关于PDC钻头破岩效率的研究
pdc钻头破岩规律分析
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.
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]。
双级PDC钻头的理论及试验研究
双级PDC钻头的理论及试验研究随着深井和超深井的增多,φ311mm及更大直径井段增多,提高深井大直径井段的机械钻速已成为一个急需解决的主要问题。
双级PDC钻头通过钻出一段小井眼释放地层应力和产生一大的自由面,有效提高机械钻速。
本文对双级PDC钻头进行较全面研究具有重要意义。
①在岩土开挖及有限元的理论和方法的基础上,建立了双级PDC钻头和常规PDC钻头的井底有限元模型。
提出用3个时间步较真实地模拟了开钻前、钻进过程中和井底形成后3种状态下的井底应力场,编写了有限元分析程序。
经分析得到了一系列钻头的井底应力场。
对比双级PDC钻头和常规PDC钻头的井底应力场,研究了其提高机械钻速的力学机理。
通过对比不同导眼体直径的双级PDC钻头的井底应力场,优选出导眼体直径。
②应用非牛顿流体力学、钻柱水力学和钻头水力学的理论,推导出了双级流量分配的方程组及参数影响的简化公式,编写了双级流量分配和喷嘴组合设计程序。
经参变分析得出:导眼体分流流量随扩眼体喷嘴组的当量直径的增大而减小,随导眼体喷嘴组的当量直径的增大而增大,随级间段长的加长而减小的影响规律和曲线,和随其它参数变化影响的幅度。
进而提出了双级流量分配的基本原则。
③应用有限元方法和间隙元法思想,以全井钻柱为研究对象,提出钻头与地层接触为弹性接触的假设和用现代多向间隙接触理论实现间隙元的思想,建立了双级PDC钻头和常规PDC钻头的钻具组合的有限元分析模型。
通过真实PDC钻头的性能模拟和曲线拟合,考虑钻头与地层的摩阻推导出PDC钻头扭矩预测公式;提出用迭代方法计算零钻压下的悬重和给定指重表钻压下的钻头钻压,较真实地模拟钻井的钻压-扭矩响应、稳定或振荡过程;考虑泥浆浮力、钻井液阻力偶、钻柱-井壁摩擦力及扭矩、钻头扭矩等边界条件,编写了有限元分析程序,研究了双级PDC钻头的井底钻具组合的井斜控制特性。
分析双级PDC钻头的塔式钻具组合和塔式钟摆钻具组合得出:在小井斜和较大井眼扩大系数下,双级PDC钻头与塔式(钟摆)钻具组合配合使用具有较好的防斜作用。
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。
优选PDC钻头提高钻井速度的浅析
浅谈优选PDC钻头提高钻井速度[引言]提高机械钻速是一个复杂的综合性课题，它不仅受地质条件的影响，还要受地面设备、钻具、钻头选型、钻井液密度和钻井参数等多种因素的影响。
近年来，由于PDC钻头在设计技术和操作方面的较大改进使得人们也越来越喜欢使用PDC钻头。
在2000年，PDC钻头的钻井进尺仅占总钻井进尺的26％，2003年增加为50％，而2006年PDC钻头的钻井进尺已经占到总钻井进尺的60％。
本文针对PDC 钻头特性分析，仔细分析其在胜利油田适宜和不适宜钻进的地层岩性，给出了钻头选型及钻井参数选择原则，并对应用效果进行了浅析。
希望对以后类似地层井段钻头选型具有一定指导意义。
