PDC钻头稳定性技术研究
复杂地层PDC钻头研究
针对 上述 复杂 地 层 的 钻 进 ，重 新 对 Ｐ Ｃ钻 头 Ｄ
机 械钻 速低 ，钻进 困难 ，难 以 满 足高 效 钻 井 要 求 。
这 都使 复杂 地层 的钻 井周 期延 长 、钻井 费 用增 加 。 鄂 尔多 斯盆 地苏 里格 气 田的地 层 比较古 老 ，且
无规 律含砾 、地层 更叠 频繁 、软 硬交 错等 ，使 钻 头
在变 化地层 中钻进 时受 力不 均导 致个 别切 削齿 先期 损 坏 ，钻井 质量 和钻 进 效率处 于 低水 平状 态 ；有些 复杂地 层可 钻性 差 、研磨 性 强 ，导致 常规 钻头 平均
片边 缘 ，钻 进 软 地 层 的反 作 用 力 全 部 在 切 削 齿 面 上 ，即使 采用 同样 的钻井 参数 ，钻进 硬地 层 比钻进
石 油
机
械
２０ ０ ８年
第３ ６卷
第１ ２期
ＣＨＩ ＥＴ ＮＡ Ｐ Ｒ０ＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩ ＮＥＲＹ
● 专题 研 究
复 杂 地 层 Ｐ Ｃ钻 头 研 究 Ｄ
黄继庆 魏 向辉 周 东 孙 德 宇 左 惠 明
陈洪 涛 张 松 峰 李 长 权 王 永 黄 斌
冀东 油 田的馆 陶地 层含 有 的玄 武岩 较厚 ，玄 武
岩 的强度 非常 高 ，研磨 性较 强 ，对 钻探 工具 冲击性 较 大 ，遇 水 容 易 膨 胀 ，且 部 分 地 层 存 在 裂 缝 和 夹 层 ，表 现 出很 强 的非 均 质性 等钻 井难 点 。钻进 过程 中经 常 出 现 掉 块 、垮 塌 、 大 段 划 眼 等 复 杂 情 况 。 Ｐ Ｃ钻 头钻 进 硬 地 层 所 受 的 反 作 用 力 集 中在 复 合 Ｄ
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钻头稳定性分析
【１ ２陈寿康 ． 利油气 区钻井 地质标 准 没计．９６ 胜 １９ ． 【］ 明光 ． 合多夹层 地层 Ｐ Ｃ ３ 孙 适 Ｄ 钻头 研究［】 ９９ Ｄ． ９ ． １ 【１ ４李树盛 ．Ｄ 钻头 工作理论 及现代 设计方 法研究 ． ９． Ｐ Ｃ １ ４ ９
作者 简 介
王永 禄 ，男 ，１６ 年生 ，山东滨 州人 ，２ ０ 年毕业 于石 油函授大 学 ，工 ９７ ０３
１３ 影 响钻 头 回 旋 的 因 素 ． １ ）钻头结构 。一般来说 ，促 使钻头产生横 向运动 的任 何因素都能
研究证明 ， 在钻头布齿密度大 、 钻头 已磨钝 、 地层较硬、泥饼摩擦 系数大 、水敏地层 、高钻压低转速情况下 ， 钻头容易发生扭转振动。钻 头布齿密度大 ，要想取得 同样快的机械钻速 ，必须加更 大的钻压 ，这样 是增大 了切削齿与岩石 间的摩擦力 ，二是更易使Ｂ Ａ靠近井壁 ，因而 Ｈ 容易引起扭转振动。水敏地层或泥饼摩擦 系数大 ，加大 了Ｂ－ 与井壁问 ＩＡ Ｉ 的摩擦力 ，所以易引起扭转振动。在Ｐ Ｃ Ｄ 切削齿 吃人地层相同深度的情 况下 ，地层越硬 ，钻头切削扭矩 就越大 ，所 以越易引起扭转振 动。Ｐ ＤＣ 钻头 的一个 固有特性是随着转速的增大而扭矩减小。对于磨钝 了的Ｐ ＤＣ 钻头 ，这个特性更为明显 。这是 因为锋利 的Ｐ Ｃ Ｄ 钻头以剪切方式破岩 ， 岩屑 的排 出方便迅速 ，而磨 钝了的Ｐ Ｃ Ｄ 钻头部分地 以挤压方式破岩，岩 屑不易清除 ，因而扭矩增大 ，若转速增大 ，岩屑清除速度加快 ，因而扭 矩就会减小。也就是说 “ 井底岩屑不能及 时清除”是引起 “ 扭矩随转速 增大而减小 ”这一Ｐ ｃ Ｄ 钻头特性 的根本 原因。这也说 明 ， 磨钝 了的Ｐ Ｃ Ｄ 钻头在低转速条件下容易引起扭转振动。
PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨
PDC钻头钻井条件下的地质录井技术探讨PDC钻头是一种常用于石油钻井的特殊钻头，它能够在复杂地质条件下高效地完成钻井作业。
地质录井技术则是用于记录和分析地层岩石特征、井壁稳定性和油气藏性质等信息的技术。
本文将针对PDC钻头钻井条件下的地质录井技术进行探讨，探讨PDC钻头对地质录井技术的影响和优化方法，以及应对PDC钻头钻井条件下的地质风险。
一、PDC钻头的特点及适用条件PDC（Polycrystalline Diamond Compact）钻头是一种利用工业合成金刚石切削岩层的钻头，其具有高硬度、耐磨损、良好的钻进速度和稳定的性能。
PDC钻头适用于钻探中硬、脆性差的地层，在钻探深度和速度上具有明显优势。
PDC钻头特点主要有以下几点：1. 高硬度。
PDC钻头具有硬度非常高的切削齿，可以快速穿过硬质地层，提高钻井效率。
2. 耐磨损。
PDC钻头的切削齿采用坚硬的金刚石，耐磨损性强，能够长时间保持切削效果。
4. 适用范围广。
PDC钻头适用于各种地质条件下的钻井作业，尤其在硬质地层和高速钻井条件下表现出色。
二、PDC钻头对地质录井技术的影响PDC钻头钻井条件下的地质录井技术面临着一些挑战和影响，主要表现在以下几个方面：1. 钻井速度快。
PDC钻头具有快速的钻井速度，地质录井过程受到了时间压力和快速变化的地层条件的影响，需要及时准确地记录和分析地质信息。
2. 井壁稳定性差。
PDC钻头在钻井过程中可能会出现井壁稳定性差的情况，需要及时调整录井技术和井壁加固措施。
3. 地层岩石特征记录不清。
