毕业设计（论文）-PDC钻头破岩原理及钻井参数选择探讨.doc

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1、摘 要 本文针对PDC钻头关键设计参数研究相对滞后、缺少一定的规律性、设计者 常常根据经验或类比于其它钻头设计的现状，通过室内实验和数值模拟相结合的 方法研冠了部剖面形状、后倾角度、切削齿尺寸、布齿密度、内锥角度、内外锥 高度及冠顶位置等关键设计参数对PDC钻头的影响规律。研究结果表明：在破 岩效率上，切削齿尺寸与地层硬度成反比。即在值小于3.48的地层中，直径为 d k 19.05mm的切削齿宜获得较高的机械钻速；值在4.65.78的地层中，直径为 d k 16.10mm的切削齿宜获得较高的机械钻速；在值小于3.48的地层中采用 d k 1015后倾角，值在=3485.78的地层中采用152

2、0后倾角可明 d k d k 显提高钻进速度；布齿密度与钻速成反比；在值小于348的地层中采用 d k “直线-圆弧-直线”型剖面易获得较高的机械钻，值在3.484.6的地层中采 d k 用“直线-圆弧-圆弧”型剖面易获得较高的机械钻速；深内设计可提高钻头稳 定性和切削齿寿命；内锥角在90-160范围变化时，随角度的增大，在钻压作 用下，钻头冠部受力趋向均匀，扭矩对钻头内锥受力影响变化不明显；高外锥 设计可有效提高钻速；外锥角在2545变化时，随角度的增大，外锥受力逐 渐增大，钻压和扭矩对外锥影响明显；冠顶半径与钻头半径之比设计为0.64时， 钻头冠部应力集中现象明显降低。本文的研究成果对PD

3、C钻头个性化设计有一定 指导意义。 关键词：PDC钻头；设计参数；破岩效率；钻头保径 Abstract In view of the research of PDC key parameter relative lag，little certain regularity and the designs often depending on experience or analogy to others，the author has studied a series of key parameters that impact on PDC drill bit through the labora

4、tory experiment and the numerical simulation，such as the shape of crown,degree of back rake angle，the cogging size，the tooth density,the degree of inner cone，the height of inner/outer cone and the position of crownThe results of study show that：(1)The cogging size is in inverse proportion to formati

5、on hardness on broken rock efficiencyWhen the is less than 348，and the diameter of cogging isl d k 9.05mm，It should obtain higher drilling rateAlso the drilling rate will be higher when is 3.485.78，and the diameter is 16.10mm(2)The drilling rote can d k increase if the back rake angle is between 10a

6、nd 15when is less than 3.48，Also it d k will be higher when the back rake angle is 15and 20and is 3.485.78(3)The d k cogging density is in inverse proportion to the drilling speed(4)Higher drilling speed can be got through the“straight linearc-straight line”section when is less than d k 3.5And it al

7、so can be got through“straight line-arc-arcsection when is between d k 3.484.6(5)The design of deep inner cone can improve bit stability and cogging lifeWhen the degree of inner cone changes in 90160，the force of crown tends to evenly under the function of drill pressure with the degree of inner con

8、e increasing，also the torque is not obvious to the force of the crown (6)The design of high outer gone may enhance drill rate effectivelyThe stress of outer cone increases gradually with the angle longer and longer,simultaneity the bit pressure and the torque are obvious to the outer cone when the o

9、uter cone changes from 25to 45 (7)When the ratio of crown radius and bit radius is 0.64，the centralized phenomenon of stress of crown is obviously reducedThe research results have certain directive significance to individualized design of PDC bit Key words：PDC bit；Design parameter；Rock breaking effi

10、ciency；Drill gage 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) I 目 录 第第 1 1 章章 前言前言 .1 1.1 研究的目的及意义1 1.2 国内外研究现状及存在的主要问题2 1.3 论文主要研究内容4 第第 2 2 章章 实验钻头设计实验钻头设计 .5 2.1 冠部剖面形状设计5 2.2 切削齿尺寸设计.10 2.3 切削齿工作角度选择.10 2.4 布齿密度设计.11 2.5 切削齿布齿方式设计.13 第第 3 3 章章 室内钻进实验结果分析室内钻进实验结果分析 16 3.1 切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律.16 3.2 布齿密度对钻头破岩效率的影晌规律.19 3

