pdc钻头破岩规律分析
PDC钻头破岩机理的研究
PDC钻头破岩机理的研究作者：刘杰黄立新董佳灵丁子昊王建宽来源：《计算机时代》2019年第06期摘; 要：在PDC生产技术的不断发展和突破下，PDC钻头已广泛应用于国内外石油勘探和岩心钻探领域中，PDC钻头适应层越来越广，但是理论研究与工程实践之间还存在着明显的差距。
文章建立了围压下的PDC单齿破岩的力学模型，对围压作用下钻头钻进过程进行了力学分析，并重新定义了钻头切削体积及切削效率。
切削齿的切削效率与切削深度、后倾角、切削齿直径及切削齿所受合力等参数有关，其中，PDC切削齿的尺寸和后倾角对钻头破岩效率都有显著影响。
关键词： PDC钻头; 围压; 力学模型; 破岩效率中图分类号：TE921; ; ; ; ; 文献标志码：A; ; ;文章编号：1006-8228（2019）06-05-04Abstract： With the continuous development and breakthrough of PDC production technology，PDC bits have been widely used in petroleum exploration and core drilling at home and abroad. PDC bits have more and more suitable layers， but there is still a clear gap between theoretical research and engineering practice. In this paper， the mechanical model of PDC single tooth rock breaking under confining pressure is established， the drilling process under confining pressure is analyzed mechanically， and the cutting volume and cutting efficiency of the bit are redefined. Cutting efficiency of cutting teeth is related to cutting depth， back inclination angle， diameter of cutting teeth and resultant force of cutting teeth. Among them， the size and back inclination angle of PDC cutting teeth have significant influence on rock breaking efficiency of bit.Key words： PDC bit; confining pressure; mechanical model; rock breaking efficiency0 引言PDC鉆头具有钻速高、稳定性好、设计灵活等优点，在勘探中得到了广泛的应用以及油气开发过程[1]。
PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位
PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位包括对钻屑、岩心和录井数据进行分析和解释，以确定岩石的组成、成分和性质。
这些信息对于合理评价和解释地层结构、地层属性和储层特征至关重要。
钻屑是钻井过程中产生的岩石碎屑颗粒。
通过对钻屑进行观察和分析，可以推断出岩石的类型、颗粒大小、组合以及可能的成因。
岩屑的形状、颜色、含矿物质的特征和含油气的特征等都可以通过显微观察和光学显微镜分析来确定。
岩心是通过钻井操作中获取的实际岩石样品。
岩心的获取通常是通过旋转钻头切割岩层并将样品带回井口。
岩心样品是研究岩石组成和结构的最重要依据之一。
通过对岩心进行物理性质测试、岩石薄片观测和特殊测试，可以确定岩石的性质、岩相以及可能的油气储集情况。
录井数据是通过使用各种仪器在井中进行测量和记录的数据。
这些数据包括地层电阻率、自然伽玛辐射值、声波速度、密度等各种物理性质的测量。
录井数据的解释可以提供更详细的地层信息，包括岩石成分、大小、渗透性、孔隙度以及含水、含油气的程度。
在钻井过程中，通过综合分析钻屑、岩心和录井数据，可以确定各个岩层的岩性描述归位，包括岩性类型、岩层的厚度、空间分布以及可能的流体含量。
这些信息对于油气勘探评价、储层预测和开发决策具有重要意义。
岩性描述归位的方法包括：2. 岩心描述：对获得的岩心进行详细的观察和描述，包括岩石颜色、质地、结构、矿物成分等特征。
岩心的取样和描述通常是在钻井过程中进行的，需要对岩心进行物理性质测试和岩石薄片观察等方法来精确确定岩性。
3. 录井数据解释：通过对录井数据的分析和解释，包括地层电阻率、自然伽玛辐射值、声波速度、密度等测量结果，来确定岩性。
