非平面齿PDC钻头研制与应用
PDC工作角度计算
PDC工作角度计算PDC切削齿的切削角度（即切削齿在工作状态下的实际切削角度）对PDC 钻头的破岩效率和工作性质具有重要影响。
切削齿的切削角度具体地指两个与切削状态密切相关的切削角度即前角和刃倾角，它们分别对应于金属切削刀具的前角和刃侧角。
切削齿切削角度的精确计算对PDC钻头设计、切削力计算和工作性能分析都具有十分重要的意义。
切削齿的前倾角、侧倾角与PDC钻头的前角、刃倾角是不同的概念。
前倾角、侧倾角是决定切削齿方向的钻头结构参数，每个齿的前倾角和侧倾角是固定的、唯一的。
而前角、刃倾角则是齿刃轮廓线上点的切削角度，在同一齿的齿刃轮廓线上，每一点的前角和刃倾角都是不同的。
齿刃轮廓线上点的切削角度与该点在切削刃上的位置密切相关。
除此之外，切削齿的前倾角、侧转角、法向角以及半径比（即切削齿中心点的回转半径与切削齿半径之比）等钻头的结构参数均会对齿刃上点的切削角度发生影响。
这些影响规律归纳为：1）前倾角对吃刃各点处的前角和刃倾角影响很大。
随着前倾角增大，齿刃各点处的前角显著增大，而刃倾角有增有减，同时切削齿上前角和刃倾角的变化幅度增大。
2）侧倾角对齿刃各点处的前角和刃倾角影响也很大。
随着侧倾角增大，齿刃各点处的刃倾角显著增大，而前角有增减，切削齿上前角和刃倾角的变化幅度随侧倾角的绝对值的增大而增大。
3）半径比和法向角对齿刃各点处的前角和刃倾角有一定的影响，但影响不大。
4）在前倾角较小或侧倾角的绝对值较大时，切削齿与井底的接触区的局部范围内前角可能出现负值，这将给切削齿的切削性能带来不利的影响，在设计中应该极力避免。
关于工作角度的理论计算，国内先后出现了3个有代表性的文章:其一，翟应虎的《PDC钻头切削齿工作角的设计方法》和《PDC钻头切削齿工作角设计理论》；其二，李树盛的《PDC切削齿工作角度的精确计算与分析》；其三，杨迎新的《PDC钻头切削力学研究》博士论文中间关于工作角度的推导。
这三个版本，一个比一个全面，一个比一个精确具体，但，以描述最全面的杨迎新的博士论文来看，缺少对钻进的螺旋升角以及横向运动的考虑！这导致了计算结果存在一定的误差，特别是径向半径较小的轮廓线上的切削点。
PDC 钻头切削齿失效分析
PDC 钻头切削齿失效分析张富晓;黄志强;周已【摘要】PDC cutter failure to carry out formal was analyzed,and failure causes and failure mech-anisms were studied,corresponding improvement measures.The results showed that the main fail-ure mode of PDC cutter for breaking teeth,wear and shedding.The main reason for the failure of cutting teeth on the one hand scraping rock breaking due to impact damage caused by the cutting teeth;the other is due to the performance of the cutting teeth of the material itself is not strong, two-phase bonding strength is not high.Measures can be taken from the material formulation, structural design and the use of manufacturing.%对 PDC 钻头失效切削齿进行宏、微观形貌观察，研究其失效原因和失效机理，并提出相应改善措施。
结果表明：PDC 钻头切削齿的主要失效形式为齿的断裂、磨损和脱落；切削齿失效的主要原因是由于冲击刮削破岩对切削齿造成的损伤和切削齿材料本身的性能较差、两相结合强度不高。
可从材料配方、结构设计及制造等方面进行改进。