1．PDC钻头的特征分析PDC钻头是用人造聚晶金刚石切削齿(复合片齿柱)钎焊于钻头胎体(或银嵌于钻头钢体)上而成的一种新型切削型钻头。
由于它在钻井过程中具有独特的自锐-剪切破岩机理，能量消耗少，无活动件，耐冲蚀性能强，对压差敏感小，适应各种钻井液等特点，在低钻压下不仅可获得高钻速和高进尺，而且工作平稳，使用寿命长，成为快速钻井中高效、经济、安全的优良钻井工具。
为此，在钻井现场使用PDC钻头前要作好其特征分析，为优选作好准备。
1. 1布齿特征刮刀式布齿方式是将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线和螺旋线布置在胎体刮刀上，在适当的位置布置喷嘴或水眼，每个喷嘴或水眼起到冷却或清洗一个或两个刮刀片上的切削齿的作用。
采用这种布齿方式的PDC钻头具有整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强的特点。
单齿式布齿方式是将切削齿单独布置在钻头工作而上，在适当的地方布置喷嘴或水眼，泥浆从喷嘴流出后，切削齿受到清洗和冷却，同时也起到阻流与分配液流的作用。
这种结构的布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力控制能力低，容易在粘性地层泥包。
组合式切削齿的布置方式采用直线刮刀式和成组式相结合的方式，在适当的地方布置喷嘴或水眼。
大港油田个性化PDC钻头破岩技术试验
2019.25科学技术创新大港油田个性化PDC 钻头破岩技术试验晏加刚（中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一钻井分公司，天津300280）1大港油区地层主要岩性特点PDC 钻头对地层的适应性:平原组主要是散砂。
明化镇组（Nm ）明上段地层岩性以灰色、浅灰色砂岩为主，夹薄层泥岩，砂岩地层厚度发育较大并且集中，一般为细粒砂岩，个别为粉砂；泥岩厚度小，造浆性强。
由于储层的发育，目前未见明显的含油层系。
泥岩厚度较小，对油气的遮挡不太有利。
砂岩为高电阻值特征，厚层为块状。
Nm 下段地层岩性以棕色、灰黄色泥岩为主，夹灰色细砂岩，砂岩厚度小且不集中，其差异是与上段地层明显的区别。
砂岩具有较好的储集空间，泥岩厚度较大，可作为盖层。
在Nm 地层PDC 钻头钻进过程中经常发生泥包现象，设计钻头使用时宜选用刀翼少，刀翼间距大，复合片较大的PDC 钻头提高机械钻速，尽量选择较大的排量，以满足钻头自洗和携砂需要。
馆陶组(Ng)主要岩性为灰白色含砾砂岩、砂岩夹灰绿色泥岩，其底部发育一套杂色砾岩，是黄骅凹陷第一套地层标准层。
Ng 划分了三个油组，既Ng Ⅰ油组、Ng Ⅱ油组及Ng Ⅲ油组，该组地层与上腹Nm 地层的区别是砂岩胶结松散，粒级明显变粗，泥岩为灰绿色，局部个别区块在Ng Ⅱ油组夹杂有棕红色泥岩。
由于砂砾岩岩性胶结疏松，岩屑一般呈散砂状，观察岩屑显示较困难，甚至造成某些油层的岩屑含油级别非常低。
在Ng Ⅱ油组部分地区可见黄铁矿矿物，随着黄铁矿含量的升高会导致油层电阻降低。
Ng 上部地层适合复合片大、复合片数量多、后倾角大的PDC 钻头快速钻进。
下部地层多含砾岩，对PDC 钻头齿损害较大，所以不适合使用PDC 钻头钻进，一般钻进过程中钻时变慢、扭矩增大、有憋跳严重时起钻换牙轮钻头穿馆陶底砾岩。
