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　　【摘要】本文在簡要介紹了PDC鉆頭的物質成份，兩大類別(胎體鉆頭和剛體鉆頭)及其不同物質在鉆井作業過程中所起的作用的基礎上，歸納、總結了PDC鉆頭特點，包括其設計特點和結構特點;同時較詳細地分析了在打定向井時，PDC鉆頭的結構特征因素對造斜率的影響;另外也在分析、歸納、總結國內外專家、學者的獨特見解的基礎上，對PDC鉆頭的破巖機理，也在一定程度上給予闡述。并在此基礎上，最后也提出了一些PDC鉆頭的選型依據。

　　【關鍵詞】 PDC鉆頭;  特點;  機理分析

  Abstract:This themsis briefly introduces which materials PDC bit is made from，how it is manufactured，and the different types of PDC bits，also shows you the principal functionsof the different materials of  PDC bit in drilling----on the basis of these，summaries the characteristics of  PDC bit，including its designing characteristics and structural characteristics，and specificly analyses the effect of its structural characteristics on the leaning ration in the controlled directional drilling。At the same time ，after studying the specific ideas of the different experts at home and abroad，to some extent，analyses and summaries the rock breaking mechanism of PDC bit。In the end ，on this basis，gives you some facters that can help you how to choose PDC bit effiently。

  Key words:  PDC bit;  characteristics;  Mechanism analysis

　　近年內，隨著PDC鉆頭的廣泛應用，PDC鉆頭在型號和質量上都進行了較大的改進，已經在軟到硬的地層中逐步使用，并且取得了較好的經濟效益，為更好地使用PDC鉆頭，使其最大限度地發揮優勢，以便更好地服務于鉆井作業，特從其特點和破巖機理方面撰寫此文。

　　PDC鉆頭，就是聚晶金剛石復合片鉆頭，即Polycrystalline Diamond Compact
Bit。它以金剛石為原料加入粘結劑在高溫下燒結而成。復合片為圓片狀，金剛石層厚度一般小于1mm，切削巖石時作為工作層，碳化鎢基體對聚晶金剛石薄層起支撐作用。兩者地有機結合，使PDC既具有金剛石地硬度和耐磨性，又具有碳化鎢地結構強度和抗沖擊能力。由于聚晶金剛石內晶體間地取向不規則，不存在單晶金剛石固有地解理面，所以PDC的抗磨性及強度高于天然金剛石的，且不易破碎。PDC由于多種材料的存在，熱穩定性較差，同時脆性較強，不能經受沖擊載荷。

　　PDC鉆頭的特點

　　1973年美國開發了聚晶金剛石復合片鉆頭，國外廣泛應用于軟-中硬地層。在中東和北海的深井及海洋鉆井中首先獲得了高井尺、高鉆速，大大縮短了建井周期，降低了鉆井成本，受到了鉆境界的廣泛重視，成為鉆井工具的一項重大成就。國內對PDC鉆頭也引起了極大的關注和興趣，隨著鉆井技術人員對PDC鉆頭的認識和實踐，它正在逐步取得較好的使用效果。

　　按鉆頭材料及切削齒結構劃分，PDC鉆頭有鋼體和胎體兩大類別(間上圖1-2)胎體鉆頭用碳化鎢粉末燒結而成，用人造聚晶金剛石復合片釬焊在碳化鎢胎體上，用天然金剛石保徑。碳化鎢胎體耐沖蝕、耐磨、強度高、保徑效果好。鉆頭水眼水道面積可以根據鉆井工藝需要的水力參數來設計，有較大的靈活性。胎體外形可以根據地層特點設計，變化胎體形狀只要改變模具而不需要增加設備。鋼體PDC鉆頭，是用鎳、鉻、鉬合金機械加工成形。經過熱處理后在鉆頭體上鉆孔，強人造聚晶金剛石復合片壓入(緊配合)鉆頭體內，用柱狀碳化鎢保徑。它比胎體鉆頭成本低20%左右，但不耐磨且易被沖蝕。

