聚晶金剛石復合片鉆頭匯總

1、第五節(jié)聚晶金剛石復合片鉆頭一、前言PDC鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact Bit,即聚晶金剛石復 合片鉆頭的簡稱，如圖3. 5.1 ）是隨著PDC復合材料的發(fā)展而發(fā)展起來的一 類新型鉆井工具.PDC鉆頭在石油鉆井中的應用始于70年代中期.以鋒利、耐磨、能夠 自優(yōu)的聚品金剛石復合片切削齒芽切破碎巖石.由于這種鉆頭在軟到中硬 地層中機械鉆速高、壽命長，大大降低了鉆井成本，所以PDC鉆頭廣泛應 用于軟到中硬地層的油氣井的鉆進.目前，PDC鉆頭的用量和在鉆井中總進尺的比例逐年上升，迄今PDC鉆 頭進尺量已占鉆井總進尺量的60%左右.圖3. 5.1聚品金剛石復合片鉆頭

2、二、PDC鉆頭結(jié)構(gòu)（一）結(jié)構(gòu)（圖3.5.2）圖3. 5. 2PDC鉆頭結(jié)構(gòu)外他倒劃眠告/ ，中心水道圖3.2.PDC鉆頭分類內(nèi)儲 群二17 接頭5.3 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)術(shù)語按鉆頭體材料分類：鋼體.胎體（圖3. 5. 4）;按刀具數(shù)量分類：3-12利刀.鋼體PDC鉆頭：支撐復合片的鉆頭本體用金屬 材料經(jīng)機械加工而成，在金屬表面 敷焊時沖他的硬質(zhì)合金材料.特點：加工制造工藝復雜，鉆頭 體強度高，沆道面積大，有利于防 止鉆頭泥包.耐沖蝕效果相對胎體PDC鉆頭：支葬復合片的鉆頭本體用金屬材 料鋼體與耐沖蝕的硬質(zhì)合金材料粉 未經(jīng)燒結(jié)加工而成.特點：加工制造工藝簡單，強度 相對較美，流道面積相對較小，不 利

3、于防止鉆頭泥包.耐沖蝕效果好.圖 3. 5.4鋼體,胎體PDC鉆頭（二）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)電部形狀刀翼數(shù)量與結(jié)構(gòu)切削齒分布切削齒空間結(jié)構(gòu)參數(shù)保徑結(jié)構(gòu)切削結(jié)構(gòu) 水力結(jié)構(gòu)PDC鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴數(shù)量與尺寸噴嘴空間堵構(gòu)參數(shù)流道結(jié)構(gòu)與尺寸L切削結(jié)構(gòu)冠部形狀定義：鉆頭冠部影狀是指鉆頭切削齒外部輪廓的包絡線.由內(nèi)維、外維、 鼻部肩部.保徑組成（見困3. 5.5） .總部形狀的分類：總部形狀的分類由總部高度系數(shù)確定. 況部高度系數(shù)定義為：冠部高度系數(shù)=鉆頭亙徑冠蟀高度總部高度即為鉆頭外饞部位的總高度.按照冠部高度系數(shù)將總部圓 弧半位大小分為四級（如圖3.66）,具體分級描述如下：>6.56a4 5-&l

4、t;2分級有注中a長;板長短拋物線圖3. 5. 6 總部形狀分類長期物線鉆頭的冠部影狀對鉆頭結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律：鉆頭的就部影狀決定了鉆頭每個刀翼上放置復合片的弧線的彩狀和 長度，影響站頭的布齒數(shù)量和音的分布絲芬；鉆頭的冠部形狀決定了鉆頭切削形成的井底影欣，使得不同部位的 切削齒受力、磨損狀態(tài)出現(xiàn)差異（圖3.5.7）.不同部位的切削齒接觸井底的先后次序不同，由于最前端的切削齒 （鼻部齒）在半無限體狀態(tài)下破碑巖石，所受的單位面積的切削力最大， 而后序切削齒由于自由面影成，所受的單位面積的切削力逐次降低.因此 鉆頭況部影狀對不同部位切削齒的受力和磨投有校大的影響.內(nèi)雉的大小決定了鉆頭中心部位未破碑的凸起