【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2015(000)009【总页数】6页(P44-49)【关键词】PDC 钻头;切削齿;失效分析【作者】张富晓;黄志强;周已【作者单位】西南石油大学化学化工学院，成都 610500;西南石油大学机电工程学院，成都 610500;西南石油大学机电工程学院，成都 610500【正文语种】中文【中图分类】TE921.1基于PDC钻头破岩效率高、钻速快、进尺多、寿命长等优点，其在石油钻井工业中发挥着重要作用，估计占全部钻井进尺的80%以上［1］。
PDC钻头数字化选型技术及软件开发
PDC钻头数字化选型技术及软件开发任海涛;王新东;张昕;杨迎新;苏涛;王柏辉;周广静【期刊名称】《石油机械》【年(卷),期】2024(52)5【摘要】钻井过程中产生大量与地层、钻头相关的工程数据,利用大数据分析技术优选钻头能用于指导钻头的选型、设计和使用,可使钻头的选用从依赖厂家和经验,转向依据科学的结构特征分析和大数据优选。
通过开展PDC钻头结构特征数字化方法研究,建立基于统计数据分析的钻头结构特征推荐与选型技术,形成以数据提取与效能分析、钻头结构特征数字化,以及钻头结构特征重构选型3项内容为核心的基本步骤和分析策略,在此基础上建立了一套PDC钻头数字化选型技术和配套软件。
较常规钻头进尺与钻速对比分析选型方法,该技术重点考虑了结构特征对钻头使用效能的影响,体现了实钻工程数据对钻头选型的指导作用。
应用该技术与软件开展了准噶尔盆地某区块PDC钻头选型,并进行实钻验证。
应用结果表明,选用的钻头钻进中钻速和进尺显著提升,缩短了钻井周期。
研究技术与成果有利于提升钻井服务技术水平,可为油气田数字化、智能化发展奠定基础。
【总页数】8页(P9-16)【作者】任海涛;王新东;张昕;杨迎新;苏涛;王柏辉;周广静【作者单位】西南石油大学机电工程学院;四川省钻井破岩与钻头工程技术研究中心;中国石油集团西部钻探工程有限公司工程技术研究院;中国石油集团西部钻探工程有限公司管具与井控技术服务分公司【正文语种】中文【中图分类】TE921【相关文献】1.用数据库技术实现PDC钻头选型2.鸭K区块PDC钻头选型技术的研究与应用3.长沙岭区块PDC钻头选型技术研究4.PDC钻头优化设计与CAD系统软件开发5.乌夏断裂带深层PDC钻头选型技术因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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钻头钻进仿真系统数字化方法研究
xs ， ys ， z s — 齿侧数字化节点坐标值； l step —PDC 齿高度方向上的数字化步长， mm； L— 切削齿厚度， mm。 规径齿的数字化方法 PDC 钻头的规径部位有若干颗的规 一般来说，
径齿， 其结构特征与常规齿有所不同。 这种齿是采用 ［7 ］ 切割后的 PDC 齿面 常规齿经切割加工后形成的 。 PDC 齿的侧表面则由一 轮廓线由圆弧和直线组成，
图1
Fig． 1
直角坐标等间距数字化方法和极坐标等角度数字化方法
Digitalized method in cartesian coordinates and in polar coordinates
*
收稿日期： 2009 － 11 － 20 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 50774066 ） 。 作者简介： 任海涛（ 1982 － ） ， 男（ 汉族） ， 黑龙江五大连池人， 硕士， 主要从事岩石破碎学与钻头技术研究。
参考文献：
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PDC钻头最新技术的综述