PDC钻头对地层岩石进行破碎切削，有时会导致地质录井设备无法准确记录地层岩石特征，需要寻求记录技术的改进和优化。
4. 油气藏性质分析受到影响。
PDC钻头钻井可能会产生较多的岩屑，并对地层中的油气藏性质产生影响，需要对录井技术进行适当改进。
2. 适时进行录井操作。
鉴于PDC钻头的快速钻进速度，地质录井人员需要密切配合钻井工程师，适时进行记录和分析操作，确保录井数据的准确性和完整性。
pdc钻头
PDC钻头1. 简介PDC钻头是一种常用于石油钻井的钻探工具。
PDC钻头由多个聚晶体金刚石（Polycrystalline Diamond Compact）切削元件组成，被广泛应用于地层钻探、岩石切割和石油开采中。
本文将介绍PDC钻头的结构、原理以及应用领域。
2. 结构PDC钻头主要由刀翼、钻头体和连接部分组成。
2.1 刀翼刀翼是PDC钻头的重要组成部分，通常由金刚石切削元件制成。
刀翼的数量、形状和布局对钻头的钻井性能和钻孔质量起着重要作用。
刀翼一般采用均匀分布的方式，以保证钻头在钻井过程中的均匀磨损。
2.2 钻头体钻头体是连接刀翼和连接部分的主要结构，通常由钢铁材料制成。
钻头体的设计需要考虑到钻井环境、井眼尺寸和钻头的稳定性等因素。
钻头体一般具有良好的强度和刚度，以确保钻头在高强度的钻井过程中不会发生变形或破损。
2.3 连接部分连接部分是将钻头与钻杆连接在一起的部分，通常采用标准的API连接方式。
连接部分需要具有良好的密封性和承载能力，以确保钻头和钻杆之间的传递力矩和转速。
3. 原理PDC钻头通过刀翼上的金刚石切削元件对地层进行切削和磨损，从而实现钻井的目的。
PDC钻头利用金刚石的高硬度和强大的切削能力，能够在岩石中快速切削并形成孔道。
PDC钻头的切削原理主要有两种：剪切和破碎。
3.1 剪切剪切是PDC钻头常用的切削方式之一。
当PDC钻头旋转时，刀翼上的金刚石切削元件与地层接触，通过相对运动切削地层。
金刚石的高硬度和切削元件的锋利边缘使得PDC钻头能够在地层中形成清晰而平滑的孔道。
3.2 破碎破碎是PDC钻头另一种常用的切削方式。
当地层硬度较高时，剪切切削效果可能不佳。
此时，PDC钻头通过施加较大的冲击力将地层破碎，进而形成孔道。
4. 应用领域PDC钻头广泛应用于石油、天然气和水井钻探领域。
其高效的切削能力和稳定的性能使其成为钻井操作中的重要工具。
4.1 石油钻井在石油钻井中，PDC钻头常用于垂直井、水平井和定向井的钻铤作业。
定向井PDC钻头受力模型及优化设计研究的开题报告
定向井PDC钻头受力模型及优化设计研究的开题报告一、研究背景及意义随着石油工业的不断发展，定向井（包括水平井、斜井等）越来越被广泛应用，因其可以在较小的区域内获得更多的储层资源。
然而，定向井钻井难度较大，在钻井时需考虑钻头受力问题，以避免钻头磨损过快甚至失效。
因此，钻头的设计和优化在定向井钻井中显得尤为重要。
目前，钻头主要分为钻十字头和PDC钻头两种。
由于它们的结构和性能不同，导致受力情况和钻速不同，因此需要研究它们的受力特性，并对其进行优化设计，以提高钻进效率和降低钻井成本。
二、研究内容1. 建立定向井PDC钻头受力模型通过分析定向井钻井过程中的载荷、钻头结构和磨损机制等因素，建立PDC钻头在定向井钻井中的受力模型，揭示其受力分布、载荷分布、切削力分布等特征，为优化设计提供基础数据。
2. 优化设计PDC钻头基于受力模型，优化设计PDC钻头结构和参数，提高其钻进效率、降低其磨损率、延长其使用寿命，从而降低钻井成本。
3. 验证模型和设计的可行性通过实际定向井钻井试验，验证模型和设计的可行性和实用性，进一步提高优化设计的合理性和有效性。
三、研究方法1. 数值模拟法通过有限元方法和计算流体力学方法，建立PDC钻头在定向井钻井中的数值模型，分析其受力分析和动力学特性，进而揭示其磨损机制。
2. 实验验证法通过定向井钻井试验，采集实验数据，验证数值模拟方法的准确性和优化设计的可行性，进一步提高优化设计的实用性和可靠性。
四、预期成果1. 建立定向井PDC钻头受力模型，揭示其受力分布和切削特征。
2. 优化设计PDC钻头结构和参数，提高其钻进效率、降低其磨损率、延长其使用寿命，降低钻井成本。
3. 验证模型和设计的可行性和实用性，进一步提高模型和设计的准确性和可靠性。
五、研究难点1. 定向井钻头的受力模型建立较为复杂，需要考虑多种因素的影响。
2. PDC钻头结构和参数的优化需要同时考虑多个因素，因此具有较高的难度。
PDC钻头使用技术措施
PDC钻头使用技术措施
首先，选用适当的PDC钻头。
根据不同的地质条件和钻井需求，选择合适的PDC钻头参数，包括刀具尺寸、面矩形数、刀头密度等。
正确的选择可以提高钻头的钻进速度和钻井效率，降低故障率。
其次，对PDC钻头进行合理的刃角设计。
刃角是指刀具刃部与钻杆轴线的夹角，合理的刃角设计可以减少切削力，降低钻头的磨损。
根据不同的地层特性和钻井目标，选择合适的刃角，可以提高钻头的稳定性和服务寿命。
第三，进行适当的钻井参数控制。
钻井参数包括转速、进给速度以及泥浆性能等。
合理的钻井参数可以保证钻头在工作时以最佳状态运行，提高钻进速度，减少钻头的磨损和损坏。
根据不同的地质条件和钻井目标，进行钻井参数的优化，可以提高钻头的效率和钻井效果。
第四，加强钻头的维护保养。
定期检查PDC钻头的磨损情况，并及时更换损坏的刀具，可以延长钻头的使用寿命。
在钻进过程中，注意及时清理钻井废料，避免其在钻头上堆积，影响钻头的工作效果。