11、.3 冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律.21 第第 4 4 章章 钻头保径技术研究钻头保径技术研究 23 4.1 钻头保径技术的研究概况 .23 4.2 保径器的分类.27 结结 论论 .34 参考文献参考文献 35 致致 谢谢 .36 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 1 第 1 章 前言 1.1 研究的目的及意义 钻头做为钻进过程中主要的岩石破碎工具，其质量的优劣、与岩性和其它钻 井工艺条件是否适应，将直接影响钻井速度、钻井质量和钻井成本。目前钻井中 使用的钻头有牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三大类。PDC 钻头是金刚石 材料钻头一类，由于其能在低钻压下获得较高的钻速和进

12、尺，已受到广泛重视。 多年来的钻井实践表明，钻头设计直接影响钻头的性能。在性质相近的地层 中使用不同结构的钻头时，使用效果有着很大的差别；相同设计的钻头钻进不同 性质的地层时也有着截然不同的表现。因此，根据所钻地层性质设计高性能的 PDC 钻头，对 PDC 钻头实行适应地层特点的个性化设计成为国内外业内人士极为 关注并为之努力的研究课题。 纵观 PDC 钻头设计的发展历程，可以将其划分为模仿设计(1970s)、经验设 计(1980s)和半经验设计(1990s)-个阶段。在模仿设计阶段，PDC 钻头设计完全 套用金刚石钻头的设计概念，钻头冠部形状、布齿结构都与天然金刚石钻头基本 相同，只是简单地

13、用 PDC 复合片替代了天然金刚石作为切削刃。设计出来的钻头 的现场试验效果很差，突出表现为钻速低，钻头泥包严重及切削齿脱落和折断等。 在经验设计阶段，PDC 钻头设计主要是根据实验室和现场试验的经验对钻头结构 进行设计和改进。主要做法是：凭经验完成初步设计，进行实验室或现场试验， 分析钻头设计存在的问题，对原设计进行改进。钻头设计上的改进，使钻头性能 有了明显的提高，对 PDC 钻头的发展起到了很大的促进作用。但由于缺乏系统的 理论和科学的设计方法，钻头设计具有一定的盲目性和局限性，且新产品开发周 期较长，钻头性能不稳定。九十年代以来，随着对 PDC 钻头的破岩机理及磨损规 律的认识和设计理

14、论及设计方法研究的深入，钻头设计进入了半经验、半科学化 设计阶段。国外钻头厂家和公司都相继开发出自己的 PDC 钻头设计软件，大大提 高了 PDC 钻头的设计水平和性能，缩短了新产品开发的周期。 针对特定地层的PDC个性化设计可以解决在常规PDC钻头的设计中的不足。本 课题即是以此为立足点，选择PDC钻头冠部剖面形状、切削齿尺寸大小、布齿密 度、后倾角角度、内外锥高度、内锥角度及冠顶位置等钻头关键设计参数作为研 究对象，利用实验研究与数值模拟分析相结合的方法，研究其在特定地层中对钻 头破岩效率的影响规律，并对其进行优化，建立优化设计模型，使之为PDC钻头 设计提供一定的参考。 大庆石油学院华瑞

15、学院本科生毕业设计(论文) 2 1.2 国内外研究现状及存在的主要问题 PDC钻头设计伴随着PDC钻头大面积推广而不断的发展。通常的做法是由研究 人员提供设计思路，合作制造单位根据思路设计钻头的原理图，然后根据原理图 制作实物模型进行实验。这个过程的存在的缺点有3点：设计周期长；修改非常 困难；设计成本高。 针对PDC钻头传统设计方法存在的不足，国内外许多学者提出了自己的设计方 法，并取得了一定成绩。 李树盛、侯季康1、林玉龙、王福修、彭烨2针对传统设计周期长的缺点， 在PDC钻头几何学、运动学、切削力学和岩石破碎学的基础上，运用CAD、优化设 计和计算机仿真等现代设计方法，提出了PDC钻头优

16、化设计思想。由此开发出一 套专用设计软件，实现PDC钻头设计全过程的自动化。 杨丽、陈康民3通过实践，探索了一条数字化设计PDC钻头的方法(三维设计 方法)，不仅可以直接从原理生成三维钻头模型，而且可以根据设计平面图直接 生成三维钻头模型，由三维钻头模型直接转换到NUMECA这样的大型分析软件进行 网格生成并进行分析计算，经过后处理分析发现问题，及时修改钻头的设计参数， 然后再进行设计分析直至得到满意的设计结果。这样就省略了80的中间过程， 大大地提高了设计的效率。 PDC 钻头在设计手段和方法上的发展大大提高了设计效率，缩短了设计周期， 节约了设计成本。但是对钻头设计上的本质问题没有得到解决

