PDC钻头设计课件解读

第5章 PDC钻头水力参数优化设计方法

第5章 PDC钻头水力参数优化设计方法第5章pdc钻头水力参数优化设计方法第五章PDC钻头水力参数优化设计方法在机泵条件一定的情况下，水力参数优化设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径和钻井泵的压力和排量。

5.1泵压和排量对PDC钻头机械钻速的影响现场实践表明，泵压和排量对pdc钻头和牙轮钻头机械钻速的影响规律不同。

在泵功率一定的条件下，对pdc钻头来说，排量对钻速的影响更为重要；而对牙轮钻头来说，泵压对钻速的影响更为重要。

因此，pdc钻头趋向于使用较大排量和较低泵压，而牙轮钻头则趋向于使用较高泵压和较低排量。

在相同地层用相同尺寸钻头钻进，pdc钻头所用排量一般比牙轮钻头高5~10l/s，而泵压一般低2~3mpa。

图5-1和图5-2显示了通过现场数据统计分析得出的牙轮钻头和PDC钻头ROP和位移之间的关系。

可以看出，PDC钻头的机械钻速随排量的增加几乎呈线性增加。

对于牙轮钻头，当位移超过一定值（25L/s）时，机械钻速几乎不会增加。

1025820156410机械钻速/m/h2图5-1排量对牙轮钻头钻速的影响图55-1排量对pdc钻头钻速的影响00泵压和排量对牙轮钻头和pdc钻头的影响不同，是因为两种钻头的破岩机0510152025303540252627282930313233理和结构不同。

排量/l/s排量/l/s牙轮钻头主要以冲击压碎的方式破碎岩石，在井底形成裂纹发育的破碎坑穴（图5-3），故需要的较大的水功率来清除破碎坑内的岩屑。

而且，射流水功率越大，辅助破碎岩石的效果越好。

然而，牙轮钻头的喷嘴距井底较远，射流能量衰减严重，故需要较高的泵压（钻头压降）来补偿射流能量损失。

图5-3牙轮钻头的破岩作用图5-3 PDC钻头的破岩作用pdc钻头的喷嘴距井底只有30~40mm，一般小于射流等速核长度（等速核长度约为喷嘴当量直径的4.8~5倍），射流能量可以得到有效利用。

pdc钻头是以切削作用破碎岩石，岩屑直接被剥离井底，破岩效率高。

贝克休斯PDC Design

2000 2200 入井及出井深度(m) 2400 2600 2800 3000 3200 3400
入井及出井深度 (m)
2600
HCM506ZX HJT537GK 2700 M1376SR TD13M M1376SR HJT537GK 2800 2900 HJT537GK
入井及出井深度 (m)
2300 HCM505ZX 腰深3井 12.25"泉头组钻头表现 2300 HJT537GK HCM506ZX *2115~3533米 HJT537GK M1376SR 2500 2500 M1376SR 2700
Ridge Set Cone:
– Aggressive & durable – Most commonly used
Radial Set Cone:
PDC
– Most durable cone – Used in hardest impreg applications
Ridge Set
Radial Set
28
平滑切削的效应
扭矩与钻压的关系
2,600 2,400 2,200 2,000 1,800 1,600
扭矩扭矩(ft-lb)
1,400 1,200 1,000 800 600 400 200 0 0 5,000 10,000 15,000
Carthage (UCS = 15 kpsi) Bedford (UCS = 6 kpsi) )
27
Laboratory Verification
0.040 in/rev
0.160 in/rev
Computer simulation of bearing contact
Slight bearing contact at low depth-of-cut, more bearing contact at higher depth-of-cut

