时根据钻时变慢、扭矩变大、憋跳严重时起钻更换镶齿牙轮钻头钻穿特殊岩性。现在经过与钻头厂家联合攻关研究，对原来PDC钻头的金刚石齿，钻头造型进行了改变和优化。新型MD9531异型齿PDC钻头不仅大大降低了泥包的可能性，较大提高了机械钻速，而且大大改善了PDC钻头的抗冲击性、抗耐磨性以及对不同软硬地层的适用性。（2）头型设计特征新型MD9531异型齿PDC钻头冠部头型设计依据兼顾了钻头的攻击性和长寿命考虑。为了保障钻头在可钻行良好地层的快速钻进，并在钻遇砾石等时尽量减小钻头的冲击面积，因此在等磨损设计原则的基础上，采用新型冠部轮廓为浅内锥-双圆弧的特征浅内锥-双圆弧冠部头型不仅提升了钻头心部齿的切削效率，而且可降低肩部切削齿的应力载荷集中，最大程度实现所有切削齿的均匀切削和磨损的原则，提升钻头的攻击性和使用寿命。 4.地层特性钻井现场统计资料表明，地层与钻头类型的匹配与否，是影响机械钻速的重要原因。由于PDC钻头与岩石的相互作用机理异常复杂，地层岩石各项性能参数与PDC钻头的各项参数之间的定量关系，仍未见较好的计算模型。主要根据岩石的抗压强度和硬度，来确定PDC钻头的刀翼数、切削齿形状及尺寸、布齿密度、冠部形状、保径长度等参数。其方法是把岩石按照硬度和抗压强度分为很低硬度（抗压强度0～8,000psi）、中等硬度（抗压强度8,000～16,000psi）、高硬度（抗压强度16,000～32,000psi）、极高硬度（抗压强度32,000～50,000psi）四种，在选择PDC钻头切削结构时，相应的选择齿径由大到小、布齿密度由低到高、后倾角由低到高、冠部抛物线形状由长到短等等。这种方法对待钻地层的岩性参数依赖性高，如果获得的数据不全或不准确，会导致钻头选择不匹配。此外缺少定量的计算关系，难以精确的选择和设计PDC钻头参数、做到个性化设计。除地层岩性、岩石力学性能之外，地层构造因素也会对PDC钻头的应用产生很大影响，如地层各向异性，软硬交错层理，地层倾角等。PDC钻头从软（或硬）地层进入硬（或软）地层，或者非垂直钻进各向异性地层，或地层倾角非常大时，都可能由于切削齿切削受力不均而产生侧向力，造成钻头的偏移或振动，影响钻进效率。结束语
PDC钻头的原理和应用
PDC钻头的原理和应用 摘要PDC钻头在胜利油田的成功应用,大大地提高了机械钻速。但由于PDC 钻头在结构与钻进参数上的特殊性,造成其在定向井中井眼轨迹控制方面的不足。 关键词PDC;原理;定向井;问题 1对PDC钻头的分析 PDC钻头于20世纪70年代投入应用。在过去的30多年中,大量的技术进步使PDC钻头在钻头市场上占有重要份额,并且成增长趋势。过去,PDC钻头只限于钻软到中硬地层,不能钻研磨性地层。今天,大量的发明和技术突破使PDC钻头的钻速更快、钻井质量更好而且钻井深度更深,其应用范围也扩大到硬地层和研磨性地层。 1.1聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的材料 聚晶金刚石复合片是以金刚石粉为原料加入粘结剂在高温高压下烧结而成。由于聚晶金刚石内晶体间的取向不规则,不存在单晶金刚石所固有的解理面,所以PDC的抗磨性及强度高于天然金刚石且不易破碎。但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。后来随着PDC钻头的技术进步使得聚晶金刚石薄片与碳化钨圆片接触面的几何形状有了改进,也使PDC钻头的热稳定极限也由原先的700。C提高到1150℃。 1.2聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的结构 与牙轮钻头不同,PDC钻头没有运动部件。按钻头体材料及切削齿结构把PDC钻头分为胎体及钢体两类。胎体钻头的钻头体用碳化钨制成,再将复合片直接焊接在本体;钢体钻头的钻头体用整块的合金钢加工而成,再将复合片焊接在碳化钨材料齿柱上制成切削齿,然后将切削齿镶嵌在钻头体上。 1.3PDC钻头的水力结构 PDC钻头采用水眼供给钻井液,通过切削齿的排列分配钻井液的方式保证切削齿的清洗、冷却和润滑。PDC钻头有刮刀式、单齿式和组合式三种排列及分布方式。 1.4PDC钻头的工作原理 PDC钻头工作原理和刮刀钻头基本相同。 1)PDC钻头在钻进某些硬地层时,在钻压作用下压入岩石,使与金刚石接触的