通过与已知岩性的对比和归纳，可以将录井数据转化为具体的岩性描述。
4. 综合分析：将钻屑、岩心和录井数据进行综合分析，包括对各种数据的对比和协调，来确定岩性描述归位。
通过建立地层模型，将不同的解释结果进行匹配和验证，最终得出地层的岩性描述。
PDC钻头破岩原理及钻井参数选择探讨
摘 要本文针对PDC 钻头关键设计参数研究相对滞后、缺少一定的规律性、设计者常常根据经验或类比于其它钻头设计的现状，通过室内实验和数值模拟相结合的方法研冠了部剖面形状、后倾角度、切削齿尺寸、布齿密度、内锥角度、内外锥高度及冠顶位置等关键设计参数对PDC 钻头的影响规律。
研究结果表明：①在破岩效率上，切削齿尺寸与地层硬度成反比。
即在d k 值小于3.48的地层中，直径为19.05mm 的切削齿宜获得较高的机械钻速；d k 值在4.6～5.78的地层中，直径为16.10mm 的切削齿宜获得较高的机械钻速；②在d k 值小于3.48的地层中采用10°～15°后倾角，d k 值在d k =3．48～5.78的地层中采用15°～20°后倾角可明显提高钻进速度；③布齿密度与钻速成反比；④在d k 值小于3．48的地层中采用“直线-圆弧-直线”型剖面易获得较高的机械钻，d k 值在3.48～4.6的地层中采用“直线-圆弧-圆弧”型剖面易获得较高的机械钻速；⑤深内设计可提高钻头稳定性和切削齿寿命；内锥角在90°-160°范围变化时，随角度的增大，在钻压作用下，钻头冠部受力趋向均匀，扭矩对钻头内锥受力影响变化不明显；⑥高外锥设计可有效提高钻速；外锥角在25°～45°变化时，随角度的增大，外锥受力逐渐增大，钻压和扭矩对外锥影响明显；⑦冠顶半径与钻头半径之比设计为0.64时，钻头冠部应力集中现象明显降低。
本文的研究成果对PDC 钻头个性化设计有一定指导意义。
关键词：PDC 钻头；设计参数；破岩效率；钻头保径AbstractIn view of the research of PDC key parameter relative lag，little certain regularity and the designs often depending on experience or analogy to others，the author has studied a series of key parameters that impact on PDC drill bit through the laboratory experiment and the numerical simulation，such as the shape of crown,degree of back rake angle，the cogging size，the tooth density,the degree of inner cone，the height of inner/outer cone and the position of crown．The results of study show that：(1)The cogging size is in inverse proportion to formation hardness on broken rockk is less than 3．48，and the diameter of cogging isl 9.05mm，efficiency．When thedIt should obtain higher drilling rate．Also the drilling rate will be higher whenk isd3.48～5.78，and the diameter is 16.10mm．(2)The drilling rote can increase if the backk is less than 3.48，Also it will be higher rake angle is between 10°and 15°whendwhen the back rake angle is 15°and 20°andk is 3.48～5.78．(3)The cogging density isdin inverse proportion to the drilling speed．(4)Higher drilling speed can be got through the“straight line—arc-straight line”section whenk is less than 3.5．And it also can bedgot through“straight line-arc-arc'’section whenk is between 3.48～4.6．(5)The designdof deep inner cone can improve bit stability and cogging life．