东营组（Ed ）以大段泥岩夹砂岩为主，局部夹薄层灰色生物灰岩，中部为深灰色泥岩与灰质砂岩互层，个别区域可见暗紫色泥岩。
此地层上部Ed 主要使用19mm 尺寸四刀翼的PDC 钻头。
PDC钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究
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。
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【 关键词 】 Ｐ ＤＣ钻 头 ； 破 岩效率 ； 研 究
在进行钻井的时候 ，经过实践证明，影响 Ｐ Ｄ Ｃ钻头性能 的主要
压下的变化规律大致上都是一样的， 仅 仅在 平均钻速上有 点儿差异 。 参数是布齿密度 、后倾角 与切 削齿 的尺 寸，这些参数能够直接影响
到Ｐ Ｄ Ｃ钻头 的破岩效 率。当前，在 设计 Ｐ Ｄ Ｃ钻头的时候 ，在大多数 情况下 ，设计人员仅仅是靠 自己的经验 来设计布齿密度、后倾角与 切削齿的尺寸 。例如 ，在软地层使 用尺 寸较 大和 密度较低的布齿 ，
高。
钻 头质量的好 坏能够决定钻井的 费用支 出、钻 井的质量和钻进 的速
度。其 中， 金刚石钻头 当中比较重要的一种是 Ｐ Ｄ Ｃ钻 头， 在钻压 比 较低的情况下 ， Ｐ Ｄ Ｃ钻 头具有较好的钻速与进尺 ，因此被得 以普遍 的使用 。 影响 Ｐ Ｄ Ｃ钻头性能的主要参数是布齿密度、 后倾 角与切 削
高新技 术
关于 Ｐ Ｄ ０ 钻头破岩效率 的研究
黄 立
（ 胜利石油管理局黄河钻井总公司管具公司 ）
【 摘 要】 在 钻进 的时候 ，所使用的破岩 的主要 工具是钻 头，
齿的数 目。 针对 比较松软 的地层 ，在确保井覆盖标准 的前提条件下 ， 应当尽可能地设计和使密度 比低的布齿钻头 ，以使破岩效率大大提
由此可见 ，当使用 Ｐ Ｄ Ｃ钻头钻进三级 以下地层 的过程 中，使用 １ ９ ｍ ｍ 尺寸 的切削齿的破岩效率是比较高的；当使用 Ｐ Ｄ Ｃ钻头钻进 Ｖ级与 Ⅳ级地层 的过程 中，使用 １ ６ ｍ ｍ尺寸 的切 削齿 的破岩效率是 比较高 的 因此 ，倘若岩石 的可钻性级值 比较 高，那么就 需要使用小直径 的切削齿实施钻进。
。 、
１ ５ 。、２ ０ 。、２ ５ 。，设计的试验 钻头数 目是 ２ １个。在准备岩石
样本上 ，为使试验设计 的重 复性 与对 比性较好，实验所使用的是人 造岩石样本 ，以水泥作为主要 的材料 ，制作 出了三种不一样的岩石 样本，各 自代表着极软 、软与 中的三类不一样的地层 。
候， 倘若使用尺 寸比较大 的切 削齿 ， 切削齿钻进岩石是比较 困难 的。
在硬地 层使用 尺寸 较小和 密度较 高 的布 齿 ，后 倾角 的范围 一般是 ｉ ０ ￣３ ０ 。。当前 ，因 为缺少理论依据 ，所以在对 布齿密度、后倾角
与切削齿的尺寸进行取值 的过程 中常常 是不确定的，不能合乎设计
Ｐ Ｄ Ｃ钻 头 的 标 准 。
