pdc钻头水力优化研究与应用本科毕业论文.doc

北京化工大学硕士学位论文PDC钻头水力优化研究与应用姓名：张利申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：王奎升;朱明会20050520PDC钻头水力优化研究与应用摘要为了适应当今迅猛发展的钻井行业需要，国内外PDC钻头设计和制造技术正向着性能不断完善、综合指标不断提高的方向发展。水力因素对PDC钻头性能的影响是巨大的，钻井液在石油钻井中起着携带岩屑、清洗井底、冷却和润滑钻头、辅助破岩等多种关键功能作用。本文针对公司内PDC钻头产品的水力优化进行分析与研究，主要开展以下几个方面工作：(1)通过文献调研，连接国内外有关流场描述方法，确立采用理论分析与现场实验研究相结合的水力优化方法。(2)通过分析喷嘴水力特性以及其选用原则，计算PDC钻头压力降、喷嘴直径、喷嘴位置及其布置方式，即喷嘴内部结构分析。确定水力结构中喷嘴法向角、喷嘴数量、安放位置、喷嘴角。(3)本文正确选择水力参数，以减少甚至克服钻头泥包，增强冷却清洗效果，为如何评价PDC钻头水力清洗效果提出一种定量化标准。(4)根据经验公式和现场实验数据，利用delphi60配合Excel2000XP对PDC钻头水力系统进行编程分析，编制一套实用的现代钻头水眼设计软件。并对这套PDC钻头水眼设计程序做一简要介绍。总之，针对目前PDC钻头水力研究中存在的问题，本文从水力结构和水力参数两个方面进行研究。利用水力结构中喷嘴参数设计和喷嘴流线型设计对PDC钻头进行优化，为全面合理地设计PDC钻头提供有力保障。关键词：PDC钻头，水力结构，水力参数，水力优化，流场模拟THE STUDY AND APPLICATIoNoN HYDRODYNAMIC oPTIMIZATIoNoFPDC BITABSTRACTToday,in order to meet the need of rapid development of well drilling industry,the design and manufacturing technique of native and overseas PDC bit factories alecontinuously taking pains to improve the mechanical capability of their productsThe effect of hydrodynamic factor to general technical target of PDC bits is enormous；drilling slurry has several pivotal and multifunctional functions，such as schlepping rockoddment，cleaning well boRom，cooling or lubricating bit and auxiliarily fragmentizing rock,and SO onDuring the study course in allusion to hydrodynamic optimization of PDC bit，a sort of petroleum mechanical product in Our company,this paper mainly develops several aspects ofthe PDC bit as follows(1)On the basis of the contrast between domestic and foreign study on hydrodynamic investigative technique and abundant data correlative to this paperconsulted on native and overseas database，this paper ulteriody establishes PDC bit hydrodynamic optimization technique adopting the