2022年PDC钻头工作原理及相关特点.docx

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1、名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -其次章 PDC 钻头工作原理及相关特点其次章 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,

2、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；人们早就从试验中发觉, 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；明显采纳剪切方式破裂岩石比用压碎方式要简单而有效的多；PDC 钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性,采纳高效的剪切方式来破裂岩石,从而达到了快速钻井的图 1-4 PDC 钻头的切削方式细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - -

3、- - - - - - - 第 1 页,共 7 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -其次章 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裂并产生塑性流淌,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特别相像（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

4、耐磨性； PDC 齿的缺点是热稳固性差,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纳 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 始终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,所以钻头要防止热 磨损显现就必需有很好的水力清洗冷却,润滑作用协作工作,这就是要求泥浆从 喷嘴流出后水力分布要合理,能有效地爱护切削齿,这即是对钻头水力计的基本 要求之一；另

5、外 PDC 钻头应防止在高硬度,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,常用的外形有圆形、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. 切削齿出刃与胎体细心整理归纳 精选学习资料 - -

6、 - - - - - - - - - - - - - 第 2 页,共 7 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -其次章 PDC 钻头工作原理及相关特点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争论目前较多；为了便于清除以利

7、于钻 进,切削齿在钻头体上排列仍应留意侧倾角和后倾角；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帮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削减切削齿的跳动, 有利于爱护切削刃, 延长其寿命； 后倾角一般为025；后倾角愈大,机械钻速愈低,但在硬地层中后倾角可削减切削刃的损坏；侧 倾 角 钻头体切削块 切削块 后倾 角图 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许多,而且相互交错在一起而变得特别复杂；要 想把全部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

8、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,而其中与井底流淌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；这反映出钻头破裂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：细心整理归纳 精选学习资料 vmn（2.1） 第 3 页,共 7 页 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - -

9、- - - - - - - -其次章 PDC 钻头工作原理及相关特点式中 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,假如水力功率不够,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,射流水功率在肯定程度上仍有水力破岩的作用；1975 年美国阿莫科争论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；肯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

10、相应的水力功率； 假如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 机械破岩成效方面影响转速,也就是说在排除水力破岩的作用条件下,假如破岩 效率肯定,在井底净化达到充分后无论如何提高水力功率也不行能提高转速；1812净化不完善区速 钻 6 净化完善区123单位水功率 图 2.2 钻速与水力参数关系曲线依据图 2.2 中的曲线回来可得：Ncj0 . 85270. 31（2.2）j并通过大量的试验得到：细心整理归纳 精选学习资料 式中：CHvmNcW2 / mm；（2.3） 第 4 页,共 7 页 vjNjN 净化充

11、分时的钻头比水功率,jv 净化充分时的钻速,m/h；N 实际钻头比水功率,W2 / mm - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -其次章 PDC 钻头工作原理及相关特点v 实际钻速,m/ h；C 水力参数影响系数；水力参数的影响系数不能大于1,这是由于净化充分后的钻井机械钻速不会提高；如按（ 2.3）运算出的C 值大于 1 时,说明井底已充分净化,C 值取 1；由（ 2.3）可得：vmCHvj（2.4）3. 压差对钻速的影响 压差是指井底压力与地层压力之

12、差值；井底压差将使岩石强度增加并对岩屑 产生压持效应,从而影响了钻头的破岩效率,使得机械钻速降低；它对钻速的影 响规律如图（ 2.3）所示；依据曲线,可导出压差对钻速影响关系；v -v v 0mC p00 p 图 2.3 压差与钻速关系曲线式中：vme.0001714p（2.5）v0v 实际速度,m/h；v 零压差时的钻速,m /h；e自然对数的底数；p 压差, kPa；4. 钻井液性能对钻速的影响 钻井液性能对钻进的影响是复杂的,由于钻井液各种性能之间关系亲密,改 变钻井液一种性能常会引起其它性能的相应变化,因此要单独评判某一种钻井液 性能对钻速的影响相当困难；大量的试验争论证明,钻井液密度

13、、粘度、失水量细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页,共 7 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -其次章 PDC 钻头工作原理及相关特点和固相含量及其分散性能都对钻速具有不同的影响；钻井液密度对钻速的影响 提高钻井液密度将增加井底压差,使钻速相应下降；降低钻井液密度虽能提 高钻速,但受地质条件的限制,不能任意降低；钻井液粘度对钻速的影响 钻井液粘度并不直接影响钻速,它是通过对循环系统压耗和井底净化等作用 的影响而间接影响钻速；在地面功率肯定的条件