同时，定期对钻井工具进行清洗、检查和润滑，可以减少钻井工具的故障率，延长使用寿命。
第五，进行合理的钻井操作。
在使用PDC钻头时，需要注意避免钻头的过度震动和振动，避免过大的负荷和冲击力，以免导致钻头的损坏。
同时，需要根据地层特性和钻井目标，合理选择钻进速度和钻进方式，避免过高的转速和过大的进给速度，以免引起过高的温度和磨损。
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。
看世界PDC钻头的最新进展(一)
钻井过程中的技术创新，看世界PDC钻头的最新进展（一）研磨性页岩地层驱使着新钻头的设计，以应对坚硬岩石及高温井的钻探。
在金刚石切削齿与碳化物基岩面相互作用期间，贝克休斯的休斯克里斯滕森Quantec Force强力PDC钻头获得了最佳效果，表现出更高的耐用性和热稳定性，通过获得的有限的切削齿分析，切削刃上的残余应力被迁移。
随着北美油气井页岩层的不断出现，钻头公司迫切地公关，以应对这些地层钻探的挑战并不让人惊讶，对于具体的应用，随之而来的是新钻头的设计，或是改进现有钻头的设计。
一些近期的设计，包括一些应对研磨性地层或高温地层钻井的新切削材料，也有一些8刀翼钻头的外形设计，这些设计都吸收了新切削齿技术和新材料技术，还有一些更新的钻头体材料技术，这些技术都是为了增强钻头的耐用性和提高钻头的性能表现，唯一的目的就是为了降低作业者的钻井成本。
一位服务于Varel国际公司西半球的现场工程经理卡尔罗斯（Karl Rose）说：“在开发钻头切削齿方面，许多钻头技术基本上都是材料技术，使钻头能够承受钻极硬的研磨性地层，切削齿能够在钻硬地层、软地层和夹层地层的变化中不会损坏”。
在钻头本身的材料特性方面也有了新的进展，为了使钻头更加结实和耐用，促使设计者设计出应对更硬地层类型的PDC钻头，罗斯先生说：“随着更坚硬材料的出现，切削齿材料的密度也会增加，使钻头从根本上更加坚韧耐用，这会让作业者在钻硬地层和研磨性地层时，用一只钻头打更多的进尺”。
一位史密斯国际公司的技术支持经理弗莱明克雷格同意说：“切削齿越好，钻头在井里滞留的时间就越长，就能打更多的硬地层和研磨性地层，作业者花费的成本就会越少”。
弗莱明先生说：“我们首先要能让一个切削齿应对更硬和更高研磨性地层，以便能使整个PDC钻头切削齿吃入这些地层，另一方面，钻头的刀翼越多，触到井底的金刚石体就越多”。
然而，弗莱明先生接着又说：“当钻头处于动态稳定的状态时，我们将会停止增加刀翼的数量，史密斯钻头目前就是这样做的，接下来把精力集中在切削齿技术上，不一定要增加更多的刀翼数量”。
PDC钻头工作原理及相关特点剖析
PDC钻头工作原理及相关特点剖析1.工作原理PDC钻头主要由钻头主体、切削结构和钻头连接装置组成。
其中，切削结构是PDC钻头的核心部分。
切削结构通常由若干个聚晶金刚石片组成，这些片通过硬质合金基体和钻头主体连接在一起。
当钻具旋转时，切削结构上的聚晶金刚石片与钻井地层接触，通过摩擦和冲击力来实现岩石的切削和破碎，从而实现钻井作业的目的。
PDC钻头之所以能够高效地进行切削，主要得益于聚晶金刚石的特殊结构和性质。
聚晶金刚石是通过高温高压合成的人工合成金刚石材料，其硬度远远高于地层中的普通岩石。
同时，聚晶金刚石具有非常好的热稳定性，能够在高温环境下保持其切削能力。
因此，PDC钻头在钻井过程中能够快速、高效地切削地层，提高钻孔速度和钻井效果。
2.相关特点（1）高硬度：PDC钻头主体采用硬质合金材料，而切削结构上的聚晶金刚石片具有非常高的硬度。
这使得PDC钻头能够抵御地层中较硬岩石的切削和破碎，提高钻井效率。
（2）良好的耐磨性：聚晶金刚石具有很高的耐磨性能，即使处在高速旋转和高压力下，也能保持较长时间的使用寿命。
这使得PDC钻头在长时间连续作业中具有更好的性能稳定性。
（3）良好的热稳定性：PDC钻头的聚晶金刚石片在高温环境下依然能够保持较好的切削能力，不易产生塑性变形和热损伤。
这使得PDC钻头在高温油气田勘探钻井中得到广泛应用。
（4）低扭矩：由于PDC钻头的切削面积较大，钻进过程中产生的扭矩相对较小，可以减少钻井设备的负荷和能耗，提高钻井作业的效率。
（5）钻速快、钻屑排除好：PDC钻头具有较大的切削面积和切削速度，可以快速破碎地层岩石，提高钻井速度。
同时，切削结构上的切削槽和孔水精心设计，有利于钻屑的排除，减少钻井堵塞的风险。
（6）适应性广：PDC钻头适用于钻探各种地层，如软岩、硬岩、砂岩、页岩等。
可以用于直钻、倾斜钻和水平钻井，满足不同场地和作业需求。
综上所述，PDC钻头以其高硬度、高抗磨损性和高热稳定性等特点，在石油和天然气勘探钻井领域得到广泛应用。
pdc钻头参数
PDC钻头参数引言PDC（Polycrystalline Diamond Compact）钻头是一种常用的钻井工具，其具有高效率、长寿命和稳定性等优点。
本文将对PDC钻头的参数进行全面、详细、完整且深入地探讨，包括PDC的结构、刀翼和刀齿等参数。
PDC钻头的结构PDC钻头主要由刀翼、刀齿、钢体和接头等部分构成。
刀翼刀翼是PDC钻头的主要工作部分，通常由高硬度的刀片和PDC刀齿组成。
刀翼的参数包括刀片硬度、刀片形状和刀片密度等。
1.刀片硬度刀片硬度是刀翼的重要参数，直接影响到PDC钻头的使用寿命和钻井效果。
一般情况下，刀片硬度越高，其耐磨性和抗磨损性能越好。
常用的刀片硬度范围为5000~8000HV。
