钻头----（PDC钻头）

一、聚晶金刚石复合片（PDC）

1.结构及尺寸

2.物理机械性质

（1）极高的硬度（钢的9-14倍，硬质合金的3-5倍）；

（2）较高的抗压强度（钢的3-4倍）；

（3）良好的自锐性（碳化钨基体比聚晶层磨损速度快）；

（4）抗冲击韧性比天然金刚石好，比硬质合金差。聚晶层经受冲击

载荷作用易碎裂。尤其是新复合片刚开始接触岩石，锋锐边刃很容易碎裂。

（5）对温度较敏感。350℃左右，磨损速度显著加快；700 ℃左右，

强度失效。

二、PDC钻头结构与设计

1.钻头剖面形状

1）内锥（Cone）

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。

一般地：软地层，内锥深一些

硬地层，内锥浅一些。

2）冠顶（Nose）

冠顶是钻头最先吃入地层的部位，而且总是最先接触地层的变化。一般地，软地层，冠顶半径小些，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。

3）外锥或侧翼（Taper or Flank）

分直线和曲线两种。较硬地层，需要较多切削齿，外锥应长一些；较软地层，外锥可短一些。

4）肩部（Shoulder）

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磨损也就最严重，受冲击载荷最大。

5）保径（Gauge）

60~100mm，金刚石、PDC

2.布齿设计

1)布齿方式

◆刮刀式

在软地层中，吃入性能好，排屑能力强，清洗冷却效果好，不易泥包。

◆单齿式、散布式

布齿区域大，布齿密度高，但排屑能力较差，容易泥包。适合于较硬地层。

◆ 组合式、混合式

清洗、冷却和排屑能力较好，布齿密度较高，吃入性能较好。适合于中到中硬地层。

2).布齿设计原则

a 井底覆盖良好；

b 内疏外密各切削齿磨损均匀；

c 布齿密度随地层硬度增大而增大；

d 同一刀翼上各切削齿的安装互不干涉；

e 切削齿的布置和刀翼分布和有利于提高钻头的稳定性；

f 切削齿和刀翼的布置有利于提高水力清洗和冷却效果。

3) 布齿设计方法

3. 切削齿工作角设计

后倾角α：起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值0°- 20°，软地层小一些，硬地层大一些。

侧倾角β：钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。β=15°左右。

4. 水力设计

1）水力结构设计

喷嘴数量、位置、倾斜角度及方位、流道形状等。

2）水力参数优化设计

喷嘴直径 钻井泵工、作参数钻头水力参数。

三、PDC钻头破岩机理

切削：（剪切）破碎岩石。

软的塑性地层破碎过程：连续切削，类似车刀切削金属的过程。

硬的脆性地层破碎过程：碰撞→压碎及小剪切→大剪切。

四、PDC钻头的使用

1. PDC钻头适用于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交

错地层和砾石层。

2. 与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。

3. 钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。新钻头钻进时，先

用小钻压和低转速磨合井底，完成井底造型。

4. PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。