5、巖石的體積，因而影 響鉆頭在井底工作的穩(wěn)定性.鉆頭冠部形狀確定了井底流道的形狀，對鉆頭的水力結(jié)構(gòu)有較大的 影響.電部不同部 位A力分布困3. 5. 7鉆頭的總部形狀對冠部不同部位切削齒磨損的影響總部形狀參數(shù)：對于通常采用的圓弧形電部，其形狀可由內(nèi)錐角。和外錐圓弧半控r兩個參數(shù)確定（圖3. 5.8） .外錐圓弧半徑內(nèi)錐角圖3.5.8冠部形狀參數(shù)冠部冊狀參數(shù)確定方法：總部內(nèi)缽角0的大小影響站興的穩(wěn)定性，內(nèi)作 角。越小鉆頭越穩(wěn)定.隨著地層硬度的增加，內(nèi)儺角逐漸減小、內(nèi)錐高度增 加，以保持鉆頭的穩(wěn)定性.內(nèi)錐深度與內(nèi)維角有關，按內(nèi)錐角的大小將內(nèi) 州深度分為淺椎和深錐兩種，對應關系為：內(nèi)柞角130。淺柞內(nèi)

6、錐角£130°深錐一般根據(jù)地層軟硬變化取值范圍為120。一170。.地層硬度越大內(nèi)錐 角取值應越小.外作圓弧半控r由歡部高度系數(shù)確定，與地層條件的對應關系為：無W高度系數(shù),>6.56.4-5.<4適用條件J硬地層，軟至中諛地卷.極軟至軾地曇.切削齒的分布切削齒的分布由布齒密度確定.布齒密度定義為單位長度內(nèi)切削齒的 總面積.也可用相鄰兩個切削齒之間的中心距表示（如圖3.5.9 ）.切削齒空間結(jié)構(gòu)參數(shù)PDC鉆頭切削齒空間結(jié)構(gòu)由三個 基本參數(shù)確定：齒前角、例轉(zhuǎn)角和位 置角.齒前角：金剛石復合片繞水平直徑線裝轉(zhuǎn) 一個角度，切削齒切削平面和切削齒 軸線所成的角稱作齒前角（

7、如圖 3.5.10角度a所示）.S3. 5.10齒前角圖示圖3. 5. 11齒前角與破巖效果的關系研究表明：齒前角的大小與破巖效果窗切相關，齒前角絕對值越大， 下部的巖石多向壓縮應力增加，壓碎的巖石比例增大，不易形成較大體積 的剪切破碎，破巖效率降低；而齒前角變小，一方面復合片后部趨于平 緩，切削齒不易深度吃入地層，另一方面由于切削而受拉、彎應力相對增 加，易造成復合片崩裂.因此齒前角存在最優(yōu)值（如圖3. 5.11）.齒前角的大小與地層特性、切削齒的性能等因素有關.一般而言，對 于較硬地層，齒前角絕對值取大值.對于軟地層齒前角絕對值應較小，- 般在-10。到-30。度范圍內(nèi).中心部位切削齒由于

8、回轉(zhuǎn)半徑很小，受力狀 態(tài)復雜，齒前角絕對值較大，其它部位切削齒的齒前角根據(jù)地層條件確 定，其選擇范圍見表：位置，第一齒第二齒居_為第四齒、其它齒軟至中軟,222a19“除15-1“中以至中硬J2%22.20，如"於中理理一25/2322-22c18 22“側(cè)轉(zhuǎn)角：由于切削齒有一定的厚度，當其在切槽中旋轉(zhuǎn)葉，由于其切削刃部分集 中在復合片前部（l-3mm）,其后部支撐部分會在環(huán)懵內(nèi)與地層產(chǎn)生摩擦磨 報（如圖3.5.12）,摩擦磨損的部分在角。范圍內(nèi)，影響機械鉆速；同時側(cè) 轉(zhuǎn)角還對巖粉的運移產(chǎn)生影響.為避免上述情況，需要將復合片沿其中心線 在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定的角度0,此角度即為側(cè)轉(zhuǎn)角（如

9、困3.513）.困3.5.12在切削環(huán)槽內(nèi)摩擦部分圖3. 5. 13側(cè)轉(zhuǎn)角的定義位置角：切削齒位置角為切削齒在鉆頭圓周上所處的方位角（如圖3. 5.14）.切削齒位置角由其所處的刀具位置,刀具形狀碉定.ffll 5.14切削齒位置角刀具的數(shù)量,形狀及位置角刀具數(shù)量：對刮刀PDC鉆頭而言，鉆頭電部形狀確定后，刀翼數(shù)量決定了切削齒 的布齒密度和數(shù)量，同時其位置角影響鉆頭的整體受力和流道的結(jié)構(gòu).地層越硬鉆頭磨損越嚴重，需要增加切削齒的數(shù)量，刀具數(shù)量也越多.常規(guī)鉆頭刮刀數(shù)范圍為39.刮刀數(shù)量與地層硬度的對應關系為：刀翼效量344S5G7，地層硬度，極軟至軟，軟至口軟口軟至中便一刀具形狀：刀翼形狀與鉆頭