（５）超硬热稳定ＰＤＣ切削齿 最近，ＲｅｅｄＨｙｃａｌｏｇ公司发明了一种超硬热稳定ＰＤＣ切削齿。常 规ＰＤＣ切削齿仅由ＷＣ衬底和优质金刚石层组成，而这种超硬热稳定 ＰＤＣ切削齿是在常规ＰＤＣ切削齿的基础上又增加了一薄层超硬热稳定 金刚石，其耐磨性和抗冲击性都有很大提高，因此扩大了ＰＤＣ钻头的 应用范围，在过去认为不适应ＰＤＣ钻头钻进的地层中取得了良好效 果。在墨西哥北部的Ｂｕｒｇｏｓ盆地的Ｃｕｉｔｌａｈｕａｃ油田和Ｓｉｇｍａ油田，采用 了这种超硬热稳定ＰＤＣ切削齿的φ３１１．１５ｍｍＰＤＣ钻头能够成功地钻 穿 最 高 抗 压 强 度 为 ２ ８０Ｍｐａ的 砾 岩 地 层 ， 在 直 井 中 机 械 钻 速 高 达 １４．９ｍ／ｈ，在定向井中机械钻速达到１３．２ｍ／ｈ，分别比邻井提高８７％和 １１８％， 每米钻井成本分别下降２６％和７４％［３］。 （６）新型套管开窗工具 利用造斜器和套管铣鞋对原有井眼进行侧钻作业，通常是将造斜 器和套管铣鞋组合下至预定井深，套管铣鞋剪断造斜器上的销栓后进 行开窗钻铣。在硬研磨性地层，套管铣鞋的金属切削元件磨穿套管之 后必须起钻更换常规钻头，以钻出一个能够容纳ＢＨＡ的井底口袋。目 前这项操作尤为关键，由于钻井底口袋需要进行一次额外的起下钻， 耗费可能多达十几个小时甚至几十个小时，作业费用必将增加。理想 的工艺是用一趟钻完成开窗铣套管和钻井底口袋作业。最近贝克石油 工具公司和休斯克里斯坦森公司联合开发了一种既可铣套管又可钻地 层的铣钻工具—ＰａｔｈＭＡＫＥＲ，该工具应用了休斯克里斯坦森公司的 Ｇｅｎｅｓｉｓ ＰＤＣ技术，使用了一种特殊的ＰＤＣ切削齿，能对金属和地层 进行有效切削。工具上特别设计的螺旋式布齿减小了钻头振动，而大 流道保证了ＰＤＣ切削齿的冷却效果，进而增大了其耐用性能。因此， 该工具能够在一个行程中同时完成开窗和钻井底口袋两项作业。此 外，这种铣钻工具既适合任何类型的造斜装置，也可以作为一项独立 的技术加以使用。在很多硬地层中，它能够提供比常规硬质合金铣鞋 更大的钻进能力。 （７）新型ＰＤＣ双心钻头 ＲｅｅｄＨｙｃａｌｏｇ公司开发了一种新型小井眼（φ２５０．８ｍｍ或更小） ＰＤＣ双心钻头，目的是改进原有双心钻头、减小其在切线段井斜角下 降、增大抵抗钻柱振动的能力、改善其磨损状况。这种双心钻头由导 眼体、扩眼体和中扩眼体组成，中扩眼体的作用是提高钻头的几何稳 定性。为了使中扩眼体能够在双心钻头上起到应有的作用，就必须保
27294715_ＰＤＣ_钻头异形切削齿研究进展
２０２２年第５１卷第４期第７６页石油矿场机械犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２２，５１（４）：７６ ８３文章编号：１００１ ３４８２（２０２２）０４ ００７６ ０８犘犇犆钻头异形切削齿研究进展王光明１，李 达２，倪骁骅３（１．江苏油田矿业开发有限公司，江苏扬州２２５０１２；２．盐城市金巨石油机械制造有限公司，江苏盐城２２４０５２；３．盐城工学院汽车工程学院，江苏盐城２２４００７）①摘要：为满足不同硬度、强研磨性及非均质地层岩石的需要，提高钻井效率，国外一些公司在ＰＤＣ钻头常规圆柱状切削齿的基础上持续创新，研发了一系列创新型几何设计的新型ＰＤＣ钻头异形切削齿。
介绍了脊形切削齿、楔（Ｖ）形切削齿、凿形切削齿和其他异形齿的结构和性能。
个性化异形切削齿是未来发展的主要方向，深入开展常规圆柱状切削齿和各种异形切削齿混合式个性化ＰＤＣ钻头的研发，对钻头的切削结构进行优化，合理布置各种切削齿，充分发挥各自的优势，以解决深部地层可钻性差导致的机械钻速慢、钻井效率低的难题。
关键词：ＰＤＣ钻头；异形切削齿；研究进展中图分类号：ＴＥ９２１．１ 文献标识码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ３４８２．２０２２．０４．０１１犗狏犲狉狊犲犪狊犚犲狊犲犪狉犮犺犘狉狅犵狉犲狊狊狅犳犛狆犲犮犻犪犾 犛犺犪狆犲犱犆狌狋狋犲狉狊犳狅狉犘犇犆犅犻狋ＷＡＮＧＧｕａｎｇｍｉｎｇ１，ＬＩＤａ２，ＮＩＸｉａｏｈｕａ３（１．犑犻犪狀犵狊狌犗犻犾犳犻犲犾犱犕犻狀犻狀犵犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犆狅．，犔狋犱．，犢犪狀犵狕犺狅狌２２５０１２，犆犺犻狀犪；２．犢犪狀犮犺犲狀犵犑犻狀犼狌犘犲狋狉狅犾犲狌犿犕犪犮犺犻狀犲狉狔犕犪狀狌犳犪犮狋狌狉犻狀犵犆狅．，犔狋犱．，犢犪狀犮犺犲狀２２４０５２，犆犺犻狀犪；３．