2.刀片形状刀片形状对于PDC钻头的钻井效果和孔道质量有较大影响。
常见的刀片形状有平底刀片、钝头刀片和尖头刀片等。
不同形状的刀片适用于不同的地质条件和钻井要求。
3.刀片密度刀片密度是指刀片上PDC刀齿的数量和分布情况。
刀片密度越大，每个刀翼上的刀齿越多，钻头的钻进速度越快。
但刀片密度过高也会导致刀翼的疲劳寿命降低。
刀齿刀齿是PDC钻头的关键部分，其主要作用是进行切削和颗粒破碎。
刀齿的参数包括刀齿材料、刀齿形状和刀齿尺寸等。
1.刀齿材料常见的刀齿材料包括聚晶金刚石和硬质合金等。
聚晶金刚石具有高硬度、抗磨损性好的特点，适用于钻取较硬的地层；硬质合金具有较高的韧性和断裂韧性，适用于钻取较软的地层。
2.刀齿形状刀齿形状影响到钻头的切削效果和钻孔的质量。
常见的刀齿形状有平面刀齿、弯刀齿和锯齿刀齿等。
不同形状的刀齿适用于不同的地质条件和钻井要求。
3.刀齿尺寸刀齿尺寸影响到钻头的整体性能和孔道质量。
刀齿尺寸一般由长度、宽度和高度三个参数来表征。
较大尺寸的刀齿通常用于钻取较硬的地层，而较小尺寸的刀齿适用于钻取较软的地层。
钢体钢体是PDC钻头的支撑和固定部分，起到连接刀翼和接头的作用。
钢体的参数包括材质、强度和尺寸等。
PDC_钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状
PDC钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状李彦操（中石化胜利油田分公司, 工程技术管理中心, 山东东营 257000）摘要 聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头，是钻井工程中主要破岩工具之一。
PDC钻头切削齿的破岩效率、耐磨性、热稳定性和抗冲击性等性能指标对PDC钻头的使用效果影响很大，相关研究在国内外备受关注。
本文总结了国内外有关PDC钻头齿破岩机理和性能测试的实验装置、测试方法等代表性成果，按照PDC钻头齿与岩石相互作用的方式，相关实验主要包括5大类：PDC钻头齿直线切削实验、旋转切削实验、落锤冲击实验、PDC钻头单齿静压实验以及全尺寸PDC钻头实验；按照测试目的，又可分为PDC钻头齿的破岩机理和性能测试2大类。
通过调研分析这些实验研究的优缺点，以期为PDC钻头齿的研究与优化、PDC钻头的整体个性化设计等提供参考。
关键词 PDC钻头齿；直线切削实验；旋转切削实验；落锤冲击实验；PDC单齿静压实验；全尺寸PDC 钻头实验中图分类号 TQ164; TG74; TG58 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)05-0553-15DOI码 10.13394/ki.jgszz.2023.0155收稿日期 2023-08-01 修回日期 2023-08-16自2000年起，随着科研人员对PDC钻头齿破岩机理的深化理解和超硬材料科学与生产工艺的不断进步，PDC钻头在石油和天然气钻井工程中的应用逐渐普及。
如今，PDC钻头在油气钻井领域占据了超过80%的市场份额，贡献了90%以上的全球钻井进尺，几乎成为全球高端钻头市场的主导力量[1]。
PDC钻头齿的技术进步极大地推动了油气钻井工程的效益增长，然而，其有限的耐磨性、热稳定性和抗冲击性仍是制约PDC钻头齿更广泛应用的因素。
因此，研究PDC钻头齿本身的材料特性及其破岩机理，存在着广阔的创新空间和潜力巨大的工业应用前景。
PDC
自７ 年代初，Ｄ ０ Ｐ Ｃ钻头 问世 以来 ， Ｄ Ｐ Ｃ钻 头在 世 界 范 围内得到 了普遍 应 用 。在均 质 的较软地 层 中
Ｐ Ｃ 钻头 具有 破岩 效率 高 、 Ｄ 钻速 快 、 尺多 、 命长 进 寿 等优点 。从 ８ ０年代 中期 开始 ， 国内先后 投入 了大量
３ ４００ｍ 钻 机 应 采 用旋 升 式 井 架 和 底 座 ０
绳 的 问题 Ｂａ ｈｍ 公 司 生 产 的“ ｗｉｇＬｆ” ｒｎ ａ Ｓ ｎ ｉ 保持 ｔ
了“ ｗｉｇＵｐ 低位 安 装 、 定性 好 等上述 井架 的优 Ｓ ｎ ” 稳 点外 ， 它还 有 自己的特 点 １ 起 升 井架后 不用 翻倒大 绳 ， ） 只需下 放游车 ， 把起 升大绳 挂 在后 台的导 轮 上就可起 升绞 车 由于
井 架 的导 轮设 计 在井 架 内侧 ， 绳 的受力 情 况得 到 大
改善。
２ 井 架 不 仅是 单 靠 在人 字 架 上 ， 是 与人 字 ） 而 架 联结 成一 体 ， 形成 ４点 支承 ， 井架 的稳 定性及 受力
更好 。
浅谈PDC钻头的使用
浅谈PDC钻头的使用首先，PDC钻头的结构特点是由聚晶金刚石片组成。
聚晶金刚石是由高温高压下人工合成的一种具有均匀结构和均匀硬度的功能材料，其硬度仅次于自然金刚石。
聚晶金刚石片固定在钻头刀具上，可以直接与岩石接触，具有很高的切削能力。
其次，PDC钻头的应用范围非常广泛。
PDC钻头适用于各种地质环境和井段类型，例如软岩、硬岩、致密油层、煤层等。
与传统的钻井工艺相比，PDC钻头能够提高钻进速度、降低钻井成本、减少钻井事故的发生，因此得到了广泛的应用。
在使用PDC钻头时，需要注意以下几点：首先，合理选择PDC钻头。
根据地层的硬度、颗粒度和尺寸等因素来选择合适的PDC钻头。
一般来说，钻进较硬的地层时需要选择具有较大颗粒度和较高硬度的PDC钻头，而钻进较软的地层时则需要选择具有较小颗粒度和较低硬度的PDC钻头。