10、的電部形狀、切削齒的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)有關.刀翼形狀影響鉆頭流道結(jié)構(gòu)，鉆頭受力和攜巖效果.其基本參數(shù)由切 削齒空間結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，其基本結(jié)構(gòu)影式分為以下三種（圖3. 5. 15）:直線至茗貳攙旋型刀翼基區(qū)秘示更大摞旋圖3.5.15刀翼的基本結(jié)構(gòu)彩式直刀翼：鉆頭刀具的俯視投影為直線，一般其宛部圓弧較小，用于中軟 至段地層鉆頭.常規(guī)螺旋：刀具彩狀由直線段和螺旋線組成，適用于各種地層.大螺旋：刀具影狀為螺旋型，由切削齒的位置擬合得到，適用于軟地層.刀翼位置角：各刀具位置角由周向角限定.周向角即為刀具的方位角（如圖3. 5.16） .方藤用網(wǎng)崎正91 5.16刀具位置角周向角依據(jù)結(jié)構(gòu)對稱原則流道協(xié)調(diào)原則設計。

11、結(jié)構(gòu)對稱是指長短刀具 的搭配力求做到在結(jié)構(gòu)上對稱，使任意橫截面兩邊的切削齒數(shù)量和切削結(jié)構(gòu) 基本對稱（如圖3. 5. 17） .結(jié)府不時評紡總對株流道協(xié)調(diào)原則是指流道的過流面積變化協(xié)調(diào)均勻，避免局部流道堵塞或 局部狹窄，防止局部巖屑堆積（如圖3. 5.18） .牯頭費逋協(xié)請示笑圖圖3. 5. 18流道協(xié)調(diào)保徑結(jié)枸與形狀鉆頭保徑除保持井眼直徑外，對鉆頭的導向性能和鉆頭穩(wěn)定性影響 較大.其結(jié)構(gòu)由保徑長度、保徑寬度、保徑形狀從定.一般而言，地層 研磨性越大，保徑面積應加大.在保持井眼直徑的前提下，考慮鉆頭的 導向性能和穩(wěn)定性.保徑的形狀分為直線形和螺旋形兩種（圖3.5.19）.保柱形狀與刀具 杉狀、地

12、層特性以及井眼就跡控制等因素有關.一般刀翼彩狀為螺旋影 則保徑為螺旋影.S3. 5.19 PDC鉆頭保徑2.鉆頭水力結(jié)構(gòu)流道結(jié)構(gòu)一艘情況下，流道結(jié)構(gòu)與尺寸結(jié)構(gòu)設計目標是最大限度的增加流道空 間，便于巖粉盡快離開井底，避免巖粉的二次破碎和鉆頭，泥包”,一般流 道深度為噴嘴的最佳噴距，也即噴嘴直徑的45倍；流道的寬度越大越 好，有利于防止鉆頭,汨包.（圖3.5. 20）,其由刀具空間決定（圖3. 5. 21）, 因此一般情況下在保證刀具強度的前提下盡量采用收窄刀具形狀.圖3.5. 20鉆頭“泥包”圖3. 5. 21流道結(jié)構(gòu)仃。5H2A2噴嘴及其空間結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的敷貴與尺寸：噴嘴數(shù)量和尺寸是由水力學

13、參數(shù)優(yōu)化設計結(jié)果確 定的，在使用過程中可根據(jù)具體情況隨時改變噴嘴（可換噴嘴圖3. 5.22） 直徑.噴嘴的當量直徑可由排量和設計鉆頭壓*計弟得到：式中：4P-設計鉆頭壓降；Q-# 量；P-泥漿密度；A一鉆頭噴嘴過流面積;D噴嘴當量直徑；。廠第j個噴嘴的直徑;n噴嘴個數(shù).S3. 5. 22可換噴嘴例題：一只五刮刀8 1/2* PDC鉆頭，設計鉆頭壓降2MP.泥漿排量 321/s,泥漿密度1.3 g/cm3,鉆頭嗑嘴數(shù)量5只.如已知其中4只噴嘴的直 徑為3只11mm. 1只13mm,求另一只噴嘴的直徑.a。E 0.。5骸解、VP = A = 577mm2A4D =27小加-沙川d、= 14mm由排

