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PDC钻头的特点和破岩机理






自 PDC 钻头问世以来, 以其优良的性能及随之而带来的经济效益, 越来越多的 受道现场作业队的青睐。然而美中稍有不足的是,在现场的应用中,PDC 只是 PDC 而以,也就是说,作业人员对其了解还不是很深刻。鉴于此,本人欲从其特点,包 括 PDC 钻头的设计特点和它的结构特点,还有其破岩机理上给予归纳、总结和分析、 推理,以期望

能为现场作业提供一点技术上的借鉴和参考.

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PDC 钻头的特点和破岩机理

摘要:本文在简要介绍了 PDC 钻头的物质成份,两大类别(胎体钻头和刚体
钻头)及其不同物质在钻井作业过程中所起的作用的基础上,归纳、总结了 PDC 钻头 特点,包括其设计特点和结构特点;同时较详细地分析了在打定向井时,PDC 钻头的结 构特征因素对造斜率的影响;另外也在分析、归纳、总结国内外专家、学者的独特见 解的基础上,对 PDC 钻头的破岩机理,也在一定程度上给予阐述.并在此基础上,最后 也提出了一些 PDC 钻头的选型依据.

关键词:

PDC 钻头; 特点; 机理分析

Abstract:This themsis briefly introduces which materials PDC bit is made from,how it is manufactured,and the different types of PDC bits,also shows you the principal functionsof the different materials of PDC bit in drilling----on the basis of these,summaries the characteristics of PDC bit,including its designing characteristics and structural characteristics,and specificly analyses the effect of its structural characteristics on the leaning ration in the controlled directional drilling.At the same time ,after studying the specific ideas of the different experts at home and abroad,to some extent,analyses and summaries the rock breaking mechanism of PDC bit.In the end ,on this basis,gives you some facters that can help you how to choose PDC bit effiently. Key words: PDC bit; characteristics; Mechanism analysis

正文:
近年内,随着 PDC 钻头的广泛应用,PDC 钻头在型号和质量上都进行了较大的改 进,已经在软到硬的地层中逐步使用,并且取得了较好的经济效益,为更好地使用 PDC 钻头,使其最大限度地发挥优势,以便更好地服务于钻井作业,特从其特点和破岩机理 方面撰写此文. PDC 钻头者,就是聚晶金刚石复合片钻头,即 Polycrystalline Diamond Compact Bit.其结构见图 1-1 所示,它示以金刚石为原料加入粘结剂在高温下烧结而成.复合片 为圆片状,金刚石层厚度一般小于 1mm,切削岩石时作为工作层,碳化钨基体对聚晶金 刚石薄 层起支撑作用.两者地有机结合,使 PDC 既具有金刚石地 硬度和耐磨性, 又具有碳化钨地结构强度和抗冲击能力.由于聚晶金刚
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石内晶体间地取向 不规则,不存在单晶金刚石固有地解理面,所以 PDC 的抗磨性及强度高于 天然金刚石的,且不易破碎.PDC 由于多种材料的存在,热稳定性较差,同时 脆性较强,不能经受冲击载荷.

PDC 钻头的特点
1973 年美国开发了聚晶金刚石复合片钻头,国外广泛应用于软-中硬地层.在中东 和北海的深井及海洋钻井中首先获得了高井尺、 高钻速,大大缩短了建井周期,降低了 钻井成本,受到了钻境界的广泛重视,成为钻井工具的一项重大成就.国内对 PDC 钻头 也引起了极大的关注和兴趣,随着钻井技术人员对 PDC 钻头的认识和实践,它正在逐

步取得 较好的使用效果. 按钻头材料及切削齿结构划分,PDC 钻头有钢体和胎体两大类别(间上图 1-2) 胎体钻头用碳化钨粉末烧结而成,用人造聚晶金刚石复合片钎焊在碳化钨胎体上,用 天然金刚石保径.碳化钨胎体耐冲蚀、耐磨、强度高、保径效果好.钻头水眼水道面积 可以根据钻井工艺需要的水力参数来设计,有较大的灵活性.胎体外形可以根据地层 特点设计,变化胎体形状只要改变模具而不需要增加设备.钢体 PDC 钻头,是用镍、 铬、 钼合金机械加工成形.经过热处理后在钻头体上钻孔,强人造聚晶金刚石复合片压入 (紧配合)钻头体内,用柱状碳化钨保径.它比胎体钻头成本低 20%左右,但不耐磨且易 被冲蚀.