钻头结构和破岩机理
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。这样大大提高了切削效率，降低了切削齿的磨损速 2.3 犁削。
PDC钻头破碎岩石机理分析
摘要：随着我国经济的发展与人口的增长，对地下资源和矿产资源的消耗量日益增加，钻探工程的工作量也逐渐增大，因此在钻探中所消耗的岩石破碎的费用和材料损耗的费用也相当庞大，因此研究岩石破碎机理是必要的。本文简要分析了金刚石-复合片钻头（简称pdc）在单个力作用下的受力情况和pdc钻头破碎岩石的机理。 关键词：pdc钻头；破碎岩石机理 1 金刚石-硬质合金复合片的概念及发展问题 金刚石-硬质合金复合片简称pdc，是一种新型的超硬材料，通过在硬质合金底上烧结一层细粒的人造聚晶金刚石形成，不仅具有金刚石的硬度和高耐磨性，还体现出硬质合金的韧性，可以作为单独的切削单元使用，同时随着pdc钻头的进步，在一些钻探中已经得到推广。在实际的钻探过程中，破碎岩石的工具的磨损是机械碎岩中的最大问题，特别是在遇到岩石抗压强度大于150兆帕的地层，机械破岩工作很难进行，因此钻探工程必须对破碎岩石的工具进行强化，通过改变其形状和材料改善工具性能，也要深入了解破碎岩石的机理，将岩石性质、地层特征、外载条件、碎岩工具的性质等结合起来，从根本上解决问题。 2 单个pdc与岩石作用的受力分析 在pdc钻头的形成工艺中，需要将pdc片斜镶入钻头胎体中，因此，pdc钻头在钻进过程中，其受力方向是斜向压入的，从而破碎岩石。设一个斜镶的圆柱体pdc只受到法向力f 的作用，并且垂直压入弹性岩石的半空间体中，将圆柱体的半径设为r，d为圆柱体的压入深度，θ为切入角，是弹性体表面与pdc轴向的夹角，如图1所示。从图中的pdc切片的压入情况来看，压头的几何形状相对复杂，为了使得计算相对简单，可以将f1分解为两个部分，一部分是圆柱体面压入岩石的压力fn1，另一部分是圆柱体底面压入的压力fn2，根据圆柱体的接触情况分析，分别对接触压力fn1，fn2进行求解，求得在fn1方向上的最大压入深度是d1=，圆柱面的最大的接触区域的长度cd为l-l1+l2cosθ=。 当一个斜镶的圆柱体pdc只受到切向力的作用，在pdc在法向压入一定深度后，在切向力的作用下产生了水平位移s。因为在实际的切削过程中，pdc后侧的受力相对较小，因此忽略不计。在切向力作用的情况下，主要考虑岩石与pdc切片在前端的接触压力以及pdc切片在底部与岩石的摩擦力。 3 pdc钻头的破碎岩石机理分析 岩石破碎机理的分析需要将地层条件，外部载荷的条件、破碎工具条件以及岩石的特性等结合起来，不仅要研究岩石破碎的形式和效果，还要研究岩石在破碎前和破碎后的变化趋势及其应力状态。岩石力学性质是岩石的基本性质，岩石的应力与应变的关系是了解岩石的基础，其中岩石的单轴抗压强度是指在周围无其他压力作用下，仅受到轴向压力作用的岩石被破坏时，轴向压力与面积的比值，即：σc=；岩石的硬度是指岩石在集中载荷的作用下产生局部变形或者破碎的能力，用接触压力与接触面积之比表示，即：σk=；岩石的脆塑性是指岩石在破坏时发生脆塑性破坏的倾向，对岩石的钻进效果和破碎效果有显著的影响。在实际钻进过程中，pdc钻头可以破碎的地层为软-中硬地层，在一般情况下，pdc钻头的破碎方式是以切削、剪切破坏为主，以挤压破坏为辅，具体的破碎机理会随着地层的不同而变化。pdc钻头破碎岩石的轴向载荷和岩石压入深度的关系如图2所示。 图2 轴向力与切入深度的关系图 在开始的ab阶段，岩石在压力的作用下形成压实的岩体，并且轴向压力与压入深度与理论一致，但是，在b点处，岩石破碎轨迹与理论曲线产生偏移，因为在b处产生了脆性裂纹，在bc阶段，因为岩石表面破碎的岩屑乱飞，导致岩石的轴向载荷减小，在cde阶段，由于岩石的进一步破碎，岩石产生较大的裂纹导致了大规模的破碎，使得压力深度进一步增加，在