14、下,降低钻井液粘度可以降低循 环系统的压耗,提高钻头压力降,从而使钻速相应提高；钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响 实践证明,钻井液固相含量对钻速影响较大,因此必需严格掌握固相含量；钻井液中不仅固相含量对转速有影响,固体颗粒的分散度对钻速有影响；实验证明,钻井液内小于1m的固相颗粒越多, 对钻速的影响越大 （约大 12 倍左右）；固相含量相同时,分散性钻井液比不分散钻井液的钻速低,固相含量越小,两者 差别约大；为了提高转速,应尽量采纳低固相不分散钻井液；此外,钻井液失水等对钻速都有肯定影响；但这些性能与钻井液粘度、固相 含量及分散性等因素有关,增加钻井液失水常会钻井液粘度,因此难于测定他们

15、对钻速的独立影响；钻井实践证明,钻井液性能是影响钻速的极重要因素；但钻井液性能常受井 下工作条件的影响,难于严格掌握,因此至今尚未有能准确反映钻井液性能影响 规律的数学模式作为优选钻井液性能的客观依据,这是优选钻进参数中需要进一 步争论解决的重要课题； 2.2 PDC 钻头的损坏PDC 钻头的损坏情形许多,缘由也各不相同,主要有断齿、泥包、冲蚀、喷 嘴或通道堵塞、喷嘴四周及本身损坏等；断齿问题： PDC 钻头钻进过程中要承担各种交变载荷,这些都直接会导致断 齿；同时钻头仍要受到涡动,岩削的冲击,研磨和泥浆的冲蚀,虽然这些破坏在 初期不会导致断齿,但最终往往是以断齿终止；钻头泥包问题：所谓“ 钻

16、头泥包”,就是钻头在钻进过程中,切削岩石的切削细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页,共 7 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -其次章 PDC 钻头工作原理及相关特点力很大,从可变形的塑性岩石中挤出水,导致岩削紧贴在钻头体上,如岩削未及 时排除,会越积越多,产生泥包；泥包对钻头的负面影响很大, 常可导致三个方面的问题： 1.在钻头上积累了大 量的切削,使切削齿不能接触地层,导致机械钻井速度下降；2.在钻头上积累大量 的粘屑,使其像油箱内的活塞似

17、的工作,在起下钻的时导致压力波动和轴吸压力；3.钻头泥包生成后,钻井液不能充分冷却PDC 复合片,直接影响复合片的寿命；涡动问题： 1987 年,美国的 BREET 提出这种现象是由于 PDC 钻头的涡动现 象造成的,他认为涡动的缘由是随着钻头的旋转,钻头的瞬时旋转中心在钻头工 作面上的位置不断发生变化,造成钻头作不规章的旋转运动；钻头在钻进过程受 深度侧向不平稳力的作用而被推向井壁,钻头的一侧与壁间发生摩擦；钻头在侧 向不平稳力、侧向摩擦力、转动扭矩的联合作用下产生不规章运动,其瞬时旋转 中心不再是钻头的几何中心,此时的运动状态就称为涡动,而且涡动一旦产生就 很难停止；同时,由于较高的转速,

18、钻头涡动运动产生很大的离心力,将钻头一 侧推向井壁,产生更大的摩擦力,从而进一补增强钻头涡动,最终造成钻头的破 坏；射流反弹破坏问题：在PDC 钻头的初始阶段,由于水力设计的不合理,过大的射流作用在井底,部分形成漫流,部分就反弹作用到钻头的表面,高速射流直 接冲蚀钻头,造成钻头的中心部位第一破坏,从而使整个钻头功能丢失； 2. 3 本章小节本章介绍了 PDC 钻头设计必定涉及的、在进行钻头设计时必需遵守的基本原 就,如：切削齿的布置、出刃、排列方向、转速、水力参数、压差对钻速的影响,以及喷射钻井技术和流道外形的设计原就等等；这部分内容既是实践体会的总结,也是钻井技术的基本理论的应用,只有钻头设计与相结合,才能防止设计中脱离 实际的问题：如脱离钻头光争论射流切削、脱离井底谈井底流场、甚至没有钻头 外形谈流场模拟等；细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页,共 7 页 - - - - - - - - -