其次，正确调整钻进参数。
在不同地层和井段中，需要根据具体情况来调整钻进参数，包括转速、钻进压力、切削速度等。
过高的转速和钻进压力可能会导致PDC钻头过早磨损或甚至损坏，过低的转速和钻进压力则可能导致无法稳定地钻井。
此外，定期进行钻头修复和更换也是必要的。
由于PDC钻头在钻井过程中会受到很高的工作负荷和局部超负荷的磨损，因此定期对钻头进行修复和更换是必要的。
一般情况下，当PDC钻头磨损超过一定程度时，需要及时更换。
最后，加强对PDC钻头的维护和保养。
PDC钻头在使用过程中需要进行定期的清洗和润滑，以保持其正常工作和延长使用寿命。
同时，还需要进行防腐和防锈处理，以避免钻头表面生锈和腐蚀。
总之，PDC钻头是一种功能强大、使用广泛的钻井工具。
在使用PDC 钻头时，需要合理选择钻具，调整钻进参数，定期修复和更换钻头，并加强维护和保养工作。
只有这样，才能更好地发挥PDC钻头的优势，提高钻进效率，降低钻井成本，确保钻井安全。
特殊井PDC钻头的研制与应用
特殊井PDC钻头的研制与应用一、引言近年来国内外各油田钻井提速工作取得了很大进展，随着PDC钻头的推广，钻井工艺的日益完善，常规井的钻井周期不断被刷新，为了取得更大的经济效益，各油田开始针对定向井，水平井开发新的钻井工艺。
在此契机下，特殊井使用的PDC钻头，如定向井钻头，水平井钻头也开始了研发起步。
定向井是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。
其剖面主要有分三类：垂直段、造斜段、稳斜段。
水平井是定向井的一种，一般的油井是垂直或倾斜贯穿油层，通过油层的井段比较短。
而水平井是在垂直或倾斜地钻达油层后，井筒转达接近于水平，以与油层保持平行，得以长井段的在油层中钻进直到完井。
由于PDC钻头的切削方式，导致其在定向时产生的反扭矩过大，工具面不稳定，造斜率不一致，定向钻头针对以上特点，改进了钻头造型并增加特殊设计来改善钻头产品造斜效果和机械钻速。
二、钻头设计1.结构设计1.1 短保径设计改进钻头定向钻进性能的途径是以减少钻头扭矩为基础的[1]。
由于PDC钻头的切削方式决定了其扭矩的大部分来自钻头表面对岩石的切削，但也有一部分由于规径块与井壁的接触摩擦造成的。
理论上通过缩短钻头规径，会使井壁的摩擦扭矩减少，也可以优化钻头的侧切力。
我们将定向钻头规径尺寸缩短到正常规径的一般以上。
减小钻头的总长度，使钻头的切削表面和规径块离井底马达扶正器的距离更近。
在定向钻井理论中[2]，钻头钻出的井眼轨迹圆弧取决于井底钻具与井壁的三个接触点。
缩短第一接触点（钻头规径块）到井底马达扶正器的距离，钻井系统的潜在造斜能力将会增加。
我们通过缩短规径长度，实地调研改变接头结构使用短接头，在保障扣型不变的前提下，缩短接头钳口尺寸，从而达到减小钻头总长度的目的。
1.2 加强保径设计短于正常长度的规径可能导致钻头稳定性的下降，并使其耐磨性有所降低。
为此我们采用增加近工作面保径齿和规径面规径齿密度，通过这两种方式保证定向钻头保径的抗磨损性不会因为缩减尺寸而减弱。
PDC钻头的主要几何参数对其力学性能影响的研究的开题报告
PDC钻头的主要几何参数对其力学性能影响的研究的开题报告1. 研究背景随着石油钻探技术的不断发展，钻头作为石油钻井中不可或缺的元件，在其设计制造中有着重要的地位。
其中，PDC钻头的优点在于其硬度高、磨损耐用，能够提高钻头在钻探中的效率和稳定性。
然而，PDC钻头的设计仍然存在一些难点，其中主要就是如何通过主要几何参数的调整来影响PDC钻头的力学性能，以便更好地适应不同的钻探工况。
2. 研究目的本研究旨在通过分析PDC钻头的主要几何参数，探究这些参数对其力学性能的影响规律，从而为PDC钻头的优化设计提供更为准确的理论依据。
3. 研究内容（1） PDC钻头的主要几何参数：PDC钻头的主要几何参数包括刀翼角度、刀翼间距、齿长宽比等。
本研究将分析这些几何参数的影响规律并探究它们之间的相互关系。
（2） PDC钻头的力学性能：PDC钻头的力学性能主要包括切削力、转矩、抗磨性等。
本研究将通过实验测试、数值模拟等方法，分析不同几何参数对其力学性能的影响规律。
（3）参数优化设计：基于以上研究结果，本研究将提出一种适用于PDC钻头的参数优化设计方案，以提高钻头在钻探过程中的效率和稳定性。
4. 研究方法（1）实验测试法：通过设计一套合理的实验装置，对不同几何参数的PDC钻头进行力学性能测试。
（2）数值模拟法：通过建立PDC钻头的数值模型，对其力学性能进行仿真分析，以探究不同几何参数对其力学性能的影响。
（3）统计分析法：通过对实验数据和数值模拟结果进行统计分析，探究不同几何参数之间的相互关系，并确定最优几何参数。
5. 预期成果（1）对PDC钻头主要几何参数与力学性能之间的关系进行全面深入的探究，揭示其内在规律。
（2）提出一套适用于PDC钻头的参数优化设计方案，以提高钻头在钻探过程中的效率和稳定性。
（3）为PDC钻头的制造企业提供更为科学的理论指导和技术支持，促进其技术创新和产业发展。
硬地层PDC钻头研究
在世界范围内，钻头钻硬地层的能力及其耐用性到目前为止仍未达到极限，即便是牙轮钻头也通过新型冶金技术而正在被改进性能。
钻井作业商普遍认为，钻井机械钻速（ROP）的提升相当之快，以至于井队从两口井之间的搬家和准备时间已开始成为钻井工艺的一个主要考虑因素；同时，钻头的耐用性也在快速提升，这使得钻井承包商不得不考虑需要减少多少井队而仍能保持相同的钻井数量。
