聚晶金刚石复合片钻头汇总

1、第五节聚晶金刚石复合片钻头一、前言PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit,即聚晶金刚石复 合片钻头的简称，如图3. 5.1 ）是随着PDC复合材料的发展而发展起来的一 类新型钻井工具.PDC钻头在石油钻井中的应用始于70年代中期.以锋利、耐磨、能够 自优的聚品金刚石复合片切削齿芽切破碎岩石.由于这种钻头在软到中硬 地层中机械钻速高、寿命长，大大降低了钻井成本，所以PDC钻头广泛应 用于软到中硬地层的油气井的钻进.目前，PDC钻头的用量和在钻井中总进尺的比例逐年上升，迄今PDC钻 头进尺量已占钻井总进尺量的60%左右.图3. 5.1聚品金刚石复合片钻头

2、二、PDC钻头结构（一）结构（图3.5.2）图3. 5. 2PDC钻头结构外他倒划眠告/ ，中心水道图3.2.PDC钻头分类内储 群二17 接头5.3 PDC钻头结构术语按钻头体材料分类：钢体.胎体（图3. 5. 4）;按刀具数量分类：3-12利刀.钢体PDC钻头：支撑复合片的钻头本体用金属 材料经机械加工而成，在金属表面 敷焊时冲他的硬质合金材料.特点：加工制造工艺复杂，钻头 体强度高，沆道面积大，有利于防 止钻头泥包.耐冲蚀效果相对胎体PDC钻头：支葬复合片的钻头本体用金属材 料钢体与耐冲蚀的硬质合金材料粉 未经烧结加工而成.特点：加工制造工艺简单，强度 相对较美，流道面积相对较小，不 利

3、于防止钻头泥包.耐冲蚀效果好.图 3. 5.4钢体,胎体PDC钻头（二）PDC钻头结构参数电部形状刀翼数量与结构切削齿分布切削齿空间结构参数保径结构切削结构 水力结构PDC钻头结构参数喷嘴数量与尺寸喷嘴空间堵构参数流道结构与尺寸L切削结构冠部形状定义：钻头冠部影状是指钻头切削齿外部轮廓的包络线.由内维、外维、 鼻部肩部.保径组成（见困3. 5.5） .总部形状的分类：总部形状的分类由总部高度系数确定. 况部高度系数定义为：冠部高度系数=钻头亘径冠蟀高度总部高度即为钻头外馋部位的总高度.按照冠部高度系数将总部圆 弧半位大小分为四级（如图3.66）,具体分级描述如下：>6.56a4 5-&l

4、t;2分级有注中a长;板长短抛物线图3. 5. 6 总部形状分类长期物线钻头的冠部影状对钻头结构的影响规律：钻头的就部影状决定了钻头每个刀翼上放置复合片的弧线的彩状和 长度，影响站头的布齿数量和音的分布丝芬；钻头的冠部形状决定了钻头切削形成的井底影欣，使得不同部位的 切削齿受力、磨损状态出现差异（图3.5.7）.不同部位的切削齿接触井底的先后次序不同，由于最前端的切削齿 （鼻部齿）在半无限体状态下破碑岩石，所受的单位面积的切削力最大， 而后序切削齿由于自由面影成，所受的单位面积的切削力逐次降低.因此 钻头况部影状对不同部位切削齿的受力和磨投有校大的影响.内雉的大小决定了钻头中心部位未破碑的凸起

5、岩石的体积，因而影 响钻头在井底工作的稳定性.钻头冠部形状确定了井底流道的形状，对钻头的水力结构有较大的 影响.电部不同部 位A力分布困3. 5. 7钻头的总部形状对冠部不同部位切削齿磨损的影响总部形状参数：对于通常采用的圆弧形电部，其形状可由内锥角。和外锥圆弧半控r两个参数确定（图3. 5.8） .外锥圆弧半径内锥角图3.5.8冠部形状参数冠部册状参数确定方法：总部内钵角0的大小影响站兴的稳定性，内作 角。越小钻头越稳定.随着地层硬度的增加，内傩角逐渐减小、内锥高度增 加，以保持钻头的稳定性.内锥深度与内维角有关，按内锥角的大小将内 州深度分为浅椎和深锥两种，对应关系为：内柞角130。浅柞内

6、锥角£130°深锥一般根据地层软硬变化取值范围为120。一170。.地层硬度越大内锥 角取值应越小.外作圆弧半控r由欢部高度系数确定，与地层条件的对应关系为：无W高度系数,>6.56.4-5.<4适用条件J硬地层，软至中谀地卷.极软至轼地昙.切削齿的分布切削齿的分布由布齿密度确定.布齿密度定义为单位长度内切削齿的 总面积.也可用相邻两个切削齿之间的中心距表示（如图3.5.9 ）.切削齿空间结构参数PDC钻头切削齿空间结构由三个 基本参数确定：齿前角、例转角和位 置角.齿前角：金刚石复合片绕水平直径线装转 一个角度，切削齿切削平面和切削齿 轴线所成的角称作齿前角（

