高效破岩技术(第五讲)

４、保径结构与形状 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 确定。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。
高 度
保径 齿 保径 面
指向式导 向钻头保 径 推靠式 导向钻 头保径
机 械 钻 速
ＰＤＣ钻头 牙轮钻头 天然金刚石钻头
钻头寿命 图１９ 不同类型钻头性能比较
缺点： １）ＰＤＣ齿抗冲击韧性较差不适合在破碎、软硬变换频繁以及硬地层中 使用，地层使用范围受到限制； ２）复合片热稳定性较差，需要良好的冷却； ３）对钻头水力结构要求较高，水力结构设计不合理钻头会发生泥包。 ３）钻头成本较高。
高效破岩新方法
第五讲 破岩工具—ＰＤＣ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。 ＰＤＣ钻头与牙轮相比钻速快、寿命长、事故率低，在软到 中硬地层中正逐渐取代牙轮钻头。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。但是ＰＤＣ钻头对地层的敏感性强，通常 仅适合在软到中硬地层均质地层中使用。 ＰＤＣ钻头的特性源于其切削齿的材料特性及其结构特点。
图１２ ＰＤＣ钻头保径结构与形状
（二）钻头水力结构
１、流道 流道为钻头流体的通道。流道结构与尺寸结构设计以利于岩粉尽快离开 井底，避免岩粉的二次破碎和钻头“泥包”为目标 。一般流道深度为喷嘴 的最佳喷距，也即喷嘴直径的 ４－７倍；流道的宽度以具体情况确定。
图１３ 钻头“泥包”
图１４ 流道结构
２、喷嘴及其空间结构参数 喷嘴的数量与尺寸：喷嘴数量和尺寸是由水力学参数优化 设计结果确定的。 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。这四个参数依据水力学优 化设计结果确定。
（ｂ）不对称刀翼设计
图２４ 平衡力设计
图２５ 轨道布齿示意图
图２６ 低摩擦保径
②以限制振动为目标的优化设计
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 头的纵向振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 减小切削齿的冲击破坏，在钻头上设置冲击拟制器。
图２７ 冲击抑制器示意图
二、ＰＤＣ钻头简介
１、结构简介
ＰＤＣ齿 刀翼 排屑槽
流道 喷嘴
图１ ＰＤＣ钻头的结构
二、ＰＤＣ钻头简介
图２ ＰＤＣ钻头结构术语
二、ＰＤＣ钻头简介
２．ＰＤＣ钻头分类 按钻头体材料分类：钢体、胎体（见图３）； 按刀翼数量分类：３－１２刮刀； 按齿的分布方式分为：“ 满天星”式与刀翼式（见图４）。
二、ＰＤＣ钻头简介
２、破岩方式与钻头性能的关系
①岩石结构对破岩效果的影响 沉积岩主要为胶结结构：矿物颗粒之间被胶结物或者细粒填隙物质 充填结合在一起。
图１８
Ａ： 矿物颗粒大小的影响：细颗粒组成的岩石在切削过程 中，切削界面发生在胶结表面，矿物颗粒整体“挖出”，利 于切削方式破岩。 Ｂ：胶结物强度的影响：胶结物强度低的岩石，需要的破 碎力小 ，利于切削齿“吃入”地层，同时矿物容易被整体 “挖出”，利于切削方式破岩。 Ｃ：矿物强度的影响
（一）切削结构 １、冠部形状
钻头冠部形状是指钻头切削齿外部轮廓的包络线。由内锥、 外锥、鼻部、肩部、保径组成（如图５所示）。
冠部 高度
肩部 外锥
图５ 钻头冠部形状
钻头的冠部形状对钻头结构的影响规律：
①钻头的冠部形状决定了钻头每个刀翼上放置复合片的弧线的形状和 长度，影响钻头的布齿数量和齿的分布趋势； ②钻头的冠部形状决定了钻头切削形成的井底形状，使得不同部位的 切削齿受力、磨损状态出现差异。 ③冠部内锥形状决定了钻头中心部位未破碎岩石的凸体形状，而中心 凸体可以限制钻头的横向运动，即与钻头工作稳定性有关。 ④冠部形状即井底的形状，是钻井液井底流道主要构成部分，因而与 井底流场密切相关，直接影响井底的携岩。
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 耐冲蚀的硬质合金材料。 特点：加工制造工艺复杂，钻头 体强度高，流道面积大，有利于防止 钻头泥包。耐冲蚀效果相对较差。 胎体ＰＤＣ钻头： 支撑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末 经烧结加工而成。 特点：加工制造工艺简单，强度 相对较差，流道面积相对较小，不利 于防止钻头泥包。耐冲蚀效果好。 图３ 钢体、胎体ＰＤＣ钻头
五、ＰＤＣ钻头的特点总结
优点 ：
１）以剪切方式破岩，在软至中硬均质地层中破岩效率高，机械钻速高； ２）具有自锐性，能始终保持较高的机械钻速； ３）ＰＤＣ钻头切削齿耐磨性高，钻头寿命长；
４）所需钻压较低，钻柱负荷小。同时在吊打情况下能保持较高的钻井速 度；
５）适应较高的转速（可达４００转／分），有利于提高钻井速度；同时适合 配合动力钻具使用； ６）ＰＤＣ钻头结构牢固，没有活动部件和易损件，有利于防止钻井事故； ７）不受井眼尺寸的限制，适合在小井眼中应用； ８）不受地层温度的影响，是高温地层钻进的首选。
