复合片钻头（PDC）钻进

复合片钻头（PDC）钻进本部分的内容本部分的内容 一、复合片钻头结构；一、复合片钻头结构；二、新型二、新型PDC切削齿；切削齿；三、三、PDC切削齿的研究方向；切削齿的研究方向；四、四、PDC钻头破碎岩石机理；钻头破碎岩石机理；五、五、PDC钻头选型；钻头选型；六、六、PDC钻头钻进工艺参数。钻头钻进工艺参数。一、钻头的结构一、钻头的结构PDC钻头结构内容包括以下几个方面：钻头结构内容包括以下几个方面：1、基体的形式、基体的形式 2、复合片焊接参数、复合片焊接参数 3、复合片的强化、复合片的强化 4、新型复合片、新型复合片 1 1、基体的形式：、基体的形式：、基体的形式：、基体的形式：图图1 胎体式胎体式PDC取心钻头取心钻头 图2 钢体式体式PDC取心取心钻头 按钻头（基体）材料及切削齿结构划分，复合片钻头按钻头（基体）材料及切削齿结构划分，复合片钻头分为胎体式钻头及钢体式钻头两大类。胎体式复合片钻头分为胎体式钻头及钢体式钻头两大类。胎体式复合片钻头采用与烧结表镶天然金刚石钻头及聚晶体钻头相同的方法采用与烧结表镶天然金刚石钻头及聚晶体钻头相同的方法及工艺，用铸造碳化钨粉为主要成分烧结而成，烧结时在及工艺，用铸造碳化钨粉为主要成分烧结而成，烧结时在钻头的工作面上留下窝槽，再将复合片焊接在窝槽上。钻头的工作面上留下窝槽，再将复合片焊接在窝槽上。复合片可分为两种：片状的和带硬质合金柱状的。片复合片可分为两种：片状的和带硬质合金柱状的。片状的复合片可以用于胎体式或钢体式的钻头上，而柱状的状的复合片可以用于胎体式或钢体式的钻头上，而柱状的复合片多用于钢体式的复合片钻头上。复合片多用于钢体式的复合片钻头上。图3 胎体式胎体式PDC石油石油钻头图4 钢体式体式PDC石油石油钻头2.复合片的焊接参数复合片的焊接参数 （1）复合片的镶焊角：）复合片的镶焊角：复合片钻头的焊接复合片钻头的焊接中最主要的一个参数就中最主要的一个参数就是焊接角是焊接角（有时称为（有时称为后倾角）。后倾角）。负前镶提高复合片负前镶提高复合片的工作刚度，可以减少的工作刚度，可以减少复合片工作时的震动，复合片工作时的震动，延长使用寿命。而且为延长使用寿命。而且为提高钻井速度起重要的提高钻井速度起重要的作用。设计的复合片主作用。设计的复合片主切削齿的负前角或后倾切削齿的负前角或后倾角多为角多为1218。图图5 复合片负前角焊接复合片负前角焊接 负前镶提高切削速度的原因：负前镶提高切削速度的原因：有利于岩屑不致沿切削齿的刃面上升过高，从而避有利于岩屑不致沿切削齿的刃面上升过高，从而避免或大为减少岩屑被挤压在钻头体与地层之间，不至于免或大为减少岩屑被挤压在钻头体与地层之间，不至于造成：岩屑排除困难，抵消钻进压力；而且减少岩屑与造成：岩屑排除困难，抵消钻进压力；而且减少岩屑与复合片前刃面的滞留时间，可以降低复合片的工作温度复合片前刃面的滞留时间，可以降低复合片的工作温度以及岩屑沿其流动的阻力和摩擦系数；特别是在塑性较以及岩屑沿其流动的阻力和摩擦系数；特别是在塑性较大的岩层中钻进可以减少粘结发生，即减少所谓泥包或大的岩层中钻进可以减少粘结发生，即减少所谓泥包或糊钻现象发生。糊钻现象发生。图图7 复合片受力情况复合片受力情况FT反作用力，反作用力，FC水平力，水平力，FR合力合力.图图6 支撑体复合片镶焊支撑体复合片镶焊 采用负前角镶焊，钻进时复合片受到两个力的作用，即采用负前角镶焊，钻进时复合片受到两个力的作用，即反作用力反作用力FT和水平力和水平力FC，其合力，其合力FR垂直于复合片。虽然垂直于复合片。虽然金刚石性硬而脆，但有硬质合金体支撑着它，能够承受更金刚石性硬而脆，但有硬质合金体支撑着它，能够承受更大的载荷，不会使其断裂，见图大的载荷，不会使其断裂，见图7。后角磨损后，刃角会变得锐利，钻进效果不受影响，即后角磨损后，刃角会变得锐利，钻进效果不受影响，即具有自锐效果。通常以切削角具有自锐效果。通常以切削角-15为最好，试验证明这为最好，试验证明这时的比能最小，见图时的比能最小，见图8。比能包含着给进力（指钻压）、。比能包含着给进力（指钻压）、转数与切削角等。转数与切削角等。图图8 切削角与碎岩比能的关系切削角与碎岩比能的关系 不同岩层不同岩层PDC钻头的切削角应随之变化。自软地钻头的切削角应随之变化。自软地层至中硬地层，切削角应为层至中硬地层，切削角应为-5-25，即软地层即软地层负前角较小，硬地层负前角大。负前角较小，硬地层负前角大。复合片复合片PDC出露钻头体的高差为出露钻头体的高差为0.254mm，超，超过此公差则突出者必超载，磨损加剧，甚至崩刃，还过此公差则突出者必超载，磨损加剧，甚至崩刃，还有可能引起钻孔偏斜。有可能引起钻孔偏斜。高研磨性地层应使用高研磨性地层应使用2532#S-复合片，加强侧复合片，加强侧面的切削能力，以防外径过早磨损。面的切削能力，以防外径过早磨损。（2）复合片的旁通角：）复合片的旁通角：旁通角有时又称为旁通角有时又称为侧倾角侧倾角。侧倾角的作用是使侧倾角的作用是使切削齿在切削岩层时切削齿在切削岩层时对齿前的切屑产生侧对齿前的切屑产生侧向推力，使岩屑向钻向推力，使岩屑向钻头外缘移动，以利于头外缘移动，以利于排除岩屑。排除岩屑。