　　PDC鉆頭的設計特點

　　1.PDC鉆頭采用爪型設計

　　PDC鉆頭的性能在很大程度上取決于切削齒的質量，PDC鉆頭都采用了高質量爪型齒和環形齒，經過與其它類型復合片對比試驗分析，證明它具有抗剪強度高、耐沖擊、壽命長、熱穩定性能好的特點，與同尺寸普通PDC齒相比，爪型齒的金剛石含量提高了2。7倍，抗沖擊破壞能力提高2倍。

　　2.大刀翼設計

　　全部PDC鉆頭系列的刀翼進行加高加大，采用超大排屑流道設計，可以更加有效的運移鉆屑，清洗鉆頭，防止鉆頭泥包，提高機械鉆速。

　　3.抗回旋設計    

　　采用力學平衡設計，對PDC鉆頭進行螺旋保徑設計、軌道布齒設計、緩沖塊設計以保證鉆頭抗回旋性能。

　　4.防泥包涂層設計和制造技術

　　QP系列鉆頭可根據地層情況進行防泥包涂層設計，它采用了獨特的對鉆頭表面負離子處理技術，使鉆頭表面帶有負電荷，在鉆頭周圍形成一個陽板，形成電流，鉆頭與鉆井液之間形成一個水的集區，其作用就如同潤滑劑或象隔板，在鉆進中，泥頁巖鉆屑中的負離子與鋼體表面的負電荷相斥，從而起到防泥包的效果。

　　5.可修復性

　　鋼體PDC鉆頭的本體磨損和切削齒破碎后可進行修復和更換，使得鉆頭的使用成本大大降低。

　　PDC鉆頭結構特征及此因素對造斜率的影響

　　鉆頭的費用在一口井中的總費用中所占的比例不是很大，但選好和用好一只鉆頭對提高機械鉆速、提高造斜率和降低全井費用卻是關系重大。為了高速、優質、低成本地鉆好定向井，應從定向鉆井的獨特性出發優選鉆頭。

　　定向造斜段鉆井的特點使使用井下馬達，鉆頭轉速高，鉆頭切削齒和鉆頭外徑磨損快鉆頭壽命縮短。在定向段鉆進過程中，需要鉆頭能保持住所要求的工具面角度，如果所選的鉆頭布能提供合適的導向能力，就會獲取布到所設計的造斜率或偏離所定的方位。這樣，就會增多糾斜和扭方位的次數或增多更換下部鉆具組合的次數。

　　由于PDC鉆頭具有無活動件、適應高轉速低鉆壓鉆進工況之特點和鉆頭使用壽命長的優點，因此更適合與動力鉆具配合使用，多次現場施工結果表明，動力鉆具+PDC鉆頭鉆進方式有利于提高鉆井速度，減少起下鉆次數、保證鉆具安全，取得了動力鉆具+牙輪鉆頭鉆進方式無法比擬的技術經濟效益。

　　常規定向井施工主要時通過選擇合適的造斜工具（彎接頭+動力鉆具、單彎動力鉆具、雙彎動力鉆具等）調整側向力的大小，從而控制造斜率的高低，而同樣的側向力與不同結構的PDC鉆頭配合對造斜率時有極大的影響的。

　　在此，我本人認為影響PDC鉆頭造斜率的鉆頭結構特征因素主要有以下幾點：鉆頭體長度、鉆頭冠狀形狀、鉆頭保徑類型、保徑切削齒側傾角等等。

　　結構特征因素影響PDC鉆頭造斜率的機理分析

　　眾所周知，定向鉆具組合的造斜率時通過下部鉆具組合的彎曲形狀產生鉆頭側向力，使鉆頭在沿軸線方向鉆進的同時側向切削井壁而產生軌跡偏移的。鉆頭軸向鉆進和側向切削的偶合產生一定的造斜率。在側向力和鉆頭軸向鉆速一定的情況下，很顯然鉆頭的側向切削能力越強，鉆具組合的造斜率就越高。

　　鉆頭體長度對造斜率的影響

　　在如圖1－3所示的帶彎接頭的造斜鉆具組合中，依據文獻（《短彎外殼導向鉆具的造斜率計算》（帥?。┲械膶騽恿︺@具造斜率計算公式：

式中：k------導向鉆具造斜率；
          a-------彎接頭彎角；
          L₁------彎接頭肘點至鉆頭的距離；
          L₂-------彎接頭肘點至下部鉆具組合上切點的距離；
          F_C-------作用在鉆頭上的側向力

