PDC钻头设计基础
PDC钻头设计
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°。
贝克休斯PDC Design
2000 2200 入井及出井深度(m) 2400 2600 2800 3000 3200 3400
入井及出井深度 (m)
2600
HCM506ZX HJT537GK 2700 M1376SR TD13M M1376SR HJT537GK 2800 2900 HJT537GK
入井及出井深度 (m)
2300 HCM505ZX 腰深3井 12.25"泉头组钻头表现 2300 HJT537GK HCM506ZX *2115~3533米 HJT537GK M1376SR 2500 2500 M1376SR 2700
Ridge Set Cone:
– Aggressive & durable – Most commonly used
Radial Set Cone:
PDC
– Most durable cone – Used in hardest impreg applications
Ridge Set
Radial Set
28
平滑切削的效应
扭矩与钻压的关系
2,600 2,400 2,200 2,000 1,800 1,600
扭矩 扭矩(ft-lb)
1,400 1,200 1,000 800 600 400 200 0 0 5,000 10,000 15,000
Carthage (UCS = 15 kpsi) Bedford (UCS = 6 kpsi) )
27
Laboratory Verification
0.040 in/rev
0.160 in/rev
Computer simulation of bearing contact
Slight bearing contact at low depth-of-cut, more bearing contact at higher depth-of-cut
pdc取芯钻头的结构
pdc取芯钻头的结构PDC取芯钻头是一种常用于钻探岩石、石油、天然气等地下资源的工具，其独特的结构使其具有高效、耐用和精确的钻孔能力。
下面将通过介绍PDC取芯钻头的结构及其主要组成部分来详细了解这一工具。
首先，让我们来了解PDC取芯钻头的结构。
PDC是Polycrystalline Diamond Compact（多晶金刚石）的简称，取芯钻头的结构就是以该种材料作为切削刃的主要部件。
这种材料具有优异的硬度和抗磨性，能够在钻探过程中有效切削岩石。
PDC取芯钻头通常由钻杆接头、连接体、切削刃和支撑体四个主要组成部分构成。
钻杆接头是PDC取芯钻头连接到钻杆上的部分，通常采用螺纹连接或者直接焊接。
其设计合理的连接方式能够保证钻头的稳定与可靠性，在高强度、高扭矩的作业环境中发挥重要作用。
连接体位于钻头和切削刃之间，起到连接和传递扭矩的作用。
合适的连接体设计能够使得钻头能够承受较大的压力，并将扭矩传递给切削刃，以实现钻探的目的。
切削刃是PDC取芯钻头最重要的部分。
它是由多晶金刚石层和钎焊层组成。
多晶金刚石层具有超高硬度和出色的切削性能，可用来切削各种类型的岩石。
钎焊层是将多晶金刚石层连接到连接体上的部分，起到固定和加固刃体的作用。
切削刃的设计和制造工艺直接影响着钻头的钻探单位功和使用寿命。
在切削刃的下方，支撑体起到支撑和稳定切削刃的作用。
支撑体通常由钢或者硬质合金制成，具有较高的强度和韧性，能够在高负荷工况下保证钻头的稳定性和持久性。
PDC取芯钻头的结构设计不仅需要考虑各个部件的功能和性能，还需要根据具体的钻井条件和需求来进行优化。
例如，在不同的岩石类型和井深下，可以选择不同尺寸、形状和密度的切削刃；钎焊层的材料和焊接工艺也需要根据钻井条件进行合理选择，以提高钻头的使用寿命和效率。
总之，PDC取芯钻头是一种结构复杂、功能多样的工具。
合理的结构设计和优质的材料选择能够使其具有高效、耐用和精确的钻孔能力。
钻井工程人员在选购和使用PDC取芯钻头时应根据具体需求和工况选择合适的规格和型号，并严格按照使用说明操作，以保证钻探工作的顺利进行。
pdc钻头
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钻头设计方法及软件编制
