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
随后的eg阶段，随着外载荷的进一步增大，pdc钻头重复着压裂和破碎的过程，完成一次完
整的破碎阶段。因此pdc钻头在破碎岩石过程中，压入深度与外加载荷不是成线性关系的，
载荷会有减小再增大的过程。当pdc钻头在垂直载荷下破碎岩石时，刚开始时在pdc底部产
生极限状态，从而压入一定深度，之后随着接触面积的增加，需要加大压力，随后产生裂隙，
进而产生大的破碎。当pdc钻头在水平力的作用下破碎岩石时，在切削端前面的压力分布是
不均匀的，当裂隙受到压力和拉力的同时作用时，裂纹会相互贯穿，形成一个大的剪切面。
在实际工作过程中，pdc钻进岩石不仅与外部载荷和岩石性质有关，而且与pdc切削片的数
量和空间排列方式有关，因此在布置pdc切片时，需要具有合适的距离，才能达到良好的切
削效果。
4 结论
岩石的破碎机理是钻探过程中的理论基础，用来设计长寿命的、高效率的和最佳的破碎
岩石的钻头。本文通过分析pdc钻头在垂直作用力和水平作用力下的pdc与岩石之间的接触
压力，并且简要分析了pdc钻头的破碎岩石机理，通过对pdc钻头的综合分析，在钻探过程
中，可以根据实际情况选用相应的pdc钻头，不仅提高了钻探工作效率，而且节约成本和资
源，提高材料的利用率。因此在以后的pdc钻头设计中，要与pdc钻头破碎理论相结合，推
动pdc钻头的发展。
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钻头的特点与合理使用的探讨
174PDC钻头代表了钻头的一个新的发展阶段。
这种钻头通过破碎岩石作用钻进岩石。
安全系数高，风险低。
金刚石复合片为聚晶片，后约1/32in，镶嵌在已植入钻头本体预先所钻的洞内的碳化物金属块里。
1 PDC钻头的结构PDC钻头结构有钢体与胎体两种类型，其中胎体钻头的材料为铸造碳化钨粉，经烧结制成钻头，在烧结时钻头工作面留下窝槽，然后再在窝槽上直接焊接复合片。
钢体钻头的材料为整块合金钢经机械加工铸成，然后在碳化钨齿柱上将复合片制成切削齿，并将切削齿镶嵌在钻头体上，保径部位也是将金刚石块或其他耐磨性材料镶嵌在钻头体上，为防止冲蚀，可在钻头工作面上喷涂一层耐磨材料。
PDC钻头工作面的几何形状其对钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部荷载的分布都有明显的影响。
钻头工作面性状有五个基本要素，包括顶部、内锥、肩部、侧面与保径。
2 PDC钻头的工作原理PDC钻头实际上就是微型切削片刮刀钻头，所以PDC 钻头的工作原理基本与刮刀钻头的基本相同，在软至中硬的地层中钻头通过剪切方式将岩石破碎，在较小的钻压下就能够完成高机械钻速。
由于聚晶金刚石层极薄（1mm）左右、极硬，且比碳化钨衬底的耐磨性高100倍以上，因此在切削岩石过程中刃口能保持自锐。
3 PDC钻头的特点PDC钻头特点主要有以下几个方面：即没有活动的零件，切削钻用能力强，钻头有较长的使用寿命，和比其它类型钻头相比较其机械钻速和抗冲击性更高，最适合于井下动力钻井。
获得极高的机械钻速，与牙轮钻头相比，PDC钻头本身没有活动件，可防止掉牙轮等井下事故与复杂情况的发生。
4 PDC钻头适用性PDC钻头主要在软至中硬地层中比较适用，地层有适度的研磨性，PDC钻头在砾石、燧石及大段不均质地层中应该避免使用。
同时根据地层的具体情况要选择合适的PDC钻头，当遇到硬且脆的地层则要选择布齿密度大、切削齿初刃小的钻头类型；遇到软土地层则需要选择布局密度小、切削齿初刃大的钻头，增加钻头的吃入深度以及有助于井底清洗，防止钻头泥包。
PDC钻头讲稿解析
2000 1500 1000
500 0
-500 0
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。
PDC复合片磨损机理
1.复合片磨损速度与岩石的岩性关系密切。 岩石抗压强度增加,岩石中石英含量及粒度 增大,复合片的磨损速度随之增大。 2.磨损速度与切削正压力的α次方成正比。 随正压力增加,破岩速度增大,同时磨损速度 也增大。正压力指数α值为0.93～1.62。 3.复合片磨损速度与切削线速度的β次方成 正比。切削线速线增加,磨损速度加快。切 削线速度指数β值为0.98～1.29。
PDC钻头轮廓结构
双锥轮廓钻头具有尖的鼻部和深 的内锥,适合于中到高密度布齿,适用于 钻进中到中硬地层。适合钻进多夹层 地层的钻头冠部轮廓形状,浅锥、双圆 弧冠部轮廓,外锥长度适中。这种双圆 弧形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。
人造聚晶金刚石复合片它由两层组成,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钻头的发展