　　從公式（1）可知：在其它結構參數一定的情況下，L1、k增大，即選用軸徑短的PDC鉆頭能增加造斜率。

　　1．2 鉆頭的冠部形狀對造斜率的影響

　　在側向力FC一定的情況下，鉆頭和地層地側向接觸面積越小，作用在單位井壁上地側向力越大、側切力越強、鉆頭地造斜率越高。因此要想獲得較高地造斜率，因選用冠部平坦，與地層側向接觸面小地PDC鉆頭。

　　1．3 鉆頭保徑類型對造斜率地影響

　　定向段鉆井地特點之一是側向載荷大，下部鉆具組合地彎曲角度越大或彎曲部分離鉆頭越遠所引起地側向載荷越嚴重，井下馬達高速運轉、井底沉積巖屑床、受側向載荷等因素底綜合影響，會使鉆頭外徑很快磨損。為了克服定向鉆頭外徑的磨損，發展了PDC鉆頭保徑技術，常見的保徑方式有在鉆頭的臺肩上鑲焊PDC齒或在鉆頭的外徑上鑲焊硬質合金塊。

　　鉆頭保徑長度取決于耐磨性和可導性。鉆頭保徑長度越長，耐磨性越強，但可導向性差；而保徑長度較段則耐磨性較差，而導向性好，要根據地層的可鉆性、可研磨性和導向能力來拳衡鉆頭的保徑長度。保徑長的鉆頭一般比保徑段的鉆頭更穩定，但這種鉆頭所能獲得的最大造斜率小，定向施工人員一般都避免使用。保徑上徑向排列PDC切削齒，這種設計制造的鉆頭具有導向和保徑雙重功能，比硬質合金塊保徑的鉆頭造斜率效果好。

　　1．4鉆頭保徑切削齒側傾角對造斜率的影響

　　圖1-4為PDC鉆頭保徑切削齒側傾角示意圖，顯然徑切削齒側傾角B越小，切削齒吃入巖石的深度越大，鉆頭的側向切削能力越強。從另一個角度講，為了便于在定向施工時通過鉆壓控制工具面，宜選用保徑切削齒后傾角較大的PDC鉆頭扭矩較平穩，反扭角波動范圍較小，鉆出的井眼更平滑。所以在選擇鉆頭時應綜合考慮。

　　5鉆頭翼片對造斜率的影響

　　施工中發現，六翼片的PDC鉆頭比三翼片的PDC鉆頭工具面穩定，短翼片的PDC鉆頭比長翼片的PDC鉆頭工具面更穩定，使用三長翼片的PDC鉆頭定向鉆井時，工具面反扭角對鉆壓反應過于靈敏，鉆壓稍微的變化，工具面就偏離了預定的角度，造斜率較低。這是因為鉆頭翼片長、個數少，鉆頭間歇性側向切削井壁，作用在鉆頭上的扭矩波動范圍大而至的。定向時，宜選用翼片多而短的PDC鉆頭。

　　PDC鉆頭的選型依據

　　在進行PDC鉆頭造型時，通常采用兩步法，第一步是預選型，就是將要使用PDC鉆頭井段的測井資料重的聲波時差、巖石密度、自然伽瑪等參數輸入計算機內，利用PDC鉆頭專業選型程序進行自動聚類分析，將巖石可鉆性、硬度、塑性系數、抗剪強度等聚類為一個綜合巖石級值，從而選擇PDC鉆頭的型號。第二步是分析選型，結合鄰井已完鉆井的鉆頭使用情況，分析鉆井參數和鉆井實效，進行優化、深入地設計PDC鉆頭地使用井段、鉆壓、鉆井液參數、上返速度和合理鉆井速度，以保證PDC鉆頭使用的有效性。在進行鉆頭選型時，可以結合測井資料建立該區塊巖石的抗壓強度、抗剪切強度和巖石可鉆性的數學模型，利用這些結果可推導出巖石硬度數值與PDC鉆頭適用地層的巖石硬度分級表相對照，就可選擇出符合該井段的鉆頭類型。

