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PDC钻头培训教案主讲：李向亮技术公司第三技术服务部第一部分PDC钻头基本情况PDC钻头的含义PDC钻头的发展PDC钻头的特点PDC钻头在钻井作业中的应用PDC钻头使用背景PDC钻头的工作原理PDC钻头的含义PDC钻头全称:人造聚晶金刚石复合片钻头P:PolycrystallineD:DiamondC:Compact人造聚晶金刚石复合片它由两层组成,一层是聚晶金刚石切削层(一种人造超硬材料);另一层是硬质合金(碳化钨)衬底层。PDC钻头是用聚晶金刚石复合片镶嵌于钻头钢体(或焊于钻头胎体)而制成的一种切削型钻头,它以聚晶金刚石复合片作为切削刃,以负刃前角剪切方式破碎岩石。PDC钻头的发展20世纪的后半个世纪，钻探工业的发展与金刚石钻头的发展密切相关。60年代初，人造金刚石的应用大大推动了金刚石钻探技术的发展，使钻探成本大幅度降低，70年代，PDC钻头的兴起大大提高了钻进效率，并在软-中硬地层中得到广泛应用，随后热稳定PDC钻头的发展，使之硬地层中的应用成为可能，西方国家把PDC钻头的使用与螺杆马达、随钻测量并成为90年代具有远大前景的三大钻探技术。进入21世纪PDC钻头又有了飞跃的发展，目前，世界范围内的石油天然气钻井广泛使用着PDC钻头。而且已经扩大到固体矿床勘探和其他钻探工程上，并取得了较好的应用效果PDC钻头的发展在地层条件相同的情况下，PDC钻头与牙轮钻头相比，机械钻速（ROP）可以提高33%-200%，成本降低30%-50%，单只钻头进尺可以增加3-4倍。有专家对不同岩石进行的硬质合金钻头、PDC钻头和金刚石钻头的机械钻速测试从图中可以看出PDC钻头在4-8.5级地层中比硬质合金钻头和金刚石钻头具有更高的机械钻速。PDC钻头的特点如果从钻头使用寿命、深井起下钻饰件、钻具的磨损等指标进行综合考虑，PDC钻头的应用范围可以扩大到更硬的地层。PDC钻头的特点PDC钻头在钻井作业中的应用PDC钻头常规直井外，特别适于以下几种用途•用于易斜地区的直井：由于PDC钻头在低钻压下能获得高钻速，PDC钻头配合合适的底部钻具在易斜地区低钻压钻进，往往能够取得快速优质的效果。•用于定向钻井和水平钻井。PDC钻头无轴承，能承受高转速，适合与井下动力钻具配合使用。通过对PDC钻头剖面形状和保径长度的合理设计能够成功的用于定向井和水平井的造（降）斜和稳斜钻进，尤其配合导向钻井系统使用比牙轮钻头显示出更大的优越性。PDC钻头在钻井作业中的应用•用于钻进易缩径地层：使用双心或偏心PDC钻头钻出的井眼直径大于钻头通径，从而克服因井眼缩径带来的复杂问题。•用于小井眼钻井：钻小井眼是牙轮钻头的一个弱项，而PDC钻头钻小井眼能获得较高的经济效益，根据统计在小井眼中PDC钻头的寿命和钻速比牙轮钻头高两倍。PDC钻头使用背景PDC钻头在全球已成为钻井工程的通用产品，而牙轮钻头成为特用钻头。美国能源部已将PDC钻头确定为提高机械钻速的主要手段。各油田对PDC钻头的使用都高度重视，深井、超深井PDC钻头作为提高钻井速度的主要途径。在2004年度长庆钻井技术座谈会上，把PDC钻头试验和推广列为天然气井提高钻井速度的突破性技术课题，组织有关技术专家对以往PDC钻头试验进行了认真分析，认为其不能提高速度的主要原因是PDC钻头与所钻地层不相适应，上部延安、延长组砾石地层、地层的软硬交错对其寿命影响很大，造成PDC钻头的早期损坏。PDC钻头使用背景•通过调整思路，改变对地层的认识，从原来的软地层转向硬地层试验，从上部地层转向下部地层试验，即从坁坊组中下部或和尚沟组开始下PDC，这是PDC能够取得成功的前提。•经过不断地摸索、改进，目前已经成功地在天然气井中使用。PDC钻头使用背景PDC钻头的工作原理•硬质合金刮刀钻头以剪切作用为主来破碎岩石，对于较软的塑性岩石钻进效果较好，对于脆性岩石，由于硬质合金的硬度不够和钻压的限制，无法有效地切入岩石。