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。

pdc钻头名词解释

PDC钻头名词解释1. 引言PDC钻头是石油钻采工具之一，广泛用于石油勘探和采油作业中。

本文将对PDC钻头进行详细解释，并探讨其相关技术和应用。

2. PDC钻头概述钻头是一种用于在地下钻孔的工具，PDC钻头是其中一种类型。

PDC（多立克结晶体）是一种非常坚硬的合成金刚石制成的切削材料，常常用于制造高效、耐用的钻头。

PDC钻头以其高度的切削效率和出色的耐磨性而备受石油工业的青睐。

3. PDC钻头结构和原理PDC钻头通常由刀具体和钻头体两部分组成。

3.1 刀具体刀具体是PDC钻头的中央部位，由多个PDC切削齿粘结在刀具体表面上。

这些切削齿通常由金刚石颗粒通过高温高压制成，然后与刀具体表面粘合。

PDC切削齿的形状和布局可以根据不同的应用需求进行设计，以实现更好的切削效果和稳定性。

3.2 钻头体钻头体是PDC钻头的外层部分，通常由高强度的合金材料制成。

它的主要功能是固定PDC切削齿和传递钻探液到切削部位，同时提供必要的强度和刚性，以抵抗来自地下岩石的巨大压力和摩擦。

3.3 工作原理PDC钻头通过旋转的方式将切削齿与地下岩石接触，产生摩擦力，将岩石表面磨削下来。

同时，钻探液通过钻头体进入切削部位，冲刷碎屑并冷却钻头。

切削过程中，切削齿会因摩擦而加热，但由于PDC切削齿具有良好的导热性，它们能迅速散发热量，避免过热造成切削效率下降或切削齿破碎。

4. PDC钻头的优势相比传统的钻头类型，PDC钻头具有许多优势。

4.1 高效切削PDC钻头采用多个粘合在刀具体上的PDC切削齿，这种设计可以实现高效的切削，快速消耗岩石表面，提高钻探效率。

4.2 耐磨性强PDC切削齿具有良好的耐磨性，能够承受长时间的高强度切削，减少了频繁更换切削齿的需要，提高了钻头的使用寿命。

4.3 高度稳定PDC钻头的切削齿布局和形状经过精心设计，可以实现平衡切削力和稳定性。

它们减少了钻头的震动和偏离轨迹的可能性，确保了钻孔的准确度和质量。

4.4 适应多种地质环境PDC钻头可以适应各种地质环境，如软土、硬岩、砾石等。

PDC钻头设计制造技术

钻头水利模拟分析 Hydraulic Analysis
模拟钻头水利效果，优化钻头喷嘴设计 Hydraulic Simulation ，optimize the nozzles design
3.1、PDC钻头设计技术
切削齿力平衡设计
渤海中成PDC钻头设计技术
通过计算机工况防真分析，对每一个切削齿进行受力分析，通过调整刀翼螺旋角度。将轴向与径向不平衡力的比在理论上控制在1%以内，使钻头在井底的工作更加平稳。
优化钻头水力破岩效果及钻头清洁能力
3.1、PDC钻头设计技术哈里伯顿-SDBS三维设计技术
DxD软件工作流程
钻具组合 & 钻井模式
钻井参数，钻压/机械钻速, 转速, 狗腿度,
钻具倾斜长度
地层信息
输入数据
输出数据
钻头受力
钻压钻头扭矩波动
钻头漂移
漂移趋势漂移力
钻头定向性能造斜率 &定向力
贝克休斯实验测试区(BETA) BETA座落于美国俄克拉荷马
的南部，是休斯克里斯坦森的母公司贝克休斯创建,配备了世界上最新最复杂的实时数据采集系统。借助测试系统工程师不仅可以有效检测每个变量，还可以对基于频率的数据和基于时间的数据进行数字分析。
3.3、PDC钻头检测试验技术
贝克休斯
钻井技术实验室休斯克里斯坦森在改进机械钻速、优化金刚
更改作业参数的功能是该软件的独到之处，休斯公司是针对具体钻头定制的应用软件考虑了作业条件随深度增加发生的重要变化，其中包括钻井液比重、粘度以及增加的钻管磨擦力等。
井底流场模拟水力平衡设计（CFD）流体效能对于最大化岩屑去除
能力和降低钻头形成泥包的趋势至关重要。每个GenesisXT设计的液压配置均通过专有的CFD流程来确保钻井液流动、切削齿冷却和耐磨能力之间的完美平衡。

