PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點(diǎn)模板

1、第二章PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點(diǎn)PDC鉆頭是依靠安裝在鉆頭體上的切削齒切削地層的，這些切削齒有復(fù)合片切削齒和齒柱式兩種結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)以及在鉆頭上的安裝方式如圖1-2所示。復(fù)合片式切削齒是將復(fù)合片直接焊接在鉆頭體上預(yù)留的凹槽內(nèi)而形成的。它一般用于胎體鉆頭；齒柱式切削齒是將復(fù)合片焊接在碳化鴇齒柱上而形成的，安裝時將其齒柱鑲嵌或焊接在鉆頭體上的齒空內(nèi)，它一般用于鋼體鉆頭，也有用于胎體鉆頭的。復(fù)合片(即聚晶金剛石復(fù)合片)是切削齒的核心。復(fù)合片一般為圓片狀，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，它是由人造聚晶金剛石薄層及碳化鴇底層組成，具有高強(qiáng)度、高(a)復(fù)合片式切削齒(a)復(fù)合片式切削齒(b)齒柱式切削齒聚晶金剛

2、石層WC底層圖1-3復(fù)合片的結(jié)構(gòu)圖1-2切削齒在鉆頭上的安裝方式硬度及高耐磨性，可耐溫度750c人們早就從實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)，巖石的諸力學(xué)強(qiáng)度中，抗拉強(qiáng)度最低，剪切強(qiáng)度次之,而抗壓強(qiáng)度最高，抗壓強(qiáng)度往往比剪切強(qiáng)度高數(shù)倍至十多倍。顯然采用剪切方式破碎巖石比用壓碎方式要容易而有效的多。PDC鉆頭的復(fù)合片切削結(jié)構(gòu)正是利用了巖石這一力學(xué)特性，采用高效的剪切方式來破碎巖石，從而達(dá)到了快速鉆井的圖1-4PDC鉆頭的切削方式圖1-4PDC鉆頭的切削方式目的。當(dāng)PDC鉆頭在軟到中等級硬度地層進(jìn)時，復(fù)合片切削齒在鉆壓和扭矩作用下克服地層應(yīng)力吃入地層并向前滑動，巖石在切削齒作用下沿其剪切方向破碎并產(chǎn)生塑性流動，切削所產(chǎn)生

3、的巖削呈大塊片狀，這一切削過程與刀具切削金屬材料非常相似（見圖1-4）。被剪切下來的巖屑，再由噴嘴射出泥漿帶走至鉆頭與井壁間的環(huán)空運(yùn)至井外。PDC鉆頭因使用了聚晶金剛石復(fù)合片作切削元件而使得切削齒有很高的硬度和耐磨性。PDC齒的缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，當(dāng)溫度超過700c時，金剛石層內(nèi)的粘結(jié)金屬將失效而導(dǎo)致切削齒破壞，因此PDC齒不能直接燒結(jié)在胎體上而只能采用低溫釬焊方式將其固定在鉆頭體上。在工作中，切削齒底部磨損面在壓力作用下一直與巖石表面滑動摩擦要產(chǎn)生大量的摩擦熱，當(dāng)切削齒清洗冷卻條件不好，局部溫度較高時，就有可能導(dǎo)致切削齒的熱摩損（350-700C時，切削齒的磨損速度很快，這一現(xiàn)象稱為切削齒的熱

4、磨損）而影響鉆頭正常工作，所以鉆頭要避免熱磨損出現(xiàn)就必須有很好的水力清洗冷卻，潤滑作用配合工作，這就是要求泥漿從噴嘴流出后水力分布要合理，能有效地保護(hù)切削齒，這即是對鉆頭水力計的基本要求之一。另外PDC鉆頭應(yīng)避免在高硬度，高研磨性的地層中高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，以免造成局部摩擦溫度過高。2.1PDC鉆頭及鉆進(jìn)主要影響因素21.1PDC鉆頭結(jié)構(gòu)介紹聚晶金剛石復(fù)合片分柱式和片式兩種，常用的形狀有圓形、尖形及半圓形等。通常以柱式方式鑲嵌在胎體上。1 .切削齒的布置切削齒的布置與所鉆地層及鉆頭類型有關(guān)，它將影響到鉆頭的機(jī)械鉆速、總進(jìn)尺和磨損。切削齒布置越多，磨損越慢，鉆頭壽命越長，但機(jī)械鉆進(jìn)速度越低。切削齒的布置