侧倾角一般设计为侧倾角一般设计为57。图图9 复合片的旁通角复合片的旁通角 由于复合片钻头在孔底接触面积小，比压高，加之复由于复合片钻头在孔底接触面积小，比压高，加之复合片耐磨，且能自锐，刃口锋利，因而时效高，岩屑（或合片耐磨，且能自锐，刃口锋利，因而时效高，岩屑（或岩粉）多，及时清除孔底岩屑就显得十分重要。特别是在岩粉）多，及时清除孔底岩屑就显得十分重要。特别是在一些胶粘性地层，由于其岩屑有很强的附着力，往往容易一些胶粘性地层，由于其岩屑有很强的附着力，往往容易堵塞并粘着在切削齿前面而形成泥包或糊钻，这恐怕是复堵塞并粘着在切削齿前面而形成泥包或糊钻，这恐怕是复合片钻头有时钻速不高的主要原因。合片钻头有时钻速不高的主要原因。复合片钻头上旁通角的设计，虽然有利于排除岩屑，复合片钻头上旁通角的设计，虽然有利于排除岩屑，但也存在不利的方面，即减少了钻头的有效切削力，同时但也存在不利的方面，即减少了钻头的有效切削力，同时也增加了牢固镶焊复合片的难度，增加了复合片转动（或也增加了牢固镶焊复合片的难度，增加了复合片转动（或松动）的外力或扭矩，所以旁通角不宜设计过大，多设计松动）的外力或扭矩，所以旁通角不宜设计过大，多设计为为5的旁通角。的旁通角。(3)复合片的出刃高度：复合片的出刃高度：图10 复合片的出刃高度复合片的出刃高度 从图从图10（左）可以看出，复合片切削齿出露不高将（左）可以看出，复合片切削齿出露不高将会造成岩屑被挤压于钻头体与地层之间。若为胶粘性会造成岩屑被挤压于钻头体与地层之间。若为胶粘性地层，则岩屑会紧紧包住切削齿形成泥包，以致无法地层，则岩屑会紧紧包住切削齿形成泥包，以致无法被水力所排除。被水力所排除。从水力学的观点分析，复合片切削齿的出露高度应从水力学的观点分析，复合片切削齿的出露高度应尽量小，以便产生高速液流冲扫岩屑及冷却金刚石。尽量小，以便产生高速液流冲扫岩屑及冷却金刚石。但从岩屑形成的观点看，则形成岩屑的空间又希望尽但从岩屑形成的观点看，则形成岩屑的空间又希望尽可能大，以避免切削掉的岩屑沿前刃面流动时不致受可能大，以避免切削掉的岩屑沿前刃面流动时不致受阻，见图阻，见图10（右）。（右）。此外，就是岩屑上顶钻头体，减少实际钻压，按理此外，就是岩屑上顶钻头体，减少实际钻压，按理应改进为如图应改进为如图10（右）所示。然而其较大的排屑空间又（右）所示。然而其较大的排屑空间又降低了液流速度，低速液流不可能有足够的动量清除胶降低了液流速度，低速液流不可能有足够的动量清除胶粘性岩屑，也会使这些岩屑堵塞其空间。同时，由于加粘性岩屑，也会使这些岩屑堵塞其空间。同时，由于加大排屑空间使流速下降也要削弱冷却效果，导致切削齿大排屑空间使流速下降也要削弱冷却效果，导致切削齿热损伤。热损伤。因此，复合片的镶焊参数中，复合片的出刃高度应因此，复合片的镶焊参数中，复合片的出刃高度应该依据岩层性质，选择合理的出刃值。该依据岩层性质，选择合理的出刃值。(1)要使要使PDC钻头在砾石夹层钻进中既有较高的机械钻钻头在砾石夹层钻进中既有较高的机械钻速，又有较长的使用寿命，我们将钻头设计为刮刀型翼状速，又有较长的使用寿命，我们将钻头设计为刮刀型翼状结构，有利于提高机械钻速。刀翼数愈多，钻头运转愈平结构，有利于提高机械钻速。刀翼数愈多，钻头运转愈平稳，但影响机械钻速；如若刀翼数减少，每个刀翼承受的稳，但影响机械钻速；如若刀翼数减少，每个刀翼承受的冲击载荷就要增加。对于砾石夹层钻进的主要矛盾是减少冲击载荷就要增加。对于砾石夹层钻进的主要矛盾是减少刀翼承受的冲击载荷，因此以五刀翼（或七刀翼）为宜，刀翼承受的冲击载荷，因此以五刀翼（或七刀翼）为宜，而且选用了高质量的复合片，以提高钻头使用寿命。而且选用了高质量的复合片，以提高钻头使用寿命。(2)采用斜型刀翼，螺旋结构布齿，而且是混合布齿，采用斜型刀翼，螺旋结构布齿，而且是混合布齿，它能改善切削齿的受力状况，利于切削齿吃入地层，钻压它能改善切削齿的受力状况，利于切削齿吃入地层，钻压大时增加了切削齿的受力面积，因而增加了大时增加了切削齿的受力面积，因而增加了PDC复合片的复合片的抗冲击能力，刀翼形状结构与布齿位置如图抗冲击能力，刀翼形状结构与布齿位置如图11。3.复杂地层钻头的改进复杂地层钻头的改进 图图11 刀翼形状结构与布齿图刀翼形状结构与布齿图 (3)PDC复合片钻头保径与保径材料的选用。对于复合片钻头保径与保径材料的选用。对于PDC复合片钻头而言，所谓保径是保护钻头外径的尺寸能维持复合片钻头而言，所谓保径是保护钻头外径的尺寸能维持钻头在孔底的正常工作，一直保持到钻头在孔底的正常工作，一直保持到PDC复合片钻头外径复合片钻头外径尺寸基本不变。尺寸基本不变。(4)采用了辅助切削齿的设计，主要目的是减少了主切削采用了辅助切削齿的设计，主要目的是减少了主切削齿承受的冲击载荷。考虑所钻地层不是特别坚硬，可以选齿承受的冲击载荷。考虑所钻地层不是特别坚硬，可以选用用PDC复合片辅助切削齿；而如果地层较硬、完整程度较复合片辅助切削齿；而如果地层较硬、完整程度较差时，可以选用孕镶金刚石复合体辅助切削齿。差时，可以选用孕镶金刚石复合体辅助切削齿。