combination of theoretic analysisand experimentation in the drilling field(2)During the course of PDC bit hydrodynamic optimization techniquethispaper figures out hydrodynamic pressure of bit,the diameter and location of nozzles onbit crown and its arrangement mode，namely,study on nozzlesinterior structureThispaper respectively calculates constructional angle，number and location of nozzles and its spurt angle in hydrodynamic structure ofPDC bit(3)Duringthecourseof PDCbithydrodynamic parameters optimizationtechnique，this paper rightly chooses hydrodynamic parameters，decreases or conquersnozzlesjamming by slurry and rock oddment，enhances cooling and cleaning effect，bringsforwardasortofquantificationalcriterionforhowtoevaluatePDCbitIIhydrodynamic cleaning effect(4)According to experiential formulae and spot experimentation data,this paperanalyzes PDC bit hydrodynamic system with the software of deIphi60 and stmisficM calculation ofexcel2000xp，compiles a suit ofapplied pertinency software on nozzlesdesignThe seventh sectionof this paper simply recommends such nozzlesdesignprogramme on PDC bitInaword，inallusiontoexistentmattersduringthestudyOnPDCbithydrodynamic optimizmion，this paper develops investigative tasks on the two aspectsof hydrodynamic structure and drilling parameters analysisThis paper systemicallyoptimizes PDC bit hydrodynamic system on the basis of nozzles 7parameters design inhydrodynamic structure and nozzles 7 streamline mode design,reasonably supplieshydrodynamic design guarantee for PDC bit designKEYWORDS：PDCbit，hydrodynamicstructure，hydrodynamicparameters，hydrodynamic optimization and current field simulation11I譬736823北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：易戚扩1够年歹月日注：本声明应放在学位论文首页。