毕业设计（论文）PDC钻头破岩原理及钻井参数选择探讨

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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1015后倾角，值在=3485.78的地层中采用1520后倾角可明显提高钻进速度；布齿密度与钻

2、速成反比；在值小于348的地层中采用“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PDC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36A

3、bstractIn 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 laboratory experiment and the numerical simulation，

4、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 formation hardness on broken rock efficiencyWhen the

5、 is less than 348，and the diameter of cogging isl 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 increase if the back rake angle is between 10and 15when is less than 3.48，Also it will be higher wh

6、en the back rake angle is 15and 20and is 3.485.78(3)The 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 3.5And it also can be got through“straight line-arc-arcsection when is betwee

7、n 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 cone increasing，also the torque is not obvious to the force of the crown

8、 (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 outer cone changes from 25to 45 (7)When the ratio of crown radius and

9、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 efficiency；Drill gage 大庆石油学院华瑞学院本科生毕业设计(论文)目 录第1章 前言11.1 研究的目的及意义11.2 国内外

10、研究现状及存在的主要问题21.3 论文主要研究内容4第2章 实验钻头设计52.1 冠部剖面形状设计52.2 切削齿尺寸设计102.3 切削齿工作角度选择102.4 布齿密度设计112.5 切削齿布齿方式设计13第3章 室内钻进实验结果分析163.1 切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律163.2 布齿密度对钻头破岩效率的影晌规律193.3 冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律21第4章 钻头保径技术研究234.1钻头保径技术的研究概况234.2 保径器的分类27结 论34参考文献35致 谢36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

11、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(1980

12、s)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

13、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

14、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。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

15、仿真等现代设计方法，提出了PDC钻头优化设计思想。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

16、质问题没有得到解决。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对破岩效率、钻头磨损和

17、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

18、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f19、f16、f3和f8四种规格。多年来的实践经验表明，f19切削齿适合于软到中软的地层，f16适合于中软到中的地层，f13切削齿适合于中到中硬地层。f8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

19、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。DGarciaGavito8(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

20、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

21、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。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

22、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。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

23、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

24、，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。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

25、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

26、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，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

27、力能量来实现清洗和冷却。(5)适应地层在四种冠部外形中，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：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，减少泥包的产生几率；剖面

28、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，剖面部分两直线段与圆弧两端相切。如图(2-2

29、)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)剖面参数按下式计算： (2-2)式中： c0=H-2RH2 ; cl=2(RH2)(Dp/2-Ro); c2=(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； a 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

30、，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)剖面参数按下式计算： (2-4)式中： q =arctg(t/), t=(R)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； a内锥半角，度； R1内圆弧半径，mm； 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a，内圆弧半径R1，外圆弧半径R2;就可以确定出具体的冠部剖面形状。称DP

31、、R0、a ,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22.5mm1号刀翼宽度46.8mm2，3号刀翼宽度39.8mm1号

32、刀翼厚度25mm2，3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(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”型冠部参数表高度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24.2mm1号刀翼宽度46.8mm2，3号刀翼宽度39.8mm1号刀翼厚度25mm2，3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M82.2 切削齿尺寸设计PDC钻头能在低钻压下能获

33、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f19、f16、f13和f8四种规格。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势。经验认为，f19切削齿适合于软到中软的地层，f16适合于中软到中的地层，f13切削齿适合于中到中硬地层，f8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：f13.44、f16.10、f19.055三种切削齿，齿厚分别为8mm、10mm和13mm。2.3 切削齿工作角度选择(1)

34、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&Middleton在1981年报道了他们的台架实验结果，结论是切削齿后倾角为20的钻头在砂岩中的钻进性能最好，而在硬的花岗岩中，25切削齿的碎裂和磨损程度明显小于20的切削齿。Hough在1986研究得出的结论是，在页岩中，切削齿后倾角为15、20或25的PDC钻头的钻进速度没有明显的差别，优于后倾角为7的钻头。根据这些研究成果，在早期的PDC钻头设计中形成了这样一种共识，即软地层的PDC钻头应采用1020后