二、ＰＤＣ钻头简介
(a)“ 满天星式”PDC钻 头
(b)刀翼型PDC钻头
图４ ＰＤＣ钻头的两种类型
三、主要结构参数与钻头性能的关系
冠部形状
切 削 结 构
切削齿空间结构参数 切削齿分布 刀翼数量与结构 保径结构 喷嘴数量与尺寸 喷嘴空间结构参数 流道结构与尺寸
ＰＤＣ 钻 头 结 构 参 数
水 力 结 构
具有强化和减振 作用的后排齿
图２８ 双排齿ＰＤＣ钻头示意图
③单参数的优化设计 钻头冠部形状（见第三讲）、切削齿切削角度的优化设计：
图３１ 切削齿破岩过程及有限元分析示意图
结论：
图３２ 切削齿切削角度与岩石可破碎强度的关系
①随着切削齿切削角度的增加破岩效率显著提高； ② 切削齿切削角度对钻头的切削效率的影响对于塑性岩石更加明显。 据此提出了正切削角度ＰＤＣ钻头（申请了专利）设计思想，目前正进行 室内与现场试验。
图２１ ＰＤＣ钻头的不平衡力
图2-22 钻头涡动形成的井底
图2-23 钻头理想运动形成的井底
降低钻头涡动的方法： Ａ 改变切削齿的空间角度消除不平衡力； Ｂ 采用不对称刀翼设计消除不平衡力； Ｃ 采用低摩擦保径设计抵消不平衡力； Ｄ 采用轨道式布齿形成的沟槽限制钻头的涡动。
（ａ）改变切削齿的角度及位置
图３６ ＰＤＣ钻头流场分析
图３８ 陕北苏里格地区使用的ＰＤＣ钻头
图１５ 喷嘴的空间结构参数
四、ＰＤＣ钻头的破岩方式与钻头特性的关系
１．ＰＤＣ钻头的破岩方式
钻井过程中ＰＤＣ钻头切削齿在压力和扭矩的作用下以切削破岩方式 破碎井底的岩石。 钻压作用保持切削齿吃入地层一定深度，扭矩作用保持切削齿连续 切削地层。
图１６ ＰＤＣ钻头破岩方式示意图
图１７ ＰＤＣ钻头切削齿的破岩过程
冠部不同 部位应力 分布
严重磨损部位
图７ 钻头的冠部形状对冠部不同部位切削齿磨损的影响
冠部形状
图８ 冠部形状对井底流场的影响
２、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：切削角度、侧转角和 位置角。其中切削角度对钻头性能的 影响最大． 切削角度： 金刚石复合片绕水平直径线旋转 一个角度，切削齿切削平面和切削齿 轴线所成的角称作切削角度（如图９）。 图９ 切削角度图示
刀翼形状： 刀翼形状与钻头的冠部形状、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，其基本结构形式分为以下三种（见图１１）。
直线型
常规螺旋型
大螺型
图１１ 刀翼的基本结构形式
直刀翼：钻头刀翼的俯视投影为直线。一般其冠部圆弧较 小，用于中软至硬地层钻头。 常规螺旋：刀翼形状由直线段和螺旋线组成，适用于各种 地层。 大螺旋：刀翼形状为螺旋型，由切削齿的位置拟合得到， 适用于软地层。
六、ＰＤＣ钻头面对的挑战
１、常规钻井条件下进一步提速问题 ２、硬塑性地层的钻速问题 ３、砾石层的适应性问题 ４、硬及强研磨性地层破岩效果问题 ５、导向钻井轨迹控制问题 ６、冲击钻井方式的适应性问题
七、改进钻头性能的对策
１、改进提高ＰＤＣ齿的性能 ①提高复合片的耐冲击性能 ②增强金刚石层与硬质合金支撑体的结合强度 ③改进自锐性 ④增强耐磨性 ⑤提高复合片的热稳定性
研究表明：切削角度的大小与破岩效果密切相关，切削角度绝对值越 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；而切削角度变小，一方面复合片后部趋 于平缓，切削齿不易深度吃入地层，另一方面由于切削齿受拉、弯应力相 对增加，易造成复合片崩裂。因此切削角度存在最优值。 破 岩 效 果
切削角度－１５°
切削角度０°
切削角度５°
图３３ ＰＤＣ钻头切削角示意图
３、水力结构参数优化设计 通过流场数值模拟，分析了喷嘴数量尺寸、空间位 置、喷射角度、喷距、冠部形状等参数对清岩与辅助破 岩效果的影响规律，并对相关参数进行了优化设计。
图３４ 有限元分析示意图
图３５ 钻头井底流场的速度矢量图
切削角度 图１０ 切削角Βιβλιοθήκη Baidu与破岩效果的关系
３、刀翼的数量、形状
刀翼数量： 对刮刀ＰＤＣ钻头而言，钻头冠部形状确定后，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，刀翼数量也越 多。常规钻头刮刀数范围为３－９。刮刀数量与地层硬度的对应关系为： 刀翼数量 地层硬度 3-4 极软至软 4-5 软至中软 5-7 中软至硬 >7 硬
２、钻头切削结构的优化设计
①以钻头受力平衡为目标的多参数优化 钻头上的每个切削齿在破岩过程中都受到破岩力的作用，钻头上所有
齿受力的合力为钻头的合力。由于每个切削齿受到的力的大小和方向不同 一般情况下，在任一方向上钻头切削齿受力的合力是不等于零的。
图２０ 钻头切削齿受力示意图
在与井眼垂直的平面内，由于所有切削齿的受力的合力不平衡，不平 衡力在旋转过程中会使钻头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，形成涡动。涡动形成的冲击力造成切削齿的冲击破 坏。