北京化工大学工程硕士学位论文第一章绪论11本文的意义聚晶PDC切削齿钻头(polycrystalline diamond compact bit)简称PDC钻头， 是美国石油工业在八十年代的一项重大技术成就。由于它具有锋利、耐磨并能自 锐的复合片切削点，能在均质的软到中硬地层中，以较低钻压获得高钻速和高进 尺。自它问世以来，就迅速在世界范围内得到广泛应用，占据了切削齿型钻头90 的市场，总进尺占全世界钻井总进尺的25，并成为定向钻井、深井钻井、海洋 钻井、井下动力钻井和小井眼钻井工程中的一种重要工具。随着PDC钻头的切削结构和切削齿的不断改进，PDC钻头破岩能力得到了大幅度提高，然而，钻进过程中的水力学问题日益突出。现场应用中出现的PDC钻头钻进软地层时清洗不充分而易于泥包，钻进硬地层时切削工具的快速热磨损和钻头体冲蚀造成的钻头失效现象，一直是钻头设计者和使用者力求解决的问题之。在早期的研究中，我们通过合理设计切削齿的位置，以及在使用中选用合理水力参数，使这一问题有了一定改善。因此，怎样通过PDC钻头的水力优化来改进钻头水力参数设计，改善沿钻头面尤其是沿切削刃的液流分布，为切削点提供最优的清岩和冷却效果，已成为钻头设计者和使用者关心的一项重要问题。图1-1 PDC钻头水力循环(参数)示意图图I-2 PDC钻头水力结构实物图PDC钻头水力学的研究大致分为两个方面：一是钻头水力参数研究，如图1-1所示。一是钻头水力结构研究，如图12所示。钻头水力参数研究主要是钻头使用者针对某一类型PDC钻头研究其使用过程中为提高钻速和延长寿命所应采取的水北京化工大学工程硕士学位论文力控制参数，如排量、泵压、喷嘴直径、钻头水功率等。钻头水力结构研究主要是钻头设计者在研究液流的清洗和冷却机理的基础上，研究为使井底液流分布达到最优的清岩和冷却效果而在钻头设计时所采取的结构形式，如喷嘴的尺寸、形状、个数、安放位置、倾角以及流道形状等。对于不同的钻头水力结构，在钻头面上和沿切削齿将存在有不同的液流分布，而不同的液流分布对钻头的清洗和冷却效果不同。故而，为提高最优的对切削齿的清洗和冷却效果，进行PDC钻头的水力优化是十分必要的，而这种优化设计是在对PDC钻头井底流场充分了解的基础上进行的，那么描述PDC钻头井底情况是进行PDC钻头水力优化设计的基础，但由于PDC钻头的钻头面结构复杂，有若干喷嘴、切削块等，现在不能用理论解析法解决如此复杂结构条件下流动问题。石油大学管志川等人较好地利用针对某一具体结构的钻头通过流动显示实验进行描述和评价，采用数值模拟和实验相结合的方法研究了PDC钻头在井底条件下多股射流撞击井底时的紊流流场结构及特征参数，为本文顺利完成PDC钻头水力优化提供了必要的研究数据和分析依据。水力因素对PDC钻头性能的影响是巨大的，钻井液在石油钻井中起着关键的和多种功能的作用：携带岩屑、清洗井底、冷却和润滑钻头、辅助破岩等。钻头水力学就是用以描述钻井液功能的专门术语。钻头水力学对PDC钻头使用性能的重要性比其他应用更重要：(1)PDC钻头以剪切方式破碎岩石，而且有极高的钻速，产生大量需要从井底清除的岩屑；(2)PDC钻头喷嘴靠近井底，在软地层，能借助水力冲刺地层，提高钻速；(3)聚晶PDC热稳定温度为700。C，在切削过程中，切削齿的温度可上升到600，因此，PDC钻头切削齿完全依靠水力冷却和润滑。在软地层，PDC钻头的钻速常常受到清洗效率的限制。当排量或水力能量减小时，由于岩屑的清除变慢使钻速下降，并可能导致岩屑的反复碾磨或钻头泥包。过大的喷速和流速也应避免，以防过度地冲蚀钻头体，致使切削齿及喷嘴的脱落。钻头水力学对PDC钻头使用性能有全局性影响：(1)PDC钻头下射流流动物理现象是非常复杂的，其射流和漫流结构与牙轮钻头的不同；(2)PDC钻头水力作用不仅是破岩和清岩，而且能更充分地润滑和冷却PDC钻头切削齿：2北京化工大学工程硕士学位论文(3) 除考虑利用射流水力率外，还应注意水射流对钻头胎体的冲蚀破坏作用。因此，虽然每只钻头特定需求或应用可能不同，但水力学设计的主要宗旨应该是：(1) 迅速地将岩屑移运到环空处。(2) 保持钻头体清洁，冷却复合片切削齿。(3) 足够的水力参数，以保持持续有效地配合机械破岩。12本文的来源本文针对公司内一类石油钻井机械产品PDC钻头，为提高其水力效率而设的水力参数优化研究，是天津市大港油田集团中成机械制造有限公司项目“PDC钻头质量全面提升”课题的部分研究内容。