PDC辅助齿复合片钻头：辅助齿复合片钻头：如果钻遇的砾石夹层，岩石不是很坚硬，研磨性不是如果钻遇的砾石夹层，岩石不是很坚硬，研磨性不是很强，或者说可钻性较好的话，则采用带很强，或者说可钻性较好的话，则采用带PDC复合片辅复合片辅助切削齿的助切削齿的PDC钻头。也就是在钻头。也就是在PDC钻头外锥部位的主钻头外锥部位的主切削齿后面加若干个出刃略低（切削齿后面加若干个出刃略低（23mm）于主切削齿）于主切削齿的辅助切削齿。辅助切削齿是由的辅助切削齿。辅助切削齿是由 13.34mm的聚晶金的聚晶金刚石复合片组成的，它的后倾角较大，一般大于刚石复合片组成的，它的后倾角较大，一般大于22，图图12 带带 PDC 辅助齿的复合片钻头辅助齿的复合片钻头 它的主要起两个作用：它的主要起两个作用：1.当钻遇含砾石夹层产生振动时它具有限制主切削齿当钻遇含砾石夹层产生振动时它具有限制主切削齿的吃入深度，另外就是帮助主切削齿承担部分冲击载荷，的吃入深度，另外就是帮助主切削齿承担部分冲击载荷，从而减少振动，减少从而减少振动，减少PDC主切削齿金刚石层崩裂几率，主切削齿金刚石层崩裂几率，有效地保护了钻头上有效地保护了钻头上PDC主切削齿的锋利，有助于提高主切削齿的锋利，有助于提高钻进时的机械钻速。钻进时的机械钻速。2.当钻头上当钻头上PDC主切削齿损耗超过主切削齿损耗超过23mm时，时，PDC辅助切削齿开始参与切削岩石工作，从而有助于提高钻辅助切削齿开始参与切削岩石工作，从而有助于提高钻头寿命。头寿命。带孕镶金刚石辅助切削齿的带孕镶金刚石辅助切削齿的PDC钻头：钻头：如果钻遇的砾石夹层的地层，岩石坚硬，研磨性强，如果钻遇的砾石夹层的地层，岩石坚硬，研磨性强，或者说可钻性很差，则应采用带孕镶金刚石辅助切削齿的或者说可钻性很差，则应采用带孕镶金刚石辅助切削齿的PDC钻头。也就是在钻头。也就是在PDC钻头外锥部位的主切削齿的后面钻头外锥部位的主切削齿的后面加若干个出刃略低于主切削齿的孕镶金刚石辅助切削齿或加若干个出刃略低于主切削齿的孕镶金刚石辅助切削齿或限制齿。孕镶金刚石辅助切削齿是由天然金刚石热压烧结限制齿。孕镶金刚石辅助切削齿是由天然金刚石热压烧结而成，外形呈牙轮钻头齿状。当钻头钻遇含砾石夹层产生而成，外形呈牙轮钻头齿状。当钻头钻遇含砾石夹层产生振动时它们具有限制主切削齿切入深度和减少振动的作用，振动时它们具有限制主切削齿切入深度和减少振动的作用，起到抗涡动钻头的作用。起到抗涡动钻头的作用。图图13 带孕镶金刚石复合体带孕镶金刚石复合体 的复合片钻头的复合片钻头 图图14 边切削齿崩刃边切削齿崩刃 图图15 钻头切削刀翼整体崩落钻头切削刀翼整体崩落 图图16 钻头主刃齿崩落钻头主刃齿崩落 5、钻头工作面的形状、钻头工作面的形状 PDC钻头工作面（又称冠部）的几何形状将影响钻头钻头工作面（又称冠部）的几何形状将影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损以及钻头各部位的载荷分的稳定性、井底清洗、钻头磨损以及钻头各部位的载荷分布，见图布，见图14所示。所示。图图17 钻头冠部形状钻头冠部形状 钻头工作面形状一般包括内锥、顶部、侧面、肩部及钻头工作面形状一般包括内锥、顶部、侧面、肩部及保径五大基本要素。内锥对钻头起着导向和稳定作用，如保径五大基本要素。内锥对钻头起着导向和稳定作用，如果需要较高钻速、较好的洗井液流动控制能力，则内锥应果需要较高钻速、较好的洗井液流动控制能力，则内锥应为浅内锥，锥度较大（为浅内锥，锥度较大（110160）；如果要求突出）；如果要求突出钻头的稳定性，提高井斜控制能力，则应为深内锥，锥角钻头的稳定性，提高井斜控制能力，则应为深内锥，锥角较小（较小（60100）。）。钻头的顶部是钻头的最低点，钻进中最先切入岩石，钻头的顶部是钻头的最低点，钻进中最先切入岩石，由于地层变化而意外受损的可能性最大。如果地层较硬，由于地层变化而意外受损的可能性最大。如果地层较硬，或存在硬夹层，则应选较大半径、较宽的顶部结构；为了或存在硬夹层，则应选较大半径、较宽的顶部结构；为了提高切入岩石的能力，应选择较小半径的顶部结构。提高切入岩石的能力，应选择较小半径的顶部结构。侧面部分的剖面线有直线和弧线两种，采用直线方式侧面部分的剖面线有直线和弧线两种，采用直线方式时顶部和外侧面较尖，切入性能较好，切削效率较高；弧时顶部和外侧面较尖，切入性能较好，切削效率较高；弧线方式常用在高转速或高抗磨性的情况下。线方式常用在高转速或高抗磨性的情况下。保径部分除保证钻头的直径外，还对钻头的稳定性起保径部分除保证钻头的直径外，还对钻头的稳定性起很大的作用，可以用增长保径来提高钻头的井斜控制能力；很大的作用，可以用增长保径来提高钻头的井斜控制能力；反之，对于造斜用的钻头则应缩短保径长度。钻头工作面反之，对于造斜用的钻头则应缩短保径长度。钻头工作面形状较长，则布齿空间增大。形状较长，则布齿空间增大。以上选择以上选择PDC钻头工作面形状的原则同样适应于天然钻头工作面形状的原则同样适应于天然金刚石钻头和热稳定性聚晶金刚石钻头（金刚石钻头和热稳定性聚晶金刚石钻头（TSP）。）。二、新型复合片切削齿二、新型复合片切削齿 1、预倒角边缘加强齿：、预倒角边缘加强齿：图图18 预倒角边缘加强齿预倒角边缘加强齿 CES齿将边刃预倒角，消除了应力集中，使切削刃的齿将边刃预倒角，消除了应力集中，使切削刃的边缘得到了加强，在钻头应用初期特别有益于减小切削齿边缘得到了加强，在钻头应用初期特别有益于减小切削齿崩裂失效的可能性。