三牙轮钻头的结构及工作原理
三牙轮钻头的结构及工作原理 在石油钻井作业中，三牙轮钻头是使用最多的，且能适应各种地层的钻头。 1909年世界上出现了第一个牙轮钻头; 1925年出现了自活式牙轮钻头，解决了软地层钻头牙齿间积存岩屑而易产生泥包的问题; 1933年出现了滚动轴承的三牙轮钻头; 1935年牙轴钻头进一步的改进，出现了移轴三牙轮钻头; 1949年开始发展喷射钻井，很快应用到牙轮钻头上来; 1951年使用了镶硬贡合金的钻头，使得钻头在极硬的地层中的使用寿命和钻速都得到提高; 1960年试制成功了密封润滑轴承，使工作时间达到了40~60小时，钻头的进尺提高50%; (一)三牙轮钻头在井底的运动 牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是相当复杂的。要想了解钻头破碎岩石的工作原理之前就必须要了解钻头在井底的运动规律。为了便于从理论上分析工轴钻头的运动规律，在分析之前先做如下的假设：①井底和钻头都是刚性的; ②牙轮与井底接触的母线上压力是均匀分布的; ③钻及牙轮是作等角速旋转的 (二)钻头的冲击、压碎作用 三牙轮钻头在井底工作时，由钻头共振产生牙齿对岩石的冲击、压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。钻进时钻头在井底产生共振，使钻柱不断压缩与伸张，下部的钻柱把这种周期性的弹性变形能传递给牙齿，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。 (三)牙齿对地层的剪切作用 为了提高牙轮钻头的破岩效率，除要求牙齿对井底岩石产生压碎、冲击作用外，同时对中硬和软地层来说还要求有一定的剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还要产生轮齿对岩石的相对滑动来实现。在现实的工作中，产生滑动的原因有三个：超顶超顶超顶超顶、复锥复锥复锥复锥和移轴移轴移轴移轴。 1、超顶引起的滑动 超顶牙轮产生的切线方向的滑动，滑动速度的大小与超顶距成正比。在纯滚动点的两侧，其滑动方向是相反的。
破岩原理
破岩原理 一名词解释 1.岩石的硬度：产生脆性破碎时接触面上单位面积的载荷。 2.岩石的塑形系数：破碎的耗费的总功AF与弹性变形功AE的比值，用来衡量岩石塑性的大小。 3.压入强度：单位刃长上的压入系数。 4.研磨性：岩石磨损破岩工具的能力。 5.可钻性：岩石破碎的难易性，反映了岩石的井底抵抗钻头破碎的能力。 6.变形特征：岩石试件在各种载荷作用下的变形规律。 7.强度特征:岩石试件在载荷作用下开始破坏时的应力值。 8.侵入比功：破碎单位体积岩石所消耗的功。 9.层理：在垂直方向上岩石成分的变化。 10.片理：岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。 11.磨耗比：金刚石和一定粒度和硬度的碳化硅砂轮对磨，称出对磨后两者消耗量之比。 12.井底遮盖系数：三个牙轮各齿圈上牙齿宽度的总和与井底接触母线长度的比值。13．井底击碎图：将三个牙轮的每个牙轮上主、副锥母线及其上的齿圈宽度并列画出来的示意图。 二简答 1.库仑剪切强度曲线特征 答：（1）库仑剪切强度曲线在τ-σ平面上为直线 （2）斜率为f=tanυ（3）在τ轴上的截距为c （4）抗剪强度=内聚力+内摩擦力 （5）莫尔应力圆与强度曲线相切时，岩石发生了破坏。 2.通过定压实验法确定岩石的弹性模量 答:（1）如果应力-应变曲线上由直线段，则直线段的斜率为杨氏弹性模量。 （2）如果没有直线段，取应力为一半强度极限值点的切线模量或割线模量。 3.常规三轴试验步骤 答：（1）将圆柱形岩样置于一个高压容器中（2）首先用液压P使其四周处于三向均匀压缩的应力状态下（3）然后保持此压力不变，对岩样进行纵向加载，直至使其破坏，试验的过程应记录下纵向的应力和应变的曲线关系。 4.