PDC 钻头的设计特点
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1. PDC 钻头采用爪型设计 PDC 钻头的性能在很大程度上取决于切削齿的质量,PDC 钻头都采用了高质量 爪型齿和环形齿,经过与其它类型复合片对比试验分析,证明它具有抗剪强度高、 耐冲 击、寿命长、热稳定性能好的特点,与同尺寸普通 PDC 齿相比,爪型齿的金刚石含量 提高了 2.7 倍,抗冲击破坏能力提高 2 倍. 2. 大刀翼设计 全部 PDC 钻头系列的刀翼进行加高加大,采用超大排屑流道设计,可以更加有 效的运移钻屑,清洗钻头,防止钻头泥包,提高机械钻速. 3. 抗回旋设计 采用力学平衡设计,对 PDC 钻头进行螺旋保径设计、轨道布齿设计、缓冲块设 计以保证钻头抗回旋性能. 4. 防泥包涂层设计和制造技术 QP 系列钻头可根据地层情况进行防泥包涂层设计,它采用了独特的对钻头表 面负离子处理技术,使钻头表面带有负电荷,在钻头周围形成一个阳板,形成电流,钻头 与钻井液之间形成一个水的集区,其作用就如同润滑剂或象隔板,在钻进中,泥页岩钻 屑中的负离子与钢体表面的负电荷相斥,从而起到防泥包的效果. 5. 可修复性 钢体 PDC 钻头的本体磨损和切削齿破碎后可进行修复和更换,使得钻头的 使用成本大大降低.

PDC 钻头结构特征 及此因素对造斜率的影响
钻头的费用在一口井中的总费用中所占的比例不是很大,但选好和用好一只钻 头对提高机械钻速、提高造斜率和降低全井费用却是关系重大.为了高速、优质、低 成本地钻好定向井,应从定向钻井的独特性出发优选钻头. 定向造斜段钻井的特点使使用井下马达,钻头转速高,钻头切削齿和钻头外径磨 损快钻头寿命缩短.在定向段钻进过程中,需要钻头能保持住所要求的工具面角度,如 果所选的钻头布能提供合适的导向能力,就会获取布到所设计的造斜率或偏离所定 的方位.这样,就会增多纠斜和扭方位的次数或增多更换下部钻具组合的次数. 由于 PDC 钻头具有无活动件、适应高转速低钻压钻进工况之特点和钻头使用 寿命长的优点,因此更适合与动力钻具配合使用,多次现场施工结果表明,动力钻具 +PDC 钻头钻进方式有利于提高钻井速度,减少起下钻次数、 保证钻具安全,取得了动 力钻具+牙轮钻头钻进方式无法比拟的技术经济效益. 常规定向井施工主要时通过选择合适的造斜工具(弯接头+动力钻具、单弯动 力钻具、双弯动力钻具等)调整侧向力的大小,从而控制造斜率的高低,而同样的
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侧向力与不同结构的 PDC 钻头配合对造斜率时有极大的影响的。 在此, 我本人认为影响 PDC 钻头造斜率的钻头结构特征因素主要有以下几点: 钻头体长度、钻头冠状形状、钻头保径类型、保径切削齿侧倾角等等。 1 结构特征因素影响 PDC 钻头造斜率的机理分析 众所周知,定向钻具组合的造斜率时通过下部钻具组合的弯曲形状产生钻 头侧向力,使钻头在沿轴线方向钻进的同时侧向切削井壁而产生轨迹偏移的。钻头 轴向钻进和侧向切削的偶合产生一定的造斜率。在侧向力和钻头轴向钻速一定的情 况下,很显然钻头的侧向切削能力越强,钻具组合的造斜率就越高。 1.1 钻头体长度对造斜率的影响 在如图 1-3 所示的带弯接头的造斜钻具组合中, 依据文献 《短弯外壳导向 ( 钻具的造斜率计算》 (帅健) )中的导向动力钻具造斜率计算公式:

k?