这种特殊形状设计，还可显著减小在崩裂失效的可能性。这种特殊形状设计，还可显著减小在金刚石层内产生的有害应力金刚石层内产生的有害应力(拉应力拉应力)。模拟硬岩石钻进情。模拟硬岩石钻进情况的有限元分析表明，锥度为况的有限元分析表明，锥度为 10、锥面长度为、锥面长度为 2mm的的CES齿的内部拉应力只有普通齿的一半。金刚石层内部齿的内部拉应力只有普通齿的一半。金刚石层内部有害应力的减小，大大提高了切削齿抵抗轴向和切向冲击有害应力的减小，大大提高了切削齿抵抗轴向和切向冲击载荷的能力。载荷的能力。C.H.Cooley&N.Meany 在花岗岩和石英岩上进行在花岗岩和石英岩上进行了抗冲击性试验，后倾角了抗冲击性试验，后倾角20的普通齿冲击的普通齿冲击12次便出现次便出现碎裂，而碎裂，而 CES齿在冲击齿在冲击19次后仍没有明显的碎裂迹象。次后仍没有明显的碎裂迹象。室内台架试验进一步证实，室内台架试验进一步证实，CES 齿可大大提高齿可大大提高 PDC 钻钻头的承载能力和工作寿命。现场实验表明，只要井底角头的承载能力和工作寿命。现场实验表明，只要井底角保持在保持在10以上，以上，CES 齿形状设计应用在各种类型地层齿形状设计应用在各种类型地层中对钻进速度都无负面影响，而钻头进尺和工作寿命都中对钻进速度都无负面影响，而钻头进尺和工作寿命都比普通比普通PDC钻头高得多钻头高得多(如表如表1所示所示)。表表1 预倒角边缘加强齿钻头现场使用效果预倒角边缘加强齿钻头现场使用效果 钻头类型钻头类型进尺进尺/m工作时间工作时间/h钻速钻速/mh-1预倒角加强齿预倒角加强齿5795.230918.9普通齿普通齿3284.518418 2.覆盖硬质合金保护层切削齿：覆盖硬质合金保护层切削齿：图图19 覆盖硬质合金保护层切削齿覆盖硬质合金保护层切削齿 覆盖硬质合金保护层切削齿覆盖硬质合金保护层切削齿(如图如图19所示所示)，所用的，所用的材料与常规材料与常规 PDC 切削齿相同，但结构不同。它是在复合切削齿相同，但结构不同。它是在复合片的表面覆盖了一层厚度约片的表面覆盖了一层厚度约 0.20.3 mm 的硬质合金的硬质合金薄层，并在边缘留出薄层，并在边缘留出0.5mm的金刚石出刃。该切削齿可的金刚石出刃。该切削齿可有效防止金刚石层受切向冲击载荷作用时的崩裂，并能保有效防止金刚石层受切向冲击载荷作用时的崩裂，并能保持切削刃锋锐而不影响其切削性能。持切削刃锋锐而不影响其切削性能。室内实验和现场应用表明，在钻进硬岩石室内实验和现场应用表明，在钻进硬岩石(如花岗岩如花岗岩等等)时，覆盖硬质合金保护层切削齿具有钻进速度快，切时，覆盖硬质合金保护层切削齿具有钻进速度快，切削齿强度高，工作寿命长等突出的优点。削齿强度高，工作寿命长等突出的优点。3.双刃切削齿双刃切削齿：图图20 双刃切削齿双刃切削齿 双刃切削齿双刃切削齿(TEC)有两个金刚石切削刃，一个称为主有两个金刚石切削刃，一个称为主刃刃(P)，另一个称为副刃，另一个称为副刃(S)。主刃是一个金刚石圆片，。主刃是一个金刚石圆片，与普通与普通PDC齿类似。副刃是一个金刚石圆环，镶嵌在主齿类似。副刃是一个金刚石圆环，镶嵌在主刃后的碳化钨内，外径与碳化钨基体相同。副刃由刃后的碳化钨内，外径与碳化钨基体相同。副刃由3个参个参数确定，即偏移量数确定，即偏移量L(主、副刃之间的距离主、副刃之间的距离)、厚度、厚度T和深和深度度D，如图，如图20所示。所示。与普通齿比较，双刃齿具有以下特性：与普通齿比较，双刃齿具有以下特性：1)由于副刃的存在，双刃齿的金刚石体积比普通齿多由于副刃的存在，双刃齿的金刚石体积比普通齿多25%，使切削齿同时具有高的耐磨性和抗冲击性。而对，使切削齿同时具有高的耐磨性和抗冲击性。而对于普通切削齿来讲，任何一种特性的改善往往以削弱其它于普通切削齿来讲，任何一种特性的改善往往以削弱其它性能为代价，譬如抗冲击性和耐磨性呈反比关系，而副刃性能为代价，譬如抗冲击性和耐磨性呈反比关系，而副刃设计解决了这个矛盾。设计解决了这个矛盾。2)双刃齿的副刃降低了磨损面的形成速度，起到加强双刃齿的副刃降低了磨损面的形成速度，起到加强和延长切削齿寿命的作用。和延长切削齿寿命的作用。表表2 双刃齿钻头与普通齿钻头的性能对比双刃齿钻头与普通齿钻头的性能对比 钻头类型钻头类型钻速钻速/mh-1进尺进尺/mIADC磨损级别磨损级别双刃齿双刃齿3.16297.71-2-WT-G-IN-ER-PR 普通齿普通齿2.04122.84-8-RO-S/G-X-1.5-NO-PR 4.复合结构切削齿：复合结构切削齿：图图21 复合结构切削齿复合结构切削齿 复合型切削齿由复合型切削齿由PDC金刚石层、金刚石层、PDC爪形结构爪形结构和天然金刚石孕镶片构成，如图和天然金刚石孕镶片构成，如图21所示。所示。爪形结构使爪形结构使金刚石层与碳化钨基体相互啮合，增大了两种材料之金刚石层与碳化钨基体相互啮合，增大了两种材料之间的接触面积，结合力也随之增大，而且有利于散热，间的接触面积，结合力也随之增大，而且有利于散热，类似于散热片效应，有效地减小了热应力对类似于散热片效应，有效地减小了热应力对PDC复合复合片的影响。