PDC钻头设计课件
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特殊井PDC钻头
的平均 钻井扭 矩会 带来更 大 的井 下扭矩 波动 。如果钻 柱柔 性 又很 高 的话 ，则最 终 结果 是工 具 面极不 稳 定 。 另外 ，在定 向及水平段 ，因为钻 头轴线方 向的变化 ，切
削齿包 络线 上主切 削位置 和水力 喷射结 构也发 生 了改
变 。这就要 求钻 头 的工作 面要更 加趋 向扁平 ，弱化 内 扶正 效果 ；尽量缩 短钻头 长度 ，挖掘钻 具潜 在造斜 能 力 ；调整 钻头侧 切力系使 之更适 于偏 载工况 ；弱化单 齿 功率并 提 高切 削齿抗 冲击 韧性 。
到特定 区域 的布齿 密度平衡 、受力 动态矢 量平衡 ；二 图１ 布 齿示 意图
物质成分 的迁移和重结 晶 ，胶结致密 ，成岩效果好 ，可 钻性 差 。变 质岩一 般埋藏较 深 ，已经接 近储层 ，钻头
一
次入井应 尽量 多打进尺 。此种 情况下 主切 削齿可 采
用小 型齿 ；主 、副 切削齿错 位排 布 ；主 、副切 削齿 出 露 高度相 同 ；适合 配 以高转速 、低 钻压 的钻 井参 数 ； 可采 用浅锥 头型 、小直径 型复合 片 的主体设计 。此 基 础结 构接近 磨鞋 ，单片 的抗 冲击 性更 强 ，使 钻头具 有 高抗 研磨 的特性 ；长刀翼 肩部 配置错 位副齿 ；保径 位 置 配置减 震 托 。此 设计 使该 钻头 的布齿 密度达 到 了 ４ 级 以上 ，再 配合 高转速 ，使尽 量减小 单齿切 削功率 成
３ 现 场试 验情 况
３ ． １ 冀 东油 田
在含有玄武 岩的冀东南 堡油 田进行 了 ４ ， ３ １ １ ． １ ５ ｍｍ
钻头 的试验 工作 ，先后试 验 了 ３种型号 的钻 头 ，试 验
情 况如下 ：
速 。所 以 ，此种 情况 下 ，可 以选择 五刀翼 、大型 复合 片的主体思路 。主刀翼可 由多种齿形组合 而成 ；主 、副 齿 错位排 布 ；主 、副齿 呈 阶梯式 出露 ；适 合配 以低 转
削齿包 络线 上主切 削位置 和水力 喷射结 构也发 生 了改
变 。这就要 求钻 头 的工作 面要更 加趋 向扁平 ，弱化 内 扶正 效果 ；尽量缩 短钻头 长度 ，挖掘钻 具潜 在造斜 能 力 ；调整 钻头侧 切力系使 之更适 于偏 载工况 ；弱化单 齿 功率并 提 高切 削齿抗 冲击 韧性 。
到特定 区域 的布齿 密度平衡 、受力 动态矢 量平衡 ；二 图１ 布 齿示 意图
物质成分 的迁移和重结 晶 ，胶结致密 ，成岩效果好 ，可 钻性 差 。变 质岩一 般埋藏较 深 ，已经接 近储层 ，钻头
一
次入井应 尽量 多打进尺 。此种 情况下 主切 削齿可 采
用小 型齿 ；主 、副 切削齿错 位排 布 ；主 、副切 削齿 出 露 高度相 同 ；适合 配 以高转速 、低 钻压 的钻 井参 数 ； 可采 用浅锥 头型 、小直径 型复合 片 的主体设计 。此 基 础结 构接近 磨鞋 ，单片 的抗 冲击 性更 强 ，使 钻头具 有 高抗 研磨 的特性 ；长刀翼 肩部 配置错 位副齿 ；保径 位 置 配置减 震 托 。此 设计 使该 钻头 的布齿 密度达 到 了 ４ 级 以上 ，再 配合 高转速 ，使尽 量减小 单齿切 削功率 成
３ 现 场试 验情 况
３ ． １ 冀 东油 田
在含有玄武 岩的冀东南 堡油 田进行 了 ４ ， ３ １ １ ． １ ５ ｍｍ
钻头 的试验 工作 ，先后试 验 了 ３种型号 的钻 头 ，试 验
情 况如下 ：
速 。所 以 ，此种 情况 下 ，可 以选择 五刀翼 、大型 复合 片的主体思路 。主刀翼可 由多种齿形组合 而成 ；主 、副 齿 错位排 布 ；主 、副齿 呈 阶梯式 出露 ；适 合配 以低 转
第5章 PDC钻头水力参数优化设计方法
第5章 PDC钻头水力参数优化设计方法第5章pdc钻头水力参数优化设计方法第五章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5~10l/s，而泵压一般低2~3mpa。