35、倾角，而硬地层钻头采用2025后倾角为宜，并以20作为PDC切削齿的标准后倾角。近年来，随着冲击碎裂和热加速磨损理论的发展，人们开始怀疑早期设计经验的合理性。HKarasawa&XLi等用后倾角为10、15、20、25、30和40的切削齿切削花岗岩，发现切削齿的受力随着后倾角的增大而增大，而且切削角较小的切削齿反而不易碎裂。Sinor等用后倾角分别为10、20、30和40的直径216mm的PDC钻头在灰岩和页岩中进行了台架实验，结果表明：在相同的钻压和扭矩下，后倾角越小的钻头，钻进速度越快；在相同的钻速水平(如12mh)，钻压和扭矩随着后倾角的增大而增大。根据以上内容，本课题在钻头设计中选用1

36、5后倾角，钻进三种不同的岩样，测试对于特定地层不同后倾角度对破岩效率的影响。(2)侧转角设计切削齿侧转角12的主要作用是使切削齿在切削地层时对齿前切削产生侧向推力，使岩屑向钻头外缘移动，以利排出岩屑，防止钻头泥包。研究和现场经验表明，随着水力清洗效果的提高，切削齿的侧转角对PDC钻头的性能没有明显的积极作用。因此，在现代PDC钻头设计中，对直线刀翼结构的钻头，其切削齿侧转角一般取零；对螺旋形布齿结构的钻头，切削齿侧转角随切削齿在螺旋线的位置而变化，一般由内向外逐渐增大。本文在钻头设计中采用直线刀翼结构，其切削齿侧转角取0。2.4 布齿密度设计布齿密度的选择影响钻头的寿命和破岩速度。钻头布齿密度

37、应视所钻的地层和钻井条件而定。布齿数量越多，各个齿承担的切削载荷越低，钻头寿命越长，但机械钻速也相应降低。传统理论认为，对于深井、海洋钻井、研磨性较强地层用的PDC钻头，布齿密度应该高一些。对于软地层、中深井等，布齿密度应低一些。2.4.1 布齿密度理论针对PDC钻头布齿密度的研究一直处于定性阶段，难以从定量角度分析的问题，本文引入“井底覆盖系数”和“当量齿数”两个概念，提出从定量的角度衡量PDC钻头布齿密度的标准。(1)“井底覆盖系数”概念井底覆盖系数反映钻头旋转一周切削齿吃入地层的能力。为了更好的保护切削齿，防止齿的损坏，现场中PDC钻头每转吃入深度不能超过齿顶到齿根的距离(齿的半径位置)

38、，由此建立井底覆盖系数公式： (2-5)式中： n切削齿总数，i=l； l切削齿半径中点处对应弦长； L冠部轮廓线长度。(2)“当量齿数”概念2000年，在国家石油和化学工业局提出新的行业标准(SY/T5217-2000)中第一次提到“当量齿数”概念。在SY/T5217-2000标准中，以215.9mm(8.5in)直径的钻头、13.44mm(0.529in)直径的切削齿为基准，给出了一张布齿密度与齿数的关系表。当钻头直径、切削齿直径与该基准相异时应根据“当量齿数”进行折算。具体方法如下： (2-6)式中： Z钻头的当量齿数； D钻头直径； n钻头上切削齿的种类数； Zi、di分别代表第i种齿

39、的数量和直径(不包括规径面上的PDC齿)。另外，当同一只钻头上出现几种直径的切削齿时，钻头PDC齿直径代号的确定应以数量最多的齿(不包括规径面上的PDC齿)为依据。国家标准为PDC钻头布齿密度设计在量上提供了一个很好的依据，但是却存在一定问题。首先，以215.9mm(8.5in)直径的钻头、13.44mm(0.529m)直径的切削齿为基准，制作出的布齿密度与齿数的关系表为根据经验所得，缺乏理论依据；其次，没有考虑刀翼数量对布齿齿数的影响。以本课题设计三刀翼的4英寸直径钻头为例，若选用较大尺寸切削齿，利用式(2-6)换算关系得出齿的数量，在布齿时存在布不开和发生齿干涉问题。由此，笔者认为在定量衡