研究的目的就是针对PDC钻头的结构特点，采用相应的理论分析和实验相结合的方法研究钻头在井底条件下多股射流撞击井底时流场整个结构及其参数特征，为达到PDC钻头水力结构优化设计提供必要的研究手段和设计依据。13本文研究的主要内容本文正是针对目前PDC钻头水力研究中存在的问题，从水力结构和水力参数两个方面进行研究工作。利用水力结构中喷嘴参数设计和喷嘴流线型设计对PDC钻头水力参数进行优化，为全面合理地设计PDC钻头提供水力设计方面的保障。论文将主要做以下几个方面的工作：(1)通过文献调研和国内外有关流场描述方法的对比，确立了采用理论分析与现场实验研究相结合进行PDC钻头水力优化方法的探索与应用；(2)在水力结构优化中，通过分析喷嘴水力特性，以及其选用原则进行计算PDC钻头压力降喷嘴直径、喷嘴位置及其布置方式，即：喷嘴内部结构分析。(3)在水力参数优化过程中，通过分析PDC钻头水力参数设计原则和喷嘴射流水力特性，分别计算喷嘴出口处和井底水力参数并进行优化。同时辅以Matlab60强大的程序控制流场模拟图及相应的Maflab60语言程序迸行形象逼真地描述PDC钻头水力流场。(4)经过现场实验总结，对各类钻头喷嘴和井底水力参数探讨。3北京化工大学工程硕士学位论文(5)钻井工艺注意事项初步研究：机械和水力联合破岩初探。(6)根据经验公式和现场实验数据分析，利用delphi60配合Excel2000XP统计与计算功能对PDC钻头水力系统进行编程分析，编制一套适用于现代钻头水眼的设计软件。4北京化工大学工程硕士学位论文第二章PDC钻头水力学分析及其发展现状21PDC钻头发展现状20世纪70年代初期，KSEPL研究机构调查研究PDC钻头切削齿的应用前景，并与克罩斯坦森PDC钻头制造商通力合作5年。一种新型高性能钻头，即聚晶金 刚石复合片钻头(简称PDC钻头)就出现了。1973年美国克里斯坦森公司生产出 石油钻井用的PDC钻头，并于同年11月在克罗拉多州进行了现场实验。1975年， 克里斯坦森公司与石油公司联合进行PDC钻头的研制工作，在1977和1978年成 功获得PDC钻头工业性产品，此后在荷兰大范围使用改进的PDC钻头，取得令人 满意的成果。1979年，在北海油田使用PDC钻头取得技术上的突破，创造单位进 尺成本最低记录。PDC钻头采用聚晶PDC复合片作为切削元件，即切削齿，由烧 结工艺固接到碳化钨钻头体上，或固结到碳化钨基柱上而镶嵌在钻头刚体上。本 论文是以胎体式钻头为研究对象的。80年代，PDC钻头已经成为美国石油钻井工业四大钻井新技术之一。PDC钻头以锋利、耐磨、自锐的PDC为切削齿，在低钻压下可以得到高钻速和高进尺，从而可以大大缩短钻井周期、节省人力物力以及降低钻井成本。1983年PDC钻头 的进尺已占西方钻井总进尺的11左右。 并于同年，为了解决PDC钻头复合片工 作温度高于7300C切削能力下降的问题， 钻头研制者又开发研制热稳定聚晶PDC钻头，即TSP钻头。1987年，大复合片PDC钻头开始投入市场，在极软软中等粘性地层可以取得较高机械钻速，克服了在水性化很强的页岩层钻进时的泥包问题。近年来，钻头家族又出现了不少的新型钻头及其型号，如马赛克钻头、BDC钻头和大小复合片混布钻头等，都在石油钻井工业中起到不可取代的角色。随着PDC钻头技术的进步和高效低成本石油产品需求的增加，PDC钻头将在石油钻井行业中占有更加重要的地位。我国从八十年代初开始了解到PDC钻头，1985年引进少量开始试用，在“七五”期间才开始发展自己的PDC钻头以满足国内钻井施工的需求，同时国内一些厂家也开始用国产原料来试制PDC钻头。大港油田集团中成机械制造有限公司就5北京化工大学工程硕士学位论文是国内最早研制和生产PDC钻头的石油部定点专业生产厂家之一，我公司在PDC钻头的研究、设计、生产等方面皆处于全国一流水平。单位拥有从事PDC钻头设计、制造和生产的软件、硬件设备，在该领域进行过大量探索研究，并取得许多成果。我单位是专门制造石油钻井用各种类型人造PDC钻头的专业制造厂，技术力量雄厚，并拥有一批从事PDC钻头研究及制造三十多年的专家和技术熟练职工。