PDC钻头设计技术研究.ppt(西安)

899
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钻头的设计 • PDC钻头的制造技术 • PDC钻头的材料 • PDC钻头的应用技术 以上几点决定了PDC钻头的应用效果.
（一）PDC钻头的设计 PDC钻头结构优化设计是提高PDC钻头综合特性的关 键技术之一。 国外从70年代末就开始PDC钻头设计理论与方法的研究， 各大钻头公司都已开发出自己的设计软件。近几年国内有关 研究单位在PDC钻头参数化设计方面也取得很大进步,逐步 摆脱了PDC钻头生产以 “模仿-试验-改进”的为主的模式。
中国石油大学PDC钻头技术简介
中国石油大学自上世纪80年代就成立了金刚石钻头研究室，是国内 最早从事金刚石钻头研究的单位之一。自那时起金刚石钻头就作为石油 大学油气井学科的一个重要研究方向，目前金刚石钻头研究室有博士生 导师两人，硕士生导师两人，有高温高压三轴应力岩石力学实验架、全 尺寸钻头实验架、钻井流体力学实验架等相关实验设备。 金刚石钻头研究室先后承担了国家级和省部级的多项科研项目，取 得了多项成果和技术专利。为我国石油行业金刚石钻头技术的发展做出 了一定贡献。 迄今为止，石油大学金刚石钻头研究室把教学和科研紧密结合在一 起，培养出多名硕士和博士研究生，同时在研究方面始终跟踪世界金刚 石钻头技术前沿，保证金刚石钻头，特别是PDC钻头研究的持续发展。
PDC钻头技术简介
周广陈
中国石油大学（华东）
主要内容
• 概述 • PDC钻头的主要技术 • 长庆油田PDC钻头个性化设计
一、概述
人造金刚石聚晶是1959年9月8日由南非德比尔(De beers)公司首 次研制成功，以后不断发展完善。1971年美国通用电器公司生产出 PDC切削齿。1973年美国克里斯坦森公司生产出用于石油钻井的PDC 钻头，并于同年11月18日进行了现场试验。首批钻头的主要缺点是复 合片粘结不牢，切削齿过早脱落。1975年开始工业性研制PDC钻头， 于70年代末获得成功，并在现场应用中见到了巨大的经济效益。80年 代开始大面积推广应用PDC钻头。 PDC钻头是钻井工业界的一项重要技术成就,在石油钻头方面是 继牙轮钻头之后的一次技术突破。 钻井实践表明,PDC钻头工作平稳， 钻速高，寿命长,钻头事故少，可大幅度降低钻井成本，提高钻井的整 体经济效益,因此在钻井界倍受青睐。国内从九十年代初开始推广应用 PDC钻头 ，取得了明显的技术经济效益,目前在各油田已成为油气钻 井的主要钻头类型。 近几年长庆油田在PDC钻头应用方面取得了突破性进展，PDC为 长庆油田的钻井提速做出了贡献。
2、9-1/2”G545
546-1568.27
1022.27
15.55
齿崩损
3、9-1/2”G545
502-1604.49
1102.49
18.03
修复的、磨损严重
9-1/2”BD526
498-1397.97
899.97
15.6
齿崩损、磨损严重
表中的PDC钻头多为早期损坏。从回收使用过PDC钻 头来看，绝大部分PDC钻头损坏的主要特征为复合片碎 裂、复合片掉片。从PDC钻头的损坏特征来看，PDC钻 头在井下工作时，除了正常的切削地层而受到的反作用 力和地层岩石磨损外，还受到了额外作用力的影响，这 个额外作用力是冲击力，冲击力是造成PDC钻头非正常 损坏的主要原因。 冲击力的来源主要有： 一是软硬悬殊的多夹层地层； 二是PDC钻头工作过程中钻头的涡动。
42 1206 239
1.63 13.70 1.73
磨光 冠顶磨平 齿几乎磨平 定探1井
9-1/2”R435
723-726.26
3.26
6.52
断一刀翼
12-1/4”433
1909-1920.56
11.56
0.25
冠顶磨平起环槽
1、9-1/2”G545
501-1263.55
762.55
15.58
轻微磨损
剖面形状设计 常用钻头冠部形状主要有：浅锥型、双锥型和抛物线型等。目前，国 内外一般都根据经验（实验室实验结果、实钻资料的统计分析结果）来 选择“合适”的钻头冠部形状 . 1.