40、量布齿密度概念时，应将“井底覆盖系数”和“当量齿数”结合起来考虑。即用“井底覆盖系数”值来度量布齿密度，再利用“当量齿数”公式换算出不同布齿密度对应的切削齿数量。2.4.2 实验钻头布齿密度设计根据上文布齿理论，可指导不同冠部形状下布齿。计算步骤为：选取基准齿-*N量冠部轮廓线长度一计算井底覆盖系数一计算基准齿当量齿数一计算其它规格齿个数。以下以“直线-圆弧-直线”型冠部形状为例，阐述高密布齿下计算过程。本次实验以布直径为13.44mm齿为基准，根据布齿不相干涉和完全覆盖井底原则，对4英寸钻头布11个齿为高密度布齿。对“直线-圆弧-直线”型冠部形状，冠部轮廓线长度为两段直线长度与圆弧长度之和，

41、即：L=76.99mm。将三代入式(2-5)，得到高密度布齿情况下井底覆盖系数 e=1.66，在本文将此作为高密度标准。将井底覆盖系数万代入式(2-6)，可得f13.44齿的当量齿数 Z=23.28：根据式(2-6)变式： (2-7)由式(27)得f16.10切削齿齿数Zl=9.18,f19.05切削齿齿数Z2=7.76用同样的方法可计算不同冠部形状下，低、中、高三种布齿密度对应的切削齿数。2.5 切削齿布齿方式设计钻头布齿方式的优劣直接影响到钻头的钻进速度和使用寿命。本文设计钻头采用两种径向布齿方式。2.5.1 径向布齿原则径向布齿设计一般应满足以下两方面的要求：(1)在设计钻速水平下，保证

42、井底覆盖良好井底覆盖良好是指：当钻头旋转一周时，各切削齿在井眼剖面上的切痕能够完全覆盖井底，没有留下影响钻头继续向下钻进的岩石脊圈。经验表明，要使井底覆盖良好，给定切削齿中心与内侧相邻切削齿中心的径向间距不应超过切削齿直径的60，即： (2-8)紧靠钻头中心的切削齿与钻头中心的距离为切削齿直径的90比较合适。(2)内疏外密，使各切削齿的磨损相对均匀对PDC钻头磨损的分析发现，钻头内侧附近切削齿一般都没有明显的磨损。因此，在PDC钻头设计中，内侧部位一般设计较少的切削齿，布齿密度最低，由内向外，布齿密度越来越大.2.5.2 径向布齿理论本文从根据现场实践经验，结合本课题研究特点，提出两种径向设计

43、布齿理论。(1)等齿间距布齿理论等齿间距布齿理论是以相邻切削齿中心连线间距相等为标准的布齿理论。运用此理论的优点在于能够实现刀翼的均匀布齿，有利于研究使用不同的切削齿对钻头的影响规律。缺点在于切削齿磨损不均匀，钻头寿命难以保证。(2)等体积布齿理论等体积布齿法径向布齿设计理论依据是：如果钻头上每个切削齿切削岩石的体积相同，则各切削齿的磨损程度相等，钻头报废时各切削呈比较均衡的磨损状态。设直径为Db的钻头上布置N个切削齿(保径齿除外)，切削齿的直径为dc，各切削齿的径向坐标为Rc1，Rc2，RcN(Rc.X+lRc.X)。第N个切削齿为规径齿(最外侧切削齿)，该齿径向坐标为(Db-dc)/.2。