PDC钻头工作原理及相关特点剖析

------------------------------------------------------------精品文档-------------------------------------------------------- 钻头工作原理及相关特点第二章PDC第二章 PDC钻头工作原理及相关特点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PDC复它们的结构以及在钻头上的安装方式如图1-2所示。

切削齿和齿柱式两种结构，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，其结高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、构如图1-3所示，(b)齿柱式切削齿(a) 复合片式切削齿图1-3 复合片的结构图1-2 切削齿在钻头上的安装方式硬度及高耐磨性，可耐温度750℃。

剪切强度次之，抗拉强度最低，人们早就从实验中发现，岩石的诸力学强度中，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。

显然采用剪切方式钻头的复合片切削结构正是利用破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。

PDC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钻头的切削方式PDC 1-4 图第二章PDC钻头工作原理及相关特点目的。

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钻头工作原理及相关特点剖析

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。

它普通用于胎体钻头；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者焊接在钻头体上的齿空内，它普通用于钢体钻头，也实用于胎体钻头的。

复合片（即聚晶金刚石复合片）是切削齿的核心。

复合片普通为圆片状，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向来与岩石表面滑动磨擦要产生大量的磨擦热，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浮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。

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。

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。

它普通用于胎体钻头；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者焊接在钻头体上的齿空内，它普通用于钢体钻头，也实用于胎体钻头的。

复合片(即聚晶金刚石复合片)是切削齿的核心。

复合片普通为圆片状，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(a) 复合片式切削齿(b)齿柱式切削齿图1-3 复合片的结构图1-2 切削齿在钻头上的安装方式硬度及高耐磨性，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向来与岩石表面滑动磨擦要产生大量的磨擦热，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浮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。

PDC钻头磨损分级系统(IADC)

PDC钻头磨损分级系统1987年，IADC制定了固定切削齿磨损分级系统，并于1991年作了修订。

固定切削齿钻头磨损分级系统适用于除牙轮钻头之外的所有钻头，具体包括天然金刚石钻头、聚晶复合片（PDC）钻头、热稳定聚晶（TSP）金刚石钻头、孕镶式钻头、各种取心钻头以及其它所有使用金刚石作为切削元件的固定切削齿钻头（固定切削齿钻头磨损分级系统并不区分全面钻进钻头和取心钻头。

）。

一、系统结构IADC采用的磨损分级系统表中包括了对牙轮钻头和固定切削齿钻头进行磨损分级所需的各种代码。

表中有8项具体内容：前4栏描述钻头的"切削结构"；第5栏（"B"）为"轴承密封"，此栏不适用于固定切削齿钻头，因此在对固定切削齿钻头作磨损分级时此栏内容总填作"X"；第6栏（"G"）表示"规径磨损值"；最后2栏为备注栏，分别表示"其它磨损特征"（或称次要磨损特征）和"起钻原因"。