5、應(yīng)使每個切削齒的切削力、所切削的巖石量、載荷、扭矩、磨損以及水力清洗等都相同，所以有等切削、等功率、等磨損設(shè)計要求。2 .切削齒出刃與胎體是指切削刃與鉆頭體之間的距離。切削齒可以是全出刃，也可以是部分出刃：全出刃一般用于鉆軟地層，全出刃切削齒對鉆頭清洗有利，且鉆速較高；部分出刃用于較硬地層，它的切削齒強(qiáng)度較高，但鉆頭清洗相對較困難，適用于油基鉆井液中鉆進(jìn)；硬質(zhì)合金胎體鉆頭由于是鑄造形成，不受加工限制。3 .切削齒的排列方向有關(guān)PDC鉆頭的切削齒的排列方式的研究目前較多。為了便于消除以利于鉆進(jìn)，切削齒在鉆頭體上排列還應(yīng)注意側(cè)傾角和后傾角。側(cè)傾角在鉆進(jìn)時產(chǎn)生外推力，在鉆井液的清洗作用下側(cè)傾角能協(xié)助

6、將巖屑排出鉆頭中心，有效清洗鉆頭。后傾角除有利于鉆頭切削齒的清洗外，在硬巖層切削力增大時可以減少切削齒的顫動，有利于保護(hù)切削刃，延長其壽命。后傾角一般為025后傾角愈大,機(jī)械鉆速愈低，但在硬地層中后傾角可減少切削刃的損壞。21.2影響PDC鉆頭鉆進(jìn)速度的主要因素影響鉆進(jìn)速度的主要因素有很多，而且互相交織在一起而變得十分復(fù)雜。要想把所有的影響因素反應(yīng)到一個統(tǒng)一的鉆速模式中是很困難的。但其中影響較大、變化規(guī)律較明顯的因素有鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙齒磨損、水力參數(shù)、壓差、鉆井液性能等，而其中與井底流動直接發(fā)生關(guān)系的有轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)、壓差、鉆井液性能等。1.轉(zhuǎn)速對鉆速的影響從機(jī)械破巖的原理來看，隨著轉(zhuǎn)速n的增加

7、，鉆速vm也相應(yīng)增加。通過現(xiàn)場和室內(nèi)的試驗得出的典型轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)速度呈指數(shù)關(guān)系，且指數(shù)小于1。這反映出鉆頭破碎巖石的時間效應(yīng)問題。它們之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)形式可表達(dá)為：Vmn九（2.1）式中九為轉(zhuǎn)速指數(shù)，是巖石自然屬性，它隨地質(zhì)條件和埋藏深度不同而異。2.水力參數(shù)對鉆速的影響水力參數(shù)引起的井底凈化程度對鉆速有較大的影響。井底凈化是靠射流水力功率來完成的，如果水力功率不夠，凈化不充分，使巖屑留在井底而造成重復(fù)切削，導(dǎo)致實(shí)際鉆速的下降。同時，射流水功率在一定程度上還有水力破巖的作用。1975年美國阿莫科研究中心在大量試驗的基礎(chǔ)上給出了水力參數(shù)和機(jī)械轉(zhuǎn)速合理匹配的關(guān)系曲線（圖2.2）,該曲線將圖分為水力凈