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]。
第5章-PDC钻头水力参数优化设计方法精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版第5章 PDC 钻头水力参数优化设计方法在机泵条件一定的情况下，水力参数优化设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径和钻井泵的压力和排量。
5.1 泵压和排量对PDC 钻头机械钻速的影响现场实践表明，泵压和排量对PDC 钻头和牙轮钻头机械钻速的影响规律不同。
在泵功率一定的条件下，对PDC 钻头来说，排量对钻速的影响更为重要；而对牙轮钻头来说，泵压对钻速的影响更为重要。
因此，PDC 钻头趋向于使用较大排量和较低泵压，而牙轮钻头则趋向于使用较高泵压和较低排量。
在相同地层用相同尺寸钻头钻进，PDC 钻头所用排量一般比牙轮钻头高5~10 L/s ，而泵压一般低2~3MPa 。
图5-1、图5-2是由现场资料统计分析得出的牙轮钻头与PDC 钻头的机械钻速与排量的关系。
可以看出，PDC 钻头的机械钻速随着排量的增大几乎线性增长。
而对牙轮钻头，排量超过一定值（25 L/s ）后，机械钻速几乎不再增加。
图5-1 排量对牙轮钻头钻速的影响 图5-1 排量对PDC 钻头钻速的影响泵压和排量对牙轮钻头和PDC 钻头的影响不同，是因为两种钻头的破岩机理和结构不同。
牙轮钻头主要以冲击压碎的方式破碎岩石，在井底形成裂纹发育的破碎坑穴（图5-3），故需要的较大的水功率来清除破碎坑内的岩屑。
而且，射流水功率越大，辅助破碎岩石的效果越好。
然而，牙轮钻头的喷嘴距井底较远，射流能量衰减严重，故需要较高的泵压（钻头压降）来补偿射流能量损失。
图5-3 牙轮钻头破岩作用 图5-3 PDC 钻头破岩作用PDC 钻头的喷嘴距井底只有30~40mm ，一般小于射流等速核长度（等速核长度约为喷嘴当量直径的4.8~5倍），射流能量可以得到有效利用。
PDC 钻头是以切削作用破碎岩石，岩屑直接被剥离井底，破岩效率高。
因此，使岩屑离开井0510152025252627282930313233排量/L/s机械钻速/m /h02468100510152025303540排量/L/s机械钻速/m /h底原位置并不困难，关键问题是有效地将岩屑清离井底。
PDC钻头设计与优选技术
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。
PDC钻头设计制造技术
钻头水利模拟分析 Hydraulic Analysis
模拟钻头水利效果，优化钻头喷嘴设计 Hydraulic Simulation ，optimize the nozzles design
3.1、PDC钻头设计技术
切削齿力平衡设计
渤海中成PDC钻头设计技术
通过计算机工况防真分析，对每一个切削 齿进行受力分析，通过调整刀翼螺旋角度。将 轴向与径向不平衡力的比在理论上控制在1%以 内，使钻头在井底的工作更加平稳。
优化钻头水力破 岩效果及钻头清 洁能力
3.1、PDC钻头设计技术 哈里伯顿-SDBS三维设计技术
DxD软件工作流程
钻具组合 & 钻井模式
钻井参数，钻压/机 械钻速, 转速, 狗腿度,
钻具倾斜长度
地层信息
输入数据
输出数据
钻头受力
钻压 钻头扭矩波动
钻头漂移
漂移趋势 漂移力
钻头定向性能 造斜率 &定向力
贝克休斯实验测试区(BETA) BETA座落于美国俄克拉荷马
的南部，是休斯克里斯坦森的母公 司贝克休斯创建,配备了世界上最 新最复杂的实时数据采集系统。借 助测试系统工程师不仅可以有效检 测每个变量，还可以对基于频率的 数据和基于时间的数据进行数字分 析。
3.3、PDC钻头检测试验技术
贝克休斯
钻井技术实验室 休斯克里斯坦森在改进机械钻速、优化金刚
更改作业参数的功能是该软件的独到之处，休斯公司是针对具体钻头定制的应 用软件考虑了作业条件随深度增加发生的重要变化，其中包括钻井液比重、粘度以 及增加的钻管磨擦力等。
井底流场模拟水力平衡设计（CFD） 流体效能对于最大化岩屑去除
能力和降低钻头形成泥包的趋势至关 重要。每个GenesisXT设计的液压配 置均通过专有的CFD流程来确保钻井 液流动、切削齿冷却和耐磨能力之间 的完美平衡。