片的影响。该切削齿磨损后，齿间的薄层金刚石和碳化钨的该切削齿磨损后，齿间的薄层金刚石和碳化钨的磨损速度要大于齿部较厚的金刚石层，形成锯齿状切磨损速度要大于齿部较厚的金刚石层，形成锯齿状切削刃，能更加有效地吃入岩石。削刃，能更加有效地吃入岩石。在钻遇高研磨性硬地层时，在钻遇高研磨性硬地层时，PDC复合片被磨损，其复合片被磨损，其后面的天然金刚石孕镶片便直接与地层接触，天然金刚后面的天然金刚石孕镶片便直接与地层接触，天然金刚石在自锐的作用下出刃破碎地层。该切削齿既保持了石在自锐的作用下出刃破碎地层。该切削齿既保持了PDC复合片的高效切削性能，又提高了切削齿的耐磨性复合片的高效切削性能，又提高了切削齿的耐磨性和钻进更硬地层的能力。和钻进更硬地层的能力。Se-curity DBS公司设计制公司设计制造的造的 FM2000i系列钻头，采用了复合型切削齿，实践系列钻头，采用了复合型切削齿，实践证明抗研磨性高，钻进硬夹层能力强，具有证明抗研磨性高，钻进硬夹层能力强，具有PDC钻头和钻头和金刚石钻头双重使用效果。金刚石钻头双重使用效果。5楔形切削齿楔形切削齿：图图22 楔形切削齿楔形切削齿 楔形切削齿与普通楔形切削齿与普通PDC切削齿混合使用，在抗压强度切削齿混合使用，在抗压强度较大的以纯剪切方式不容易钻进的地层中，可取得较好的较大的以纯剪切方式不容易钻进的地层中，可取得较好的钻进效果。钻进效果。在钻进过程中，楔形齿因与地层接触面积小，受力集在钻进过程中，楔形齿因与地层接触面积小，受力集中，齿下岩石在较大的接触应力作用下产生破裂裂纹，因中，齿下岩石在较大的接触应力作用下产生破裂裂纹，因此楔形齿比较容易吃入地层。随着钻头的旋转，楔形齿在此楔形齿比较容易吃入地层。随着钻头的旋转，楔形齿在岩石中岩石中“犁犁”出一条条轨道形的出一条条轨道形的“卸荷卸荷”槽，紧随其后的槽，紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削强度已大大减弱了的大块岩圆形切削齿则以剪切方式切削强度已大大减弱了的大块岩石，达到快速钻进的目的。而且，楔形齿对钻头的横向振石，达到快速钻进的目的。而且，楔形齿对钻头的横向振动还起到一定的抑制作用。动还起到一定的抑制作用。Security DBS公司用楔形公司用楔形齿设计的混合型钻头，在中等、中硬和硬地层以及带有夹齿设计的混合型钻头，在中等、中硬和硬地层以及带有夹层的泥岩、砂岩和高泥岩地层中使用，机械钻速和钻头进层的泥岩、砂岩和高泥岩地层中使用，机械钻速和钻头进尺均较高。尺均较高。三三.PDC钻头切削齿的研究方向钻头切削齿的研究方向 1)深入开展深入开展PDC钻头破岩机理和磨损机理的理论和试验研钻头破岩机理和磨损机理的理论和试验研究，对切削破岩过程中的力学规律、温度效应、振动力学究，对切削破岩过程中的力学规律、温度效应、振动力学特性和磨损规律等进行定量分析和评价，为新型切削齿和特性和磨损规律等进行定量分析和评价，为新型切削齿和新型钻头的研制奠定理论基础。新型钻头的研制奠定理论基础。2)从材料和制造工艺入手，研究金刚石的晶形、粒度、组从材料和制造工艺入手，研究金刚石的晶形、粒度、组成和合成温度及压力等对人造聚晶金刚石切削元件的硬度、成和合成温度及压力等对人造聚晶金刚石切削元件的硬度、耐磨性、结构强度、冲击破裂韧性、热膨胀性能的影响规耐磨性、结构强度、冲击破裂韧性、热膨胀性能的影响规律律,研制一种比较坚韧、更耐冲击、耐磨性更高、受温度研制一种比较坚韧、更耐冲击、耐磨性更高、受温度影响小的超硬材料作为切削元件，从根本上提高切削元件影响小的超硬材料作为切削元件，从根本上提高切削元件的性能。的性能。3)开发新型高强度材料替代钨开发新型高强度材料替代钨钴合金作为切削的韧元件钴合金作为切削的韧元件的支撑基体。一方面要有较高的强度和较好的韧性，能有的支撑基体。一方面要有较高的强度和较好的韧性，能有效地吸收冲击载荷，对切削刃提供强有力的支撑；另一方效地吸收冲击载荷，对切削刃提供强有力的支撑；另一方面要有较高的耐磨性，磨损速度与切削刃的磨损速度相适面要有较高的耐磨性，磨损速度与切削刃的磨损速度相适应，起到相互保护的作用。此外，最好还具有良好的自锐应，起到相互保护的作用。此外，最好还具有良好的自锐能力，能辅助主切削刃破碎岩石。能力，能辅助主切削刃破碎岩石。4)采用人造聚晶金刚石处理技术，如抛光、二次加温、表采用人造聚晶金刚石处理技术，如抛光、二次加温、表面增加金属镀层面增加金属镀层(钛、镍、铬等钛、镍、铬等)等，减小残余应力，抑制等，减小残余应力，抑制金刚石层中的微裂纹，进一步提高产品质量。金刚石层中的微裂纹，进一步提高产品质量。5)研制非平式切削齿，改善研制非平式切削齿，改善PDC切削刃的自锐性、冲击韧切削刃的自锐性、冲击韧性和耐磨性及散热能力。性和耐磨性及散热能力。四、破碎岩石机理四、破碎岩石机理 在沉积岩为主的岩层中钻进，上部孔段岩石多为中软在沉积岩为主的岩层中钻进，上部孔段岩石多为中软中硬，低中等研磨性，多呈塑性或塑脆性，岩石的可钻中硬，低中等研磨性，多呈塑性或塑脆性，岩石的可钻性为性为级，采用复合片钻头钻进方法，可以收到钻井级，采用复合片钻头钻进方法，可以收到钻井速度高、钻探成本低的效果。