二、内齿圈/ 外齿圈用从0到8的线性数字来衡量和定义钻头表面各部位切削齿的磨损状态。

数字的值越大表示切削齿的磨损量越大，"0"代表切削齿没有磨损，"8"则表示切削齿已经完全磨损，没有剩余。

同理，"4"表示切削齿磨损量为50％。

PDC切削齿的磨损状态或磨损级别是以齿的金刚石层的磨损程度为依据的，不考虑复合片的形状、尺寸、类型以及出刃高度。

图1为切削齿磨损分级系统的示意图。

在对一只已使用过的钻头进行磨损状态分级时，需要记录钻头每个区域的平均磨损量。

如图所示，钻头半径的内2/3部分为内部区域，该区域有5颗切削齿，其磨损等级应为"2"。

这是通过计算区域内每颗齿磨损级别的平均值得来的：外部区域的平均磨损程度也是用同样方法计算出来的："6"就是钻头外部区域的磨损级别。

钻头讲义PPT课件

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刮刀钻头的破岩原理
7
8
刮刀钻头的破岩机理
塑性岩石塑脆性岩石生日礼物送什么最好
刀翼向前推井碰撞刃前岩石刀翼在扭力Ｔ作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎施转力增大。当扭力增大到极限值时，岩石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭力突然减小。
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刮刀钻头
刮刀钻头适用的地层泥岩及页岩等软地层参数配合增加转速，适当减小钻压，提高排量
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一般原则
长而稀疏的钢齿用来钻进软地层，稀疏布齿有利于钻头的清洗。密而短的镶齿适合于钻硬地层。
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牙轮钻头的牙齿
对于牙齿的基本要求是破岩效率高、寿命长。为满足这一要求，一是牙齿的几何形状要合理；二是齿的材料要耐磨并有足够的强度。目前牙轮钻头的牙齿有铣齿（也称钢齿）和硬质合金齿（简称镶齿）两大类。
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牙轮钻头的牙齿（铣齿）
铣齿牙轮钻头的牙齿与牙轮壳体成一体，它是由牙轮毛坯经过铣削加工形成，为了提高牙齿的耐磨性，在齿面上敷焊硬质合金粉。铣齿的齿型主要是楔形齿。外排保径齿可作成型、T型、L形。
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牙轮钻头的牙齿（镶齿）
楔形齿
适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地层，齿尖角同65－90不等，齿尖角小的适合软地层，齿尖角大的适合较硬的地层。
软地层角较大，硬地层角较小
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牙轮移轴方式
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牙轮的形状及布置
牙轮的几何形状及尺寸
主锥角、副锥角、牙轮总高牙轮最大外径、背锥角
牙轮的布置
非自洗式自洗不移轴自洗移轴
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牙轮布置方式
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牙轮上牙井底牙轮在重复滚动时应使牙齿不致落入别的齿已破碎的旧坑内。各牙轮齿圈上的牙齿数应使每齿均匀地承担破碎井底岩石的任务。所以外圈齿数应多些，内圈齿应少些。

PDC钻头讲座

短抛物线轮廓
短抛物线轮廓钻头外侧可布更多齿，适合于中到高密度布齿，可钻进带有硬夹层的中硬地层。
抛物线轮廓
抛物线轮廓钻头具有尖的鼻部和长的布齿带，适合于中到高密度布齿，适于高速井下动力钻进。
钻头冠部内锥
钻头几何中心
钻头瞬时旋转中心横向偏移
3.切削结构设计
•切削齿的大小尺寸 •切削角度 •布齿密度 •布齿原则方法 •布齿方式
2.钻头轮廓结构设计
钻头冠部轮廓结构设计是根据钻头设计原则和地层的软硬程度，在四种基本轮廓（鱼尾、浅锥、短抛物线、抛物线）上进行的。
鱼尾轮廓
鱼尾轮廓钻头可镶装大切削齿，不易泥包，适合低到中等密度布齿，可在较软地层获得高钻速。
浅锥轮廓
浅锥轮廓钻头容易清洗，适合于低到高密度布齿，能较好钻进夹层。
•布齿密度
•布齿原则方法
•布齿方式
软地层
硬地层
岩石硬度与切削齿密度的关系
岩石硬度
切削齿密度
3.切削结构设计
•切削齿的大小尺寸
•切削角度 •布齿密度 •布齿原则方法 •布齿方式
布齿原则：
•切削齿覆盖全部井底基线曲面 •切削齿间有足够的空隙 •内疏外密
3.切削结构设计
•切削齿的大小尺寸
•切削角度 •布齿密度 •布齿原则方法 •布齿方式
5.钻头稳定性设计
无回旋
有回旋
钻头工作时，是否存在回旋决定着钻头的破岩效率和使用寿命。
5.钻头稳定性设计 TSP齿
•力平衡设计 •螺旋刀翼设计 •同轨布齿设计 •混合布齿设计
PDC齿钻头基体
采用两种切削齿形成混合切削结构，降低了钻头在软～硬交界面处产生的振动幅度。
6.钻头保径设计