犛犮犺狅狅犾狅犳犃狌狋狅犿狅狋犻狏犲犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犢犪狀犮犺犲狀犵犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犢犪狀犮犺犲狀２２４００７，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｒｏｃｋｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈａｒｄｎｅｓｓ，ｓｔｒｏｎｇａｂｒａｓｉｖｅｎｅｓｓ，ａｎｄｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓｏｍｅｆｏｒｅｉｇｎｃｏｍｐａｎｉｅｓｈａｖｅｉｎｎｏｖａ ｔｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｃｕｔｔｅｒｓｏｆＰＤＣｂｉｔｓ，ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｓｅｒｉｅｓｏｆｉｎｎｏｖａ ｔｉｖｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｄｅｓｉｇｎｏｆｎｅｗＰＤＣｂｉｔｓｐｅｃｉａｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒｓ．Ｔｈｅｒｉｄｇｅｄｃｕｔｔｅｒｓ，ｔｈｅｓｃｒｉｂｅ（Ｖ）ｃｕｔｔｅｒｓ，ｔｈｅｃｈｉｓｅｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｃｕｔｔｅｒｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｉｚｅｄｓｐｅｃｉａｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒｉｓｔｈｅｍａｉｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｓｌｏｗｄｒｉｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｌｏｗｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃａｕｓｅｄｂｙｐｏｏｒｄｒｉｌｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｅｐｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｉｚｅｄＰＤＣｂｉｔｓｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｃｕｔｔｅｒｓａｎｄｖａｒｉｏｕｓｓｐｅｃｉａｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂｉｔｓｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＰＤＣｂｉｔ；ｓｐｅｃｉａｌ ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｅｒ；ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ 切削齿是ＰＤＣ钻头的基本切削单元，其性能极大影响着ＰＤＣ钻头的机械钻速和使用寿命。
异形齿PDC钻头在大港油田的现场应用
齿的切削功率如图3所示，不平衡力优化控制如图4所 示。计算结果表明：钻头切削功率在内锥和鼻部过度 圆滑，切削齿受力情况良好较为均匀，能有效避免因受 力不均等造成的崩齿现象。
2019年第4期
西部探矿工程
109
异形齿PDC钻头在大港油田的现场应用
郭 * 亮 ，冯雪诚，陶瑞东，马强，王维良，金统
(渤海钻探第三钻井公司，天津300280)
摘要：为了提高钻井速度，降低钻井作业成本，减少换钻头起下钻次数，急需解决常规PDC钻头在 馆陶组地层钻井适用性差的难题。大港油田馆陶组的埋藏深度一般在1 ()()()〜2()()()m之间，层厚为 l()()~4()()m之间，其中，纯砾石层厚度达几米甚至几十米 馆陶组上、中部一般为泥岩、砂岩、含砾砂 岩互层，下部为杂色砾岩，馆陶组底砾岩可钻性差，往往限制了 P1DC钻头的使用，PDC钻头钻遇颗粒 较粗的砂砾或底砾岩就会造成复合片崩损而导致钻头报废，通常采用牙轮钻头钻穿馆陶组地层后，