17、。即对 PDC 钻头关 键设计参数在特定地层中对钻头的破岩规律研究没有到位。 (1)冠部设计参数 钻头冠部形状设计参数，历来都是靠经验和类比同型钻头来确定。经过多年 来的反复实验与改进，形成了多种剖面形状设计。 李树盛、蔡镜仑、马德坤【4】根据 PDC 钻头冠部设计的基本要求，推导出了 按等切削、等磨损和等功率原则设计的理论冠部曲线方程式，解决了 PDC 钻头设 计中长期存在的理论问题，并建立了计算机辅助冠部设计的方法和相应的计算机 程序。 1992 年，国际钻井承包商协会(IADC)将 PDC 钻头冠部剖面形状归纳为四种基 类型【5】，即平底型、浅锥型、中锥型和长锥型。 综合考虑冠部剖面形状

18、对破岩效率、钻头磨损和钻头稳定性的影响，石油界 通常选择双锥型冠部剖面作为 PDC 钻头的基本剖面形状。目前成功地应用于石油 钻井的此类剖面可归纳为四种形状，即“直线-圆弧-直线“型、 “直线-圆弧”型、 “直线-双圆弧“型和“直线-圆弧-抛物线弦“型。 (2)布齿密度 钻头的布齿密度是根据所钻地层的硬度、研磨性及钻井条件而决定。布齿数 量越多，各个齿承担的切削载荷越低，钻头寿命越长，但对于机械钻速也相应降 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 3 低。对于深井、海洋钻井、研磨性较强的地层用的 PDC 钻头，布齿密度应高一些。 对软地层、中深井等，布齿密度应低一些。 在布齿密度影响切削齿

19、承担载荷方面，罗超、王镇泉、蔡镜仑6等人的研究 表明切削齿的轴向力、切向力均随布齿密度的增大而增大，呈不同程度的幂函数 关系；轴向力大于切向力，且轴向力随布齿密度的增大幅度较切向力大，侧向力 随布齿密度的增大略有下降。 (3)切削齿尺寸 国内外生产厂家提供了很多尺寸的 PDC 切削齿供钻头设计者选用。目前应用 比较多的切削齿主要有19、16、3 和8 四种规格。多年来的实践经验表明， 19 切削齿适合于软到中软的地层，16 适合于中软到中的地层，13 切削齿适合 于中到中硬地层。8 切削齿设计用于较硬地层。 (4)水力参数 在机泵条件一定的情况下，水力参数设计的主要任务是确定钻头的喷嘴直径 和

20、钻井泵的压力和排量。水力结构设计一直是 PDC 钻头设计中的一大难题，原因 是流体在 PDC 钻头的形状复杂的几何表面上的流动是一个非常复杂的问题，很难 找到一种能够描述任意几何形状钻头的水力问题的通解。 Glowka7(1981)在美国 Sandia 国家实验室采用染色液和示踪颗粒高速摄影 的方法，对三种不同水力结构的 PDC 钻头流场进行了实验研究，分析了喷嘴组合 及布置对 PDC 钻头切削齿的清洗和冷却效果的影响。他的研究表明，在所研究的 三种水力结构钻头中，采用 1 个中心喷嘴和三个集中在钻头中心附近的喷嘴，构 成由钻头中心向外围冲刷的水力结构，具有较好清洗、冷却效果。 DGarcia

21、Gavito8(1990)等对不同结构的 PDC 钻头的井底压力场进行了 实验研究，并指出：减小喷嘴总面积比增大排量更有利于提高水力作用和井底清 岩效果；喷嘴位置对井底清岩和提高钻速有重要的影响；锥型钻头有利于井底岩 屑清除和提高钻速。 国内的管志川、高振果、刘刚9-11等也对 PDC 钻头的井底流场和水力结构优 化设计进行了实验和模拟研究，对喷嘴位置、倾角、方位、出口速度等对清洗和 冷却能力的影响规律进行了分析和探讨。 由于井底流场实验研究的复杂性和高难度，迄今为止尚未形成有效实用的 PDC 钻头水力结构优化设计方法。目前，PDC 钻头水力结构仍处于经验设计阶段， 即根据已经取得的实验室结果