什么是巴西劈裂试验 答：间接测定岩石抗拉强度的试验，将一个薄的圆盘试件沿其直径加载使之破碎，盘的破碎时从盘的中心开始并沿着加载直径向上下两方面拓展开来，从而使盘在加载点连线上呈现清晰的破裂，这是由于在垂直于加载直径的方向上分布有拉伸应力的缘故。 5.表示岩石研磨性的一般方法和观点 答：1）直接利用矿山生产中的工具消耗率来表示岩石的磨蚀性 2）用岩石的坚固性同时来表示岩石的磨蚀性 3）用模拟实验来确定岩石的磨蚀性 6.下部钻柱受压状态分析 答a.在钻压小，直井条件下，钻柱是直的b.钻柱第一次弯曲，压力达到某一临界值，下部钻柱发生弯曲，在某个点和井壁接触；这里是第一次弯曲c.继续加大钻压，切点逐渐下移 d.钻柱第二次弯曲，钻压增大到新的临界值，钻柱呈现第二个半波，钻柱第二次弯曲 e. 钻柱第三次弯曲，继续加大钻压，钻柱第三次弯曲/多次弯曲 f.钻压>钻铤一次弯曲的临界钻压 7.钻柱在井眼里旋转形式及特点
潜孔钻头破岩机理仿真研究
文章编号:1000-2634(2007)-11-0113-03 潜孔钻头破岩机理仿真研究* 宋嘉宁1,李琴1,谭力1,刘成2,魏振强1 (1.西南石油大学机电工程学院,四川成都610500; 2.新疆石油管理局供热公司) 摘要:利用ANSYS/LS DYNA显式动力学分析软件建立潜孔钻头与岩石的互作用动力学模型,对潜孔钻头的破岩过程进行仿真分析,通过对破岩总体过程、钻头的应力、破碎坑的形状和分布及钻头的位移等四个方面的分析,完整地描述潜孔钻头的破岩机理,认为钻头破碎岩石的过程分为三个阶段:中间齿破碎岩石,形成破碎坑阶段;边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段;钻头的反弹阶段。在钻头侵入岩石的过程当中,钻头既有轴向的位移,也有横向的位移。破岩过程中,牙齿3峰值最大,最容易发生破坏。 关键词:冲旋钻井;潜孔钻头;ANSYS/LS DYNA;仿真;破岩机理 中图分类号:TE921 文献标识码:A 引 言 随着石油资源的不断开发,石油钻探的难度不断增大,尤其是在钻进硬地层时进度缓慢,成为制约石油钻探的一个重要因素。冲旋钻井技术具有的钻进速度快,成孔质量好的特点,是解决硬地层钻进的有效途径[1-3],受到各国钻井专家的关注。通过对冲击载荷作用下潜孔钻头与岩石的互作用进行探讨,研究潜孔钻头的破岩机理,为潜孔钻头的设计和改进提供理论依据,最终达到提高潜孔钻头破岩效率和钻进速度的目的。为了准确地模拟钻头与岩石的互作用的情况,选用著名的动力学仿真软件ANSYS/LS DYNA对破岩过程进行分析。 1 仿真模型的建立 1.1 三维实体模型的建立 利用Pro/E建立潜孔钻头的三维模型,为研究方便,将钻头各牙齿进行图1所示的编号,其中6颗边齿为球形齿,3颗中间齿为锥形齿。岩石的模型相对简单,可直接用ANSYS建立。 1.2 定义材料 分析中,将岩石的材料设置为MAT I STROPI C ELASTI C F A I LURE,一种塑性应变失效模型,将钻头的材料设置为MAT ELASTI C,一种线弹性模型[4-6] 。 图1 钻头牙齿编号图 基准单位采用时间(m s)、长度(mm)、质量(g),相应的导出单位为压力(MPa)、速度(mm/m s)、角速度(rad/m s)、力(N)。具体参数设置如表1和表2所示: 表1 钻头参数设置 弹性模量/M Pa泊松比密度/(kg/m3)参数数值2100000.287700 表2 岩石参数设置 剪切模量 /M Pa 密度/ (kg/m3) 塑性硬化 模量/M Pa 体积模量 /M Pa 破裂压力 /M Pa 参数数值24002000331200080 1.3 定义单元属性 岩石和钻头均采用8节点的SOLI D164实体单 第29卷 西南石油大学学报 V o.l29 2007年 11月 Journa l o f South w est Pe tro leum U n i versity N ov 2007 *收稿日期:2007-09-30 作者简介:宋嘉宁(1984-),男(汉族),山西临汾人,过程装备与控制工程2003级本科生。
复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究