布齿设计包括齿形选择、切削角度设计、布齿密度 设计及布置类型设计等。布齿设计是PDC钻头设计 的关键.直接影响钻头各方面的性能' 根据馆陶底砾 岩发育特点，采用抗冲击异型切削齿，四刀翼双排齿结 构，主切削齿为16mm,前排切削齿为20颗，特别优化 了切削齿的侧倾角为2。〜10。之间变化，后倾角为15。〜 25。之间变化.后排切削齿为锥型齿结构，合理安排齿高 度差。切削齿布置类型选用顺时针设计，对比逆时针 布置钻头的进攻性更强，切削效率更高，异形齿 MD6432型PDC钻头接头如图2所示 2.4力平衡优化
起钻再下入PDC钻头进行馆陶组下部井段施工，严重制约了钻井速度针对这种情况，通过反复设 计和改进，异形齿PDC钻头克服了以往PDC钻头钻馆陶组地层先期损坏现象，能一次性钻穿馆陶 组地层，通过现场试验6 口井，富含砾石的馆陶组地层钻穿率达到了 1()()%,取得了良好的经济效益和 社会效益. 关键词:大港油田；砾岩；钻井技术;异形齿PDC钻头 中图分类号:P634文献标识码：B文章编号:1004-5716(2019)04-0109-03
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技术研究 72 2019年第1期
长庆油田刘家沟组地层普遍均质性差，地层岩性为棕红色泥岩夹灰色砂岩。该地层软硬交错且研磨性强，要求钻头有较好的抗冲击能力和抗磨损能力。虽然前期通过优化现有的钻头设计，起到了一定效果。但整体提速效果不明显，分析原因主要在于：刘家沟组地层软硬交错，夹层多且岩性致密。现有的钻头在钻进该层位时易早期造成崩齿和磨损失效。据此，在现有PDC钻头设计理念基础上，提出了一种新型PDC钻头设计概念，并在刘家沟组地层应用取得突破。1 新型非平面齿设计分析针对长庆油田刘家沟组地层均质性差、研磨性强的特点，常规平面齿PDC钻头使用效果不佳。通过对部分使用过的平面齿PDC钻头的布齿结构及磨损分析，提出了新型结构非平面齿设计理论。1.1 非平面齿设计常规PDC钻头切削齿主要为圆形PDC平面齿，通过对常规圆形平面切削齿分析发现，将复合片加工成两侧对称有一定倾斜角，中间漏出一条屋脊线的结构，使复合片具有更加锋利的切削刃和更厚的金刚石复合层。非平面齿对比常规平面齿具有切削阻力小，使用寿命长，切削效率高的特点。1.2 非平面齿加工大部分复合片制造企业生产的均为圆形平面齿。因此，非平面齿只能通过对普通的圆形平面齿做二次加工获得。结合刘家沟组特有的地层岩性和施工方钻进需求，我公司积极研发创新，加工出了φ16mm非平面齿复合片。图1为加工出来的实物。
图1 φ16mm非平面齿复合片示意图1.3 非平面齿有限元分析1.3.1 抗冲击性能力测试在相同工作条件下，非平面齿更容易切入岩石。这是因为其主要切削部位切削曲率高且接触面积小，在与岩石接触过程中能够形成更高的接触应力，容易使岩石发生变形破坏。通过全新的破岩方式：剪切+挤压，切削刃复合层较平面齿更厚，在满足有更高切削效率的同时，很好地保证了齿切削刃抗冲击性的能力。通过现场测试，在相同钻进参数、钻进时间下，非平面齿抗冲击能力优于常规平面齿。图2 为同等钻进条件下齿抗冲击性能对比
平面齿
非平面齿PDC钻头研制与应用邱睿 中石化江钻石油机械有限公司 湖北 武汉 430000 摘要：长庆油田刘家沟组地层具有岩石致密、砂泥岩互换频繁、研磨性强、可钻性差、石英含量高的特点，常规PDC钻头在此类地层破岩效果不佳，钻头进尺和钻头寿命得不到有效保障。为此，公司自主设计并制造了一种新型PDC钻头——非平面齿PDC钻头，并开展了室内模拟实验和现场入井试验。通过现场应用表明，该新型钻头能突破均质性差和研磨性强地层PDC钻头的应用禁区，在机械钻速和钻头进尺方面，其使用性能能比肩国外优质钻头，具有较高的推广应用前景。关键词：刘家沟组 非平面齿 均质性差 研磨性强 复合片