22、和实践经验进行设计。 综上所述，在 PDC 钻头结构设计方面，做的只是定性的研究，缺乏理论依据， 随意性较大，多凭经验设计。即对结构设计中几个关键参数，在设计中存在不确 定性，并且对剖面形状影响钻头破岩效率和钻头磨损的规律尚未有具体研究。正 是由于在 PDC 钻头结构设计中缺乏基础研究，无理论支撑，造成不能根据地层特 点进行钻头个性化设计。 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 4 1.3 论文主要研究内容 本课题的研究目标是通过对 PDC 钻头关键设计参数进行分析研究，总结出后 倾角大小、切削齿尺寸大小及布齿密度等对 PDC 钻头破岩效率的影响规律；优化 冠顶位置、内外锥高度和角度，找

23、出能够使 PDC 钻头切削齿受力均匀的钻头冠部 参数变化规律，优化参数组合，使设计的 PDC 钻头既有高破岩效率又能实现等磨 损，具有较长的寿命，为在 PDC 钻头设计时选择参数提供一定理论依据。 本文主要研究内容： PDC钻头关键设计参数优选实验研究 通过室内钻进试验，研究剖面形状、后倾角、切削齿尺寸、布齿密度等对 PDC 钻头破岩效率的影响规律，优选适合不同地层的设计参数。 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 5 第 2 章 实验钻头设计 PDC钻头设计主要为冠部形状设计和布齿结构设计。冠部形状设计和布齿结 设 计的优劣，不仅影响钻头钻进速度的快慢，而且影响钻头使用寿命的长短。 本

24、文使用钻头为 3 刀翼 4 寸钻头，参考并利用 Auto CAD 软件完成钻头设计 工作。设计的钻头体现切削齿尺寸、后倾角角度、布齿密度和剖面形状的要求。 2.1 冠部剖面形状设计 PDC 钻头的钻井实践证明，冠部剖面形状对破岩效率及切削齿磨损有着明显 的影响。因此，冠部剖面形状设计是 PDC 钻头设计的关键技术之一。 2.1.1 冠部剖面组成及作用 PDC 钻头工作面形状一般包括内锥、冠顶、外锥、肩部和保径五个基本要素 组成。 内锥的主要作用是抵抗钻头横向力，防止钻头横移，维持钻头稳定旋转。传 统理论认为在软底层内锥应设计深一些；再硬地层内锥设计应浅一些。 地层的变化，由地层的变化而引起的意

25、外受损的可能性也最大。传统理论认 为，在软地层，冠顶半径应小一些，以提高钻头吃入地层的能力；而硬地层或软 硬交错地层，冠顶半径应大一些，以使切削齿受力较均匀，避免单齿受力过大而 先期损坏。 外锥对钻头旋转起稳定作用，其长度受布齿密度控制。传统理论认为，在较 硬地层，需要较多切削齿，外锥应长一些；在较软地层，外锥可短一些。 肩部是从侧翼向保径过渡的部位。它是钻头冠部旋转半径最大的部位，在同 一旋转速度下，经历的路程最长，磨损也就最严重。另外由于钻头的振动(横振、 涡动、扭转振动)，该部位切削齿往往承受较大的冲击载荷，容易碎裂。 保径部位主要起保证钻头直径的作用。另外，保径还对钻头稳定性起很大的

26、作用。传统理论认为，增长保径长度可提高钻头的井斜控制能力；反之，对造斜 用钻头应缩短保径的长度。 2.1.2 常用剖面形状类型及特点 在 1992 年，国际钻井承包商协会(IADC)根据钻头的剖面组成，将 PDC 钻头 冠部剖面形状归纳为四种基本类型，即平底型、浅锥形、中锥型和长锥型，如图 (2-1)所示。 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 6 四种冠部剖面类型各有特点，对钻头性能影响角度均不相同。 图2-1 PDC钻头冠部剖面形状IADC分类 (1)稳定性 平底型、浅锥型和长锥型剖面形状内锥较浅，起不到稳定钻头的作用，钻头 工作时很容易产生横向振动。中锥型冠部剖面形状具有一定深度的