图5-1和图5-2显示了通过现场数据统计分析得出的牙轮钻头和PDC钻头ROP和位移之间的关系。
可以看出，PDC钻头的机械钻速随排量的增加几乎呈线性增加。
对于牙轮钻头，当位移超过一定值（25L/s）时，机械钻速几乎不会增加。
1025820156410机械钻速/m/h2图5-1排量对牙轮钻头钻速的影响图55-1排量对pdc钻头钻速的影响00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0510152025303540252627282930313233理和结构不同。
排量/l/s排量/l/s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牙轮钻头的破岩作用图5-3 PDC钻头的破岩作用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。
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钻头选型
1. Bond Failure (BF)---粘结层脱落
原因: 1. 选型不合理； 2. 钻压过大；硬夹层； 3. 井底造型不得当； 4. 冲击载荷过大；操作不当； 5. 钻头跳动．
措施: 1. 选硬型号钻头； 2. 合理钻压；使用减震器； 3. 小钻压，低转速，＞６英寸； 4. 合理钻井操作； 5. 调整钻井参数．
9. Junk Damage (JD)---落物损坏
原因: 1. 地面落物，如钳牙，小工具等； 2. 钻具上的落物，如稳定器翼； 3. 上一只钻头的掉齿；本只钻头的落物； 4. 套管附件等； 5. 斜向器以及套管窗口等．
措施: 1. 反循环打捞蓝，磁性打捞器等； 2. 磨鞋等； 3. 随钻打捞杯等； 4. 磨鞋等； 5. 铣锥，磨鞋等．
5. Chipped Cutter (CT)---齿缺损
原因: 1. 选型不合理－钻头偏软； 2. 钻压过大；转速过高；硬夹层； 3. 井底造型不得当； 4. 冲击载荷过大；操作不当； 5. 钻头跳动；热龟裂．
措施: 1. 选硬型号钻头；耐冲击齿； 2. 合理钻压和转速；使用减震器； 3. 小钻压，低转速，＞６英寸； 4. 合理钻井操作； 5. 调整钻井参数．
11. Lost Nozzle (LN)---掉喷嘴
原因: 1. 装喷嘴程序不当； 2. 喷嘴型号不合适； 3. 固相含量高引起水眼冲蚀； 4. 钻头工作时间过长； 5. 钻头泥包致使在喷嘴锁定松动．
措施: 1. 按规定程序装喷嘴； 2. 喷嘴型号与水眼要一致； 3. 降低固相含量； 4. 把握好钻头工作时间； 5. 防钻头泥包．
14. Ring Out (RO)---磨环
原因: 1. 选型不合理－钻头偏软； 2. 钻压过大；落物损坏； 3. 井底造型不得当； 4. 工作时间过长；冲蚀； 5. 钻头跳动．
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]。
PDC_钻头磨损分类PPT教案
４. Cored (CR)---磨心
原因: 1. 井底造型不得当； 2. 落物损坏；冲蚀；钻压过大； 3. 选型不合理－钻头偏软； 4. 操作不当；使用时间过长； 5. 钻头跳动．
措施: 1. 小钻压，低转速，＞６英寸； 2. 合理选择钻压；使用减震器； 3. 选硬型号钻头；耐研磨抗冲击齿； 4. 合理钻井操作； 5. 调整钻井参数．
３. Balled Up (BU)---泥包
原因: 1. 粘性地层（水解性粘土等）； 2. 水力参数不合理； 3. 喷嘴组合不合理； 4. 操作不当（钻压大，井眼清洗）； 5. 钻头选型不合理；泥浆性能不佳．
措施: 1. 针对粘性地层的钻井措施； 2. 优化水力参数； 3. 高比水马力； 4. 合理钻井操作； 5. 合理钻头选型；抑制性泥浆．
松扣 天气变化 刺钻具
谢 谢 大 家 !!!