7、如图 3.5.10角度a所示）.S3. 5.10齿前角图示图3. 5. 11齿前角与破岩效果的关系研究表明：齿前角的大小与破岩效果窗切相关，齿前角绝对值越大， 下部的岩石多向压缩应力增加，压碎的岩石比例增大，不易形成较大体积 的剪切破碎，破岩效率降低；而齿前角变小，一方面复合片后部趋于平 缓，切削齿不易深度吃入地层，另一方面由于切削而受拉、弯应力相对增 加，易造成复合片崩裂.因此齿前角存在最优值（如图3. 5.11）.齿前角的大小与地层特性、切削齿的性能等因素有关.一般而言，对 于较硬地层，齿前角绝对值取大值.对于软地层齿前角绝对值应较小，- 般在-10。到-30。度范围内.中心部位切削齿由于

8、回转半径很小，受力状 态复杂，齿前角绝对值较大，其它部位切削齿的齿前角根据地层条件确 定，其选择范围见表：位置，第一齿第二齿居_为第四齿、其它齿软至中软,222a19“除15-1“中以至中硬J2%22.20，如"於中理理一25/2322-22c18 22“侧转角：由于切削齿有一定的厚度，当其在切槽中旋转叶，由于其切削刃部分集 中在复合片前部（l-3mm）,其后部支撑部分会在环懵内与地层产生摩擦磨 报（如图3.5.12）,摩擦磨损的部分在角。范围内，影响机械钻速；同时侧 转角还对岩粉的运移产生影响.为避免上述情况，需要将复合片沿其中心线 在水平面内旋转一定的角度0,此角度即为侧转角（如

9、困3.513）.困3.5.12在切削环槽内摩擦部分图3. 5. 13侧转角的定义位置角：切削齿位置角为切削齿在钻头圆周上所处的方位角（如图3. 5.14）.切削齿位置角由其所处的刀具位置,刀具形状碉定.ffll 5.14切削齿位置角刀具的数量,形状及位置角刀具数量：对刮刀PDC钻头而言，钻头电部形状确定后，刀翼数量决定了切削齿 的布齿密度和数量，同时其位置角影响钻头的整体受力和流道的结构.地层越硬钻头磨损越严重，需要增加切削齿的数量，刀具数量也越多.常规钻头刮刀数范围为39.刮刀数量与地层硬度的对应关系为：刀翼效量344S5G7，地层硬度，极软至软，软至口软口软至中便一刀具形状：刀翼形状与钻头

10、的电部形状、切削齿的空间结构参数有关.刀翼形状影响钻头流道结构，钻头受力和携岩效果.其基本参数由切 削齿空间结构参数确定，其基本结构影式分为以下三种（图3. 5. 15）:直线至茗贰搀旋型刀翼基区秘示更大摞旋图3.5.15刀翼的基本结构彩式直刀翼：钻头刀具的俯视投影为直线，一般其宛部圆弧较小，用于中软 至段地层钻头.常规螺旋：刀具彩状由直线段和螺旋线组成，适用于各种地层.大螺旋：刀具影状为螺旋型，由切削齿的位置拟合得到，适用于软地层.刀翼位置角：各刀具位置角由周向角限定.周向角即为刀具的方位角（如图3. 5.16） .方藤用网崎正91 5.16刀具位置角周向角依据结构对称原则流道协调原则设计。

11、结构对称是指长短刀具 的搭配力求做到在结构上对称，使任意横截面两边的切削齿数量和切削结构 基本对称（如图3. 5. 17） .结府不时评纺总对株流道协调原则是指流道的过流面积变化协调均匀，避免局部流道堵塞或 局部狭窄，防止局部岩屑堆积（如图3. 5.18） .牯头费逋协请示笑图图3. 5. 18流道协调保径结枸与形状钻头保径除保持井眼直径外，对钻头的导向性能和钻头稳定性影响 较大.其结构由保径长度、保径宽度、保径形状从定.一般而言，地层 研磨性越大，保径面积应加大.在保持井眼直径的前提下，考虑钻头的 导向性能和稳定性.保径的形状分为直线形和螺旋形两种（图3.5.19）.保柱形状与刀具 杉状、地

12、层特性以及井眼就迹控制等因素有关.一般刀翼彩状为螺旋影 则保径为螺旋影.S3. 5.19 PDC钻头保径2.钻头水力结构流道结构一艘情况下，流道结构与尺寸结构设计目标是最大限度的增加流道空 间，便于岩粉尽快离开井底，避免岩粉的二次破碎和钻头，泥包”,一般流 道深度为喷嘴的最佳喷距，也即喷嘴直径的45倍；流道的宽度越大越 好，有利于防止钻头,汨包.（图3.5. 20）,其由刀具空间决定（图3. 5. 21）, 因此一般情况下在保证刀具强度的前提下尽量采用收窄刀具形状.图3.5. 20钻头“泥包”图3. 5. 21流道结构仃。5H2A2喷嘴及其空间结构参数喷嘴的敷贵与尺寸：喷嘴数量和尺寸是由水力学