When the degree of inner cone changes in 90°～160°，the force of crown tends to evenly under the function of drill pressure with the degree of inner cone increasing，also the torque is not obvious to the force of the crown (6)The design of high outer gone may enhance drill rate effectively．The stress of outer cone increases gradually with the angle longer and longer,simultaneity the bit pressure and the torque are obvious to the outer cone when the outer cone changes from 25°to 45° (7)When the ratio of crown radius and bit radius is 0.64，the centralized phenomenon of stress of crown is obviously reduced．The research results have certain directive significance to individualized design of PDC bit．Key words：PDC bit；Design parameter；Rock breaking efficiency；Drill gage目录第1章前言 (1)1.1研究的目的及意义 (1)1.2国内外研究现状及存在的主要问题 (2)1.3论文主要研究内容 (4)第2章实验钻头设计 (5)2.1冠部剖面形状设计 (5)2.2切削齿尺寸设计 (10)2.3切削齿工作角度选择 (10)2.4布齿密度设计 (11)2.5切削齿布齿方式设计 (13)第3章室内钻进实验结果分析 (16)3.1切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律 (16)3.2布齿密度对钻头破岩效率的影晌规律 (19)3.3冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律 (21)第4章钻头保径技术研究 (23)4.1钻头保径技术的研究概况 (23)4.2保径器的分类 (27)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)第1章前言1.1 研究的目的及意义钻头做为钻进过程中主要的岩石破碎工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻井工艺条件是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。
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。
PDC钻头钻进井段钻时与岩性对比分析_冯顺利
文章编号:1004—5716(2006)增刊—0358—02中图分类号:TE921+.1 文献标识码:B PDC钻头钻进井段钻时与岩性对比分析冯顺利(华北石油局西部工程公司修井公司,新疆轮台841600)摘 要:塔河油田T K630井主要井段使用新疆帝陛艾斯(DBS)公司生产的PD C钻头进行钻进,取得了较好的效果。
就PDC钻头使用过程中侏罗系下统及其以下层位岩性与钻时之间的某些对应规律进行分析,为该区PDC钻头的使用提供一定的参考价值。
关键词:塔河油田;PDC钻头;钻时;岩性1 侏罗系下统(J1)井段:4531～4599m,视厚68m。
该段泥质岩钻时为5～12min/m,一般为5～9min/m。
砂质岩钻时变化较大,中、细砂岩一般为1～3min/m,粗砂岩钻时有所增高,一般为不小于4min/m,底部(致密粗砂岩)达8～14min/m。
此外,砂质岩中含煤线处钻时稍有升高(其值为6～7min/m)。
2 三叠系上统哈拉哈塘组(T3h)(1)井段:4599～4723m,视厚124m。
上部泥质岩段:4599～4674m,视厚75m。
其中上部所夹砂质岩:钻时一般为1～4min/m,局部中砂岩(底部变粗)可达5～8min/m。
泥质岩:钻时一般不小于6min/m。
此外该段底部的页岩(较致密)相对上、下泥岩略有升高。
(2)下部砂质岩段:4674～4723m,视厚49m。
泥质岩:钻时不小于5min/m,大多在5～8min/m。
砂质岩:其中粉砂岩钻时为5～7min/m,与泥质岩相近,岩屑鉴定时应仔细观察砂泥岩的百分比的变化趋势才能确定岩性是泥岩还是粉砂岩。
细、中砂岩钻时一般不大于5min/m,大多在1～5min/m,仅在底部钻时有所升高,达6～10min/m,可能与砂质岩的粒度变粗、分选变差及胶结较致密有关。
该组砂岩与泥岩钻时有一定的差异。
泥岩为高钻时,砂岩大多为低钻时,仅局部较致密的砂质岩(较粗)钻时有所增高。
此外,粉砂岩与泥岩的钻时差异较小。
PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位
PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位在PDC钻头进行钻井过程中，岩性描述的归位非常关键。
通过对岩性的描述，可以帮助地质工程师了解地层的性质和变化，从而确定进一步的钻井计划和操作措施。
下面将详细介绍PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位的方法和内容。
岩性描述归位需要进行详细的观察和记录。
在钻进岩层时，钻井工程师需要根据岩层的特点和变化，对岩石进行描述。
这些描述包括岩性、颜色、质地、成分、结构等方面的信息。
还需要注意岩层的裂缝、节理、脆性等特征，并记录下来。
这些观察和记录需要尽可能精确和准确，以便后续的分析和判断。
岩性描述归位需要结合岩层的位置和相对位置信息。
地质工程师需要记录下岩层的深度、倾角、方向等信息，并将其与实际地层分布进行比较。
通过对比和分析，可以确定岩层的位置和变化趋势，预测可能存在的地质问题和风险，为钻井作业提供参考依据。
岩性描述归位还需要考虑岩层的物理性质和地质历史。
地质工程师需要了解岩层的压力、渗透率、孔隙度等物理性质，以便评估地层的稳定性和钻井过程中的钻进难度。
还需要关注岩层的地质历史，包括构造演化、岩浆活动、堆积沉积等情况。
这些信息可以帮助地质工程师推测地层的变化和岩石的形成机制，拟定相应的钻井策略。
岩性描述归位需要进行数据分析和综合判断。
地质工程师需要将采集到的岩性数据进行整理和分析，并与其他地质资料进行比对。
通过对不同地质参数和岩性特征的综合判断，可以得出对地层性质的定性和定量的结论，并根据这些结论做出相应的决策。
PDC钻头钻井过程中岩性描述归位是地质工程师进行岩石观察和数据分析的重要环节。
通过详细观察和记录岩性的特征和变化，结合岩层的位置信息和地质历史，进行综合分析和判断，可以帮助地质工程师了解地层的性质和变化，为钻井作业提供科学依据。
PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位
PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位PDC钻头钻井是指使用多边形刀片复合钻头进行钻井作业的一种方法。
在钻井过程中，钻头通过旋转和推进的方式，不断地切削岩石，将岩石层钻穿。
岩性描述归位是指将钻井过程中遇到的不同岩石层次和岩性特征描述出来，以便对地层结构进行分析和解释。
下面将详细介绍PDC钻头钻井过程中的岩性描述归位。
在开始钻井之前，需要进行目的地勘查和地质调查，确定目标地区的地质构造和岩性特征。
根据地质调查结果，制定钻井方案，并选用适当的PDC钻头进行钻井。
在钻井过程中，钻头逐渐钻进地下，并切削不同种类的岩石层。
钻井过程中需要不断地记录下钻头所经过的地层情况，包括岩性、厚度、饱和度等。
钻井工程师会根据实时监测到的数据，对岩性进行描述。
岩石的岩性描述通常包括颜色、质地、结构和化学成分等方面。
颜色可以反映岩石中的矿物成分和含水量。
质地指的是岩石的结构和颗粒大小，可以通过观察岩石的细节纹理和触感来确定。
结构是指岩石在地层中的组合形态和排列方式，可以根据岩石表面的裂纹、节理和层理等来判断。
化学成分是指岩石中不同成分的含量和比例，可以通过化学分析来确定。
在钻井过程中，岩性描述归位的重要性不言而喻。
正确的岩性描述可以帮助钻井工程师了解地下地层的构造特征，判断矿藏类型和含量，指导后续的勘查和开采工作。
再加上计划钻井深度和方向的调整，以充分利用地层资源。
在岩性描述归位中，还需要注意记录钻探速度、钻头切削效率和探头径向振荡等钻井数据，以便后续分析和解释地层的物理性质。
还需要记载下钻井液密度、PH值和固相含量等，以评估钻井液与地层的相互作用。
PDC钻头工作原理及相关特点剖析
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。
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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.
磨损与接近保径齿的磨损差不多,整个钻头上切削 齿沿径向的磨损规律是:由小变大→减小→增大→ 减小,而且磨损最大的切削齿位于钻头边缘稍靠里 一点,锥顶齿磨损也较严重,保径部分切削齿和钻 头中心的切削齿磨损较轻. 在切削齿磨损较小时, 随着切削齿磨损的增大,切削齿上的轴向力和切削 力增大较快,而当切削齿磨损达到一定程度后,切 削齿上的轴向力和切削力的增大幅度很小.这主要 是因为,在切削齿磨损较小时,虽然切削齿的吃入 深度一定,但是切削齿随磨损增大而引起的切削面 积却增加很大,因而切削齿上的轴向力和切削力就 增加很大,随着磨损的增加,在一定的切削深度下, 切削面积的变化却不大,因此切削齿上的轴向力和 切削力相应地变化不大.