8、化完善和水力凈化不完善的兩個區(qū)。一定的鉆速就意味著單位時間內(nèi)鉆出的巖屑總量，而消除這些巖屑就需要相應(yīng)的水力功率。如果實(shí)際水力功率小于清巖所需的水力功率，井底就會積存巖屑,影響鉆速的提高。由于水力破巖的作用已經(jīng)受鉆壓的限制，凈化程度只是從保證機(jī)械破巖效果方面影響轉(zhuǎn)速，也就是說在排除水力破巖的作用條件下，如果破巖效率一定，在井底凈化達(dá)到充分后無論如何提高水力功率也不可能提高轉(zhuǎn)速。圖2.2鉆速與水力參數(shù)關(guān)系曲線根據(jù)圖2.2中的曲線回歸可得：(2.2)心=0.8527：廠1并通過大量的試驗得到:CHVm=NcvjNj(2.3)2式中：Ncj凈化充分時的鉆頭比水功率，W/mm；Vj凈化充分時的鉆速，m/

9、h；Nc實(shí)際鉆頭比水功率，W/mm2;vm實(shí)際鉆速，m/h；Ch水力參數(shù)影響系數(shù)。水力參數(shù)的影響系數(shù)不能大于1,這是因為凈化充分后的鉆井機(jī)械鉆速不會提高。若按（2.3）計算出的Ch值大于1時，說明井底已充分凈化，Ch值取1。由（2.3）可得：3.壓差對鉆速的影響壓差是指井底壓力與地層壓力之差值。井底壓差將使巖石強(qiáng)度增加并對巖屑產(chǎn)生壓持效應(yīng)，從而影響了鉆頭的破巖效率，使得機(jī)械鉆速降低。它對鉆速的影響規(guī)律如圖（2.3）所示。根據(jù)曲線，可導(dǎo)出壓差對鉆速影響關(guān)系。圖2.3壓差與鉆速關(guān)系曲線(2.5)Vm-0.001714p一二eVo式中：Vm實(shí)際速度，m/h；Vo零壓差時的鉆速，m/h;e自然對數(shù)的底

10、數(shù)；知壓差，kPa。4.鉆井液性能對鉆速的影響鉆井液性能對鉆進(jìn)的影響是復(fù)雜的，因為鉆井液各種性能之間關(guān)系密切，改變鉆井液一種性能常會引起其它性能的相應(yīng)變化，因此要單獨(dú)評價某一種鉆井液性能對鉆速的影響相當(dāng)困難。大量的試驗研究證明，鉆井液密度、粘度、失水量和固相含量及其分散性能都對鉆速具有不同的影響。鉆井液密度對鉆速的影響提高鉆井液密度將增加井底壓差，使鉆速相應(yīng)下降。降低鉆井液密度雖能提高鉆速，但受地質(zhì)條件的限制，不能任意降低。鉆井液粘度對鉆速的影響鉆井液粘度并不直接影響鉆速，它是通過對循環(huán)系統(tǒng)壓耗和井底凈化等作用的影響而間接影響鉆速。在地面功率一定的條件下，降低鉆井液粘度可以降低循環(huán)系統(tǒng)的壓耗，

11、提高鉆頭壓力降，從而使鉆速相應(yīng)提高。鉆井液固相含量及其分散性對鉆速的影響實(shí)踐證明，鉆井液固相含量對鉆速影響較大，因此必須嚴(yán)格控制固相含量。鉆井液中不僅固相含量對轉(zhuǎn)速有影響，固體顆粒的分散度對鉆速有影響。實(shí)驗證明，鉆井液內(nèi)小于1Nm的固相顆粒越多，對鉆速的影響越大（約大12倍左右）固相含量相同時，分散性鉆井液比不分散鉆井液的鉆速低，固相含量越小，兩者差別約大。為了提高轉(zhuǎn)速，應(yīng)盡量采用低固相不分散鉆井液。止匕外，鉆井液失水等對鉆速都有一定影響。但這些性能與鉆井液粘度、固相含量及分散性等因素有關(guān)，增加鉆井液失水常會鉆井液粘度，因此難于測定他們對鉆速的獨(dú)立影響。鉆井實(shí)踐證明，鉆井液性能是影響鉆速的極重