PDC钻头设计技术研究.ppt(西安)

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深度(m)
由图可以看出该层在约10米长的一段可钻性变化就很大。该段岩石可钻性级值最小为3.3，最大为7.5。
2、利用声波时差进行岩石可钻性分级对安定以下地层利用声波测井质料评价岩石可钻性。
△t
600 550 500 450
△t(ｕm/s)
400 350 300 250 200 150 100 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 H(m) 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950
3、切削齿工作角后倾角（负前角）α：后倾角的大小直接影响齿的破岩效率和寿命。较小的切削角有利于切削齿吃入岩石，破岩效率较高。较大的后倾角有利于保护切削齿，工作寿命长。取值0°-20°, 软地层小一些，硬地层大一些。侧倾角（旁锋刀面角）β：钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。 β=15°左右。
长庆油田PDC钻头个性化设计
最近几年长庆油田在PDC钻头应用方面取得突破性进展，为长庆油田的钻井提出做出了贡献。回顾总结长庆油田PDC钻头的设计及应用技术可分为两个阶段：第一阶段是在安定直罗等多夹层复杂地层的应用取得突破，建立了 PDC钻头应用的常规技术，钻井速度大副提高，使长庆钻井步入快车道；第二阶段是在富县砾石层的应用取得突破，提出了PDC钻头应用的优化和强化措施，使长庆钻井的提速迈入新的台阶。长庆油田钻井提速的成就应归结于PDC钻头的个性化设计，和使用措施的优化和强化上。 PDC钻头的个性化设计是在PDC钻头工作原理、受力分析和损坏机理分析的基础上，在地层岩石特性分析的基础上进行的。
Φ13.4， Φ19
二、PDC钻头的主要技术

PDC_钻头磨损分类PPT教案

４. Cored (CR)---磨心
原因: 1. 井底造型不得当； 2. 落物损坏；冲蚀；钻压过大； 3. 选型不合理－钻头偏软； 4. 操作不当；使用时间过长； 5. 钻头跳动．
措施: 1. 小钻压，低转速，＞６英寸； 2. 合理选择钻压；使用减震器； 3. 选硬型号钻头；耐研磨抗冲击齿； 4. 合理钻井操作； 5. 调整钻井参数．
３. Balled Up (BU)---泥包
原因: 1. 粘性地层（水解性粘土等）； 2. 水力参数不合理； 3. 喷嘴组合不合理； 4. 操作不当（钻压大，井眼清洗）； 5. 钻头选型不合理；泥浆性能不佳．
措施: 1. 针对粘性地层的钻井措施； 2. 优化水力参数； 3. 高比水马力； 4. 合理钻井操作； 5. 合理钻头选型；抑制性泥浆．
松扣天气变化刺钻具
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16. Worn Cutter (WT)---齿磨损
原因: 1. 选型不合理－钻头偏软； 2. 转速过高，加速磨损； 3. 钻头工作时间过长； 4. 水力清洗不好．
措施: 1. 选硬型号钻头；耐磨损齿； 2. 合理选择转速； 3. 缩短工作时间，或选长寿命钻头； 4. 增加水力能量，改善水力清洗；
12. Lost Cutters (LT)---齿脱落
原因: 1. 钻压过大，超过齿焊接承受力； 2. 冲蚀；胎体脱落； 3. 氢脆裂纹；腐蚀； 4. 钻头震动；操作不当； 5. 齿焊接缺陷；工作时间过长．
措施: 1. 合理使用钻压； 2. 优化水力；调整钻井参数； 3. 改变钻井环境； 4. 合理钻井操作； 5. 提高焊接质量；选择长寿命钻头．
PDC_钻头磨损分类
会计学
1
八参数磨损分级体系

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。