式中：a、b---------------回歸系數（與鉆頭類型有關）；
         S_a、S_t---------------抗壓、抗剪切強度，MPa    ;
         H_d1、H_d2----------塑性、脆性地層巖石強度   ；
         Vs、Vp-------------地層縱、橫波速度，µs/m   ;
         Δtp------------地層中縱波傳播時間，µs   ;
         E_S--------------巖石靜彈性參數           ；
         K_d-------------巖石可鉆性級值            ；
         V_sh-------------地層中的泥質含量          。

　　壓力損失系數是鉆頭水力設計的基礎，只有準確地計算出壓力損失系數，才能正確地指導現場施工，因為對于不同的井眼剖面巖石特性、井身結構和鉆井液流變性，就會有相應的一組鉆井參數，為保證數據的準確性，最好的方法就是利用現場實鉆數據來計算鉆頭壓力降和壓力損失系數。

　　鉆頭壓力降P_b計算：

　　壓力損失系數： K=(P_S-P_b)/HQs^{1 -8}

式中：Pb---------------鉆頭壓力降，MPa;    Ps---------------泵壓，MPa;

          Mω－――――――――鉆井液密度，g/cm3;   C―――――流量系數 ；

          Qs----------鉆井泵排量，L/s ;   H-----------井深，m ;

          De----------鉆頭噴嘴直徑，cm。

　　因為PDC鉆頭在鉆進時，時依靠一定地鉆壓吃入地層，有轉盤通過方鉆桿和鉆柱及其它鉆具，如扶正器和短結等等把扭矩傳給鉆頭，在鉆頭旋轉時，帶動牙齒把巖屑”犁”下來，為確保被剝離的巖屑脫離井底后能夠上返出井口，要求泵的排量達到一定數值，使環空鉆井液達到50%以上的攜巖能力而使巖屑不會下沉。

　　式中: vmin----------環空最低上返速度，  m/s;

        ds-------------巖屑直徑 ，mm  ;            Db-----------井眼直徑 ，mm ;

        Dp-------------鉆具直徑 ，mm  ;            ρ-----------巖屑密度 ，g/cm3 ;

        µ----------鉆井液視粘度 ，mPa·s。

　　我們常規噴射鉆井設計牙輪鉆頭時，時以鉆頭的最大牙耗或最大水馬力來考慮鉆頭水力參數等，而PDC鉆頭是以它高強度的牙齒來剝蝕巖石，通過鉆頭體上的導流槽排除巖屑，如果水力沖擊力太大，鉆井液裹攜著泥沙不斷地沖蝕鉆頭本體，而造成鉆頭不可修復，因此在使用PDC鉆頭時，不考慮水力破巖地能力，并能及時地攜帶出井底巖屑即可。

　　因為PDC鉆頭是以其壽命長、鉆進速度快、提下鉆次數少而縮短鉆井周期地，如果以最大水馬力來考慮PDC鉆頭地水利參數，當PDC鉆頭一次入井的進尺較大，勢必引起高泵壓，而超過設備所能承受的泵壓，就會損耗循環系統的壽命。為使鉆井系統能在鉆進中正常運行，就必須全面考慮PDC鉆頭的各方面影響因素，在PDC鉆頭鉆進的過程中，鉆井泵的排量使一定的，此時泵壓與井深成正比，所以在PDC鉆頭入井時，鉆頭壓降設計要根據PDC鉆頭完鉆井深來制定，以保證設備的安全。只有這樣，才能最大限度地發揮PDC鉆頭在使用上地優勢。

　　PDC撲到此鉆頭地牙齒在鑲嵌入胎體時，與牙齒所接觸的地平面稱一定角度，而牙輪鉆頭地牙齒時以楔形接近垂至于地面，故此在使用PDC鉆頭時，鉆壓比牙輪鉆頭的低，同時PDC鉆頭在旋轉過程中剝蝕地層，對于新鉆頭來說，高鉆壓容易引起鉆頭憋跳而使牙齒破碎。為避免以上影響鉆進速度的因素，制定了PDC鉆頭的鉆壓合理使用范圍。