•硬质合金球齿主要依靠压碎作用碎岩，为有效的钻进，必须有较大的钻压（WOB）。•表镶金刚石以犁入方式破碎岩石，对硬脆地层比较适用。•孕镶金刚石钻头依靠研磨作用破碎岩石，要到达有效的碎岩，必须有较高的转速。PDC钻头的碎岩作用有很大的特点，它同时依靠剪切作用和犁入作用破碎岩石，也就是说具有硬质合金刮刀钻头和表镶金刚石钻头两者的破碎方式，对塑性和硬脆地层均有较好的适应能力。PDC钻头的工作原理PDC钻头的碎岩特点，决定了其钻进规程方面的优越性，不需要镶齿钻头那样的钻压（1/3-2/3），也不需要孕镶金刚石钻头那样的极高的转速。PDC钻头的切削齿实质上就是一些小刮刀，以剪切作用为主，犁入作用为辅。由于聚晶金刚石层薄（0.8~3毫米）、极硬，且比碳化钨衬底的耐磨性高100倍以上，因此在切削岩石过程中切削刃口能保持自锐。锐利的刃口切入地层后，沿扭矩作用方向移动，剪切岩石，充分利用了岩石剪切强度低的弱点。PDC钻头的工作原理第二部分PDC钻头结构简介PDC钻头分类PDC钻头的结构PDC钻头的保径结构PDC钻头的冠部剖面形状PDC钻头轮廓结构PDC切削结构PDC复合片磨损机理PDC钻头受力、稳定性分析特殊PDC钻头PDC钻头分类钻头体按材料可分为胎体和钢体两种，钻头相应地分为胎体钻头和钢体钻头。胎体钻头钢体钻头PDC钻头主要由钻头体、切削齿、喷嘴、保径面和接头等组成。PDC钻头的结构PDC钻头的保径结构主动保径(保径齿)被动保径(保径块)PDC钻头冠部剖面的几何形状影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损、钻头各部位载荷分布。钻头冠部剖面形状一般包括内锥、鼻部、侧面、肩部及保径五个基本部位。常见的形状如下图。PDC钻头的冠部剖面形状外锥PDC钻头轮廓结构采用攻击型轮廓，内锥轮廓高度基本等于外锥轮廓高度，该轮廓设计既保证钻头能吃入硬夹层，且钻头钻出硬夹层时钻头齿不损坏，并且延长钻头齿的寿命即钻头寿命。PDC钻头冠部轮廓设计是在单锥、浅锥、双锥三种基本轮廓上进行的。单锥轮廓钻头主要使用于软地层,它常常镶嵌大切削齿,这种轮廓的钻头容易发挥水力作用,在较软地层中能产生高机械钻速。适合于低到中等密度布齿,适用于钻进极软到中软地层。浅锥轮廓钻头加强了切削齿的抗载荷能力而具有较长的寿命,适合于低到高密度布齿,适用于钻进软到中硬地层。PDC钻头轮廓结构双锥轮廓钻头具有尖的鼻部和深的内锥,适合于中到高密度布齿,适用于钻进中到中硬地层。适合钻进多夹层地层的钻头冠部轮廓形状,浅锥、双圆弧冠部轮廓,外锥长度适中。这种双圆弧形轮廓剖面具有的特点：一是使得钻头表面尽可能有效地布置切削齿；二是使钻头从鼻部切削齿到保径切削齿能够圆滑地过渡。PDC钻头轮廓结构钻头切削结构设计包括切削齿的大小尺寸、切削角度、布齿密度,布齿方法等因素。常规PDC钻头损坏的主要特征是:掉片、崩片、剥蚀脱层和过度磨损等。利用复合片作为主切削元件,以人造热稳定聚晶金刚石块作为辅助切削元件,采用一定的布齿方法和密度来实现破碎多夹层地层的目的。PDC切削结构钻头切削结构PDC切削结构采用圆片TSP齿做为辅助切削齿或采用分压平衡垫，辅助切削齿和分压平衡垫的数量、位置、露出高度经过周密分析，可使切削齿均匀吃入地层，增强钻头工作的稳定性，同时在地层变化时限制齿的吃入量，延长齿和钻头的寿命。PDC切削结构依据地层特点和钻头轮廓不同部位的破岩机理对切削齿性能的不同要求，选用相应性能优良的切削齿。PDC切削结构复合片一般为圆片状，由聚晶金刚石层和硬质合金层两层组成。金刚石层厚度在0.8～3mm，具有极好的硬度和耐磨性，是切削岩石的主要工作层；硬质合金基体具有较好的结构强度和抗冲击能力，对聚晶金刚石薄层起支撑作用。两者之间的有机结合，使PDC复合片具有良好的性能。PDC切削结构PDC切削齿的几个特点：●耐磨性好、强度高；●自锐性好；●热稳定性差、抗冲击韧性差。