所有产品都通过API Spec Q1XAPI Spec 7标准认证。目前，我们可以生产4”12 14”的各类PDC钻头以及专门为用户设计制造特殊要求的钻头。22 PDC钻头水力学概述221PDC钻头水力学水力因素对任何井下钻进都是十分关键的。而对于PDC钻头来说，它比其它类型钻头显得更为重要。喷嘴及排屑槽一起提供了清洗和冷却PDC钻头及减少岩屑向环形空间排除所经距离的基本流动模式，如图2一l所示。PDC钻头水力学就是专门用来描述在PDc钻头条件下水力因素的作用的。图21 PDc钻头单个刀翼水眼及流道由于钻头水力学对PDC钻头性能有着全局性的影响，所以要合理控NPDC钻头的水力因素，使其能有效地携带岩屑，清洗井底和钻头，避免泥包，冷却切削齿，并发挥水力破碎岩石作用，从而提高钻头的机械钻速和钻进效率。也就是说，要最大限度地充分利用钻头可获得的水力能量，才能获得最优钻头性能，这在深井钻井时尤其明显。在这些情况下系统能量损耗降低了钻头上可利用的水力能和机械能。钻头水力学对PDC钻头性能的影响主要表现在三个方面：(1)钻头冷却当PDC钻头钻进较硬或腐蚀性较强的地层时，切削齿的工作部分，是温度升高的部分。PDC复合片的热稳定性上限温度为7500C，在钻进过程中，当切削刃的温度超过7750C时，PDC将迅速衰变，磨损加剧。因而尽可能保持PI)C切削齿冷却以延长钻头寿命是至关重要的，这可以通过喷嘴在所有切削齿的PDC表面和切削齿基底周6北京化工大学工程硕士学位论文围产生高速流来实现。(2)井底清洗由于PDC钻头主要靠剪切作用并较深地吃入地层来破碎岩石，所以有大量的岩屑需要从井底及时清除，尤其在软地层，钻速常常主要取决于钻头清除岩屑的能力如何。为某一地层设计的PDC钻头，即使只有一小部分岩屑不能立即从井底排走，这些岩屑也可能粘结到钻头上的滞流区，最终导致钻头泥包。将岩屑快速地从井底移运到环空，可大大地提高机械钻速。另外使重复切削滞留在井底的岩屑所耗费的能量减少到最小，也能提高钻头的机械效率。因此最大的移屑速率将使PDC钻头具备最大机械钻进潜力。(3)辅助破岩PDC钻头的喷嘴出口到井底的距离非常小(一般小于lO倍喷嘴主径)。射流在到达井底的过程中，水力能量损耗较小，射流冲击力使岩屑翻转离开井底从而清洗井底，在软地层中钻进时还可借助水力射流冲刷地层，实现水力直接破碎岩石，提高钻头的机械钻速。因此，虽然每种钻头的特定需求或应用可能不同，但水力学设计的主要宗旨应该都是：冷却切削齿；保持钻头体清洁；将岩屑迅速地移运至环空。222 Poc钻头水力学研究关于PDC钻头水力学的研究目前可归纳为两大方面：一是钻头水力参数研究，一是钻头井底流场和水力结构研究。钻头水力参数研究主要包括使用过程中为提高钻速和延长钻头使用寿命所应采取的水力控制参数和措施，如排量、泵压、喷嘴直径、钻头水功率和钻头冲击力等。钻头井底流场和水力结构研究主要是钻头设计者在研究液流在井底的流动规律以及液流的清岩和冷却机理的基础上，为使井底液流和水力能量分布达到最优的清岩和冷却效果而在钻头设计时研究所应采取的结构形式，如喷嘴尺才、形状、安放位置、倾角以及钻头流道形状和布置等。223PDC钻头水力学研究方法PDC钻头水力结构的研究是在对液流在井底和钻头面上的流动规律、水力能量分布以及液流的清岩和冷却机理研究的基础上进行的，即针对钻头的不同机械结构(机械破岩所需的结构形式)，研究其配合不同水力结构形式时所产生的井底流速场和压力场，然后根据水力作用对井底和钻头的清岩和冷却机理，找到与某种机械结构的钻头相匹配的。能使岩屑尽快离开井底和切削刃，以最短路径到达7北京化工大学工程硕士学位论文井壁并举升到环形空间的良好的井底流场，同时研究产生各种不同井底流场的水力结构条件，为钻头的水力结构优化设计提供依据。由于在井底条件下，钻头表面结构复杂，有若干喷嘴，对PBC钻头有切削齿、筋板、流道等，再加上钻头的旋转，因此根据目前流体力学的基本理论，用解析的方法还不能描述如此复杂结构条件下的流动问题。对井底流场的研究通常采用的方法是针对某一具体结构的钻头，通过流动显示实验进行描述和评价。但这种方法受实验条件及仪器设备的限制，一般不能给出完整的流道描述结构，且对不同结构的钻头必须制造不同钻头模型进行实验，实验条件不能进行灵活的改变，导致研究成本较为昂贵。