12、要因素。但鉆井液性能常受井下工作條件的影響，難于嚴(yán)格控制，因此至今尚未有能確切反映鉆井液性能影響規(guī)律的數(shù)學(xué)模式作為優(yōu)選鉆井液性能的客觀依據(jù)，這是優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)中需要進(jìn)一步研究解決的重要課題。2.2PDC鉆頭的損壞PDC鉆頭的損壞情況很多，原因也各不相同，主要有斷齒、泥包、沖蝕、噴嘴或通道堵塞、噴嘴周圍及本身損壞等。斷齒問題：PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中要承受各種交變載荷，這些都直接會導(dǎo)致斷齒。同時鉆頭還要受到渦動，巖削的沖擊，研磨和泥漿的沖蝕，雖然這些破壞在初期不會導(dǎo)致斷齒，但最終往往是以斷齒結(jié)束。鉆頭泥包問題：所謂“鉆頭泥包”,就是鉆頭在鉆進(jìn)過程中，切削巖石的切削力很大，從可變形的塑性巖石中擠出水，導(dǎo)

13、致巖削緊貼在鉆頭體上，若巖削未及時排除，會越積越多，產(chǎn)生泥包。泥包對鉆頭的負(fù)面影響很大，?？蓪?dǎo)致三個方面的問題：1.在鉆頭上堆積了大量的切削，使切削齒不能接觸地層，導(dǎo)致機(jī)械鉆井速度下降；2.在鉆頭上堆積大量的粘屑，使其像油箱內(nèi)的活塞似的工作，在起下鉆的時導(dǎo)致壓力波動和軸吸壓力；3.鉆頭泥包生成后，鉆井液不能充分冷卻PDC復(fù)合片，直接影響復(fù)合片的壽命。渦動問題：1987年，美國的BREET提出這種現(xiàn)象是由于PDC鉆頭的渦動現(xiàn)象造成的，他認(rèn)為渦動的原因是隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，鉆頭的瞬時旋轉(zhuǎn)中心在鉆頭工作面上的位置不斷發(fā)生變化，造成鉆頭作不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。鉆頭在鉆進(jìn)過程受深度側(cè)向不平衡力的作用而被推向井壁

14、，鉆頭的一側(cè)與壁間發(fā)生摩擦。鉆頭在側(cè)向不平衡力、側(cè)向摩擦力、轉(zhuǎn)動扭矩的聯(lián)合作用下產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動，具瞬時旋轉(zhuǎn)中心不再是鉆頭的幾何中心，此時的運(yùn)動狀態(tài)就稱為渦動，而且渦動一旦產(chǎn)生就很難停止。同時，由于較高的轉(zhuǎn)速，鉆頭渦動運(yùn)動產(chǎn)生很大的離心力，將鉆頭一側(cè)推向井壁，產(chǎn)生更大的摩擦力，從而進(jìn)一補(bǔ)增強(qiáng)鉆頭渦動，最終造成鉆頭的破壞。射流反彈破壞問題：在PDC鉆頭的初始階段，由于水力設(shè)計的不合理，過大的射流作用在井底，部分形成漫流，部分則反彈作用到鉆頭的表面，高速射流直接沖蝕鉆頭，造成鉆頭的中心部位首先破壞，從而使整個鉆頭功能喪失。2.3本章小節(jié)本章介紹了PDC鉆頭設(shè)計必然涉及的、在進(jìn)行鉆頭設(shè)計時必須遵守的基

