PDC钻头布齿技术研究综述_马亚超.pdf

第 30 卷第 1 期2023 年 2 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.1Feb.2023PDC钻头布齿技术研究综述马亚超1，陶垒1，荣准2（1.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500；2.中国石油西南油气田分公司 川东北气矿，四川 达州 635000）摘 要：PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具，具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元，决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置，使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此，PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究，但目前仍缺乏系统性的总结。为此，以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础，总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程，主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结，指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考，有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。关键词：PDC钻头；PDC切削齿；布齿技术；发展趋势中图分类号：TE 921 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）01-0001-12Review of PDC bit cutter arrangement technologyMA Ya-chao1,TAO Lei1,RONG Zhun2(1.School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.Northwest Sichuan Gas Mine,PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company,Dazhou 635000,China)Abstract：PDC(polycrystalline diamond compact)bit is the main rock-breaking tool in oil and gas drilling field,which has the advantages of high abrasion,high rate of penetration and high rock-breaking efficiency.As a cutting unit,PDC cutter determines the rock-breaking performance of PDC bit.The purpose of PDC bit cutter arrangement is to determine the spatial position of each PDC cutter on the bit,so that the bit has excellent performance and reliable life when drilling and breaking rock.PDC bits designed based on different cutter arrangement technologies show different rock-breaking performance during drilling.Therefore,the PDC bit cutter arrangement technology has been widely concerned by scholars at home and abroad.At present,a large number of scholars have made corresponding research on the cutter arrangement technology of PDC bit since its birth,but there is still a lack of systematic summary.For this reason,based on the literature about PDC bit cutter arrangement technology at home and abroad in recent years,the development process of PDC bit cutter arrangement technology since its birth was summarized,mainly including the early cutter arrangement stage,the classical cutter arrangement stage and the modern cutter arrangement stage.Through analyzing and summarizing the doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.006收稿日期：2022-05-11 修订日期：2022-07-08本刊网址在线期刊：http:/ 30 卷 development process of