速度高、钻探成本低的效果。图图23 复合片破碎岩石及其自锐复合片破碎岩石及其自锐图图24 复合片破碎岩石情形复合片破碎岩石情形 （1）聚晶金刚石钻头的回转切削作用）聚晶金刚石钻头的回转切削作用 金刚石聚晶体金刚石聚晶体(PCD)或复合片或复合片(PDC)钻头是以大切入量和钻头是以大切入量和切削方式钻进的。它们所钻的岩层以中硬和中硬以下的岩切削方式钻进的。它们所钻的岩层以中硬和中硬以下的岩石为主要对象。此类钻头的碎岩机理与硬质合金钻头的很石为主要对象。此类钻头的碎岩机理与硬质合金钻头的很相近，其主要不同点是切削具与所钻岩石的硬度差大于硬相近，其主要不同点是切削具与所钻岩石的硬度差大于硬质合金与岩石的硬度差。质合金与岩石的硬度差。硬度差大对于破碎岩石是十分有利的。硬度差大对于破碎岩石是十分有利的。PCD或或PDC钻头的切入量较大，目前都按硬质合金钻头破碎岩石机理钻头的切入量较大，目前都按硬质合金钻头破碎岩石机理分析孔底碎岩过程。分析孔底碎岩过程。图图25 复合片出露与破碎岩石复合片出露与破碎岩石 （2）钻进速度的衰减）钻进速度的衰减 这类这类PDC钻头，在钻进过程中随着切削端不断被磨钻头，在钻进过程中随着切削端不断被磨 钝，钻速总是要衰减的。不过，随切削具材质的耐磨性钝，钻速总是要衰减的。不过，随切削具材质的耐磨性 和所钻岩层的研磨性不同，其衰减速率是不同的。和所钻岩层的研磨性不同，其衰减速率是不同的。从这类钻头的钻进过程来看，不论其钻速衰减程度有从这类钻头的钻进过程来看，不论其钻速衰减程度有 多大差别，但钻速随钻刃磨钝而衰减是必然存在的。多大差别，但钻速随钻刃磨钝而衰减是必然存在的。为了克服钻速衰减，在实践中常常采取不断增大钻压为了克服钻速衰减，在实践中常常采取不断增大钻压 的办法的办法。过小的钻压在。过小的钻压在 PDC钻头的钻进中是不应选用钻头的钻进中是不应选用 的；但钻压由小逐渐增大，则是必要的。的；但钻压由小逐渐增大，则是必要的。（3）切削条件：）切削条件：在钻进中，破碎岩石有两种不同的机理：在钻进中，破碎岩石有两种不同的机理：一是为压碎。经检测证明：破碎同体积岩石所需的一是为压碎。经检测证明：破碎同体积岩石所需的力，剪切破碎比压碎破岩要小力，剪切破碎比压碎破岩要小5倍。倍。所以在钻进中以剪所以在钻进中以剪切方式破碎岩石，是有利的。切方式破碎岩石，是有利的。第二就是剪切方式破碎岩石。对第二就是剪切方式破碎岩石。对PDC钻头，可以认钻头，可以认为是以剪切破碎岩石为主的一种钻头，这就是为是以剪切破碎岩石为主的一种钻头，这就是PDC钻头钻头的有利之处。的有利之处。从理论上讲，剪切碎岩机理是最有利的破岩方式，但从理论上讲，剪切碎岩机理是最有利的破岩方式，但不是说总是有效的。剪切破碎岩石要求切削具必须保持锋不是说总是有效的。剪切破碎岩石要求切削具必须保持锋利的状态，回转扭矩要在合理的限度之内，并且要保持有利的状态，回转扭矩要在合理的限度之内，并且要保持有较高的回转速度。若用硬合金切削具在软而研磨性强的岩较高的回转速度。若用硬合金切削具在软而研磨性强的岩石中钻进时，高的转速会加重切削具磨损的速率，促使其石中钻进时，高的转速会加重切削具磨损的速率，促使其很快地变钝，从而要求加大轴向力以使其切入岩石内。因很快地变钝，从而要求加大轴向力以使其切入岩石内。因此，要有效地进行剪切破碎岩石必须有高耐磨性和高抗弯此，要有效地进行剪切破碎岩石必须有高耐磨性和高抗弯强度、高抗冲击韧性的切削具。所以，现在的强度、高抗冲击韧性的切削具。所以，现在的PDC切削具切削具具有较优越的质量，其意义就在于此。它为实现剪切碎岩具有较优越的质量，其意义就在于此。它为实现剪切碎岩钻进提供了有利条件。钻进提供了有利条件。该图该图27表示了钻进扭矩随着转速变化的曲线（以高表示了钻进扭矩随着转速变化的曲线（以高钻压为例）可分为钻压为例）可分为AB，BC，CD三个线段。由图三个线段。由图可知：在低转速段，当转速增加时，钻进扭矩由高降至可知：在低转速段，当转速增加时，钻进扭矩由高降至最低值（最低值（AB段）；然后，随着转速继续增加，扭矩又段）；然后，随着转速继续增加，扭矩又增加，直至最高值（增加，直至最高值（BC段）；最后，当转速很高时，段）；最后，当转速很高时，扭矩骤然降落（扭矩骤然降落（CD段）。段）。在在AB线段内，钻头的切削单元上每转的切削深线段内，钻头的切削单元上每转的切削深度（切入量），可由下式计算：度（切入量），可由下式计算：（1.42）式中式中 R钻速，钻速，cm/min；n转速，转速，r/min；m钻头上切削单元数。钻头上切削单元数。在图在图27中的中的C点以后，扭矩的骤然下降意味着切点以后，扭矩的骤然下降意味着切削深度削深度h 值骤然下降，表明在所加轴向力之下转速过值骤然下降，表明在所加轴向力之下转速过高，使切削具开始骑在岩面上。这是一种十分有害的情高，使切削具开始骑在岩面上。这是一种十分有害的情况，它表示此时前述的有效剪切作用变成了表面磨损。况，它表示此时前述的有效剪切作用变成了表面磨损。显然，在此情况下，切削具刃端便会很快地被磨成大的显然，在此情况下，切削具刃端便会很快地被磨成大的平面而失去工作能力。