15、本原則，如：切削齒的布置、出刃、排列方向、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)、壓差對鉆速的影響，以及噴射鉆井技術(shù)和流道形狀的設(shè)計原則等等。這部分內(nèi)容既是實(shí)踐經(jīng)驗的總結(jié)，也是鉆井技術(shù)的基本理論的應(yīng)用，只有鉆頭設(shè)計與相結(jié)合，才能避免設(shè)計中脫離實(shí)際的問題：如脫離鉆頭光討論射流切削、脫離井底談井底流場、甚至沒有鉆頭形態(tài)談流場模擬等。金剛石鉆頭做切削刃的鉆頭稱為金剛石鉆頭。該鉆頭屬一體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動的零部件，結(jié)構(gòu)比較簡單，具有高強(qiáng)度、高耐磨和抗沖擊的能力，是20世紀(jì)80年代世界鉆井三大新技術(shù)之一?，F(xiàn)場使用證明，金剛石鉆頭在軟-中硬地層中鉆進(jìn)時，有速度快、進(jìn)尺多、壽命長、工作平穩(wěn)、井下事故少、井身質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。金剛

16、石鉆頭不但使用時間長，還可以重復(fù)利用，返廠修復(fù)的金剛石鉆頭使用起來和出廠的金剛石鉆頭使用效果差不多，能大量的節(jié)約鉆井成做切削刃的鉆頭稱為金剛石鉆頭。該鉆頭屬一體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動的零部件，結(jié)構(gòu)比較簡單，具有高強(qiáng)度、高耐磨和抗沖擊的能力，是20世紀(jì)80年代世界鉆井三大新技術(shù)之一。現(xiàn)場使用證明，金剛石鉆頭在軟-中硬地層中鉆進(jìn)時，有速度快、進(jìn)尺多、壽命長、工作平穩(wěn)、井下事故少、井身質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。金剛石鉆頭不但使用時間長，還可以重復(fù)利用，返廠修復(fù)的金剛石鉆頭使用起來和出廠的金剛石鉆頭使用效果差不多，能大量的節(jié)約鉆井成目錄金剛石鉆頭優(yōu)勢金剛石鉆頭的破巖機(jī)理編輯本段金剛石鉆頭鉆頭質(zhì)量的好壞、鉆頭類型

17、與地層巖性是否適應(yīng)，對加快鉆井速度和提高單只鉆頭進(jìn)尺起著重要的作用。鉆一口油氣井一般要使用不同尺寸的多只鉆頭，在鉆上部地層時要使用直徑較大的鉆頭，因鉆頭鉆進(jìn)的地層較軟，單只鉆頭進(jìn)尺多、使用的時間短，一個鉆頭一般可重復(fù)使用幾口井；而在鉆下部地層時要使用直徑較小的鉆頭，因地層硬、單只鉆頭的進(jìn)尺少，一般要使用多只鉆頭。一只下井新鉆頭鉆井進(jìn)尺的多少主要取決于鉆頭的尺寸、類型、地層的軟硬和鉆進(jìn)參數(shù)的配合。一般來說，鉆頭尺寸越小、地層越硬，進(jìn)尺越少；鉆頭尺寸越大、地層越軟，鉆頭進(jìn)尺就越多。優(yōu)勢1力平衡設(shè)計使鉆頭具有良好的導(dǎo)向性，適應(yīng)配合井下馬達(dá)應(yīng)用于定向鉆井，具有較小的徑向震動；2不同結(jié)構(gòu)的專利PDC復(fù)合

18、片在鉆頭不同位置的合理布置使鉆頭具有較強(qiáng)的攻擊性和抗研磨性；3強(qiáng)攻擊性設(shè)計使鉆頭可獲得高的機(jī)械鉆速；4動態(tài)流場模擬技術(shù)應(yīng)用于水力設(shè)計，使井底流場最優(yōu)化，有利于提高W速度和防泥包。因為PDC鉆頭的材料主要為鑄造碳化鴇和金剛石復(fù)合片，所以它壽命長，價值高。（精鉆金剛石鉆頭）巖石機(jī)理金剛石鉆頭金剛石鉆頭的破巖機(jī)理金剛石鉆頭的破巖作用是由金剛石顆粒完成的。要知道鉆頭的破巖作用，就須了解單粒金剛石的破巖作用。在堅硬地層中，單粒金剛石在鉆壓作用下使巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)下（約4200-5700MPa,有的資料認(rèn)為可達(dá)6300MPa）,使巖石發(fā)生巖性轉(zhuǎn)變，由脆性變?yōu)樗苄?。單粒金剛石吃入地層，在扭矩作用下切?/p>