PDC切削齿的尺寸从8mm到50.8mm，根据所钻地层的岩性特点,选择直径为13mm、16mm和19mm三种PDC复合片作为主切削元件,选择适当尺寸的TSP作为辅助切削元件,利用布齿工艺,使得两者形成复合切削结构,以利于钻进。PDC切削结构针对地层特性，合理设计切削齿的后倾角、侧倾角、露齿高等几何结构参数。PDC切削结构根据所钻地层的软硬程度和岩性特点以及PDC复合片的破岩特点,随着地层硬度的由低到高,切削齿的切削角度逐渐由小到大,但一般控制在10°～30°之间。而切削齿的侧转角度则随着钻头切削刀翼的不同而不同。直切削刀翼上切削齿的侧转角一般取5°～15°,而螺旋切削刀翼上切削齿的侧转角则随着螺旋线变化。针对多夹层地层的钻头,由钻头中心向外的切削齿,切削角度逐渐由15°增加到20°,切削齿侧转角则取垂直于螺旋刀翼线法线的角度切削齿的工作角度PDC复合片磨损机理•PDC钻头齿的材料、结构和制造工艺是决定其磨损机理的内在因素,而机械载荷以及摩擦热是决定切削齿磨损方式的外部原因。从理论上讲,可把“磨损”定义为切削齿表面材料的微观和宏观的磨耗和破裂。•聚晶金刚石层磨损方式主要分为:(1)宏观失效:冲击振动与疲劳;(2)微观失效:冲击振动与疲劳、热振动。•碳化钨-钴硬质合金基体的磨损方式可分为:(1)宏观失效:结构过载与疲劳、冲击振动和疲劳、热冲击和疲劳;(2)微观失效:磨蚀磨损、热疲劳。•聚晶金刚石层及碳化钨-钴基体的磨损方式决定了复合片的磨损方式。机理分析和使用结果表明,复合片磨损主要为机械载荷磨损和热磨损。PDC复合片磨损机理•理论分析认为,复合片在一定的条件下,即不发生热磨损及破坏性机械损坏的状况下,保持正常的、缓慢的、逐渐的磨蚀性磨损状态。(1)复合片与井底接触面上的压力均匀地分布在聚晶层和碳化钨基体上,接触面是一平面;(2)复合片的磨损量是微量的;(3)摩擦功与复合片磨损体积成正比;PDC复合片磨损机理在实际工作中,磨损速度通常定义为单位时间内复合片所磨损掉的体积值。根据PDC钻头工作原理,综合PDC钻头运动学、动力学和摩擦学的知识,推导出了PDC钻头复合片磨损速度的理论方程:Vt——PDC钻头复合片体积磨损速度,mm3/s;P——复合片切削正压力,N;N——切削线速度,m/s;L——复合片磨损弦长,mm;Kf——岩性系数,LNPKfVt/**PDC复合片磨损机理1.复合片磨损速度与岩石的岩性关系密切。岩石抗压强度增加,岩石中石英含量及粒度增大,复合片的磨损速度随之增大。2.磨损速度与切削正压力的α次方成正比。随正压力增加,破岩速度增大,同时磨损速度也增大。正压力指数α值为0.93～1.62。3.复合片磨损速度与切削线速度的β次方成正比。切削线速线增加,磨损速度加快。切削线速度指数β值为0.98～1.29。PDC复合片磨损机理4.复合片磨损速度随磨损程度的增加而变慢,因而需要加大正压力才可提高钻速。5.复合片磨损速度模式对PDC钻头的布齿设计和合理使用具有指导作用,还可用于预测钻头使用寿命。PDC复合片磨损机理保证良好的井底覆盖，同时增加了钻头在外排的布齿密度。使钻头每颗切削齿承受的载荷和所做的功合理分布，不会因一颗齿的过载失效而使整个钻头失效，保证整个钻头有良好的性能表现。以下为一钻头切削齿功、力图：功图-50005001000150020000246WR1力图-5000500100015000246CFN受力分析钻头所受的合力要满足力平衡理论。即通过合理的切削齿布置将钻头所受的侧向不平衡力的大小限制在一个很小的范围之内。受力分析水力优化调整喷嘴设计参数，使每刮刀切削齿所切削的岩石体积、排屑槽面积、喷嘴流量三者之间相互匹配，最大化水力效率，更有效的清洗、冷却和排屑。采用弯曲流道配合新型可换式螺纹喷嘴和固定喷嘴技术，中心喷嘴采用大倾角，以增强井底漫流；同时外侧喷嘴倾角较小，可以集中射流能量，充分发挥水力破岩作用。水力优化动态模拟钻头井底流场，使用井底流场最优化，提高排屑速度和防泥包。水力平衡设计。水力优化稳定性设计螺旋保径与普通直保径相比，增加了钻头与井壁的接触面积，因此具有更高的稳定性，保证井身质量。非对称、螺旋刀