16. Worn Cutter (WT)---齿磨损
原因: 1. 选型不合理－钻头偏软； 2. 转速过高，加速磨损； 3. 钻头工作时间过长； 4. 水力清洗不好．
措施: 1. 选硬型号钻头；耐磨损齿； 2. 合理选择转速； 3. 缩短工作时间，或选长寿命钻头； 4. 增加水力能量，改善水力清洗；
12. Lost Cutters (LT)---齿脱落
原因: 1. 钻压过大，超过齿焊接承受力； 2. 冲蚀；胎体脱落； 3. 氢脆裂纹；腐蚀； 4. 钻头震动；操作不当； 5. 齿焊接缺陷；工作时间过长．
措施: 1. 合理使用钻压； 2. 优化水力；调整钻井参数； 3. 改变钻井环境； 4. 合理钻井操作； 5. 提高焊接质量；选择长寿命钻头．
PDC_钻头磨损分类
会计学
1
八参数磨损分级体系
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。
PDC钻头讲稿
PDC钻头培训教案
主讲：李向亮
技术公司第三技术服务部
第一部分 PDC钻头基本情况
PDC钻头的含义 PDC钻头的发展
PDC钻头的特点
PDC钻头在钻井作业中的应用 PDC钻头使用背景 PDC钻头的工作原理
PDC钻头的含义
PDC 钻头全称:人造聚晶金刚石复合片钻头
P:Polycrystalline D:Diamond C:CompactPDC复 Nhomakorabea片磨损机理
• 理论分析认为,复合片在一定的条件下, 即不发生热磨损及破坏性机械损坏的 状况下,保持正常的、缓慢的、逐渐的 磨蚀性磨损状态。(1)复合片与井底接 触面上的压力均匀地分布在聚晶层和 碳化钨基体上,接触面是一平面;(2)复合 片的磨损量是微量的;(3)摩擦功与复合 片磨损体积成正比;
胎体钻头
钢体钻头
PDC钻头的结构
PDC 钻 头 主 要由钻头体、切 削齿、喷嘴、保 径面和接头等组 成。
PDC钻头的保径结构
主动保径 (保径齿) 被动保径 (保径块)
PDC钻头的冠部剖面形状
PDC钻头冠部剖面的几何形状影响钻头的稳定性、 井底清洗、钻头磨损、钻头各部位载荷分布。钻头冠部 剖面形状一般包括内锥、鼻部、侧面、肩部及保径五个 基本部位。常见的形状如下图。
在地层条件相同的情况下，PDC钻 头与牙轮钻头相比，机械钻速（ROP） 可以提高33%-200%，成本降低30%50%，单只钻头进尺可以增加3-4倍。 有专家对不同岩石进行的硬质合金 钻头、PDC钻头和金刚石钻头的机械钻 速测试从图中可以看出PDC钻头在4-8.5 级地层中比硬质合金钻头和金刚石钻头 具有更高的机械钻速。
外锥
PDC钻头轮廓结构
采用攻击型轮廓，内锥轮廓高度基本等 于外锥轮廓高度，该轮廓设计既保证钻头能 吃入硬夹层，且钻头钻出硬夹 层时钻头齿 不损坏，并且延长钻头齿的寿命即钻头寿命。
主讲：李向亮
技术公司第三技术服务部
第一部分 PDC钻头基本情况
PDC钻头的含义 PDC钻头的发展
PDC钻头的特点
PDC钻头在钻井作业中的应用 PDC钻头使用背景 PDC钻头的工作原理
PDC钻头的含义
PDC 钻头全称:人造聚晶金刚石复合片钻头
P:Polycrystalline D:Diamond C:CompactPDC复 Nhomakorabea片磨损机理
• 理论分析认为,复合片在一定的条件下, 即不发生热磨损及破坏性机械损坏的 状况下,保持正常的、缓慢的、逐渐的 磨蚀性磨损状态。(1)复合片与井底接 触面上的压力均匀地分布在聚晶层和 碳化钨基体上,接触面是一平面;(2)复合 片的磨损量是微量的;(3)摩擦功与复合 片磨损体积成正比;
胎体钻头
钢体钻头
PDC钻头的结构
PDC 钻 头 主 要由钻头体、切 削齿、喷嘴、保 径面和接头等组 成。
PDC钻头的保径结构
主动保径 (保径齿) 被动保径 (保径块)
PDC钻头的冠部剖面形状
PDC钻头冠部剖面的几何形状影响钻头的稳定性、 井底清洗、钻头磨损、钻头各部位载荷分布。钻头冠部 剖面形状一般包括内锥、鼻部、侧面、肩部及保径五个 基本部位。常见的形状如下图。
在地层条件相同的情况下，PDC钻 头与牙轮钻头相比，机械钻速（ROP） 可以提高33%-200%，成本降低30%50%，单只钻头进尺可以增加3-4倍。 有专家对不同岩石进行的硬质合金 钻头、PDC钻头和金刚石钻头的机械钻 速测试从图中可以看出PDC钻头在4-8.5 级地层中比硬质合金钻头和金刚石钻头 具有更高的机械钻速。
外锥
PDC钻头轮廓结构
采用攻击型轮廓，内锥轮廓高度基本等 于外锥轮廓高度，该轮廓设计既保证钻头能 吃入硬夹层，且钻头钻出硬夹 层时钻头齿 不损坏，并且延长钻头齿的寿命即钻头寿命。
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– 稳定性差； – 金刚石覆盖率低。
• 鼻部定义
鼻部位置定义
L
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10° 30°
• 攻击性较弱，适合于 较硬地层，机械钻速 低。
典型使用的后倒角
•
角
– 5° to 10°
后倒
• 地层硬度特性