27、内锥，提高了 钻头的稳定性。 (2)钻头寿命 平底型和浅锥型剖面形状钻头冠部比较平缓，内锥较浅，产生横向振动易造 成切削齿的冲击损坏。并且切削齿磨损也不均匀，从钻头中心到外径，切削齿的 磨损由轻变重。尤其钻遇硬夹层时，不均匀磨损现象更为严重，常常因冠项齿和 外锥齿的先期磨损而导致钻头失效，钻头中心附近的切削齿得不到最有效的利用。 中锥型冠部剖面形状外部区域可布置较多的切削齿，钻头磨损更加均匀，钻头中 心附近的切削齿得到了比较有效的利用，使用寿命较长。 长锥型钻头冠部具有较长的外锥，剖面形状通常为近抛物线形(类似抛物线， 非真正的抛物线)。长外锥体提供了较大的布齿面积，可以布置比较多的切削齿，

28、提高钻头外部区域的耐磨性。光滑的近抛物线外形消除了尖锐的棱角，使载荷分 布比较平缓，可避免因应力集中而引起切削齿的先期损坏。钻头使用寿命较长。 (3)钻速 平底型和浅锥型剖面形状的布齿面积较小，切削齿用量少且平缓冠部使钻压 在各切削齿上的分配比较均匀，各切削齿的切削深度近似相等。因此，此类冠部 形状的钻头，破岩效率高，钻进速度快。中锥型和长锥型钻头冠部对钻头钻速影 响不大。 (4)水力效果 在四种冠部外形中浅锥形钻头的冠部面积最小，也较平坦，水力能量集中， 清洗效果较好，有利于消除泥包。长锥型钻头有着巨大冠部表面，要求较高的流 量和水力能量来实现清洗和冷却。 (5)适应地层 在四种冠部外形中，

29、中锥型冠部剖面形状具有一定深度的内锥和较大的布齿 面积。具有较强钻进硬夹层的能力。钻遇硬夹层时，钻压的分配更集中于钻头冠 顶部位，使冠项切削齿更容易吃入较硬的地层地层，产生有效的剪切作用。 从以上五个角度可以看出： 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 7 冠部剖面长度影响钻头的钻进速度。冠部剖面短，布齿数量少，单齿受力 大，钻进效率高；反之，钻进效率低； 内锥设计有利于提高钻头的稳定性； 加长外锥面，可在钻头外部区域布置更多的切削齿，使钻头磨损更加均匀； 光滑的剖面曲线可实现从冠顶到保径的圆滑过渡，避免因应力集中而引局 部切削齿的先期损坏； 平坦冠部有利于提高井底清洗效果，减少泥包的产

30、生几率； 剖面设计越接近短抛物线形，越利于钻进硬夹层的地层； 较小半径的顶部结构利于提高钻头吃入地层能力。 2.1.3 冠部剖面形状设计模式 综合考虑冠部剖面形状对破岩效率、钻头寿命和稳定性的影响，选择双锥型 冠部剖面作为 PDC 钻头的基本剖面形状。其冠部形状一般包括内锥、冠顶和外锥 三部分组成。传统设计理论认为，内锥部位剖面线一般采用直线形状，冠顶剖面 线一般采用圆弧形状，外锥部分剖面线有直线和圆弧两种。本文选择“直线-圆 弧-直线”和“直线-圆弧-圆弧”型作为基本冠部轮廓曲线设计模式。 (1)“直线-圆弧-直线”型设计模式 “直线-圆弧-直线”型剖面由直线段、圆弧段和直线段组成，剖面部分

31、两直 线段与圆弧两端相切。如图(2-2)所示： 图2-2 “直线-圆弧-直线”型剖面设计图 图2-3 “直线-圆弧-圆弧”型设计图 在图(2-2)所示坐标系中，“直线-圆弧-直线”型剖面可表示为： (2-1) bkh RRhRr Hrk 2 222 0 11 )()( h 剖面参数按下式计算： 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 8 (2-2) 2/ )(/)(/ )cos()sin(1 2 4 )( 22 01 2 120 2 1 2 1 p DkHb tgRtgRH c cccc k ctgk 式中： c0=H -2RH2 ; 2 2 cl=2(RH2)(Dp/2-Ro); c2=

32、(DP/2-Ro)2-R2 式(2-1)和式(2-2)中各参数的意义如下： DP冠部外径，mm； R0冠顶半径，mm； 内锥半角，度； R 圆弧半径，mm； H 2外锥高度，mm； H1内锥高度，mm。 (2)“直线-圆弧-圆弧”型设计模式 “直线-圆弧-圆弧”型剖面由直线段、圆弧段和圆弧段组成，剖面部分直线 段与内圆弧相切，两圆弧段相切，外圆弧与冠部外径延长线相切，如图(2-3)所示。 在图(2-3)所示坐标系中， “直线-圆弧-圆弧”型剖面可表示为: (2-3) 2 2 2 2 2 02 2 1 22 0 11 )()( )()( h RHhrr RRhRr Hrk 剖面参数按下式计算：