20世纪的后半个世纪，钻探工业的 发展与金刚石钻头的发展密切相关。60 年代初，人造金刚石的应用大大推动了 金刚石钻探技术的发展，使钻探成本大 幅度降低，70年代，PDC钻头的兴起大 大提高了钻进效率，并在软-中硬地层中 得到广泛应用，随后热稳定PDC钻头的 发展，使之硬地层中的应用成为可能，
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钻头分析
PDC钻头英文：Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片钻头的简称。
是石油钻井行业常用的一种钻井工具。
PDC产品性能不断改进。
在过去的几年间，PDC切削齿的质量和类型都发生了巨大的变化。
如果将２０世纪８０年代的齿与当今的齿进行比较的话，差异是相当大的。
由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。
工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，以提高切削齿的韧性。
层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。
除了材料和制造工艺方面的发展以外，PDC产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。
现在，PDC产品已可被用于以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。
这种向新领域中的扩展，对金刚石（固定切削齿）钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。
8-1/2TD164A 4刀翼PDC钻头2TD194B 4刀翼PDC钻头8-1/2TD165A 5刀翼PDC钻头8-1/2TD196A 6刀翼PDC钻头9TD195A5刀翼PDC钻头9-1/2TD166A 6刀翼PDC钻头最初，PDC 钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。
但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC 钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。
PDC 钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC 齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。
由于钻头设计和齿的改进，PDC 钻头的可定向性也随之提高，这进一步削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。
目前，PDC 钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。
PDC 钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践:为了降低海上钻井作业成本、提高作业效率,开发了PDC 钻头厚层砾岩钻进技术.在保持普通PDC 钻头快速切削性能的基础上,通过优选新型高强度PDC 切削 齿、改进钻头切削结构提高钻头的整体强度,通过采用后倾角渐变、力平衡设计、加强切削齿保护等方法提高钻头的稳定性,并且在使用中通过优化钻具组合、采用 合理的钻井参数和"中低排量-中低转速-中高钻压"的平稳钻进模式预防PDC 钻头在砾岩段的先期破坏,有效延长了钻头在砾岩钻进中的寿命.应用该技术实现 了用PDC 钻头在辽东湾一次性钻穿馆陶组和东营组上部疏松地层中垂厚近80 m 的砾岩段,有的井钻穿砾岩段后又直接钻下部中硬地层至完钻井深.采用PDC 钻头厚层砾岩钻进技术,可以大量节省海上钻井作业时间,显著降低钻井费用.PDC 钻头工程技术措施石油钻井装备:1）、首先做好PDC 钻头的选型工作，钻头水眼、流道设计应利于排屑；2）、下入PDC 钻头之前，应充分循环泥浆，清洗井眼，防止起钻后滞留在井眼内的钻屑继续水化分散；3)、下钻时钻头不断刮削井壁，井壁上的泥饼或滞留于井内的钻屑会在钻头下堆积，到一定程度便会压实在钻头上，那么下钻中途进行循环，将钻头 冲洗干净也是有其必要的；4）、下钻过程中还应适当控制速度，防止钻头突然冲入砂桥，钻进一堆烂泥中；另外如果速度恰当，PDC 钻头会顺着上一只钻头所钻的螺旋形井眼轨道行 进，而不是在井壁上划拉下大量泥饼。
异形pdc齿切削破岩提速机理研究
异形pdc齿切削破岩提速机理研究
异形PC齿是一种具有独特齿形结构的刀具,主要用于矿山、建筑材料、航空航天等领域。
由于其具有较高的硬度、韧性和耐磨性,因此在破岩提速方面具有重要意义。
下面对异形PC齿切削破岩提速机理进行深入研究。
1. 破岩提速机理