2a L1 ? L2

式中:k------导向钻具造斜率; a-------弯接头弯角; L1------弯接头肘点至钻头的距离; L2-------弯接头肘点至下部钻具组合上切点的距离; FC-------作用在钻头上的侧向力 从公式(1)可知:在其它结构参数一定的情况下,L1、k 增大,即选用轴径短 的 PDC 钻头能 增加造斜率。
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1.2 钻头的冠部形状对造斜率的影响 在侧向力 FC 一定的情况下, 钻头和地层地侧向接触面积越小, 作用在单位井壁 上地侧向力越大、侧切力越强、钻头地造斜率越高。因此要想获得较高地造斜率, 因选用冠部平坦,与地层侧向接触面小地 PDC 钻头。 1.3 钻头保径类型对造斜率地影响 定向段钻井地特点之一是侧向载荷大,下部钻具组合地弯曲角度越大或弯曲部分离 钻头越远所引起地侧向载荷越严重,井下马达高速运转、井底沉积岩屑床、受侧向 载荷等因素底综合影响,会使钻头外径很快磨损。为了克服定向钻头外径的磨损, 发展了 PDC 钻头保径技术,常见的保径方式有在钻头的台肩上镶焊 PDC 齿或在钻 头的外径上镶焊硬质合金块。 钻头保径长度取决于耐磨性和可导性。钻头保径长度越长,耐磨性越强,但可 导向性差;而保径长度较段则耐磨性较差,而导向性好,要根据地层的可钻性、可 研磨性和导向能力来拳衡钻头的保径长度。保径长的钻头一般比保径段的钻头更稳 定,但这种钻头所能获得的最大造斜率小,定向施工人员一般都避免使用。保径上 径向排列 PDC 切削齿, 这种设计制造的钻头具有导向和保径双重功能, 比硬质合金 块保径的钻头造斜率效果好, 1.4 钻头保径切削齿侧倾角对造斜率的影响 图 1-4 为 PDC 钻头保径切削齿侧倾角示意图,显然径切 削齿侧倾角 B 越小,切削齿吃入岩石的深度越大,钻 头的侧向切削能力越强。从另一个角度讲,为了便于 在定向施工时通过钻压控制工具面,宜选用保径切削 齿后倾角较大的 PDC 钻头扭矩较平稳,反扭角波动范 围较小,钻出的井眼更平滑。所以在选择钻头时应综合考虑。 1. 5 钻头翼片对造斜率的影响 施工中发现,六翼片的 PDC 钻头比三翼片的 PDC 钻头工具面稳定,短翼片的 PDC 钻头比长翼片的 PDC 钻头工具面更稳定,使用三长翼片的 PDC 钻头定 向钻井时,工具面反扭角对钻压反应过于灵敏,钻压稍微的变化,工具面就偏 离了预定的角度,造斜率较低。这是因为钻头翼片长、个数少,钻头间歇 性侧向切削井壁,作用在钻头上的扭矩波动范围大而至的。定向时,宜选 用翼片多而短的 PDC 钻头。

PDC 钻头的选型依据
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在进行 PDC 钻头造型时,通常采用两步法,第一步是预选型,就是将要使用 PDC 钻头井段的测井资料重的声波时差、岩石密度、自然伽玛等参数输入计算机 内,利用 PDC 钻头专业选型程序进行自动聚类分析,将岩石可钻性、硬度、塑性 系数、抗剪强度等聚类为一个综合岩石级值,从而选择 PDC 钻头的型号。第二步 是分析选型,结合邻井已完钻井的钻头使用情况,分析钻井参数和钻井实效,进 行优化、深入地设计 PDC 钻头地使用井段、钻压、钻井液参数、上返速度和合理 钻井速度,以保证 PDC 钻头使用的有效性。在进行钻头选型时,可以结合测井资 料建立该区块岩石的抗压强度、抗剪切强度和岩石可钻性的数学模型,利用这些 结果可推导出岩石硬度数值与 PDC 钻头适用地层的岩石硬度分级表相对照, 就可 选择出符合该井段的钻头类型。

S A ? 0.0045E S (1 ? VSH ) ? 0.008E S ? VSH

St2 ? 255.1 ?
H d 1 ? 25.39

Sa Cb

Cb ?