　　PDC鉆頭的破巖機理

　　PDC鉆頭的破巖機理及方式:對軟地層主要室犁，對硬地層室靠剪切。聚晶金剛石鉆頭(Ballaset)靠剪切。在高速攝像機下可見PDC鉆頭復合片破巖就像切削金屬一樣。比利時LX22型鉆頭鉆進巖石時(從電影里可見)完全避免了重復切削，巖屑以拋物線方式很快離開鉆頭，巖屑連續長度最長的達0。5米。

　　由于巖石本身抗剪切強度較低，抗壓請讀較高，對于同樣的巖石剪切、犁的方式挖開地層的能量比牙輪鉆頭靠壓碾的方式需要的能量少(剪切是壓碾的1/8)，PDC鉆頭比牙輪鉆頭鉆速快。同樣的裝備條件，對種硬地層，PDC鉆頭比牙輪鉆頭頸嫩破巖。

　　PDC鉆頭切削元件-復合片，室用薄層人造聚晶金剛石經高溫高壓粘結在碳化鎢襯底上底，見圖1-5所示。

　　聚晶金剛石薄片上月年個許多小晶粒底人造金剛石以不同規則、不同方向結合制成底，其抗耐磨性非常好。碳化鎢基底加強了復合片底抗沖擊性能。復合片在工作過程種可以自銳，即經過磨損后，其前刃還是90度，不會變鈍。

　　在鉆井過程中，PDC鉆頭用低鉆壓、高轉速賴獲得較高的鉆速。而這種鉆井參數不易產生井斜，可與螺桿鉆具、渦輪鉆具配合使用鉆定向井，可用于近平衡和超平衡鉆井，可鉆深井(高溫井)，可在小于5000C環境下工作。由于沒有活動件，排出了掉牙輪的危險。對油基、水基、重泥漿及泡沫鉆井液、天然氣鉆井及空氣鉆井等都適應。并可獲得較高的進尺和鉆速。雖然PDC鉆頭價格較高，但由于進尺高、機械鉆速快，與牙輪鉆頭相比能獲得更好的經濟效益。

　　結論與建議

　?。ǎ保㏄DC鉆頭具有獨特性能，在使用過程中要詳細了解所使用鉆頭的型號特點，并針對不同地層合理優選鉆井參數與下入深度，按PDC鉆頭規定技術參數進行操作，才能收到預期的結果。PDC鉆頭修復技術極大地提高了其使用經濟性及投入風險，鉆頭生產商應進一步更加積極地開展并加強此項技術的服務。

　　（２）對PDC鉆頭在井下工作原理的分析表明，在深井鉆井中，如果對PDC鉆頭增加反向向上的噴嘴，可以減小液柱對井底巖屑的壓持作用力，并增大鉆井液上返速度和紊流攜巖能力。

　　（３）在泥巖地層中，使用PDC鉆頭可以十分明顯地提高鉆井速度，在進行鉆井設計時，可以根據PDC鉆頭的這一特點優化井身結構，預防井下復雜情況的發生。

　　（４）PDC鉆頭配合動力鉆具進行鉆井施工具有明顯的經濟效益，可以避免牙輪鉆頭不適應動力鉆具的特點而造成不必要浪費，PDC鉆頭選型好能進一步提高機械鉆速和造斜率，應逐步推廣使用。

　?。ǎ担┏Ｒ幍亩ㄏ蚓┕ぶ校瑸榱丝刂沏@井成本，力求一趟鉆完成定向、增斜、穩斜直到完鉆，近年來，現場逐步實驗推廣導向鉆具，動力鉆具的特點時低鉆壓、高轉速正好符合PDC鉆頭的工作參數范圍，建議導向鉆具配合PDC鉆頭使用。

　　（６）短平式外形、保徑短的PDC鉆頭造斜率高。鉆頭保徑采用徑向排列硬質合金塊或PDC切削齒，減小PDC保徑切削齒的側傾角，這種結構的鉆頭有利于提高側切削能力，從而提高其造斜率。

　　（７）PDC鉆頭在施工中的工具面反扭角對鉆壓較靈敏，給施工造成一定難度，建議選用翼片多而短的PDC鉆頭，同時鉆進時送鉆要穩，切忌切菜式送鉆。