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1、第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點第二章 PDC鉆頭工作原理及相關(guān)特點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)合片焊接在碳化鎢齒柱上而形成的，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鎢底層組成，具有高強度、 高(a) 復(fù)合片式

2、切削齒(b)齒柱式切削齒圖 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750。人們早就從實驗中發(fā)現(xiàn)， 巖石的諸力學(xué)強度中， 抗拉強度最低，剪切強度次之，而抗壓強度最高，抗壓強度往往比剪切強度高數(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，從而達到了快速鉆井的圖 1-4PDC 鉆頭的切削方式第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點目的。當 PDC 鉆頭在軟到中等級硬度地層進時，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

3、沿其剪切方向破碎并產(chǎn)生塑性流動，切削所產(chǎn)生的巖削呈大塊片狀，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 齒的缺點是熱穩(wěn)定性差，當溫度超過 700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

4、-700時，切削齒的磨損速度很快，這一現(xiàn)象稱為切削齒的熱磨損）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，以免造成局部摩擦溫度過高。2.1 PDC 鉆頭及鉆進主要影響因素2.1.1 PDC 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械鉆速、總進尺和磨損。切

5、削齒布置越多，磨損越慢，鉆頭壽命越長，但機械鉆進速度越低。切削齒的布置應(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. 切削齒出刃與胎體第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點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，它的切削齒強度較高，但鉆頭清洗相對較困難，適用于油基鉆井液中鉆進；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。為了便于清除以利

6、于鉆進，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，有利于保護切削刃， 延長其壽命。后傾角一般為 0 25 。后傾角愈大，機械鉆速愈低，但在硬地層中后傾角可減少切削刃的損壞。側(cè)傾 角鉆頭體切削塊切削塊后傾 角圖 2.1 側(cè)傾角與后傾角示意圖2.1.2 影響 PDC 鉆頭鉆進速度的主要因素影響鉆進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)

7、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械破巖的原理來看，隨著轉(zhuǎn)速n 的增加，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)形式可表達為：vm n（2.1）第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點式中為轉(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

8、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，而清除這些巖屑就需要相應(yīng)的水力功率。如果實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，在井底凈化達到充分后無論如何提高水力功

9、率也不可能提高轉(zhuǎn)速。18凈化不完善區(qū)12速鉆6凈化完善區(qū)123單位水功率圖 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：Ncj 0.8527 0j.31（2.2）并通過大量的試驗得到：CHvmNc（2.3）v jN j式中：N cj 凈化充分時的鉆頭比水功率，W / mm2 ；vj 凈化充分時的鉆速， m / h ；Nc 實際鉆頭比水功率，W / mm2 ；第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點vm 實際鉆速， 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械鉆速不會提高。若按（ 2.3）計算出的 CH 值大于 1 時，說明井

10、底已充分凈化， CH 值取 1。由（ 2.3）可得：vm CH v j（2.4）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。v 0 -v mCpv 000p圖 2.3壓差與鉆速關(guān)系曲線vme 0.001714 p（2.5）v0式中：vm 實際速度， m / h ；v0 零壓差時的鉆速， m / h ；e 自然對數(shù)的底數(shù)； p 壓差， kPa。4. 鉆井液性能對鉆速的影響鉆井液性能對鉆進的影響是復(fù)雜的，因為鉆井液各種性能

11、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，因此要單獨評價某一種鉆井液性能對鉆速的影響相當困難。大量的試驗研究證明，鉆井液密度、粘度、失水量第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點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，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

12、對鉆速的影響實踐證明，鉆井液固相含量對鉆速影響較大，因此必須嚴格控制固相含量。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。實驗證明，鉆井液內(nèi)小于 1 m 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。此外，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立影響。鉆井實踐證明，鉆井液性能是影響鉆速的極重要因素。但鉆井液性能常受井下工作條件的影響，難于嚴格

13、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)選鉆進參數(shù)中需要進一步研究解決的重要課題。 2.2 PDC 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” ，就是鉆頭在鉆進過程中，切削巖石的切削第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點力很大，從可變形的塑性巖石中擠出水，導(dǎo)致

14、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)運動。鉆頭在鉆進過程受深度側(cè)向不平衡力

15、的作用而被推向井壁，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)則運動，其瞬時旋轉(zhuǎn)中心不再是鉆頭的幾何中心，此時的運動狀態(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，從而進一補增強鉆頭渦動，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、

16、在進行鉆頭設(shè)計時必須遵守的基本原則，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。第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點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，具有高強度、高耐磨和抗沖擊的能力，是20 世紀 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-中硬地層中鉆進時，

17、有速度快、進尺多、壽命長、工作平穩(wěn)、井下事故少、井身質(zhì)量好等優(yōu)點。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)約鉆井成本。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，具有高強度、高耐磨和抗沖擊的能力，是20 世紀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-中硬地層中鉆進時，有速度快、進尺多、壽命長、工作平穩(wěn)、井下事故少、井身 質(zhì)量好等優(yōu)點。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

18、成本。目錄金剛石鉆頭優(yōu)勢金剛石鉆頭的破巖機理編輯本段金剛石鉆頭鉆頭質(zhì)量的好壞、鉆頭類型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，因鉆頭鉆進的地層較軟，單只鉆頭進尺多、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、單只鉆頭的進尺少，一般要使用多只鉆頭。一只下井新鉆頭鉆井進尺的多少主要取決于鉆頭的尺寸、類型、地層的軟硬和 鉆進參數(shù) 的配合。一般來說，鉆頭尺寸越小、地層越硬，進尺越少；鉆頭尺寸越大、地層越軟，鉆頭進尺就越多。優(yōu)勢1 力平衡設(shè)計使鉆頭具有

19、良好的導(dǎo)向性，適應(yīng)配合井下馬達應(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)合片在鉆頭不同位置的合理布置使鉆頭具有較強的攻擊性和抗研磨性；3 強攻擊性設(shè)計使鉆頭可獲得高的機械鉆速；包。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，有利于提高排屑 速度和防泥因為 PDC 鉆頭的材料主要為鑄造碳化鎢和金剛石復(fù)合片 ，所以它壽命長，價值高。(精鉆金剛石鉆頭）第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點巖石機理金剛石鉆頭金剛石鉆頭的破巖機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

20、高的應(yīng)力狀態(tài) 下（約4200-5700MPa，有的資料認為可達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，在扭矩作用下切削破巖，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，破碎巖石的體積遠大于金剛石顆粒的吃入與旋轉(zhuǎn)體積。當壓力不大時, 只能沿金剛石的運動方向 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

21、，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，才能取得理想的破巖效果。一金剛石鉆頭鉆前準備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，放下鉆柱 使之與公

22、扣或母扣接觸上扣。第二章PDC 鉆頭工作原理及相關(guān)特點3 、把金剛石鉆頭和卸扣器一起放入轉(zhuǎn)盤補心，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 劃眼1 、不推薦使用金剛石鉆頭進行井段劃眼。2 、如必須進行劃眼時，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最佳值，嚴禁加壓過猛，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參數(shù)組合。六金剛石鉆頭正常鉆進1 、在遇到研磨性強或硬砂泥巖時，降低鉆速以延長金剛