14、量和設計鉆頭壓降計算得到鉆頭噴嘴的當量直檢后，根據(jù)噴嘴個 數(shù)確定每個噴嘴直徑.每個噴嘴直役有不同，但差別不能太大，以便鉆 頭表面的液流分布均勻.噴嘴的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：中心半徑、位置方位角、噴射方位 角、噴射角度四個參數(shù)（如圖3.5.23）,這四個參數(shù)依據(jù)水力學優(yōu)化 設計（圖3. 5. 24）結(jié)果確定.圖3.5.23噴嘴的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)中心半役、位五方位角確定原則是消除鉆頭表面的渦流區(qū)；噴射方位角、 噴射角度的優(yōu)化目標是以較大的水馬力清除切削齒破碎的眼屑并形成速度失 量指向井壁的漫流層將巖屑攜離井底，同時避免在井壁附近彩成渦流區(qū)，根 據(jù)有限元流場分析結(jié)果，最優(yōu)的噴嘴噴射角度為

15、25°.（三）PDC鉆頭的破巖機理1.PDC鉆頭切削齒的運動軌跡鉆井過程中切削齒在壓力和扭矩的作用下破碎井底的巖石，相應地 產(chǎn)生給進和回轉(zhuǎn)運動.PDC鉆頭單齒在井底的運動為螺旋線,，螺距既鉆頭每轉(zhuǎn)的吃入量：h _ ROP式中：轉(zhuǎn)吃入量；ROP一機械鉆速（米/小時）；RPM轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）,由于每轉(zhuǎn)吃入量很小，螺旋或的螺旋角非常小，一般都小于1° ,所 以單齒的切削過程可簡化為在平面上的運動（圖3. 5. 25） .S3. 5.25單齒的切削過程的簡化圖3. 5. 26 PDC鉆頭切削齒的破巖過程2 .PDC鉆頭破巖過程（圖3. 5.26）初期擠壓階段（塑性變形）刃前巖石沿剪切

16、面破碎后，切削齒刃侵入前一過程留下的斷裂面，切 削齒擠壓刃前巖石，切削力不斷增大，巖石發(fā)生局部塑性變招.小剪切破碎（局部破碎）隨著切劑力的不斷增大，刀前巖石出現(xiàn)裂紋，當剪應力超過巖石的抗 剪強度時，巖石出現(xiàn)剪切裂紋，巖石發(fā)生小剪切破碎.大剪切破碎（體積破碎）陵號切削齒繼續(xù)向前運動，切削力不斷增大，齒刃擠壓前方巖石.當 切削力增大到極限值時，巖石沿剪切面發(fā)生大剪切破碎，出現(xiàn)塊體崩裂. 大剪切發(fā)生的瞬間，切削阻力突降至最小.機例行及水平力的就設過程|切削"岫向力代面萬3 . PDC鉆頭的平衡力設計由于鉆頭齒的受力的合力不平衡（如圖3.5.28, 3. 5, 29 ）,在旋轉(zhuǎn)過 程中使鉆頭

17、的旋轉(zhuǎn)中心偏離井眼中心，造成鉆頭在公轉(zhuǎn)的同時伴有間斷性 自轉(zhuǎn)，從而形成渦動.圖3. 5. 28 PDC鉆頭的不平衡力鉆頭渦動彩成的井底鉆頭理想運動影成的井底圖3. 5. 29鉆頭渦動形成的井底鉆頭穩(wěn)定運動的措施：改變切削齒的空間角度消除不平衡力（圖3. 5. 30）;采用不對稱刀具設計消除不平衡力（圖3.530）;采用低摩擦保徑設計抵消不平衡力（圖3.531）;采用新道式布齒形成的溝槽限制鉆頭的渦動（圖3.5. 32）;不對稱刀具設計減振齒減小縱向振動（圖3.5. 33） .改變切削齒的角度及位置圖3. 5. 30平衡力設計圖3. 5. 31軌道布齒示意困鉆頭受鉆柱運動的影響以及與地層的相互作用，縱向振動不可避免.鉆頭的縱向推動使的切削齒的受到不規(guī)則的沖擊作用，造成切削齒的破壞. 為戒小切削齒的沖擊破壞，在站頭上設置沖擊擬制器