研究pdc钻头内镶式二级齿新技术

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1、研究PDC钻头内镶式二级齿新技术　　摘要：常规PDC钻头主要适用于钻进软到中硬程度的均质地层，而对于某些地区地层硬夹层多、软硬悬殊或者可钻性差的地层，常规PDC钻头难以发挥有效的作用，且容易加剧PDC齿的磨损速度，甚至造成冲击损坏，严重影响到PDC钻头的正常使用寿命。本文提出了一种基于PDC钻头的内镶式二级齿新技术，通过该技术的有效应用，能显著提升PDC钻头的适用范围以及在难钻地层中工作时的使用寿命。关键词：PDC钻头内镶式二级齿新技术应用PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，也是当前石油钻井行业中所经常使用到的一种钻

2、井工具。内镶式二级齿新技术，即是在常规PDC钻头的切削结构的基础上，再另行添加后备的切削结构，并使二级齿能处于主切削齿的上方。通过二级齿与主切削齿的配合使用，以构建出能够连续工作的复合切削结构。经过工程实践证明，PDC钻头内镶式二级齿新技术的应用，钻头工作平稳，可钻范围和使用寿命增加，能显著提升钻井的整体经济效益。一、PDC钻头的损坏机理6PDC钻头在实际工作过程中的损坏，主要表现为切削齿的损坏。根据现场实际统计资料显示，切削齿损坏主要表现为磨损破坏和冲击破坏这两种主要形式。1.切削齿磨损破坏机理PDC切削齿的磨损机理主

3、要受到PDC片以及合金基体磨损机理的影响。其中，PDC切削齿的使用材料和内部结构是决定了切削齿磨损方式的内部因素；而切削齿的工作环境、切削面所产生的摩擦热效果以及冲击性荷载的大小，是决定切削齿磨损机理的外部因素。2.切削齿冲击破坏机理大量现场统计资料表明，由冲击荷载所引发的切削齿碎裂是引发PDC钻头过早失效的主要因素。由于抗冲性能差是金刚石材料固有的缺点，虽然PDC复合片在耐冲性能上有所改善，但是在受到冲击荷载时，仍然较容易碎裂。根据冲击荷载的作用方式，还可将PDC切削齿的损坏形式主要划分为，因钻头轴向冲击荷载所引发的剥

4、落以及因水平方向冲击荷载所引发的崩刃（如下图1和下图2所示）。图1因轴向冲击力引发的剥落图2因水平冲击力引发的崩刃二、内镶式二级齿新技术设计原理及特点1.设计原理6结合PDC钻头损坏机理进行综合分析，为了有效提升PDC钻头的正常工作寿命以及适用范围，除了应当选用具有较强耐磨性和抗冲击性的PDC复合片以外，还应当做好在PDC钻头切削结构上的设计，例如布置方式设计、切削齿尺寸选择、切削齿数量设计以及切削齿工作角设计等等。而内镶式二级齿新技术，作为当前PDC钻头切削结构在布置方式上的一种优化设计，主要是在常规PDC钻头的切削结

5、构的基础上，再另行添加后备的切削结构，并使二级齿能处于主切削齿的上方，通过二级齿与主切削齿的配合使用，以构建出能够连续工作的复合切削结构（如下图3所示）。图3内镶式二级齿复合切削结构示意图由上图3可以发现，二级齿切削结构和相对应的主切削齿结构是上下相连接的，并呈现为葫芦形状。后备二级齿切削结构作为特殊形状的切削齿，它的切削刃部分主要由两端圆弧所构成，其中一段圆弧为原刃，而另一段圆弧则和相对应的主切削齿的主体轮廓相结合，要求结合时的方式应根据实际工作的需要进行调整。在进行PDC钻头切削结构布置方式的设计时，可以将二级齿结构

6、布置在钻头的不同位置，既可以选择是部分刀翼上布置，也可在每个刀翼上均布置设计，通常而言，二级齿应布置和分布在切削齿最容易磨损的外锥部位或者冠顶部位。在进行二级齿和主切削齿组合的过程中，应根据实际工作需要选取具备不同尺寸的复合片，同时做好二级齿后倾角的选择。2.新技术的特点6内镶式二级齿新技术主要具有以下几方面特点：2.1由于在设计中，二级切削齿是沿着纵向串行方向进行布置设计的，在主切削齿工作性能良好时，二级切削齿并不参与切削工作，因此该技术方案并不会影响到PDC钻头主切削结构的性能，且还能有效提升钻头的适用范围，在可钻性

7、较差或硬夹层较多的地层也较为适宜。2.2后备切削结构的应用，提升了PDC钻头可用复合片的数量，使钻头的正常使用寿命得到了明显提升。2.3由于二级齿为内镶式结构，因此并不占据原有钻头冠部的使用空间，且能与钻头表面的缓冲节以及后置齿，能够完全相容并配合使用。三、内镶式二级齿新技术的具体应用以某油田地区的钻探开采为例，由于该油田某区域地质多为稳定的矿物与岩屑所构成，且石英含量较高、粒径较大，可钻性较差。对于区域内井斜度较大的井，PDC钻头还可能需要穿越150米以上的底砾岩，根据实际测量资料分析，其钻探中最高抗压强度可达到65M

8、Pa以上。而对于这种恶劣的地层条件，并不适宜于常规的PDC钻头实施钻探工作。为提升该区域全井段的机械钻探速度，并使PDC钻头能够有效穿越底砾岩层。在全井段的PDC钻头中采用了内镶式二级齿新技术，制作出了第二代BD606KG钻头。6通过该新型钻头在该油田A14井中的实际应用中发现，单只钻头能完整钻完包括底砾岩层的全井段