PDC钻头工作原理及相关特点

第二章 PDC 钻头工作原理及相关特点

PDC 钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的，这些切削齿有复合片切削齿和齿柱式两种结构，它们的结构以及在钻头上的安装方式如图1-2所示。复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而形成的。它一般用于胎体钻头；齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而形成的，安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿空内，它一般用于钢体钻头，也有用于胎体钻头的。

复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。复合片一般为圆片状，其结构如图1-3所示，它是由人造聚晶金刚石薄层及碳化钨底层组成，具有高强度、高

硬度及高耐磨性，可耐温度750℃。

人们早就从实验中发现，岩石的诸力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。PDC 钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到了快速钻井的

(a) 复合片式切削齿 (b)齿柱式切削齿

图1-2 切削齿在钻头上的安装方式

图1-3 复合片的结构

图1-4 PDC 钻头的切削方式

目的。当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩削呈大块片状，这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似（见图1-4）。被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运至井外。

PDC钻头因使用了聚晶金刚石复合片作切削元件而使得切削齿有很高的硬度和耐磨性。PDC齿的缺点是热稳定性差，当温度超过700℃时，金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏，因此PDC齿不能直接烧结在胎体上而只能采用低温钎焊方式将其固定在钻头体上。在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损（350-700℃时，切削齿的磨损速度很快，这一现象称为切削齿的热磨损）而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。另外PDC钻头应避免在高硬度，高研磨性的地层中高转速钻进，以免造成局部摩擦温度过高。

§2.1 PDC钻头及钻进主要影响因素

§2.1.1 PDC钻头结构介绍

聚晶金刚石复合片分柱式和片式两种，常用的形状有圆形、尖形及半圆形等。通常以柱式方式镶嵌在胎体上。

1. 切削齿的布置

切削齿的布置与所钻地层及钻头类型有关，它将影响到钻头的机械钻速、总进尺和磨损。切削齿布置越多，磨损越慢，钻头寿命越长，但机械钻进速度越低。切削齿的布置应使每个切削齿的切削力、所切削的岩石量、载荷、扭矩、磨损以及水力清洗等都相同，所以有等切削、等功率、等磨损设计要求。

2. 切削齿出刃与胎体

是指切削刃与钻头体之间的距离。切削齿可以是全出刃，也可以是部分出刃：全出刃一般用于钻软地层，全出刃切削齿对钻头清洗有利，且钻速较高；部分出刃用于较硬地层，它的切削齿强度较高，但钻头清洗相对较困难，适用于油基钻井液中钻进；硬质合金胎体钻头由于是铸造形成，不受加工限制。

3. 切削齿的排列方向

有关PDC钻头的切削齿的排列方式的研究目前较多。为了便于清除以利于钻进，切削齿在钻头体上排列还应注意侧倾角和后倾角。侧倾角在钻进时产生外推力，在钻井液的清洗作用下侧倾角能协助将岩屑排出钻头中心，有效清洗钻头。

后倾角除有利于钻头切削齿的清洗外，在硬岩层切削力增大时可以减少切削齿的颤动，有利于保护切削刃，延长其寿命。后倾角一般为︒

0。后倾角愈大，

~

︒25

机械钻速愈低，但在硬地层中后倾角可减少切削刃的损坏。

图2.1 侧倾角与后倾角示意图

§2.1.2 影响PDC钻头钻进速度的主要因素

影响钻进速度的主要因素有很多，而且互相交织在一起而变得十分复杂。要想把所有的影响因素反应到一个统一的钻速模式中是很困难的。但其中影响较大、变化规律较明显的因素有钻压、转速、牙齿磨损、水力参数、压差、钻井液性能等，而其中与井底流动直接发生关系的有转速、水力参数、压差、钻井液性能等。

1. 转速对钻速的影响

从机械破岩的原理来看，随着转速n的增加，钻速

v也相应增加。通过现场

m

和室内的试验得出的典型转速与钻进速度呈指数关系，且指数小于1。这反映出钻头破碎岩石的时间效应问题。它们之间的关系用数学形式可表达为：

λ

∝（2.1）

n

v

m

式中λ为转速指数，是岩石自然属性，它随地质条件和埋藏深度不同而异。

2. 水力参数对钻速的影响

水力参数引起的井底净化程度对钻速有较大的影响。井底净化是靠射流水力功率来完成的，如果水力功率不够，净化不充分，使岩屑留在井底而造成重复切削，导致实际钻速的下降。同时，射流水功率在一定程度上还有水力破岩的作用。1975年美国阿莫科研究中心在大量试验的基础上给出了水力参数和机械转速合理匹配的关系曲线（图 2.2），该曲线将图分为水力净化完善和水力净化不完善的两个区。一定的钻速就意味着单位时间内钻出的岩屑总量，而清除这些岩屑就需要相应的水力功率。如果实际水力功率小于清岩所需的水力功率,井底就会积存岩屑，影响钻速的提高。由于水力破岩的作用已经受钻压的限制，净化程度只是从保证机械破岩效果方面影响转速，也就是说在排除水力破岩的作用条件下，如果破岩效率一定，在井底净化达到充分后无论如何提高水力功率也不可能提高转速。

6

单位水功率钻速

图2.2 钻速与水力参数关系曲线

根据图2.2中的曲线回归可得：

31.0

8527.0j

cj N υ= （2.2） 并通过大量的试验得到：

j

c j m H N N v v C == （2.3） 式中： cj N ——净化充分时的钻头比水功率，2/mm W ；

j v ——净化充分时的钻速，h m /； c

N ——实际钻头比水功率，2/mm W ；