Development and application of PDC bit with special-shaped teethQiu RuiSINOPEC,Jiangzuan Petroleum Mechanical Company，Wuhan 430000
Abstract：The strata of the Liu Jia Gou formation in Changqing Oilfield have the characteristics of tight rock，frequent sand mudstone exchange，strong abrasiveness，poor drillability and high quartz content. The conventional PDC bit has poor rock breaking effect in this kind of stratum，and the drill bit length and bit life can not be effectively guaranteed. For this reason，our company independently designed and manufactured a new type of PDC bit，the special shaped tooth PDC bit，and carried out indoor simulation experiment and field well test. The field application shows that the new bit can break through the application forbidden zone of high grinding and strong heterogeneous PDC bit. In the aspect of travel length and mechanical drilling speed，the new bit is equivalent to the quality of foreign high quality bit，and has a high prospect of popularization and application.Keywords：Liu Jia Gou group；Hetero shaped teeth；Strong heterogeneous strata；High abrasiveness；Composite sheet 73
技术研究2019年第1期
非平面齿图2 为同等钻进条件下齿抗冲击性能对比1.3.2 抗磨损性能力测试分别对非平面齿和平面齿进行标号，在室内进行VTL重载磨损试验。把非平面齿标号为10，其余三类平面齿分别对应标号为1、2和C。通过试验结果显示，在相同材质下，非平面齿抗磨损能力和其热稳定性要优于平面齿。
图3 为同等试验条件下齿磨损情况对比图4 为同等试验条件下齿切削刃温度情况1.3.3 不同齿后倾角Mises应力场分析PDC齿切削岩石时，在保证破碎岩石体积相同的情况下，齿上的应力越小越好，同时岩石上的应力越大越好，这样才对切削破岩最有利。通过对比两种不同类型的复合片在不同的后倾角最大Mises 应力场数值，见表1。
表1 切削齿最大Miscs有效应力表MPaMPa从上表中可以得知，后倾角从12°～22°切削岩
石仿真时，两种齿形在切削仿真过程中Mises有效应力峰值，即最大Mises 有效应力值的出现均具有随机性。说明在切削破碎塑性岩石过程中，在某一点会出现局部应力过大的情况。但不可否认的是，从总体上看，后倾角在12°～22°范围内，非平面PDC齿最大Mises应力平均值为166.8MPa，小于常规平面齿最大Mises应力平均值233.4MPa，降幅度达到39.92%。换句话说，两种不同齿形，在切削等体积岩石时，非平面齿切削局部最大应力要小于常规平面齿，同时，其所受疲劳应力要比平面齿小。2 非平面齿钻头研发设计以及制造技术2.1 非平面齿钻头设计在钻遇硬地层中，常规PDC圆形平面齿布齿设计，为了使钻头提升破岩效率，提高机械钻速。通常情况下都会选择长抛物线型，中等攻击性轮廓线，同时，整体采用低布齿密度，在前期小钻压的情况下，以期获得较高的机速，后期通过加大钻进参数达到理想的机械钻速。