33、(2-4) 202 1212 011 1 2/r )cos(R-(RRH )(/)(/ )cos()sin(1 )( RD tgRtgRH ctgk p 式中： =arctg(t/), 2 1t t=(R)/() 12020 RRr 式(2-3)和式(2-4)中各参数的意义如下： DP冠部外径，mm； R0冠顶半径，mm； 内锥半角，度； R1内圆弧半径，mm； 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 9 R2外圆弧半径,mm； R02外圆弧圆心径向坐标，mm; H2外锥高度，mm； H1内锥高度，mm。 利用式(2-3)和(2-4)，给定钻头冠部外径DP,冠项半径R0、内锥半角，内圆 弧

34、半径R1，外圆弧半径R2;就可以确定出具体的冠部剖面形状。称DP、R0、 ,R1、R2为“直线-圆弧-圆弧”型剖面的设计参数。 2. .1.4 实验钻头冠部形状设计 根据以上理论，本文设计了4寸3刀翼PDC钻头的冠部形状。并从节约成本、 利于加工及方便实验的角度出发，对刀翼部分做了一定的简化： 刀翼与钻头体的连接采用螺纹螺栓连接； 1号刀翼过钻头中心线lmm; 2、3号刀翼采用形同尺寸设计。 (1)“直线-圆弧-直线”型冠部，设计参数表和零件图如下所示： 表 2-1 “直线-圆弧-直线“型冠部参数表 (2)“直线-圆弧-圆弧”型冠部，设计参数表及零件图如下所示： 表 2-2 “直线-圆弧-圆弧

35、”型冠部参数表 高度 75mm 冠顶半径 30mm 厚度 25mm 圆顶半径 13mm 内锥角 130 内锥高度 12.6mm 外锥角 15 外锥高度 22.5mm 1号刀翼宽度 46.8mm 2，3号刀翼宽度 39.8mm 1号刀翼厚度 25mm 2，3号刀翼厚度 25mm 内沉孔数量 3 内沉孔直径 13mm 内沉孔深度 11mm 螺栓孔 M8mm 高度 75mm 冠顶半径 30mm 厚度 25mm 内圆弧半径 12mm 外圆弧圆心径向坐标 15.75mm 内圆弧半径 29mm 内圆弧圆心径向坐标 29.91mm 内锥高度 12.7mm 内锥角 130 外锥高度 24.2mm 1 号刀翼宽

36、度 46.8mm 2，3 号刀翼宽度 39.8mm 1 号刀翼厚度 25mm 2，3 号刀翼厚度 25mm 内沉孔数量 3 内沉孔直径 13mm 内沉孔深度 11mm 螺栓孔 M8 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 10 2.2 切削齿尺寸设计 PDC 钻头能在低钻压下能获得较高钻速的关键在于使用了高性能的 PDC 片 作为切削齿。PDC 全称为聚晶金刚石复合片，是以金刚石粉为原料加入粘结剂在 高温高压下烧结而成。 目前应用比较多的切削齿主要有19、16、13 和8 四种规格。有资料显示， PDC 齿有朝大直径方向发展的趋势，最大的直径可达到 50.8mm，而且金刚石层 也有加厚的趋

37、势。 经验认为，19 切削齿适合于软到中软的地层，16 适合于中软到中的地层， 13 切削齿适合于中到中硬地层，8 切削齿设计用于较硬地层。在本文中，选择 国内常用的三种规格齿，即：13.44、16.10、19.055 三种切削齿，齿厚分别 为 8mm、10mm 和 13mm。 2.3 切削齿工作角度选择 (1)后倾角设计 切削齿的后倾角是 PDC 钻头的一个重要设计参数，后倾角可以减少齿在工作 时的震动，延长使用寿命。 Hibbs 于 1978 年研究提出，PDC 钻头切削齿的合理后倾角为 1020， Hoover以15后倾角为例。 (a) P C325R岩样 (b) P.0525R岩样 (