然而，对于钻井承包商来说，仍看不到机械钻速和钻井进程失效（即起钻更换钻头）之间的平均时间达到任何极限的迹象。
从2009年至今，钻头方面的发展除人们所期望的设计结构的改进以外，钢齿牙轮钻头切削齿方面的新型冶金技术也发生了大幅改进，下面我们从美国4家主要钻头制造商的技术发展，来纵观一下钻头技术的发展趋势。
NOV公司高碳化钨含量的牙轮钻头钢齿技术该公司发明的这种新型钢齿被其命名为Downhole ReedHycalog TuffCutter Forged-In钢齿，是一种专有技术，这种新型超硬金属是世界上钢齿钻头硬金属中碳化钨含量最高的一种材料（见图1）。
传统的钢齿牙轮钻头需要通过焊接技术给牙轮钢齿敷焊碳化钨硬金属。
碳化钨颗粒在2,160华氏度时开始熔化，而敷焊温度却必须达到大约3,000华氏度，这就必然会损坏敷焊层表面的碳化钨颗粒，造成在敷焊层表面碳化钨含量少而在焊接材料底部碳化钨含量高的现象，致使敷焊层的最大综合有效碳化钨含量只能达到40%。
而含有该公司专有技术的Forged-In硬金属的碳化钨含量百分比则高于用任何传统敷焊方法所能达到的碳化钨含量。
该公司通过应用其Powder Forge 技术，可将施焊温度限制在2,100华氏度以下，从而消除了碳化钨颗粒发生熔化的可能性，这样所实现的硬金属敷焊层的碳化钨颗粒分布十分均匀，碳化钨体积百分比可达到60%。
将这种硬金属与另外两种专有硬金属（即专用于钢齿表面的FullGage硬金属以及专门保护牙轮壳体的TuffJacket硬金属）共同使用，该公司推出其最新一代的钢齿牙轮钻头—TuffCutter钻头。
定向井用PDC钻头研究
定向井用PDC钻头研究摘要定向井技术是提高石油勘探开发效率有效的技术之一，而PDC钻头以其自身的性能优势，在定向井钻井中发挥越来越重要的作用。
随着定向井PDC 钻头的不断发展与应用，在提高定向井钻井的效率和质量方面作用明显。
但是PDC钻头在定向井钻井过程中，方位的偏移严重，为了提高钻井的质量，需要提高定向井PDC钻头钻进趋势的研究，通过对影响定向井PDC钻头钻井的影响研究，提高定向井钻井的效率。
文章研究了定向井PDC钻头与地层的作用模型，分析影响PDC钻头钻井趋势的影响因素，提高了定向井钻井的速度和质量。
关键词定向井；PDC钻头；因素；模型；钻井随着定向井理论与方法的发展，对于定向井的工具提出了更高的要求，PDC 钻头通过不断的改进和完善，在定向井钻井中发挥着重要的作用。
由于定向井钻井在地表之下，井下地层条件复杂，定向井对于钻井的质量要求较高，因此需要进行定向井专用工具的优化改进，保证定向井钻井的质量和速度。
井下PDC钻头的结构和参数是否合适，直接影响到定向井钻井的准确性和速度，因此需要开展定向井用PDC钻头的研究，提高定向井PDC钻头的效率和寿命。
1定向井PDC钻头和地层相互作用的模型分析影响到定向井PDC钻头与地层相互作用的影响因素较多，为了能够表示地层岩石的定量参数，首先要对地层岩石的参数进行定量分析，地层各向异性参数就是地层岩石主要参数之一，由于地层岩石特殊的形成原因，地层岩石的强度和硬度在地层的各个方向上，具有不同数值，所以石油钻井钻遇的地层一般都会各个方向上存在区别，这就指的是地层的各向异性。
在沉积岩地层中由于沉积条件的不同，一般会存着各向异性。
在石油钻井过程中，钻遇较多的就是沉积岩地层。
由于地层各向异性现象的存在，导致了定向井钻井过程中，容易产生井下钻头偏离预定轨迹的现象，影响了定向井钻井的质量和效率。
在PDC钻头钻进过程中，不但会存在钻头轴向钻进的趋势，同时也会存在着钻头侧向钻进的趋势，PDC 钻头这种在轴向和侧向上钻井趋势的不同，就是PDC钻头的轴侧方向钻进的不同性能。
定向井用PDC钻头研究
定向井用PDC钻头研究定向井技术可以更好地对油藏进行開发利用，定向井作业采用PDC钻头可以有效提高钻井效率，保证钻井质量。
在实际的定向井钻井作业过程中，采用PDC钻头进行作业，存在着方位和轨迹与设计产生偏移的问题，影响着钻井作业质量。
本文对定向井PDC钻头与地下储层作用力建立起模型，并对钻头受力进行深入地分析，并对定向井PDC钻头钻井趋势影响因素进行了探讨。
标签：定向井钻井;PDC钻头;影响因素随着定向井钻井技术的不断进步，对定向井作业采用的工具提出了新的要求。
定向井钻井作业需要面对较为复杂的地质条件，还需要保证较好的钻井质量，需要对PDC钻性能通过不断优化和提升，确定出最为合理的钻头结构方式和配置参数，可以更好地保证钻井作业速度。
所以，需要对定向井用PDC钻头进行深入地研究，保证钻头具备较高的钻井作业效率和使用寿命。
1定向井PDC钻头与地下储层作用力模型分析PDC钻头应用到定向井钻井作业时，与地下储层产生的作用存在着较多的影响因素，需要确定出地下储层岩体具备的定量参数，采用定量分析办法对不同方向的参数进行确定。
由于地下储层岩体形成原因比较复杂，具备的强度和硬度在不同方向上有着较大的不同，存在的各向异性会对PDC钻头产生影响。
定向井钻井作业过程中，钻遇机率最高的就是沉积岩地层，该地层的地质条件有着各向异性现象，会使得钻井作业过程中出现钻头偏离设计井眼轨迹的问题，会对钻井质量造成影响，也会降低钻井施工作业效率。
在PDC钻井向前挺进过程中，会具备轴向钻井趋势，还会形成侧向钻进趋势，该种钻头会在轴向、侧向形成两个挺进趋势，使得形成的井眼轨迹偏离原计划轨迹。
在对钻头进行设计时，多注重轴向钻进性能，防止钻井作业过程中存在侧向钻井问题。