– 非常软的粘土和泥岩。 – 高 ROP
– 15°
– 适合所有地层。 – 最好的应用是在软地层中shale)
– 20°
– 适合所有地层 – 切削片寿命长 – 最好是用在研磨性的砂岩地层 – 比较硬的地层 – 典型的应用在保径部位
– 30°
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后倒角的布置
15°
L
肩部，外径曲面和保径
• 保径
– 从鼻部外缘线到过渡面的曲面部分。
– “外径曲面” 保持肩部和保径部分之间光滑的 曲面。
• 肩部
• 外径曲面
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• 平抛面常用在较硬且研磨性弱的地层；而长 抛面常用在较软而且研磨性很强的地层。
钻头冠面的类型
平抛面
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20°
25 °
Back Rake
稳定性特性影响因素介绍
•
•
•
•
•
•
•
力平衡
– 多套切削特点
切削结构
刀翼分布
钻头冠面特点
Lo-Vibe (可选)特性
– 单套切削结构 - New IDEAS2
刀翼和保径几何形状
特殊切削结构 (e.g.: ARCS)
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钻头冠面的类型
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短抛面 平抛面
– 外径弧面
保径部分 外径弧面
锥形面
鼻部
肩部
锥面角
• 顶点 –钻头的几何中心点
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• 注：钻头的剖面设计必须与钻井环 境需要相匹配
• 钻头剖面直接影响到以下性能:
– 肩部
– 鼻部
– 顶点
– 锥形面
钻头剖面结构组成
• 钻头剖面包括:
– 保径部分
顶点
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径形状，低磨阻块等；
震动可能是由于钻头的特征产生的。
不可见特征包括：力平衡，复合片性能
可见的特征包括：刀翼形状和布置，保
有些特征是可见的，而有些是不可见的。
切削结构
定义: 通过独特的设计，来布置PDC 复合片从 而达到预期的性能和寿命。
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• 锥面 – 通常用角度来表示特点：
– 深锥面 (~90°) – 浅锥面 (~150°)
• 优点：
深锥面特点
• 不足之处：
– 较高的稳定性 – 中心区域的金刚石覆盖率大
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6 blades / 16mm cutters 12.25” M616VPX, ER20091
30°
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应用： • 硬且中等研磨性地层 (Ej.: Calcareous sandstone, limestone, cherts) • 典型的定向作业
钻头冠面的类型
中抛面
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– 有助于钻头稳定和保持井眼尺寸。
钻头冠面的类型
• 4 种常规类型：
– 平抛面 – 短抛面 – 中抛面 – 长抛面
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切削结构
•
•
•
•
加强稳定性特征
和结构等。
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r
R
鼻部与中心距离的关系
ห้องสมุดไป่ตู้
• 鼻部与保径部位距离近 可给钻头冠部提供更大 冠面面积 从而得到更好 的冲击能力， • 适合比较硬的 地层
• 鼻部与中心距离小可提 供给肩部更大的表面面 积和布齿密度， – 适合软但是研磨性强 的地层
L
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• 理解钻头剖面结构
• 剖面结构对钻头性能的影响
• 新的设计软件的应用 - IDEAS
钻头剖面
– ROP
– 钻头寿命
– 布齿密度
– 钻头稳定性
– 钻头导向性
– 清洗和冷却效果
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应用： •硬，非研磨性地层 •(Ej.: L石灰岩，白云岩) • 强力定向作业
钻头冠面的类型
短抛面
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长抛面 中抛面
后倒角
• • • • •
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