1

? (V p2 ? V s2 )
e 0.4
0 d4 K

H d 2 ? 250? 54.744( K d ? 1) 2
Kd ? ae
b ?? p

式中:a、b---------------回归系数(与钻头类型有关) ; Sa、St---------------抗压、抗剪切强度,MPa ; Hd1、Hd2----------塑性、脆性地层岩石强度 ; Vs、Vp-------------地层纵、横波速度,?s/m ; Δ tp------------地层中纵波传播时间,?s ; ES--------------岩石静弹性参数 ; Kd-------------岩石可钻性级值 ; VSh-------------地层中的泥质含量 。 压力损失系数是钻头水力设计的基础,只有准确地计算出压力损失系数,才能 正确地指导现场施工,因为对于不同的井眼剖面岩石特性、井身结构和钻井液流变 性,就会有相应的一组钻井参数,为保证数据的准确性,最好的方法就是利用现场 实钻数据来计算钻头压力降和压力损失系数。 钻头压力降 Pb 计算:
8.11? 10 ?2 ? M ? ? Q s2 C 2 d e4

Pb=

压力损失系数:
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K=(PS-Pb)/HQs1.8 式中:Pb---------------钻头压力降,MPa; Ps---------------泵压,MPa; 3 Mω -――――――――钻井液密度,g/cm ; C―――――流量系数 ; Qs----------钻井泵排量,L/s ; H-----------井深,m ; De----------钻头喷嘴直径,cm. 因为 PDC 钻头在钻进时,时依靠一定地钻压吃入地层,有转盘通过方钻杆和 钻柱及其它钻具,如扶正器和短结等等把扭矩传给钻头,在钻头旋转时,带动牙齿 把岩屑”犁”下来,为确保被剥离的岩屑脱离井底后能够上返出井口,要求泵的排量 达到一定数值,使环空钻井液达到 50%以上的携岩能力而使岩屑不会下沉.
2

Vmin=

0.14 ? (2.5 ? P ) 3 ? d s M
1

??

1 3

Qmin=0.08 ? vmin(D2b-D2p)

?3

式中: vmin----------环空最低上返速度, m/s; ds-------------岩屑直径 ,mm ; Db-----------井眼直径 ,mm ; Dp-------------钻具直径 ,mm ; ρ -----------岩屑密度 ,g/cm3 ; ?----------钻井液视粘度 ,mPa·s. 我们常规喷射钻井设计牙轮钻头时,时以钻头的最大牙耗或最大水马力来考 虑钻头水力参数等,而 PDC 钻头是以它高强度的牙齿来剥蚀岩石,通过钻头体上的导 流槽排除岩屑,如果水力冲击力太大,钻井液裹携着泥沙不断地冲蚀钻头本体,而造 成钻头不可修复,因此在使用 PDC 钻头时,不考虑水力破岩地能力,并能及时地携带 出井底岩屑即可. 因为 PDC 钻头是以其寿命长、钻进速度快、提下钻次数少而缩短钻井周期地, 如果以最大水马力来考虑 PDC 钻头地水利参数,当 PDC 钻头一次入井的进尺较大,势 必引起高泵压,而超过设备所能承受的泵压,就会损耗循环系统的寿命.为使钻井系 统能在钻进中正常运行,就必须全面考虑 PDC 钻头的各方面影响因素,在 PDC 钻头钻 进的过程中,钻井泵的排量使一定的,此时泵压与井深成正比,所以在 PDC 钻头入井 时,钻头压降设计要根据 PDC 钻头完钻井深来制定,以保证设备的安全.只有这样,才 能最大限度地发挥 PDC 钻头在使用上地优势. PDC 扑到此钻头地牙齿在镶嵌入胎体时,与牙齿所接触的地平面称一定角度,而 牙轮钻头地牙齿时以楔形接近垂至于地面,故此在使用 PDC 钻头时,钻压比牙轮钻头 的低,同时 PDC 钻头在旋转过程中剥蚀地层,对于新钻头来说,高钻压容易引起钻头 憋跳而使牙齿破碎.为避免以上影响钻进速度的因素,制定了 PDC 钻头的钻压合理使 用范围.