*本文系国家自然科学基金项目(批准号:50474040)。 作者简介:胡琴,女,1980年生,博士研究生;从事石油机械方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区西南石油大学博2004级。电话:(028)83032037。E mail:anliuhq@163.co m 复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究* 胡琴 刘清友 (西南石油大学) 胡琴等.复合齿形牙轮钻头及其破岩机理研究.天然气工业,2006,26(4):77 79. 摘 要 针对现有牙轮(钢齿、镶齿)钻头已难以对一些复杂地层进行有效钻进这一现状,根据对牙轮钻头破岩机理的新认识,研制了一种新型复合齿形牙轮钻头。该新型钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头,其牙轮上的牙齿由齿形齿和盘式齿复合而构成,并且各牙轮上齿形齿和盘式齿的布置方式可根据硬地层等复杂地层的特性和钻井要求进行调整。两种齿对岩石的破碎作用将会互相影响,使得破碎岩石更加容易。为此,概述了国内外在复合齿形牙轮钻头方面所做的研究工作,并详细分析了这种新型钻头的结构特点和破岩机理,指出要研制出具有良好性能的复合齿形牙轮钻头,主要应从破岩机理、布齿方法与齿面结构、齿面强化工艺、钻头整体性能台架试验及复合齿形牙轮钻头结构设计等方面进行深入研究。 主题词 钻井 复合齿形 牙轮钻头 盘式钻头 破岩机理 研究方向 影响牙轮钻头破岩效果的主要是牙齿结构和布齿方法。钻头的齿面结构直接与地层接触,对于岩石破碎过程和钻头工作性能的影响最大。因此,牙齿的结构形状和布置方法将直接影响钻头的破岩效率和钻井速度。综合牙轮钻头的发展过程可看出,由于材料性能的提高,加工技术的不断改进和钻头结构的日趋完善,使牙轮钻头的寿命有了大幅度的 提高。近年来关于牙轮钻头破岩机理的研究发现,牙轮钻头对井底岩石的破碎过程,实际上是压入和压崩两种形式联合作用的结果,而这两种破碎机理都与齿面结构有直接的关系。所以研究和寻求新的牙轮钻头齿面结构形式,对提高牙轮钻头在一些特殊地层和特殊环境下的机械钻速、钻井进尺必将会有明显的效果和重大意义。由于近几十年来牙轮钻头在齿面结构上缺少根本性变化,因而牙轮钻头的机械钻速在一些特殊地层上没有大的提高。所以,要提高牙轮钻头在一些特殊地层和特殊环境下的机械钻速、钻井进尺,必须根据对牙轮钻头破岩机理的新认识寻求新的齿面结构。复合齿形牙轮钻头就是具有全新齿面结构的牙轮钻头。 一、复合齿形牙轮钻头的发展概况 对复合齿形牙轮钻头的研究在国外已作过一些 工作。在1994年,Baker H ug hes 公司在美国申请了 Earth Bor ing Bit W ith An A dvantag eous Cut ting Structure 专利(U.S.5,311,958),该钻头是将钢齿和盘式齿相复合的牙轮钻头。 我国西南石油大学在对盘式钻头几何学、运动学、齿形结构、布齿方法、破岩机理等方面进行深入研究 [1 4] 的基础上,也开始进行复合齿形牙轮钻头方 面的研究工作。现已完成中国石油天然气集团公司 石油科技中青年创新基金项目 复合齿形牙轮钻头破岩机理仿真研究 ,并已获得国家专利2项。现在正与江汉石油钻头股份有限公司合作进行复合齿形牙轮钻头的产品研制工作。 西南石油大学申请的 复合齿形牙轮钻头 专利(99251810.5)。该实用新型涉及一种复合齿形牙轮钻头,它主要由牙爪和牙轮组成,其特点在于牙轮上的牙齿同时采用了盘形齿、镶齿和钢齿,牙轮上牙齿的布置方式可根据地层性质和钻井要求进行调整。其加工方法与现有牙轮钻头和盘式钻头相同,不会增加加工成本。该实用新型具有牙轮钻头和盘式钻头的综合破岩特点,能够适应不同地层的需要,具有较高的钻井效率和较长的工作寿命。西南石油大学申请的 复合齿形单牙轮钻头 专利(00244696.0)。该实用新型涉及一种在地壳上钻井使用的复合齿形 77 第26卷第4期 天 然 气 工 业 钻井工程