１试验设计 的准备 工作 本人把试验钻头设计成 四刀翼钻头，它的直径是 １ ０ ０ ｍ ｍ的，设 计钻头 的剖面形状是 “ 直线一 圆弧一 直线 ”的，ｉ ５ 。的外锥角 ，１ ３ Ｏ 。的内锥 角，１ ３ ｍ ｍ的冠顶圆弧半径 ，３ ０ ｍ ｍ的冠顶旋转半径，设计切 削齿的直径是 １ ３ ． ４ ４ ｍ ｍ ，１ ５ ． ８ ８ ｍ ｍ ，１ ９ ． ０ ５ ｍ ｍ ，后 倾 角 的 值 是 ５ 。、１ Ｏ
５ 结 语
２ 钻进试验 的整个 过程 所使用的 Ｐ Ｄ Ｃ钻头试验 台架是 ３ Ｈ － ６ ５ ０ Ａ型的，这种试验 台架主
要有数 据采集、水利循环清洗 、液压控 制钻 压和 电机 的驱动旋转等 系统组成的。在钻进试验的过程中 ，固定住转速是 ６ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ，设计
的钻压 分别是 ４ ｋ Ｎ ，６ ｋ Ｎ与 ８ ｋ Ｎ ，使用清水作为循环 的介质 ，设计清
通过进一步分析和研究实验的结果发现 ，后倾角和切 削齿 的尺寸对 Ｐ Ｄ Ｃ钻头 的破岩效率能够产生很大 的影 响。其 中，后倾角 的范 围在
ｌ Ｏ 。～ｌ ５ 。之间的时候 ，或岩 石样本 的可钻性级值是 ３ ． ５的时候 ， Ｐ Ｄ Ｃ钻头的破岩效率是 比较高 的；当后倾角 的范 围在 １ ５ 。～２ Ｏ 。之 间的时候，或岩石样本的可钻 性级值是 ４ ． ６与 ５ 。 ８的时候，Ｐ Ｄ Ｃ钻 头的破岩效率是 比较高的 同时能够发现，切削齿的尺寸也能够对 Ｐ Ｄ Ｃ钻头的破岩 效率产 生 比较重大的影响 ，当切削齿的尺寸的直径 是 ｉ ３ ｍ ｍ 、１ ６ ｍ ｍ与 １ ９ ｍ ｍ 的时候，岩 石样本 的可钻 性级值各 自是 ３ ． ５ 、４ ． ６与 ５ ． ８ 。当岩石样 本的可钻性级值都是 ３ ． ５的时候， 平均钻速从低到高分别 是 １ ３ ｍ ｍ尺 寸的切削齿的 Ｐ Ｄ Ｃ钻头、１ ６ ｍ ｍ尺寸的切削齿的 Ｐ Ｄ Ｃ钻头和 １ ９ ｍ ｍ尺 寸的切削齿的 Ｐ Ｄ Ｃ钻头 ；当岩石样本 的可钻性级值是 ４ ． ６与 ５ ． ８的 时候，平均钻速从低到高分别 是 １ ９ ｍ ｍ的尺寸切削齿 的 Ｐ Ｄ Ｃ钻头与 １ ６ ｍ ｍ尺寸 的切削齿的 Ｐ Ｄ Ｃ钻头。通过比较得知，在钻压水平一样 的情况下 ，当抗钻 的阻力 比较小与可钻性级值 比较低 的时候 ，切 削 齿钻进岩石是 比较容 易的，因此 ，尺寸 比较大 的切 削齿的破岩效率 是 比较高的 ；反之 ，当抗钻 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ阻力 比较大与可钻性级值 比较高 的时
齿的尺寸 。本 文通过在 室内进行 Ｐ ＤＣ钻 头的试验 ， 从 布齿 密度 、后 倾角与切 削齿的尺寸这几个方 面对 Ｐ ＤＣ钻 头破岩 效率进行 了研 究。
４后倾角和切削齿 的尺寸对 Ｐ Ｄ Ｃ钻头破岩效率的影响
Ｐ Ｄ Ｃ钻头对 １ ＃ ， ２ ＃ 与３ ＃ 岩石样本在 ６ ｋ Ｎ 、８ ｋ Ｎ与 １ ０ ｋ Ｎ 的钻压 下 进行钻进的过程 中，钻速会受到后倾角和切 削齿 的尺寸的影响 。通 过对 １ ＃ ， ２ ＃ 与３ ＃ 岩石样本在不 同钻压下钻进的平均钻速 、后倾角和 切削齿的尺寸的分析和研究发现，Ｐ Ｄ Ｃ钻 头在 ６ ｋ Ｎ 、８ ｋ Ｎ与 １ ０ ｋ Ｎ钻
水流量是 ｌ １ Ｌ ／ ｓ 。全部试验 的过程主要可 以分为 以下两个阶段 ：第