44、设钻头旋转一周的进尺为d，破碎岩石的总体积为pDd，以规径齿径向坐标为半径的岩石破碎体积为p( Db-dc )2d/4。按照岩石破碎体积相等的原则，第X个切削齿破碎岩石的体积应满足下式，即： p (2-9)将式(2-9)展开并整理得： = (2-10)式(2-10)为等体积布齿公式。但是根据此等体积布齿公式设计出的钻头中心齿远离钻头中心线，不能满足完全覆盖井底的要求，就需要人为调整，如增加切削齿和调整钻头中心附近的切削齿坐标。本文在设计切削齿径向布齿时就采用了此法。2.5.3 实验钻头径向布齿设计 本文设计的钻头按照等间距布齿和等体积布齿两种理论设计。(1)等齿间距布齿本文选用在“直线-圆弧-

45、直线”型冠部形状钻头上使用等间距布齿法布齿，所有齿间距均为2mm，布齿密度为中密度。(2)等体积布齿本文在“直线-圆弧-直线”“直线-圆弧-圆弧”两种冠部形状的钻头上使用等体积布齿法布齿。以16.10mm直径切削齿，低密度布齿为例，阐述具体操作方法。钻头直径101.6mm，切削齿直径16.10mm, 计划布齿数为5个(低密度)的PDC钻头根据等体积布齿原则布齿的设计结果如下表：齿序号12345径向坐标（mm）19.11827.03733.11438.23742.75上表为钻头直径101.6mm，切削齿直径16.10mm，计划布齿数为5个的PDC钻头按照式(2-10)计算出的数据表。由此表可以看

46、出，l号切削齿距离钻头中心较远，不能满足井底覆盖要求。为此，本文作出如下修改：将原来1号切削齿作为0号齿，2号切削齿作为1号齿，依次类推，只计算后4个齿的径向距离，将原来1号齿径向距离人为调节，保证1号齿出露出钻头中心线。修改后参数表如下表所示：齿序号1（0）2（1）3（2）4（3）5（4）所在刀翼号12312径向坐标（mm）7.521.3830.2437.0342.75根据表(2-4)可知，在两种剖面形状下，不同密度的直径为13.44mm的切削齿个数有6、7、8、9、11五种，直径为16.10mm的切削齿个数有5、6、7、8、9五种，直径为19.05mm切削齿个数有4、5、6、7、8五种。根

47、据上面的布齿方法，可得到三种切削齿在不同密度下以等体积原则布齿的径向布齿数据。第3章 室内钻进实验结果分析根据实验方案设计，本敬实验分为四次实验进行，即后倾角优选实验、切削齿齿尺寸优选实验、布齿密度优选实验和剖面形状优选实验。分别研究后倾角角度、切削齿尺寸、布齿密度和剖面形状对PDC钻头破岩效率的影响规律。3.1 切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响规律研究切削齿尺寸对钻头破岩效率的影响可通过切削齿尺寸优选实验来完成。根据实验方案要求，切削齿尺寸优选实验所用钻头共15支，采用相同的冠部形状，均为“直线-圆弧-直线”型，相同的布齿密度。三种不同尺寸切削齿各对应五种后倾角。所钻岩层为软、中、中硬三种硬度

48、岩层。设计钻压为6KN、8KN、10KN融三种钻压。测试扭矩、钻压、转速、进尺四组数据。(1)相同后倾角下切削齿尺寸对钻头钻速的影响规律;以15后倾角为例。(a) P C325R岩样 (b) P.0525R岩样 (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f16.10切削齿的钻头钻速高于安装f19.05和f13.44切削齿的钻头钻速；在G级固井水泥掺砂岩样中安装f19.05切削齿的钻头钻速最高，安装f16.10切削齿的钻头钻速次之；安装f13.44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。 (

49、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E052.5R两种水泥岩样中，除5后倾角对钻头钻速影响较小外，安装f16.10切削齿的钻头钻速均高于在设计有同种后倾角角度的f19.05和f13.44切削齿的钻头钻速；在G级固井水泥掺砂岩样中安装f19.05切削齿的钻头钻速高于在设计有同种后倾角角度的f16.10和f13.44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