对PDC钻头水力结构进行设计，也多考虑轴向钻进性能，规格型号不同的钻头在轴、侧钻性能方面也有着很大差异，会结合地下储层参数，采用理论计算的办法，也可以在实验内开展破裂试验，从而得到PDC轴、侧方向钻进参数。
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文章编号:100123482(2002)022*******ΞPDC钻头稳定性技术研究王福修,田京燕(胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017)摘要:文章对影响PDC钻头稳定性的回旋振动与扭转振动进行了分析与研究,提出了多种改善PDC钻头稳定性的技术措施,并简要介绍了应用效果。
关键词:PDC钻头;稳定性;振动中图分类号:T E921.101 文献标识码:AThe technology study on PDC b it stab il ityW AN G Fu2x iu,T I AN J ing2yan(D rilling T echnology R esea rch Instu tity of S heng li P etroleum A dm in istra tion,D ongy ing257017,Ch ina)Abstract:T h is p ap er describes the w h irl vib rati on and to rsi onal vib rati on they are having on PDC b it stab ility.It discu sses techno logy m easu res w h ich i m p rove PDC b it stab ility,and describes their po sitive effect b riefly.Key words:PDC b it;stab ility;vib rati on 自70年代初,PDC钻头问世以来,PDC钻头在世界范围内得到了普遍应用。
在均质的较软地层中PDC钻头具有破岩效率高、钻速快、进尺多、寿命长等优点。
从80年代中期开始,国内先后投入了大量3 4000m钻机应采用旋升式井架和底座井架及底座选择有3种方案,双升式(Slingsho tSub structu res平行四边形式)、旋升式(PYRAM I D 公司生产的“Sw ing U p”)和SO I LM EC B ranham公司生产的“Sw ing L ift”。
进口的5000m以上电驱动钻机及国内生产的40D,50D,70D型钻机大部分采用的是双升式井架,但与后2种井架形式相比,一是结构件笨大,尤其是底座和钻台面,我国生产的ZJ40 2250DB型钻机采用这种井架形式,其底座质量为130×103kg,井架质量为47×103kg,搬家需要的车辆多;二是双套起升绳系,一套起升井架,一套起升钻台面,多了一套绳系;三是起升拉力大;据测算,起升钻台面时,起升力近2000kN,接近满负荷;四是钻井工况下整体稳定性差,振动比较大。
旋升式井架克服了以上缺点,但搬家安装时,仍存在翻倒大绳的问题。
B ranham公司生产的“Sw ing L ift”保持了“Sw ing U p”低位安装、稳定性好等上述井架的优点外,它还有自己的特点。
1) 起升井架后不用翻倒大绳,只需下放游车,把起升大绳挂在后台的导轮上就可起升绞车。
由于井架的导轮设计在井架内侧,大绳的受力情况得到改善。
2) 井架不仅是单靠在人字架上,而是与人字架联结成一体,形成4点支承,井架的稳定性及受力更好。
3) 井架、底座,特别是后台质量减轻,运输单元进一步减少。
该类型井架的设计提升能力范围从2500kN到11300kN,不仅适合4000m钻机,而且也适合50D,70D型钻机。
井架及底座采用“Sw ing L ift”形式,有明显的优势和便利。
2002年第31卷 石油矿场机械 第2期第7页 O I L F IELD EQU IP M ENT 2002,31(2):7～10 Ξ收稿日期:2001209228作者简介:王福修(19572),男,山东东营人,高级工程师,现从事金刚石钻头的研制与开发工作。
的人力物力从事PDC 钻头的研究与开发,并有多种PDC 钻头在国内得到推广应用。
在研究开发与使用过程中,人们发现PDC 钻头的损坏是由于其不能在井下稳定地工作而造成的。
为提高PDC 钻头的工作性能,使其获得更广泛的适用范围,胜利石油管理局钻井工艺研究院对“PDC 钻头的稳定性技术”进行了研究。
在对影响PDC 钻头稳定性的因素进行大量调研及分析的基础上,在设计、制造工艺及现场使用操作参数等方面采取了诸多消除或减弱钻头振动的技术措施,改善了PDC 钻头的钻进稳定性,从而使其钻进性能有了显著提高。
1 影响PDC 钻头稳定性的因素现场应用中,有许多PDC 钻头的钻进性能不理想,进尺少、钻速慢、寿命短,分析其原因主要是由于在钻进过程中PDC 钻头发生了某种振动而使PDC 钻头不能够稳定工作所致。
振动形式主要有回旋振动、扭转振动及轴向振动。
111 回旋振动正向回旋,由于钻头瞬时旋转中心距原井眼中心较近,多数PDC 切削齿的运动状态与受力状态属于正常,因而危害小。
回旋主要指瞬时旋转中心为钻头保径。
钻头发生回旋时,钻头设计的几何中心使钻头的旋转中心不再成立,因而钻头的几何结构、PDC 切削齿的布置变得不合理。
