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PDC钻头工作原理及相关特点

作者: 来源: 日期:2019/5/8 10:59:23  【打印此页】

  PDC钻头是依靠安装在钻头体上的切削齿切削地层的,这些切削齿有复合片切削齿和齿柱式两种结构。复合片式切削齿是将复合片直接焊接在钻头体上预留的凹槽内而形成的。
  它一般用于胎体钻头;齿柱式切削齿是将复合片焊接在碳化钨齿柱上而形成的,安装时将其齿柱镶嵌或焊接在钻头体上的齿空内,它一般用于钢体钻头,也有用于胎体钻头的。  
  复合片(即聚晶金刚石复合片)是切削齿的核心。复合片一般为圆片状,它是由人造聚晶金刚石薄层及碳化钨底层组成,具有高强度、高 硬度及高耐磨性,可耐温度750℃。    
  人们早就从实验中发现,岩石的诸力学强度中,抗拉强度   低,剪切强度次之,而抗压强度   高,抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。PDC钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性,采用   的剪切方式来破碎岩石,从而达到了快速钻井的复合片式切削齿。
  钻头及钻进主要影响因素
  1. 切削齿的布置:
  切削齿的布置与所钻地层及钻头类型有关,它将影响到钻头的机械钻速、总进尺和磨损。切削齿布置越多,磨损越慢,钻头寿命越长,但机械钻进速度越低。切削齿的布置应使每个切削齿的切削力、所切削的岩石量、载荷、扭矩、磨损以及水力清洗等都相同,所以有等切削、等功率、等磨损设计要求。
  2. 切削齿出刃与胎体:
  是指切削刃与钻头体之间的距离。切削齿可以是全出刃,也可以是部分出刃:全出刃一般用于钻软地层,全出刃切削齿对钻头清洗有利,且钻速较高;部分出刃用于较硬地层,它的切削齿强度较高,但钻头清洗相对较困难,适用于油基钻井液中钻进;硬质合金胎体钻头由于是铸造形成,不受加工限制。
  3. 切削齿的排列方向:
  有关PDC钻头的切削齿的排列方式的研究目前较多。为了便于   以利于钻进,切削齿在钻头体上排列还应注意侧倾角和后倾角。侧倾角在钻进时产生外推力,在钻井液的清洗作用下侧倾角能协助将岩屑排出钻头中心,有效清洗钻头。后倾角除有利于钻头切削齿的清洗外,在硬岩层切削力增大时可以减少切削齿的颤动,有利于保护切削刃,延长其寿命。后倾角一般为25~0。后倾角愈大, 机械钻速愈低,但在硬地层中后倾角可减少切削刃的损坏。
  PDC钻头损坏的常见原因:
  1、地层中存在砾石;
  2、地层硬夹层较多;
  PDC钻头在钻进过程中,从软地层钻至硬夹层,钻头冠部轮廊结构形状造成钻头相同部位的切削齿接触,地层的硬度不一样,使得钻头不同部位的切削割齿切削地层时受力不均,造成蹩钻、跳钻。
  作用在钻头上的载荷大部分集中在切削硬夹层的切削齿上,而蹩钻、跳钻产生的瞬时截荷导致这部分切削齿因受力较大而碎裂,特别在切削硬地层中的硬质点时,瞬时载荷足以造成切削齿的碎裂。
  PDC钻头水力参数不适合:使用PDC钻头时,若比水功率选择过大,钻头体就受到严重冲蚀,若喷嘴布置位置不合适,喷射的流体冲击井底后会反射直接冲蚀切削齿。
  若比水功率选择过小,对复合片清洗冷却都不利,特别是在软地层中易造成钻头泥包。在硬地层中易造成复合片的热加速磨损。
  PDC钻头的主要特点:
  PDC全称为Polycrystalline Diamond Compact(聚晶金刚合金片),这类钻头是油气钻井中针对中软地层而开发的新型钻头。近几年, PDC钻头被越来越广泛地应用,PDC钻头的优越性显而易见,与传统的牙轮钻头相比,PDC钻头有着明显的优势:
  钻井速度快,可以提高机械钻速,降低钻井成本;使用寿命长,减少起下钻次数,降低工人劳动强度,辅助时间少;适应地层广。
  适合川西气田特殊地质特征,低钻压剪切均匀破碎,有利于防斜;   系数大。没有掉牙轮风险,事故发生概率较小。
  不过PDC钻头存在一些缺点:钻头成本高,要求井底干净,禁止井下有金属落物;对井壁进行修复的功能不如牙轮钻头;PDC钻头所钻的岩屑细小,虽便于泥浆携带,保持井底干净,但给岩屑录井工作带来很大困难。