因为钻头的冠部可以把它看成是旋转体,因此 这方面主要考虑切削齿的径向位置和钻头剖面形 状的影响.切削齿所在位置的半径即为切削齿切削 的曲面的曲率半径,切削齿在内锥的为正曲率半径, 切削齿在外锥部 分的即为负曲率 半径;对于钻头冠 部形状,用切削齿 之间的距离和切 削齿的高度差来 表示.如图4所示.
图2 PDC钻头冠部形状示意图
图3 现场使用过的PDC(P156M)钻头磨损规律示意 图
影响切削齿磨损大小的因素,除了受力因素外, 线速度也是一个因素。对于图3所示的磨损规律, 如果认为外锥齿的磨损较大是由于它的线速度较 大而引起的,但是在锥顶齿的线速度比锥顶外部一 点的切削齿的线速度要小,从切削齿的受力来分析 看,内锥齿的切削面积要比外锥齿的切削面积大得 多(因为随着切削半径的增大齿与齿之间的距离是 大幅度减小的),因此它的轴向力、切削力也要大 得多,如果用流行的PV值来衡量(其中P是切削齿所 受的轴向力,V是切削齿的线速度),那么,他们的磨 损量应该是差不多的,因为他们的PV值相差不大.
图1 PDC钻头切削齿切削脆塑性岩石时切削力的变化过程
由图1可看出,切削齿上所受的力是变化的,也就是 说切削齿在切削岩石的过程中是振动的。 不合理的钻头转速会导致PDC钻头发生共振，引起 钻头先期损坏。
２ 影响PDC钻头切削齿上受力的因素分析
PDC钻头在钻进时,是多个切削齿作用于岩石的, 对于每一个切削齿而言，它在切削岩石时,是切削由 与它邻近的左右的两颗切削齿切削后留下的凸台.因 此在分析切削齿切削岩石的受力时, 基本上是把PDC 钻头切削齿切削岩石时的情况作为平面切削来处理 的,因此,切削面积、切削弧长、切削深度以及岩性 对切削力、切削齿的轴向力、切向力的影响分析的 相当多,对于PDC钻头切削齿的结构参数一般分析负 切削角、装配角、侧转角等对这些力的影响.由于假 设是平面切削,因此没有考虑切削齿在钻头上不同部 位对各种切削力的影响,实际上，不同部位的切削齿 的受力是大不相同的。
图4 切削齿在钻头冠部位置表示法
任何冠部形状和布齿密度的PDC钻头的切削齿 的工作状况都可由图4的关系来表示. 根据几何关 系,只要齿间距 和齿高差 确定后,则该齿所在位 置的冠部形状就确定了,根据几何关系可得:
R-----切削齿的曲面的曲率半径 在（2）式中,只要确定了齿间距和齿高差,就可求 出R,采用试算法,即对给定的齿间距和齿高差,计 算出对应的a、b、c，然后根据a、b、c的值,再给 出某一个R值(一般初时的R值取小一点),分别计算 出α、β.
２．1.PDC钻头冠部形状的影响: PDC钻头上的切削齿基本上可把它分成4部分:
内锥齿、外锥齿、锥顶齿和保径齿,如图2所示.对 于保径齿,它主要是起保径作用,并不参与切削岩 石,因此不对它进行分析。下面主要分析另外3类 切削齿的受力特点。
经对现场使用过的PDC钻头进行观察分析,内 锥部分的切削齿的磨损较小,而外锥齿的磨损却很 大,锥顶齿的磨损与接近保径齿的磨损差不多,整 个钻头上切削齿沿径向的磨损规律是:由小变大→ 减小→增大→减小,而且磨损最大的切削齿位于钻 头边缘稍靠里一点,锥顶齿磨损也较严重,保径部 分切削齿和钻头中心的切削齿磨损较轻,如图3所 示。