13、参数优化设计结果确 定的，在使用过程中可根据具体情况随时改变喷嘴（可换喷嘴图3. 5.22） 直径.喷嘴的当量直径可由排量和设计钻头压*计弟得到：式中：4P-设计钻头压降；Q-# 量；P-泥浆密度；A一钻头喷嘴过流面积;D喷嘴当量直径；。厂第j个喷嘴的直径;n喷嘴个数.S3. 5. 22可换喷嘴例题：一只五刮刀8 1/2* PDC钻头，设计钻头压降2MP.泥浆排量 321/s,泥浆密度1.3 g/cm3,钻头嗑嘴数量5只.如已知其中4只喷嘴的直 径为3只11mm. 1只13mm,求另一只喷嘴的直径.a。E 0.。5骸解、VP = A = 577mm2A4D =27小加-沙川d、= 14mm由排

14、量和设计钻头压降计算得到钻头喷嘴的当量直检后，根据喷嘴个 数确定每个喷嘴直径.每个喷嘴直役有不同，但差别不能太大，以便钻 头表面的液流分布均匀.喷嘴的空间结构参数喷嘴的空间结构参数主要有：中心半径、位置方位角、喷射方位 角、喷射角度四个参数（如图3.5.23）,这四个参数依据水力学优化 设计（图3. 5. 24）结果确定.图3.5.23喷嘴的空间结构参数中心半役、位五方位角确定原则是消除钻头表面的涡流区；喷射方位角、 喷射角度的优化目标是以较大的水马力清除切削齿破碎的眼屑并形成速度失 量指向井壁的漫流层将岩屑携离井底，同时避免在井壁附近彩成涡流区，根 据有限元流场分析结果，最优的喷嘴喷射角度为

15、25°.（三）PDC钻头的破岩机理1.PDC钻头切削齿的运动轨迹钻井过程中切削齿在压力和扭矩的作用下破碎井底的岩石，相应地 产生给进和回转运动.PDC钻头单齿在井底的运动为螺旋线,，螺距既钻头每转的吃入量：h _ ROP式中：转吃入量；ROP一机械钻速（米/小时）；RPM转速（转/分）,由于每转吃入量很小，螺旋或的螺旋角非常小，一般都小于1° ,所 以单齿的切削过程可简化为在平面上的运动（图3. 5. 25） .S3. 5.25单齿的切削过程的简化图3. 5. 26 PDC钻头切削齿的破岩过程2 .PDC钻头破岩过程（图3. 5.26）初期挤压阶段（塑性变形）刃前岩石沿剪切

16、面破碎后，切削齿刃侵入前一过程留下的断裂面，切 削齿挤压刃前岩石，切削力不断增大，岩石发生局部塑性变招.小剪切破碎（局部破碎）随着切剂力的不断增大，刀前岩石出现裂纹，当剪应力超过岩石的抗 剪强度时，岩石出现剪切裂纹，岩石发生小剪切破碎.大剪切破碎（体积破碎）陵号切削齿继续向前运动，切削力不断增大，齿刃挤压前方岩石.当 切削力增大到极限值时，岩石沿剪切面发生大剪切破碎，出现块体崩裂. 大剪切发生的瞬间，切削阻力突降至最小.机例行及水平力的就设过程|切削"岫向力代面万3 . PDC钻头的平衡力设计由于钻头齿的受力的合力不平衡（如图3.5.28, 3. 5, 29 ）,在旋转过 程中使钻头

17、的旋转中心偏离井眼中心，造成钻头在公转的同时伴有间断性 自转，从而形成涡动.图3. 5. 28 PDC钻头的不平衡力钻头涡动彩成的井底钻头理想运动影成的井底图3. 5. 29钻头涡动形成的井底钻头稳定运动的措施：改变切削齿的空间角度消除不平衡力（图3. 5. 30）;采用不对称刀具设计消除不平衡力（图3.530）;采用低摩擦保径设计抵消不平衡力（图3.531）;采用新道式布齿形成的沟槽限制钻头的涡动（图3.5. 32）;不对称刀具设计减振齿减小纵向振动（图3.5. 33） .改变切削齿的角度及位置图3. 5. 30平衡力设计图3. 5. 31轨道布齿示意困钻头受钻柱运动的影响以及与地层的相互作用，纵向振动不可避免.钻头的纵向推动使的切削齿的受到不规则的冲击作用，造成切削齿的破坏. 为戒小切削齿的冲击破坏，在站头上设置冲击拟制器