38、C) G级固井水泥掺砂岩样 由图可以看出在 15后倾角下，EC325R 和 E0525R 两种水泥岩样中，安 装16.10 切削齿的钻头钻速高于安装19.05 和13.44 切削齿的钻头钻速；在 G 级固井水泥掺砂岩样中安装19.05 切削齿的钻头钻速最高，安装16.10 切削齿 的钻头钻速次之；安装13.44 切削齿的钻头钻速最低。 (2)不同后倾角下切削齿尺寸对钻头钻速的影响规律；以6KN为例。 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 17 (a) EC325R岩样 (b) P.052.5R岩样 (c) G级固井水泥掺砂岩样 由图可知，在 6KN 的钻压下，EC32.5R 和 E052

39、.5R 两种水泥岩样中，除 5 后倾角对钻头钻速影响较小外，安装16.10 切削齿的钻头钻速均高于在设计有同 种后倾角角度的19.05 和13.44 切削齿的钻头钻速；在 G 级固井水泥掺砂岩样 中安装19.05 切削齿的钻头钻速高于在设计有同种后倾角角度的16.10 和 13.44 切削齿的钻头钻速。此外，从图中可清晰地看出在三种水泥岩样中，设计 有 15后倾角的三种切削齿钻头钻速最快。 (3)不同岩样下切削齿尺寸对钻头钻速的影响规律 以15后倾角为例，研究切削齿尺寸在三种岩样中对钻头钻速的影响规律。 (a) 6KN钻压下 (b) 8KN钻压下 (c) 10KN钻压下 由图可知，EC32.5

40、R和P.052.5R两种水泥岩样中，安装16.10切削齿的钻头 钻速最高，安装19.05切削齿的钻头钻速次之，安装13.44切削齿的钻头钻速最 低；在G级固井水泥掺砂岩样中安装19.05切削齿的钻头钻速高，安装16.10切 削齿的钻头钻速次之，安装13.44切削齿的钻头钻速最低。 以同样的方法分析 5、10、20、25后倾角时不同岩样下切削齿尺寸 对钻头钻速的影响规律均与 15后倾角时结论相同，在此不作赘述。 综上所述，通过在不同的后倾角、不同钻压和不同岩样下实验结果的分析对 比，可以清楚的看出在EC32.5R和P.052.5R两种水泥岩样中，安装16.10切削齿 的钻头钻速最高；在G级固井水

41、泥掺砂岩样中安装19.05切削齿的钻头钻速最高。 即在软底层中安装较大的切削齿的钻头易获得较高的机械钻速，在中到中硬地层， 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 18 安装16.10切削齿的钻头易获得较高的机械钻速。 研究后倾角角度的变化对钻头破岩效率的影响可通过后倾角优选实验来完成。 实验钻头使用切削齿尺寸优选实验中设计的钻头。 (1)相同切削齿尺寸下后倾角对钻头钻速的影响规律；以安装13.44切削齿 的钻头为例 (a) EC325R岩样 (b) P0525R岩样 (c) G级固井水泥掺砂岩样 由图可以得出，安装13.44切削齿的钻头在EC32.5R和E052.5R两种水泥岩样 中20

42、后倾角时钻速最快，5后倾角时钻速最慢； G级固井水泥掺砂岩样中 15后倾角时钻速最快10后倾角时钻速次之，且与15后倾角时钻速接近5 后倾角时钻速最慢。 (2)不同切削齿尺寸下后倾角对钻头钻速的影响规律 以 8KN 钻压为例，研究不同切削齿尺寸下后倾角对钻头钻速的影响规律。 (a) EC32.5R岩样 (b) E052.5R岩样 (c) G级固井水泥掺砂岩样 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 19 由图可以得出，在 8KN 钻压下，在 EC32.5R 岩样中，安装13.44 切削齿的钻 头后倾角为 20时钻速最快；安装16.10 切削齿的钻头后倾角为 10、15、 20时钻速较快且相

43、差不大；安装19.05 切削齿的钻头后倾角为 15时钻速最 快。 在 8KN 钻压下，在 E052.5R 岩样中，安装13.44 切削齿的钻头后倾角为 20时钻速最快；安装16.10 和19.05 切削齿的钻头后倾角为 15时钻速最快, 在 8KN 钻压下，在 G 级固井水泥掺砂岩样中，安装三种切削齿的钻头均在 15后 倾角下 钻速最快，且与 10后倾角时钻速相差不大。 以同样的方法分析 6KN 和 10KN 钻压时不同后倾角角度对钻头钻速的影响规 律均与 8KN 钻压时结论相同，在此不作赘述。 (3)不同岩样下后倾角角度对钻头钻速的影响规律 以8KN钻压为例，研究不同岩样下后倾角对钻头钻速的