PDC bit cutter arrangement technology,it was pointed out that the cutter arrangement technology of PDC bit in composite PDC bit,compatible intelligent PDC bit,long-life PDC bit,force-balanced PDC bit,PDC bit under impact and vibration and PDC bit in special formation represented the future development trend.The research results can provide some reference for the subsequent research of PDC bit cutter arrangement technology,and are expected to promote the further development of PDC bit cutter arrangement technology.Key words：PDC bit;PDC cutter;cutter arrangement technology;development trendPDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头主要由PDC切削齿、喷嘴、胎体及钻头本体组成。近年来，随着材料技术以及加工工艺技术的提高，PDC的耐磨性与抗冲击性进一步加强，生产的PDC钻头机械钻速高且寿命长，应用范围十分广泛。与2030年前相比，现有PDC钻头的机械钻速很容易就能达到老式钻头机械钻速的510倍。如今，PDC钻头已成为油气钻井领域的主要破岩利器。据估计，PDC钻头进尺占全球油气钻井总进尺的90%以上。目前，PDC钻头的市场占有率达75%80%，且仍在增长。在北美，几乎所有的陆上石油和天然气钻井均使用 PDC 钻头1。2017 年，PDC钻头市场规模的估值为35.2亿美元，预计每年将 以 4.41%的 CAGR（compound annual growth rate，复合年均增长率）增长，到2023年其市场规模将达到45.4亿美元。这一增长主要是由世界各地石油和天然气钻井活动的增加以及对先进技术的需求所推动的。在保证材料的情况下，PDC钻头的布齿结果直接影响其综合工作性能，包括机械钻速、磨损速度、钻井稳定性以及可操纵性等。科学合理的布齿技术不仅能够提高布齿设计效率，还有利于排除岩屑、降低破岩比功和提高破岩效率，保证了PDC钻头的优良性能2。基于此，笔者针对PDC钻头布齿技术发展历程中的早期、经典和现代布齿阶段进行总结性综述及展望，旨在为PDC钻头布齿技术的研究提供参考与指导。1 PDC钻头布齿的主要任务 PDC钻头布齿的主要任务是确定每颗PDC切削齿在钻头上的 3 个空间位置参数以及 3 个结构参数3，如图 1 所示（以钻头旋转中心为原点构建O-RH坐标系，R轴方向为自钻头中心向外，H轴方向为钻头钻进方向）。其中，3个空间位置参数为PDC切削齿到钻头轴线的距离Rc、PDC切削齿到钻头尾部的距离Hc和PDC切削齿沿圆周方向的位置角c；3个结构参数为PDC切削齿的法向角、后倾角和侧转角。这6个参数会直接影响PDC钻头在钻井过程中的破岩性能。故在布齿设计中，需合理分析不同钻井条件下各参数对钻头破岩性能的影响规律并确定每颗PDC切削齿各参数的最优值。目前，这6个参数的确定主要依据PDC钻头冠部曲线设计、径向布齿、周向布齿以及工作角布齿，设计流程如图2所示。2 PDC钻头布齿技术发展历程 PDC钻头的布齿设计发展到现在主要经历了早期布齿阶段（1970s）、经典布齿阶段（1980s2000s）和现代布齿阶段（2010s至今）。2.1早期布齿阶段在早期布齿阶段，PDC钻头布齿设计一开始是按照金刚石钻头的设计模式，仅用PDC代替切削齿图1PDC钻头布齿参数Fig.1PDC bit cutter arrangement parameters图2PDC钻头布齿设计流程Fig.2PDC bit cutter arrangement design process 2第 1 期马亚超，等：PDC钻头布齿技术研究综述齿刃上的天然金刚石，且设计的钻头冠部轮廓曲线、布齿结构等与金刚石钻头基本一致。早期布齿阶段代表性布齿技术为散布式布齿技术：PDC切削齿按一定的布置方法镶嵌在钻头冠部表面上。散布式布齿方法的优点是能够充分利用钻头空间位置形成较大的布齿密度，使得钻头在钻井破岩时各切削齿的切削量基本相等。散布式布齿技术主要包括等距螺线布齿和不等距螺线布齿。然而，采用散布式布齿技术设计的PDC钻头有很多缺点：切削齿在冠部表面的露出量太少，切削齿易脱落折断；钻头在现场试验效果很差，机械钻速低，易产生“泥包”现象。散布式布齿技术发展一段时间后，PDC钻头布齿设计主要是根据实验室和现场试验的经验对钻头的结构进行改进，与之前的散布式布齿设计模式相比，提高了PDC钻头的破岩性能，促进了PDC钻头布齿设计技术的发展。但是，这种试验与经验相结合的设计方法缺乏成体系的理论，设计效率低下，设计的PDC钻头在钻井破岩过程中无法保持性能稳定，仍需进一步改进。因此，早期布齿阶段的PDC钻头布齿技术不够完善，仍有很大的进步空间。2.2经典布齿阶段经典布齿阶段的布齿设计方法是PDC钻头发展至今应用最为广泛的方法，该阶段形成了较完善的布齿技术，包括冠部曲线设计技术、径向布齿技术、周向布齿技术和工作角布齿技术。这些布齿技术关系到PDC钻头的冠部形状及其切削齿的布置位置，最终直接影响PDC钻头的破岩性能4。2.2.1冠部曲线设计技术PDC钻头的冠部曲线是指PDC切削齿在刀翼冠部表面形成的包络线，其会影响切削齿在钻头上的2个空间参数以及1个位置参数，即PDC切削齿到钻头轴线的距离Rc、PDC切削齿到钻头尾部的距离Hc和法向角。冠部形状不同的PDC钻头有完全不同的破岩效果5在经过早期布齿阶段后，PDC钻头冠部