平面而失去工作能力。在较大的轴向力作用下，扭矩的转折点向高转速在较大的轴向力作用下，扭矩的转折点向高转速方向移动（图方向移动（图27）同时切削具的切入深度和钻速也在）同时切削具的切入深度和钻速也在增大。但是，无论如何，增大。但是，无论如何，h 值总是有个限度的。这是值总是有个限度的。这是因为：切削具及支撑它的胎体所能承受的扭矩是有一因为：切削具及支撑它的胎体所能承受的扭矩是有一定限度的；同时，轴向力和单个切削具所能安全承受定限度的；同时，轴向力和单个切削具所能安全承受的力也是有最大的限度的。所以结论是：转速、扭矩、的力也是有最大的限度的。所以结论是：转速、扭矩、轴向力都有约束条件和都有其可能的限度，而他们集轴向力都有约束条件和都有其可能的限度，而他们集中表现在切削深度中表现在切削深度 h上。上。在该某种花岗岩钻进试验中，有些限度被确定在该某种花岗岩钻进试验中，有些限度被确定出来：出来：如扭矩为如扭矩为7Nm；每个切削具所加的轴向力；每个切削具所加的轴向力为为75kg。其最佳的钻速是在扭矩曲线的。其最佳的钻速是在扭矩曲线的B-C段上。段上。总之，轴向力不得过量，高至足够保证扭矩力最大总之，轴向力不得过量，高至足够保证扭矩力最大值即可，以保证切削具留在岩石中，完成其剪切破值即可，以保证切削具留在岩石中，完成其剪切破碎作用。碎作用。（1）浅井段或开孔井段，由于岩性多为沉积地层或岩）浅井段或开孔井段，由于岩性多为沉积地层或岩石遭遇风化及地表水流的侵蚀作用等，胶结性差，裂隙石遭遇风化及地表水流的侵蚀作用等，胶结性差，裂隙发育，岩石较疏松。在可以不取心的情况下，应该选用发育，岩石较疏松。在可以不取心的情况下，应该选用高钻速的复合片全面钻头（图高钻速的复合片全面钻头（图28）。该类钻头的复合片）。该类钻头的复合片应该选较大规格的、刀翼数较少（应该选较大规格的、刀翼数较少（45刀翼），有利于刀翼），有利于提高破碎岩石的效率、排粉效果和洗井效果。提高破碎岩石的效率、排粉效果和洗井效果。如遇卵砾石层或卵砾石夹层，钻进中动载荷大，复如遇卵砾石层或卵砾石夹层，钻进中动载荷大，复合片容易崩裂，应选用多刀翼、复合片直径较小、加辅合片容易崩裂，应选用多刀翼、复合片直径较小、加辅助齿的复合片全面钻头（图助齿的复合片全面钻头（图29）或镶齿牙轮钻头。）或镶齿牙轮钻头。三、钻头选型三、钻头选型图28 高效型复合片高效型复合片钻头图29 刀翼耐磨型复合片刀翼耐磨型复合片钻头 （2）如遇中软中硬地层取心钻进，可以选用两种）如遇中软中硬地层取心钻进，可以选用两种钻头：钻头：PDC复合片取心钻头与镶齿牙轮取心钻头。但以复合片取心钻头与镶齿牙轮取心钻头。但以选用复合片取心钻头为好。由于岩石较硬，研磨性较选用复合片取心钻头为好。由于岩石较硬，研磨性较高，要求钻头有好的耐磨性和专门保径措施（图高，要求钻头有好的耐磨性和专门保径措施（图30、图图31）。但钻进非均质的地层、软硬夹层地层或含砾）。但钻进非均质的地层、软硬夹层地层或含砾石的地层时，石的地层时，PDC钻头会产生较大的冲击载荷，破坏钻头会产生较大的冲击载荷，破坏复合片，降低复合片，降低PDC钻头的使用效果。钻头的使用效果。图图30 复合片取心钻头复合片取心钻头 图图31 复合片取心钻头复合片取心钻头 （3）依据多数油气田的岩层情况和参考其钻头选）依据多数油气田的岩层情况和参考其钻头选型，在油气田的深部可能出现岩石变硬、研磨性增强，型，在油气田的深部可能出现岩石变硬、研磨性增强，复合片钻头难以钻进的情况下，可以采用牙轮钻头钻复合片钻头难以钻进的情况下，可以采用牙轮钻头钻进方法，选择镶齿牙轮全面钻头或取心钻头钻井。如进方法，选择镶齿牙轮全面钻头或取心钻头钻井。如果岩石继续变硬、研磨性更强时，只能采用金刚石钻果岩石继续变硬、研磨性更强时，只能采用金刚石钻进方法，选择热稳定性金刚石聚晶体钻头进方法，选择热稳定性金刚石聚晶体钻头（TSP）（图）（图32）钻井。）钻井。图图32 表镶金刚石取心钻头（表镶金刚石取心钻头（TSP）（4）遇硬而研磨性岩层取芯钻进时，应选用保径）遇硬而研磨性岩层取芯钻进时，应选用保径齿钻头或强化保径效果的齿钻头或强化保径效果的PDC取心钻头；同时，为取心钻头；同时，为了提高钻进效率，在采用液动锤冲击回转钻进时，了提高钻进效率，在采用液动锤冲击回转钻进时，可以选用在底唇部镶辅助球形硬质合金球齿可以选用在底唇部镶辅助球形硬质合金球齿PDC钻钻头（图头（图34），提高钻头的抗冲击能力，提高钻头的），提高钻头的抗冲击能力，提高钻头的使用寿命。使用寿命。图图33 复合片取心钻头复合片取心钻头 图图34 抗冲击抗冲击PDC取心钻头取心钻头 （5）从取心质量和取心率的角度考虑，在硬岩中取心）从取心质量和取心率的角度考虑，在硬岩中取心钻进时，金刚石表镶钻头和热稳定性金刚石聚晶体钻头钻进时，金刚石表镶钻头和热稳定性金刚石聚晶体钻头（TSP）比较理想，复合片钻头居中，牙轮钻头次之。）比较理想，复合片钻头居中，牙轮钻头次之。