高速计算机的出现，使得通过采用数值计算的方法求解流体力学基本方程的设想成为可能，目前计算流体力学己广泛应用于各种水力计算。对钻井井底流场的描述与研究也出现了数值模拟方法。因此，到目前为止，关于井底流场的研究及描述方法分为流动显示实验法和数值模拟法。流动显示实验法又具体分为(1)染色液法(2)贴线法(3)涂漆法(4)示踪颗粒轨迹法。染色液法是在循环时从钻头某一水眼注入染色液体，观察染色液体在钻头表面上的覆盖面积，从而求出较好地覆盖整个钻头面(或井底)的喷嘴组合。用这种方法只能定性研究喷嘴出流所能冲洗和冷却到的钻头面，对钻头井底流场的研究不是一种有效的研究手段。贴线法是在要研究的钻头表面粘贴上柔软的彩色短线，当流体循环时彩色短线随液流方向摆动，彩色短线的摆动方向即为液流流动方向。用这种方法可以定性研究钻头表面的流场特征，发现钻头表面的旋涡区和滞流区。涂漆法研究钻头流场有三种测试方式。第一种是”鲜漆测试”，其方法是首先在钻头面上涂上一层漆，并晾干，然后再涂上一层与第一层漆的颜色形成鲜明对比的漆。在第二层漆涂上之后就立即开始实验(即开泵循环)循环几分钟后停泵，循环流体冲刷第二层漆后留在钻头表面的鲜漆图案即为液流的流线图案。第二种是点漆测试，这种测试是在第一种测试之后，对所得到的流线方向有怀疑的地方进行补充测试。其方法是在第一层漆晾干之后，那些对流动方向有怀疑的地方滴上与第一层漆有鲜明对比的漆点，然后开泵循环，通过漆点在钻头表面的扩散情况，进一步解释该处的流动方向。第三种是”冲蚀”测试。其方法是在钻头上涂上若干层漆，每层漆要晾干后再涂下一层，每层之间的颜色要形成对比。等漆干了以后开泵循环，进行冲蚀实验，根据冲蚀掉的漆的层数判断钻头面的冲蚀程度和易冲蚀点。用涂漆测试的方法可以描述流体在钻头面上流动的各种不同的R北京化工大学工程硕士学位论文流动结构，如旋涡、冲蚀点、回流等。但这也是一种定性的实验研究方法。示踪颗粒轨迹测试法是目前研究PDC钻头井底流场应用比较成功和有效的方法，这种方法是在循环流体中加入具有适当尺寸和密度的一定量的颗粒，当液流循环时颗粒跟随液体一起循环，每个颗粒相当于一个流体质点，用高速摄影技术将颗粒在井底的运动轨迹留在胶片上，通过对摄影胶片的图像处理，可以得到井底某平面的液流速度场，这不仅可以确定液流方向，还可以确定在平面上的液流速度值。不过，目前这一技术只能用于二维流场的研究。数值模拟方法是近几年随着计算流体力学学科的发展而产生的一种研究钻头流场的方法。主要内容是通过求解PDC钻头条件下的三维不可压缩流体的NavierStokes方程，在计算机上再现PDC钻头井底流场的物理图像。通过这种方法可以较全面完整地描述PDC钻头的三维流场，并可以比较灵活地变化钻头的水力结构条件，为钻头的水力结构的优化设计提供便利的研究手段。不过，利用这种方法，要求计算机要有大的存储容量和运算速度。随着大型计算机的不断出现和数值方法的不断完善，这种方法将有比较广阔的发展前景。224研究中存在的问题和展望目前所有的研究都是针对某种具体结构的钻头进行的，都没有找出各种钻头的共同之处，给出普遍的规律，即没有给出一旦一种新型的PDC钻头的机械结构设计好以后，水力结构中喷嘴数量、安放位置、角度、指向和流道布置怎样与之相匹配的设计规则。一点也不难理解，因为PDC钻头的结构复杂多样，只要钻头结构稍有变化，其流场结构就相应发生变化。因而很难找到一个描述PDC钻头流场的普遍规律。这也是近期PDC钻头水力结构研究都提到要采用数值模拟方法的原因。数值模拟方法是通过不同结构条件下建立PDC钻头物理模型和边界条件求解描述流体流动规律的基本方程，只要经过比较简单的实验验证数值计算方法是正确的，就可以在计算机上进行模拟实验，灵活地改变实验条件、克服采用实验方法时带来的研究成本昂贵、周期长、实验条件变化不灵活以及由于仪器设备条件限制对流场描述不完整的缺点。因此，采用数值模拟方法来描述PDC钻头井底流场，进行钻头水力结构优化将是PDC钻头水力学研究的一个方向。225 PDC钻头水力学分析 预澳IJPDC钻头的井底流场，首先应该对PDC钻头的井底清洗机理作进一步的认识。清洗井底就是将PDC切削齿产生的岩屑迅速地移运到环空。