PDC 钻头的破岩机理
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PDC 钻头的破岩机理及方式:对软地层主要室犁,对硬地层室靠剪切.聚晶金刚 石钻头(Ballaset)靠剪切.在高速摄像机下可见 PDC 钻头复合片破岩就像切削金属 一样.比利时 LX22 型钻头钻进岩石时(从电影里可见)完全避免了重复切削,岩屑以 抛物线方式很快离开钻头,岩屑连续长度最长的达 0.5 米. 由于岩石本身抗剪切强度较低,抗压请读较高,对于同样的岩石剪切、犁的方式 挖开地层的能量比牙轮钻头靠压碾的方式需要的能量少(剪切是压碾的 1/8),PDC 钻 头比牙轮钻头钻速快.同样的装备条件,对种硬地层,PDC 钻头比牙轮钻头颈嫩破岩. PDC 钻头切削元件-复合片,室用薄层人造聚晶金刚石经高温高压粘结在碳化钨 衬底上底,见图 1-5 所示. 聚晶金刚石薄片上月年个许多小晶粒底人造金刚石以不同规则、不同方向结合 制成底,其抗耐磨性非常好.碳化钨基底加强了复合片底抗冲击性能.复合片在工作 过程种可以自锐,即经过磨损后,其前刃还是 90 度,不会变钝. 在钻井过程中,PDC 钻头用低钻压、高转速赖获得较高的钻速.而这种钻井参数 不易产生井斜,可与螺杆钻具、涡轮钻具配合使用钻定向井,可用于近平衡和超平衡 0 钻井,可钻深井(高温井),可在小于 500 C 环境下工作.由于没有活动件,排出了掉牙 轮的危险.对油基、水基、重泥浆及泡沫钻井液、天然气钻井及空气钻井等都适应. 并可获得较高的进尺和钻速.虽然 PDC 钻头价格较高,但由于进尺高、机械钻速快, 与牙轮钻头相比能获得更好的经济效益.

结论与建议
(1) PDC 钻头具有独特性能,在使用过程中要详细了解所使用钻头的型号特 点,并针对不同地层合理优选钻井参数与下入深度,按 PDC 钻头规定技术参数 进行操作,才能收到预期的结果.PDC 钻头修复技术极大地提高了其使用经济 性及投入风险,钻头生产商应进一步更加积极地开展并加强此项技术的服务. 对 PDC 钻头在井下工作原理的分析表明,在深井钻井中,如果对 PDC 钻头 增加反向向上的喷嘴,可以减小液柱对井底岩屑的压持作用力,并增大钻井液 上返速度和紊流携岩能力. 在泥岩地层中,使用 PDC 钻头可以十分明显地提高钻井速度,在进行钻井 设计时,可以根据 PDC 钻头的这一特点优化井身结构,预防井下复杂情况的发 生. PDC 钻头配合动力钻具进行钻井施工具有明显的经济效益,可以避免牙 轮钻头不适应动力钻具的特点而造成不必要浪费,PDC 钻头选型好能进一步 提高机械钻速和造斜率,应逐步推广使用. 常规的定向井施工中,为了控制钻井成本,力求一趟钻完成定向、增斜、 稳斜直到完钻,近年来,现场逐步实验推广导向钻具,动力钻具的特点时低钻 压、 高转速正好符合 PDC 钻头的工作参数范围,建议导向钻具配合 PDC 钻头使 用.
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短平式外形、保径短的 PDC 钻头造斜率高.钻头保径采用径向排列硬质 合金块或 PDC 切削齿,减小 PDC 保径切削齿的侧倾角,这种结构的钻头有利于 提高侧切削能力,从而提高其造斜率. (7) PDC 钻头在施工中的工具面反扭角对钻压较灵敏,给施工造成一定难度,建议 选用翼片多而短的 PDC 钻头,同时钻进时送钻要稳,切忌切菜式送钻.

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