镶齿牙轮钻头虽然可以钻进较硬的、具有较强研磨性的镶齿牙轮钻头虽然可以钻进较硬的、具有较强研磨性的岩层，钻进效率比较高，但是相同直径的钻头，牙轮钻岩层，钻进效率比较高，但是相同直径的钻头，牙轮钻头钻进所获取的岩心直径最小；或者取得同样直径的岩头钻进所获取的岩心直径最小；或者取得同样直径的岩心，牙轮钻头比其他类型钻头的规格大，相应的钻孔直心，牙轮钻头比其他类型钻头的规格大，相应的钻孔直径也大，这无论从施工速度，还是从技术经济指标，都径也大，这无论从施工速度，还是从技术经济指标，都是最不合算的。是最不合算的。因此，在沉积岩为主的地层中钻进，从钻进效率、取因此，在沉积岩为主的地层中钻进，从钻进效率、取心质量和岩心采取率的分析、比较，选择复合片钻头为主心质量和岩心采取率的分析、比较，选择复合片钻头为主钻用钻头。在遇到中硬硬、研磨性较高的岩层时，可以钻用钻头。在遇到中硬硬、研磨性较高的岩层时，可以采用热稳定性金刚石聚晶体钻头（采用热稳定性金刚石聚晶体钻头（TSP）。而如果对岩心）。而如果对岩心直径和质量没有严格要求时，在中硬硬岩层中可以采用直径和质量没有严格要求时，在中硬硬岩层中可以采用镶齿牙轮取心钻头钻进。镶齿牙轮取心钻头钻进。（6）地层的岩性与软硬不同，对钻头的要求和破岩）地层的岩性与软硬不同，对钻头的要求和破岩机理也不相同。镶齿牙轮钻头钻进硬岩时，钻头结构机理也不相同。镶齿牙轮钻头钻进硬岩时，钻头结构中的移轴、超顶、复锥三种结构值应相应减少，牙齿中的移轴、超顶、复锥三种结构值应相应减少，牙齿也要减短、加密，牙齿的硬度与耐磨性要提高。例如也要减短、加密，牙齿的硬度与耐磨性要提高。例如江汉钻头厂生产的江汉钻头厂生产的HAT系列系列（如（如HAT517）、）、HJT系列（如系列（如HJT537）、）、GAT系列（系列（GAT617）镶齿）镶齿牙轮钻头，等。牙轮钻头，等。为了保证岩心采取质量与采取率，可以采用如图为了保证岩心采取质量与采取率，可以采用如图35所示的钻头结构，在镶齿牙轮取心钻头的中心镶嵌所示的钻头结构，在镶齿牙轮取心钻头的中心镶嵌超前钻头（即切削鞋）。切削鞋是一种薄壁钻头，可超前钻头（即切削鞋）。切削鞋是一种薄壁钻头，可以是硬质合金钻头，可以是金刚石钻头，也可以是金以是硬质合金钻头，可以是金刚石钻头，也可以是金刚石聚晶体钻头，依岩性不同选择。这种带切削鞋结刚石聚晶体钻头，依岩性不同选择。这种带切削鞋结构的牙轮取心钻头可以有效地保护岩心；不足之处就构的牙轮取心钻头可以有效地保护岩心；不足之处就是相同直径的钻头，所取岩心直径小是相同直径的钻头，所取岩心直径小12级。级。图图35 四牙轮取心钻四牙轮取心钻 五、钻进工艺参数五、钻进工艺参数 钻进过程中各参数的优选的前提是必须对影响钻进钻进过程中各参数的优选的前提是必须对影响钻进效率的主要因素以及钻进过程中的基本规律分析清楚，效率的主要因素以及钻进过程中的基本规律分析清楚，并建立相应的数学模型。并建立相应的数学模型。钻压、钻头转速的选择取决于所钻地层的岩性，钻钻压、钻头转速的选择取决于所钻地层的岩性，钻头自身的力学机械特性和破碎岩石的特性，还有下部钻头自身的力学机械特性和破碎岩石的特性，还有下部钻具的组合。具的组合。在在PDC与与TSP钻头适应的岩层中钻进时，在一定的钻头适应的岩层中钻进时，在一定的范围内，随着钻压与转速的增加，钻进时效都随之提高；范围内，随着钻压与转速的增加，钻进时效都随之提高；但是，由于地层硬度不同，机械钻速所增加的幅度不相但是，由于地层硬度不同，机械钻速所增加的幅度不相同。同。在软地层钻井中，钻头主要通过剪切破碎岩石，增加在软地层钻井中，钻头主要通过剪切破碎岩石，增加转速可明显提高机械钻速；而钻压对钻速的影响则不十分转速可明显提高机械钻速；而钻压对钻速的影响则不十分显著，而且钻压过大可能会导致钻头泥包，使机械钻速骤显著，而且钻压过大可能会导致钻头泥包，使机械钻速骤减，因此，最佳钻压值应在较低的压力范围。减，因此，最佳钻压值应在较低的压力范围。在中等硬度地层，钻头以剪切、预破碎、凿击、犁削在中等硬度地层，钻头以剪切、预破碎、凿击、犁削等综合方式破碎岩石，因而钻压对钻速的影响增大，而钻等综合方式破碎岩石，因而钻压对钻速的影响增大，而钻头转速的增加对机械钻速的增加的影响已不太明显。中等头转速的增加对机械钻速的增加的影响已不太明显。中等硬度地层的硬度与研磨性比软地层高，钻头的切削齿磨损硬度地层的硬度与研磨性比软地层高，钻头的切削齿磨损加快，使用寿命降低。因此，在保持最佳机械钻速的同时，加快，使用寿命降低。因此，在保持最佳机械钻速的同时，应将转速控制在较低的范围，同时采用中等钻压、中等钻应将转速控制在较低的范围，同时采用中等钻压、中等钻速，以获得最佳的使用效果。当钻头的切削结构出现磨损速，以获得最佳的使用效果。当钻头的切削结构出现磨损的时候，可适当提高钻压，以获得较高的机械钻速的时候，可适当提高钻压，以获得较高的机械钻速。在硬的、高研磨性地层，钻压对机械钻速的在硬的、高研磨性地层，钻压对机械钻速的影响较为显著。较高的转速会使钻头产生大量的影响较为显著。较高的转速会使钻头产生大量的摩擦热而导致切削齿严重磨损。为了使钻头具有摩擦热而导致切削齿严重磨损。为了使钻头具有较长的使用寿命，并保持一定的机械钻速，应采较长的使用寿命，并保持一定的机械钻速，应采用中到高钻压，以及低到中等转速钻井。用中到高钻压，以及低到中等转速钻井。结 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