50、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，EC32.5R和P.052.5R两种水泥岩样中，安装f16.10切削齿的钻头钻速最高，安装f19.05切削齿的钻头钻速次之，安装f13.44切削齿的钻头钻速最低；在G级固井水泥掺砂岩样中安装f19.05切削齿的钻头钻速高，安装f16.10切削齿的钻头钻速次之，安装f13.44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

51、出在EC32.5R和P.052.5R两种水泥岩样中，安装f16.10切削齿的钻头钻速最高；在G级固井水泥掺砂岩样中安装f19.05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，安装f16.10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f13.44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f13.44切削齿的钻头在EC

52、32.5R和E052.5R两种水泥岩样中20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由图可以得出，在8KN钻压下，在EC32.5R岩样中，安装f13.44切削齿的钻头后倾角为20时钻速最快；安装f16.10切削齿的钻头后倾角为10、15、20时钻速较快且相差不大；安装f19.05切削齿的钻头

53、后倾角为15时钻速最快。在8KN钻压下，在E052.5R岩样中，安装f13.44切削齿的钻头后倾角为20时钻速最快；安装f16.10和f19.05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影响规律。(a) f13.44切削齿的钻头 (b) f 16.10切削齿的钻头 (c) f1

54、9.05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f1344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f13.44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f16.10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f19.05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6KN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

55、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f13.44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20后倾角时易获得较高机械钻速；安装f16.10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f19.05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

56、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f19.05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f16.10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”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f19.05，后倾角为15的钻头；对于硬度为中的地层我们选取EC32.

57、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f16.05，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（mm）后倾角角度钻进岩样布齿齿数（布齿密度）侧转角角度直线-圆弧-直线f 16.0515P.C32.5R6-低密度8-中密度9-高密度0f 19.0515G级固井水泥掺砂岩样5-低密度7-中密度8-高密度0(1)f16.10

58、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，f16.10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)f19.05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，f19.05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，f16.10切削齿钻速

59、受布齿密度影响较小。3.3 冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律研究冠部剖面形状对钻头破岩效率的影响规律可由剖面形状优选实验完成。剖面形状优选实验所用钻头是根据前三次实验所得结论设计。采用现阶段常用的三种冠部模型：“直线-圆弧-直线”型、“直线-圆弧”型和“直线-双圆弧”型，分分析其对钻头破岩效率的影响。剖面形状优选实验钻头设计是在前三次实验基础之上进行。其基本设计参数为：对于EC32.5R水泥岩样使用f16.10切削齿、15后倾角、低密度布齿钻头钻进，钻压为6KN、8 KN、10 KN三种钻压。对于G级固井水泥掺砂岩样使用f19.05切削齿、15后倾角、低密度布齿钻头钻进，钻压为6KN、8

60、KN、10 KN三种钻压。综上，剖面形状优选实验主要测试不同冠部形状对破岩效率的影响。使用f16.10与f19.05两种切削齿，15后倾角，低密度布齿钻头，EC325R水泥和G级固井水泥掺砂两种岩样进行实验。表3-2 剖面形状优选实验钻头参数表冠部形状切削齿尺寸（mm）布齿齿数（布齿密度）钻进岩样后倾角角度侧转角角度直线-圆弧-直线f 16.056（低密度）P.C32.5R150f 19.055（低密度）G级固井水泥掺砂岩样直线-圆弧-圆弧f 16.056（低密度）P.C32.5R150f 19.055（低密度）G级固井水泥掺砂岩样 (1)f16.10切削齿的钻头在EC32.5R水泥岩样中剖面形状对钻速的影响规律 三种钻压下剖面形状与平均钻速关系图由图可知，f16.10切削齿的钻头在P.C32.5R水泥岩样中，“直线-圆弧-圆弧” 型剖面的钻头钻速最快，“直线-圆弧”型剖面的钻头钻速次之，“直线-圆弧-直线” 型剖面的钻头钻速最慢。 (2)f19.05切削齿钻头