但非平面齿以其独有的优势，在PDC钻头设计中，选择中抛物线型，强攻击性轮廓线，在钻进时形成点攻击，提升钻头的机速。整体采用中布齿密度，在前期小钻压的情况下，获得适当的机速，在保证钻头进尺和寿命的前提下，通过参数控制提高机械钻速。借助先进的设计分析软件，对比两种不同的布齿方式（1、单一平面齿布置；2.2平面齿和非平面齿混合布置）首轮试验钻头采用混合布齿方式，有望在保证钻头使用寿命的同时获得良好的机械钻速。通过运用三维设计软件NX5.0，将新设计的非平面齿有效地布置在钻头主要切削部位，即钻头鼻部、肩部位置，旨在最有效地发挥非平面齿抗崩耐磨的优势。在主切削部位，两种不同的齿形搭配使用，构成了新型钻头的主切削结构。2.2 非平面齿PDC钻头制造首轮在长庆油田试验的非平面齿PDC钻头采用刚体式结构和制造方法。钻头型号为：215.9mm KS1652ADGRF。考虑到该型钻头是推出的新型钻头，故而在制造过程中面临很多新的问题。这些问题主要包括：①新型PDC复合片的加工；②非平面PDC复合片特殊模具制造；③非平面齿屋脊线定位基准问题；④新型复合片的焊接质量。在钻头正式加工之前，针对上述问题单独成立专家组，进行了深入细致的实验研究，特别是对新型非平面齿焊接质量进行了检验，以杜绝钻头使用过程中技术研究 74 2019年第1期
出现因焊接质量不良而导致的掉齿现象。图5为公司生产的新型齿钻头。
图5 新型齿钻头3 现场应用及效果分析3.1 现场应情况该试验钻头型号215.9mm KS1652ADGRF，其IADC代码为S323，选取长庆油田西233区块二开段作为试验井段，该段刘家沟组地层主要为砂泥互层为主，可钻性差。实际钻遇井段2268~3030m，进尺762m，纯钻时间63h，平均机速12.09m/h，由于钻时慢起钻。钻头平均机械钻速12.09m/h，创该区块斜井段最优机速指标。起出钻头新度约80%，磨损分级为0－2－WT－S－X－I－BT－PR。3.2 分析评价3.2.1 实验总体结论和分析根据对西233区块已完钻井的统计，2015—2017年该区块二开井段常规钻头平均进尺为478.24m，平均使用时间75.2h，平均机械钻速7.68 m/h；而本口井应用KS1652ADGRF钻头，机械钻速达到12.09m/h，与该地区平均水平相比，提高了57.4%，实现了该区块提速的新突破。最为值得肯定的一点是：该钻头的成功应用，突破了陕北区域高研磨性、强非均质地层PDC钻头的应用禁区。3.3.2 钻速分析正常钻进时，钻压加至90 kN，复合转速在50+LZr/min，钻速明显加快。在钻至井深为2950m以前，机械钻速达到15m/h左右。随后，机械钻速开始逐渐下降。起钻时每米钻时已达35min。分析机械钻速下降的主要有两方面：（1）主切削齿已经出现崩齿和磨损失效。（2）地层岩性变化，可钻性变的更差。3.3.3 钻井参数分析除前期磨合阶段外，工作钻压基本维持在80～120kN的范围，平均钻压约为100 kN。100kN的钻压对新钻头是合适的，但当主切削齿发生崩齿和磨损失效后，尽管失效情况不严重，但钻头却已明显变钝，攻击性下降，此时应适量增加钻压（可增至140～160kN）。转速情况基本与设计一致，但如果要增加钻压，转速还应进一步降低。3.3.4 钻头磨损情况分析（1）2个主刀翼鼻部的非平面齿，有2颗出现崩齿断裂失效。
（2）所有后排齿完好如新。2颗非平面齿崩齿后的后排齿，也未发生磨损。（3） 除了2颗崩齿失效严重的非平面齿外，其他主切削齿上的所有非平面齿正常磨损，磨损区域合理，磨损量不大（磨损高度小于2mm）。说明该新型齿综合性能优良，同时也表明非平面齿在钻头设计上的研发还有很大潜力。4 结束语新型非平面齿以其独特的破岩机理，局部最大应力小于圆形齿，疲劳破坏几率小，寿命长，切削效率高，所需破岩能量低。在陕北地区强研磨性和非均质地层，非平面齿PDC钻头相比常规平面齿PDC钻头适应性更强，钻头进尺和机速都有较大提高。试验表明非平面齿PDC钻头切削齿未见明显的热磨损现象，切削齿冷却条件良好，钻头水力结构设计合理。分析试验钻头上2颗非平面齿崩齿失效情况，主要为冲击性破坏造成牙齿崩落，今后应进一步加强钻头切削齿抗冲击能力的研究。