44、影响规律。 (a) 13.44 切削齿的钻头 (b) 16.10 切削齿的钻头 (c) 19.05 切削齿的钻头 由图a可知，在8KN钻压下，在EC325R和E0525R岩样中，安装1344切 削齿的钻头后倾角为20时钻速最快； 在G级固井水泥掺砂岩样中，安装13.44 切削齿的钻头在10和15后倾角下钻速较快。 由(b)可知，在8KN钻压下，安装16.10切削齿钻头在三种岩样中，均为15 后倾角时钻速最快；在EC32.5R岩样中，10、15、20后倾角时钻速相差不 大。 由图(c)可知，在8KN钻压下，安装19.05切削齿的钻头在三种岩样中，均为 15后倾角时钻速最快。 以同样的方法分析6K

45、N和10KN时不同岩样下后倾角对钻头钻速的影响规律与 8KN时结论相同，在此不作赘述。 综上所述，通过不同切削齿尺寸、不同钻压和不同岩样下实验结果分析对比 可以清楚的看出在安装13.44 切削齿的钻头在 G 级固井水泥掺砂岩样中采用 15后倾角易获得较高机械钻速，在 EC32.5R 和 P.052.5R 两种水泥岩样中采用 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 20 20后倾角时易获得较高机械钻速；安装16.10 切削齿的钻头在三种岩样中采用 15后倾角时易获得较高机械钻速，且钻速与 20后倾角时相差不大；安装 19.05 切削齿的钻头在三种岩样中采用 15后倾角时易获得较高机械钻速。即

46、 从提高机械钻速角度出发对于软地层采用 1015后倾角为宜，中到中硬地层 用 1520后倾角为宜。 3.2 布齿密度对钻头破岩效率的影晌规律 研究布齿密度对钻头破岩效率的影响规律可通过布齿密度优选实验完成。其 钻头设计参数由切削齿优选实验和后倾角优选实验所得结果优化而来。 根据切削齿优选实验和后倾角优选实验所的结论：在软地层采用15后倾 角，切削齿尺寸为19.05的钻头钻速较快：在中和中硬地层采用15、20后倾 角，切削齿尺寸为16.10的钻头钻速较快。由此指导布齿密度优选实验中钻头设 计。 布齿密度优选实验中钻头改动主要在刀翼上，其设计思想为采用与切削齿优 选实验中相同的“直线-圆弧-直线”

47、式冠部形状，及钻特定地层最优的后倾角与 切削齿尺寸，测试不同布齿密度对钻速的影响。 根据实验数据及现场情况，对于软地层我们选择切削齿尺寸为19.05，后倾 角为15的钻头；对于硬度为中的地层我们选取EC32.5R水泥岩样代替(代表中硬 地层的P.052.5R水泥岩样脆性较大，易碎，故不选取)，钻头切削齿尺寸为 16.05，考虑到地层特性，根据传统理论，选取15后倾角设计。 布齿密度优选实验目的在于以相同的冠部形状和后倾前提条件，采用3种不 同的钻压(6KN、8 KN、10 KN)，钻进2种地层，考察不同布齿密度对钻速的影响 规律。 表3-1 布齿密度优选实验钻头参数表 冠部形状切削齿尺寸 （m

48、m） 后倾角角度钻进岩样布齿齿数 （布齿密度） 侧转角角度 16.0515P.C32.5R 6-低密度 8-中密度 9-高密度 0 直线-圆弧-直 线 19.0515 G级固井水泥掺砂岩 样 5-低密度 7-中密度 8-高密度 0 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文) 21 (1)16.10切削齿的钻头在EC32.5R水泥岩样中布齿密度对钻速的影响规律 a 布齿密度与平均钻速关系图 b 布齿密度与平均钻速关系图 由图a可知，16.10切削齿的钻头在EC32.5R水泥岩样中，平均钻速随布齿密 度的增高而降低，但是在三种布齿密度下，钻头钻速相差不大，影响不明显。 (2)19.05切削齿钻头在G级固井水泥掺砂岩样中布齿密度对钻速的影响规律 由图b可知，19.05切削齿的钻头在G级固井水泥掺砂岩样中，平均钻速随布 齿密度的增高而降低，而且布齿密度对钻头钻速影响明显。 综上所得，在软地层中，大的切削齿采用低密度布齿有利于获得较高的机械 钻速；在软到中硬地层的硬度为中的地层中，16.10切削齿钻速受布齿密度影响