PDC钻头设计

PDC钻头设计
作者：贾维江
来源：《中国科技博览》2014年第01期
摘要：PDC钻头的设计包括冠部形状设计、布齿设计和水力结构设计，文中结合胜利油田的地层特点，将理论设计与实践相结合，进行了PDC钻头设计。

关键词：PDC钻头；冠部形状设计；布齿设计；水利结构设计
中图分类号：TV5
针对胜利油田的砂岩地层，在总结前人经验的基础上，结合PDC钻头计理论及计算机技术，设计PDC钻头。

一般情况下，PDC钻头对砂岩具有良好的可钻性。

1 冠部形状设计
钻头冠部形状设计模式很多，包括三段式组合（模式A直线-圆弧-直线和模式B直线-圆弧-抛物线）及两段式组合（模式C直线-圆弧和模式D直线-抛物线）。

根据冠部形状设计理论，并结合砂岩地层的特点，选用 215.9 的PDC钻头，钻头冠部采用直线-圆弧曲线设计。

根据设计要求，本次设计中采用浅内锥；针对胜利油田砂岩地层的特点，采用等切削原则进行冠部轮廓设计，在冠部轮廓理论曲线方程进行拟合的基础上，结合钻头设计经验和使用钻头类比，确定出适合钻进砂岩地层的钻头冠部轮廓形状：浅锥、直线—圆弧冠部轮廓，外锥长度适中。

这种直线—圆弧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。

2 布齿设计
（1）切削齿的大小。

钻头设计时既要考虑获得较高的机械钻速，又要考虑延长钻头的使用寿命，这2个指标都与切削齿的大小和密度有关。

选择直径为19.05 的PDC复合片作为主切削元件。

（2）切削角度。

根据所钻地层的软硬程度和岩性特点以及PDC复合片的破岩特点，随着地层硬度的由低到高，切削齿的切削角度逐渐由小到大，但一般控制在10°～30°之间。

而切削齿的侧转角度则随着钻头切削刀翼的不同而不同。

直切削刀翼上切削齿的侧转角一般取5°～15°，而螺旋切削刀翼上切削齿的侧转角则随着螺旋线变化。

切削角取20°，侧转角取5°。

（3）布齿密度。

根据所钻砂岩地层的硬度和研磨性，可采用中低密度布齿。

在考虑稳定性设计的基础上，根据中华人民共和国石油天然气标准中PDC钻头的分类（见附表），可取
N=19，PDC钻头的当量齿数为27，属于中低密度布齿。

中低密度布齿有利于提高机械钻速。

（4）布齿方法。

切削齿布置包括径向布置和周向布置。

径向布齿设计需要确定切削齿中心到
钻头中心的距离，以便在布置切削齿时刀翼分配合理的布齿空间。

根据等切削原则推导出径向布齿公式：
周向布置是在垂直于钻头轴线的平面内按一定方式布置切削齿，得到的结果是周向布置图，反映了切削齿在钻头平面上布置方位情况。

周向布齿设计需要与水力设计和径向布齿设计相结合。

根据地层的设计要求，周向布置结合径向布齿得到，可采用4刀翼均匀布齿。

分别对刀翼进行编号1、2、3、4，依次分布在钻头冠部上。

（5）切削齿的布置方式。

PDC钻头一般采用两种布齿方式：刀翼式和散布式。

刀翼式布齿比较规则，布置不同的切削齿相对容易，流道面积较大、规则，能形成有效的流场，容易清洗和排泄岩屑。

散布式布齿能充分利用钻头表面积，形成高密度布齿，但不易布置不同类型的切削齿，且排屑效果不好。

根据胜利油田砂岩地层的特点，采用刀翼式布齿，容易形成复合切削结构，在软地层加强清洗和携带岩屑效果，在硬夹层加强冷却效果。

（6）保径齿设计。

保径齿设计采用开放式直保径设计。

为了加强保径效果，考虑保径部位有一定的切削能力，选用人造金刚石聚晶、天然大颗粒金刚石、硬质合金片以及复合片4种超硬材料联合保径。

通过近几年的试验资料看，保径效果比较理想。

根据以上所做的冠部形状设计和布齿设计，利用PRO/E软件画出该钻头的冠部轮廓曲线及切削齿布置示意图，如下图所示：
图 PDC钻头冠部轮廓曲线及切削齿布置示意图
3 水力结构设计
（1）喷嘴的数量。

安装的几种不同规格的喷嘴就可以使钻井液流量与相邻切削齿所切除的岩屑量相匹配。

这种结构可以避免低流速区域，而且可以避免钻头中心部位产生滞留区域。

研究表面，打破对称能够提高机械钻速，从而得到漫流的效果。

则在本设计中采用两种不同规格尺寸的喷嘴，每种尺寸有两个喷嘴，靠近钻头中心的喷嘴直径大，远离钻头中心的喷嘴直径小。

（2）喷嘴的方位角和喷射角度。

根据以上的PDC钻头的冠部和布齿设计及地层特点，该钻头可采用四喷嘴设计，喷嘴的直径根据水力参数钻头压降计算得到。

计算得到 =14.10 ，在满足冷却PDC钻头、清洗井底和携带岩屑的基础上，整喷嘴的方位角使喷嘴的射流尽量避开钻头刀翼，得到靠近钻头中心的喷嘴直径为 =10 ，远离钻头中心的喷嘴直径为 =8 。

（3）钻头排屑槽的深度。

在考虑以往PDC 钻头排屑槽的基础上，适当增加钻头排屑槽的深度，同时也增加了喷嘴至井底的距离，这样一方面增加距离可使喷嘴射流反射到钻头体的能量大大降低；另一方面增加钻头排屑槽的深度可使钻头表面的过流面积增大，对喷嘴射流在冲击井底后向周围漫流的阻力明显降低，减轻了射流对钻头基体的冲蚀。

在总结以上PDC钻头冠部设计、布齿设计、水力设计的基础上，根据其设计参数，在PRO/E软件中做出 215.9 的PDC钻头三维实体图形。

参考文献：
[1] 罗恒荣，唐玉响，徐玉超，沈建文，曹汉原.新型定向井PDC钻头的研制与应用.石油钻探技术.2007-09.
[2] 周从明，刘建风，胥建华. PDC钻头布齿软件设计.石油机械.2004-04.。