19、破巖，切削深度基本上等于金剛石顆粒的吃入深度。這一過程如同犁地”故稱為金剛石鉆頭的犁式切削作用。在一些脆性較大的巖石里（如砂巖、石灰?guī)r等），鉆頭上的金剛石顆粒在鉆壓扭矩的同時作用下，破碎巖石的體積遠(yuǎn)大于金剛石顆粒的吃入與旋轉(zhuǎn)體積。當(dāng)壓力不大時，只能沿金剛石的運(yùn)動方向形成小溝槽，加大壓力則會使小溝槽深部與兩側(cè)的巖石破碎，超過金剛石顆粒的斷面尺寸。金剛石鉆頭的破巖效果，除與巖性以及影響巖性的外界因素（如壓力、溫度、地層流體性質(zhì)等）有關(guān)外，鉆壓大小是重要的影響因素。它和牙輪鉆頭一樣,破巖時都具有表層破碎、疲勞破碎、體積破碎三種方式。只有當(dāng)金剛石顆粒具有足夠的比壓吃入地層巖石，使巖石發(fā)生體積破碎時，才

20、能取得理想的破巖效果。一.金剛石鉆頭鉆前準(zhǔn)備1、檢查上一只金剛石鉆頭是否存在有鉆頭體損壞，掉齒等，確定井底清潔，無落物。2、小心搬運(yùn)金剛石鉆頭，將金剛石鉆頭放置在橡膠墊或木板上。禁止把金剛石鉆頭直接放置在鐵板上。3、檢查金剛石鉆頭切削齒是否有損傷，金剛石鉆頭內(nèi)是否有異物，噴嘴孔內(nèi)是否有O型密封圈，根據(jù)需要安裝噴嘴。二.金剛石鉆頭上扣1、清理金剛石鉆頭公扣或母扣并涂抹絲扣油。2、將卸扣器卡在金剛石鉆頭上，放下鉆住使之與公扣或母扣接觸上扣。3、把金剛石鉆頭和卸扣器一起放入轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心，然后按照推薦上扣扭矩值旋緊絲扣。三.下鉆1、下放金剛石鉆頭要慢，通過轉(zhuǎn)盤，防噴器，套管懸掛器尤其要緩慢,以保護(hù)好切削齒。2、注意上次起鉆時出現(xiàn)的遇阻井段，下鉆過程中遇到縮徑和狗腿時應(yīng)使鉆頭緩慢通過。3、距井底約1根單根時開始以5060rpm的鉆速旋轉(zhuǎn)并開泵一額定排量沖洗井底。4、注意觀察指重表和扭矩使金剛石鉆頭平穩(wěn)接觸井底。四.金剛石鉆頭迎1、不推薦使用金剛石鉆頭進(jìn)行井段劃眼。2、如必須進(jìn)行劃眼時，應(yīng)以額定排量，緩慢低扭矩劃眼。五.金剛石鉆頭造型1、保持額定排量，下放金剛石鉆頭至井底。2、采用緩慢鉆進(jìn)至少1m,以建立井底模型。3、以每次10kN的增加量將鉆壓增至正常鉆進(jìn)最佳值，嚴(yán)禁加壓過猛，造成金剛石鉆頭的先期破壞。4、保持鉆壓恒定調(diào)整鉆速以便獲得最佳的鉆進(jìn)參數(shù)組合。六.金剛石鉆頭正常鉆進(jìn)1、在遇到研磨性