破岩提速是指在矿山或建筑工程中,通过使用刀具切削或打磨等手段,加速岩石的破裂和分离,以达到提升生产效率和降低成本的目的。
破岩提速的关键在于提高刀具的切入能力和刀具表面的光洁度。
异形PC齿刀具的切削能力主要取决于其设计和材料质量。
通过优化刀具的齿形和结构,可以提高刀具的切入能力,使刀具能够更有
效地穿透岩石。
此外,通过提高刀具的硬度和韧性,可以提高刀具的耐用性,减少刀具的磨损和断裂,从而延长刀具的使用寿命。
2. 破岩提速影响因素
异形PC齿切削破岩提速的影响因素包括以下几个方面:
(1)刀具材料:刀具材料的硬度、韧性和耐磨性等因素都会影响刀具的切削能力和耐用性。
(2)刀具设计:刀具的齿形、角度和长度等因素都会影响刀具的切入能力和切削效果。
(3)切削温度和压力:切削温度和压力等因素都会影响刀具的磨
损和断裂,进而影响破岩提速效果。
(4)岩体性质:岩体的性质(如硬度、韧性、含水量等)也会影响破
岩提速效果。
3. 结论
异形PC齿刀具在破岩提速方面具有重要作用。
通过优化刀具的齿形和结构,提高刀具的切入能力,以及控制切削温度和压力等因素,可以提高刀具的破岩提速效果,从而提高生产效率和降低成本。
浅谈PDC钻头的使用资料课件
推动PDC钻头技术的创新发展，研究新的制备方 法和加工技术，提高生产效率和质量。
3
人才培养
加强专业人才的培养和引进，建立完善的人才激 励机制，为PDC钻头技术的持续发展提供人才保 障。
THANKS
感谢观看
详细描述
PDC钻头的安装步骤包括检查钻头、选择合适的钻头、涂抹润滑剂、逐渐紧固 等步骤。在拆卸时，需要使用合适的拆卸工具，并按照正确的拆卸顺序进行。
PDC钻头的操作规程
总结词
PDC钻头的操作规程是确保使用安全和提高使用效果的关键，需要遵循一定的步 骤和注意事项。
详细描述
PDC钻头的操作规程包括选择合适的转速和进给速度、检查冷却液是否充足、避 免过度负载等步骤。在使用过程中，需要密切关注钻头的运行状态，及时调整参 数或采取必要的措施。
钻头跳动的问题及解决方案
总结词
PDC钻头在工作中如果出现跳动，会导 致钻进不平稳，影响工作效率和钻头寿 命。
VS
详细描述
PDC钻头跳动的原因可能是由于钻头与岩 石的摩擦力不平衡，或者由于钻进参数选 择不当。为了解决这个问题，可以采取以 下措施：1）调整钻进参数，如降低转速 或增加压力；2）检查钻头的安装是否正 确，如刀片是否安装平整、紧固件是否拧 紧等；3）选用具有优良稳定性的PDC钻 头材料和结构设计。
热效应
PDC钻头的刀头在旋转过 程中，产生高温，通过热 效应影响岩石或其他硬材 料的破碎。
03
CATALOGUE
PDC钻头的分类与选择
PDC钻头的分类方法
根据用途分类 石油钻井用PDC钻头
地质勘探用PDC钻头
PDC钻头的分类方法
水井用PDC钻头 工程用PDC钻头
根据结构分类
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。
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。
岩性特征及识别
为明显高阻段。
沙一下、沙二上界面划分：以盐膏层结束见暗紫红色泥岩为
进沙二上地层，沙二上地层岩性以暗紫红泥岩、灰色含膏泥岩
不等厚互层，偶见粉砂岩。
沙二上、沙二下划分原则：通常以见砂岩进入沙二下，沙二
下砂体发育为主力油气层段，视电阻率曲线呈“指状”跳跃，
幅度中等。沙二段在全区具二分性，沙二下在全区均以粉砂岩
沙二下、沙三上地层界面划分原则：通常 以见灰色岩性为进入沙三上地层，但应注意沙 二下8砂组底见灰色地层，其底界厚层砂层结束 ，为沙二下底地层界面。沙三上砂组顶部有 20m厚泥岩段。
沙三上4砂厚约25m的泥岩段，俗称“泥脖 子”为本区标志层，沙三上5砂组以下见页岩或 油页岩，沙三上6-9砂组为主力油气层段，其中 沙三上8-9砂组为厚层砂层。
表1
三、岩性识别方法研究
1、直观（望、闻、切）鉴定法
大段摊开，宏观细挑，远看颜色，近看岩性，干湿结合， 挑分岩性，分层定名，按层描述，同样适用PDC钻头条件下 的岩屑描述。
通过本法可初步判断其岩性，并描述定名。
1.1、直观鉴定法——望
远看颜色，观察岩屑色调新鲜度，其形状呈棱角状或片 状，通常是新钻开地层岩屑，一般来讲，砂岩颜色浅，泥岩 颜色深。近看岩屑砂泥混杂，难以区分，远观的结果就不一 样，新成份的出现及同类岩屑含量的变化，从岩屑的颜色能 反映出来，因而可以从颜色上进行卡层。近看岩样必须注意 观察新成份的出现，对一些深层，有时仅出现数颗新成份岩 屑，也表明进入新地层。
当大斜度、大位移定向井砂样中存在包包都有荧光现象 的。此时可采取“多包同照荧光”来解决，在相邻2-3包岩屑 中各取近似等量的一份洗净，同时放在荧光灯下观察，比较 各自的荧光含量、发光、颜色等，如荧光发光颜色与上部井 段有明显区别，应确定新显示层，发光岩屑百分比含量变化 可判断是否为井内滞后岩屑，荧光分布状况不同则标志不同 含油气产状岩层。