双锥形
浅锥形
抛物线形
B 形
2.布齿设计 PDC钻头布齿设计包括径向布齿设计和周向布齿设计。径向布齿设计 即井地覆盖设计，将所有的切削齿按照一定的方式沿井眼径向排列， 形成对井底的覆盖。周向布齿设计就是按一定的方式将切削齿分布在 钻头冠部表面上。
2 下：888.07 上：888.24 3 下：888.52 上：889.22 4 下：889.37 上：893.20 5 下：893.32
8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 887
Kd
可钻性Kd
Kd
888
889 890
891
892
893 894
895
896
897 898
1、利用岩心微钻速实验法测定岩石可钻性 在10米长的岩心上取10块岩样，在岩石可钻性实验架上做微钻速实验， 计算可钻性级值Kd。
深 1
度 上：887.37 下：887.60 上：887.93
岩 性
Kd 4.2 3.7 4.9 4.6 5.6 5.6 6.8 6.4 7.5 3.6 10 下：898.43 3.6 9 下：895.32 上：898.29 3.3 3.8 8 下：894.27 上：895.07 4.5 3.7 7 下：893.84 上：894.10 4.7 5.6 上：893.47 6 下：893.53 上：893.70 7.4 6.3 3.9
钻头尺寸型号 9-1/2”R437
井段（米） 655-1310
进尺（米） 钻速（米/时） 655 16.79
备注 冠顶磨平
井 号
9-1/2”R435
539-585
46
18.4
冠顶磨平
8-1/2”S725 9-1/2”AR435 5-7/8”S725
3148-3190 1187-2393 3986-4225
金刚石钻头的结构
金刚石钻头为无活动部件的整体式钻 头。由钢体、胎体（冠部和保径部分）、 水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。
PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）
钢体PDC钻头
胎体PDC钻头
PDC钻头的切削元件 聚晶金刚石复合片（PDC） PDC既具有金刚石的硬度和 耐磨性。弱点是热稳定性差， 350℃以上加速磨损。抗冲击能 力较差。 热稳定聚晶金刚石复合片（TSP） TSP的制造工艺有别于PDC， 热稳定性、耐磨性和抗冲击能 力都高于PDC。
钻头形成向后涡动的先决条件之一 是钻头与井壁的接触力。当钻头受侧向 力作用时，钻头上的一些点或段接触井 壁，产生刮削力和摩擦力等接触力，在 钻头上作用一个反扭矩，使钻头的旋转 中心和运动状态发生变化。当反扭矩足 够大时，钻头与井壁接触部位不再有相 对的滑动，此时钻头就会以该接触点为 顺势旋转中心反时针回旋，如图1所示。 钻头的涡动，使切削齿的瞬时运动速度 加快，使切削齿承受较大的冲击载荷， 导致切削齿的先期损坏。
4、水力结构设计 喷嘴—流道系统 • 冷却和清洗效果严重影响PDC钻头的钻速和寿命。 • 喷嘴数量一般比三牙轮钻头多。喷嘴位置和流道结构根据切削齿位 置确定。
（二）PDC钻头制造技术
• 钻头体的加工 胎体钻头：材料配方 胎体烧结 冷却 钢体钻头：钢体材料（合金钢） 钢体表面硬化（耐冲蚀） 。牙齿焊接 粘接牢固（不掉齿） 焊接温度适当（不影响牙齿的强度）
△t
长庆油田PDC钻头个性化设计和应用研究报告
9 8 7 6
Kd
5 4 3 2 1 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950
（三）PDC钻头材料 • 胎体材料：WC粉（组份 粒度） • PDC复合片：（国产 进口） 特性：耐磨性 抗冲击性
PDC钻头的分类方法
国际标准 IADC标准 公司（厂家）标准 金刚石材料钻头的IADC分类法 第一位字码
切削齿种类 和 钻头体材料
第二位字码
钻头冠部形状
第三位字码
水力结构特点
第四位字码
切削齿大小 和 切削齿密度
D，M，S， T，O
1～9
1～9 R，X，O
1～9
例：BTM506
（四）PDC钻头的应用
PDC钻头的重要特性：对地层和使用措施有很强的敏感性。 用好PDC钻头的关键 1、针对地层选择合适的钻头类型 主要依据岩石可钻性、地层的复杂程度。 2、使用措施 措施不当,可导致钻头过早损坏. 在目前条件下PDC钻头的限制条件： 颗粒较大的砾石层，坚硬地层。 在大段均质地层PDC钻头最适合。
金刚石材料有两类 天然金刚石：卡邦(Carnon)、包尔兹(Boarz)、巴拉(Ballas)。 人造金刚石：单晶和聚晶：
5000~10000MPa
石墨
1000~2000℃
金刚石单晶 高温高压下 金刚石聚晶
金刚石单晶
金刚石以重量单位计算，国际上通用“克拉”，1克拉= 0.2g。 金刚石颗粒的大小一般用“粒度”来衡量，即每克拉重量所含金 刚石的粒数，单位为“粒/克拉”。金刚石钻头所用的金刚石的粒度一 般在0.5粒/克拉～15粒/克拉。软到中软地层，用0.5粒/克拉～2粒/克 拉的金刚石；中硬地层用3粒/克拉～6粒/克拉的；硬地层用8粒/克 拉～12粒/克拉；坚硬地层用12粒/克拉～15粒/克拉的金刚石。 钻头用金刚石必须质地坚固，形状规则，如十二面体、八面体、 立方体或其它接近球体的形状。
PDC钻头设计技术 刀翼式PDC钻头结构及布齿设计中的几个关键技术 1. 冠部剖面形状设计
2. 布齿结构设计
3. 力平衡设计 4. 水力结构设计
核心问题：
◆ PDC切削齿受力模型 ◆ PDC切削齿磨损模型
◆ 井底切削状态分析与计算
一、长庆油田PDC钻头损坏原因分析 自上世纪80年代末开始，前后十几年的时间长庆油田 先后试验了进口PDC钻头和国产PDC钻头，其中包括国内 外著名的BakerHughs公司、川克公司等，但是效果并不 理想，具体表现进尺和机械钻速与牙轮钻头相差不大，且 磨损严重，那一时期长庆油田在PDC钻头应用方面一直未 取得突破性的进展，成为长庆油田提高钻井速度的瓶颈。 下表是收集的当时PDC钻头试验的部分资料。
T
Fs
Fs

图1 PDC钻头涡动示意图
二、长庆油田钻井地层特性分析 利用测竟井资料和岩心资料对长庆隆东地区进行地层岩石可 钻性分析。
岩石可钻性分级标准
类 级 别 别 Ⅰ Ⅱ 软 Ⅲ Ⅳ Ⅴ 中 Ⅵ Ⅶ Ⅷ 硬 Ⅸ Ⅹ
Kd
<2
<3
<4
<5
<6
<7
<8
<9
<10
≥10
Kd取整 值
1
2
3
4
5
6
7