回旋运动改变了PDC 钻头切削齿的工作状态,切削齿有时正向运动、有时侧向运动、有时反向运动,每个PDC 钻头切削齿都承受着较大的冲击载荷。
如图1,PDC 钻头切削齿的瞬时速度为v =Ξr 2+R 2-2rR co s Η,(1)式中,v 为PDC 切削齿运动线速度;Ξ为钻头运动角速度;r 为PDC 切削齿与钻头中心轴线之间的距离;R 为钻头半径;Η为PDC 切削齿所在的钻头半径线与OO i 线之间的夹角。
从上式看出,PDC 钻头切削齿的运动速度和方向无时不在变化,尤其是每时每刻总有部分PDC 切削齿的切向运动速度与设计要求的方向相反,这叫瞬时局部反向旋转现象,对PDC 切削齿的破坏特别严重。
现结合图2对瞬时局部反向旋转现象作进一步分析研究。
PDC 切削齿的切向运动速度为v sin Α(图示方向为正),由图中几何关系Rsin (Π2-Α)=r 2+R 2-2rR co s Ηsin Η(Α如图1),得 v sin Α=Ξ(r -R co s Η)。
(2)由式(2)知,当r -R co s Η<0时,v ・sin Α<0,实际方向与图中所示方向相反,即为反向旋转。
r -R co s Η<0的条件可转化为r <R co s Η,而r =R co s Η是一个直径为R 、圆心位于O B O i 中点的一个圆。
也就是说,位于圆r =R co s Η内部的PDC 切削齿均存在不同程度的反向旋转现象。
圆r =Rco s Η的面积等于钻头端面面积的1 4,说明PDC 钻头在发生回旋运动时,每一时刻都约有1 4的PDC 切削齿存在反向旋转现象。
O —井眼中心;O B —钻头中心;O i —钻头瞬时旋转中心图1 PDC 切削齿的运动学分析图2 PDC 切削齿受力状况反向旋转是由于PDC 切削齿的承载特点所决定的。
PDC 切削齿的结构和自锐特点只允许它承受来自正面的载荷,对来自侧面和反面载荷的承受能力很弱。
如图2a ,切削力作用在金刚石层的正面,后面有W C 底层支撑着金刚石层,故可承受很大载荷;如图2b ,切削力主要作用在自锐出露的金刚石层反面上,正面无任何支撑,即使在较小载荷、作用时间较短的情况下,切削齿的金刚石层也会遭到严重破坏。
PDC 钻头发生回旋振动时,切削齿承受的冲击载荷很大。
在较硬地层中,PDC 切削齿使得金刚石层凸缘被剪掉;使得部分或整个金刚石层碎裂。
前者使钻头机械钻速减慢,但经过一段时间的热磨损后,凸缘又会自动形成。
此过程反复进行,将加速PDC 切削齿的磨损破坏;后者使PDC 切削齿失去自锐能力,是导致PDC 钻头先期损坏的主要原因。
・8・ O I L F IELD EQU IP M ENT 2002V o l.31№2 1.2 影响钻头回旋的因素1.2.1 钻头结构促使钻头产生横向运动的任何因素都能增加钻头回旋倾向。
钻头切削不平衡力愈大,冠高系数愈大或外锥愈长,保径部位愈粗糙,则愈易发生回旋。
1.2.2 岩石性能在软地层中钻进速度较快,没有足够的时间使井径扩大,因而钻头回旋不易发生。
相反,由于某种原因,如,钻较硬地层,机械钻速就较慢,钻头就有可能发生回旋。
易引起钻头泥包的粘性地层可减小回旋倾向。
松散地层通常最糟,因为它极易引起井径扩大,所以很易导致钻头回旋的发生。
1.2.3 操作参数转速越高,离心力越大,钻头越易发生回旋或回旋不易停止。
因为相对不平衡力增大,使得钻压越小,越易发生回旋,。
2 扭转振动2.1 扭转振动的危害发生扭转振动时,钻头会发生卡滑现象,导致钻头转速时大时小,甚至静止不动,或反向旋转。
这样会使PDC切削齿承受很大的冲击载荷,加速切削齿的磨损甚至引起金刚石层脱落,尤其是钻头反向旋转更容易导致PDC金刚石层的碎裂或脱落。
由于钻头或井底钻具发生扭转振动时,钻柱承受着循环交变载荷,所以容易引起钻具的疲劳破坏。
2.2 影响扭转振动的因素研究证明,在钻头布齿密度大、钻头已磨钝、地层较硬、泥饼摩擦因数大、水敏地层、高钻压低转速情况下,钻头容易发生扭转振动。
钻头布齿密度大,要想取得同样快的机械钻速,必须增加钻压,这样一是增大了切削齿与岩石之间的摩擦力;二是更易使BHA靠近井壁因而容易引起扭转振动。
水敏地层或泥饼摩擦因数大,加大了BHA与井壁之间的摩擦力,所以易引起扭转振动。
PDC钻头的一个固有特性是随着转速的增大而扭矩减小。
对于磨钝了的PDC钻头,该特性更为明显。
这是因为PDC钻头以剪切方式破岩,岩屑排出方便迅速,而磨钝了的PDC钻头部分地以挤压方式破岩,岩屑不易清除,因而扭矩增大,若转速增大,岩屑清除速度加快,因而扭矩就会减小。
也就是说,井底岩屑不能及时清除,是引起扭矩随转速增大而减小的根本原因。
说明,磨钝了的PDC钻头在低转速条件下容易引起扭转振动。
3 技术措施3.1 钻头结构方面3.1.1 平坦的钻头冠部轮廓试验表明,钻头冠部轮廓锥度愈大,其钻头旋转中心对钻头的横向偏移越敏感。
而具有平坦冠部轮廓的PDC钻头不易发生横向移动,其稳定性较好。
3.1.2 钻头冠部轮廓深内锥当PDC钻头发生横向偏移时,钻头深内锥上受力的切削齿与锥外受力的切削齿在方位上处于相反的两侧。
这样内锥上受力的切削齿则阻止钻头作进一步横向运动。
如果内锥较浅,则心部岩石易被横向运动的切削齿切削掉,因而起不到阻止钻头横向运动的作用。
深内锥结构的另一个作用是防止内锥上的PDC切削齿受反向载荷的作用。
此外,若内锥深度与外锥高度相当,那么钻遇由硬到软的地层交界面时,深内锥结构可使钻头中心和保径部位同时有PDC切削齿处在硬地层内,有利于钻头平稳钻进。