为了实现这一目的，9北京化工大学工程硕士学位论文就必须对PDC钻头的切削机理、泥包机理和井底流动机理等有深入的了解，并且在设计水力参数和结构参数时，还应该考虑到钻头的冲蚀情况以及切削齿的热磨损状况。(1)PDC钻头破岩分析PDC钻头对岩石的破碎机理，取决于钻头的切削结构及所钻地层的硬度和岩性。PDC钻头的破岩方式主要有四种，批即剪切、预破碎、犁削及磨削。剪切从岩石破碎力学可知，岩石的抗剪强度比其抗压强度要低得多，两者比值在009015左右。显然，采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式破碎岩石要容易而有效得多。PDC钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，从而达到快速钻井的目的。当PDC钻头在软到中等硬度地层钻进时，复合片切削齿在钻压和扭矩的作用下克服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩屑呈大块片状。这一切削过程与刀具切削金属材料非常相似。预破碎 预破碎(开槽效应)是PDC钻头的”尖圆”齿交替布置切削结构所特有的岩石破碎方式，主要作用于以纯剪切方式不容易钻进的地层，如中等、中硬和硬地层及带有硬夹层的地层等。预破碎过程是通过开槽切削来完成的，具有这种切削结构的钻头在钻进过程中，尖形切削齿因与地层接触面积小受力集中而先行吃入地层，岩石在接触应力作用下产生破碎裂纹，随着钻头的不断旋转，尖形齿在岩石中可切出一条条小小的螺旋状”卸荷”槽，紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削，其强度己大大减弱的大块岩石，达到快速钻进的目的。这样大大提高了切削效率，降低了切削齿的磨损速度。犁削岩石在钻头钻进过程中，由于终到切削齿的作用，在其内部发生破碎并向表面传递。堆积在切削齿前面的破碎岩屑由于切削齿的移动被推向两边，最后由泥浆带出井底，这一切削过程类似于犁地过程。磨削PDC钻头在钻进极硬的粗晶粒地层时，其切削结构常常以磨削方式破碎岩石。切削齿在钻进过程中克服岩石的高抗压强度实现岩石的局部破碎。由于硬地层岩10北京化工大学工程硕士学位论文石的高强度，使破碎的岩屑比较小，呈细粒状，因而钻头的机械钻速相应较低。(2)PDC钻头热磨损分析PDC切削齿是PDC钻头的主要工作元件，而PDC金刚石层则是PDC切削齿的主要工作部分，它承受着绝大部分的工作载荷(包括钻压、切削阻力等)，一旦损坏，将影响钻头的性能，严重时甚至可能导致整个钻头的失效。因此，水力学的任务就是提供良好的清洗和冷却，尽可能使PDC层的温度不致过高，从而避免热磨损现象。由于在PDC颗粒与粘结剂之间的缝隙里充填了金属材料钴，而钴与PDC颗粒的热膨胀率大不一致。在钻进过程中，切削齿和岩石表面问要产生大量的摩擦热，这时如果清洗和冷却不好，热量将使PDC层内部产生很大的热应力，并形成微裂纹。当外载作用在PDC切削齿上时，就导致切削齿PDC层的碎裂。当磨损平面形成后，会产生更多的热量，热磨损将进一步加剧。PDC层的热磨损有两个临界温度，即3500C和7500C。当磨损平面平均温度低于350C时，热磨损不明显，切削齿的磨损属于磨粒磨损；当磨损平面平均温度高于3500C而低于7500C时，由于VCCo的软化，致使wcco基底的磨损速度明显加快，PDC层微碎裂加剧；当磨损平面平均温度高于750时，PDC层的内应力急剧增加，致使PDC颗粒剥落。实际上在7500C以后，PDC切削齿在井底条件下已无法工作，寿命终止。热磨损的解决办法有两种，一是从冶金学角度提高PDC切削齿的耐高温能力，研制热膨胀性能与PDC颗粒更接近的新生填充材料；另一种办法就是从钻头结构上提高其水力冷却效率。而后者对钻头制造者和设计者来说，更切实可行，是一个重要的研究方向。(3)PDC钻头泥包分析泥包是影nI自PDC钻头性能的重要原因之一，只有正确认识泥包机理，才能有效地防止泥包的发生，从而提高钻头性能。钻进时由钻头牙齿机械破碎的岩屑如果不能及时被清除，就会在井底被重复切削，甚至影响钻速和进尺。在水力能量不足的情况下井底岩屑不能及时被清除的主要原因是因为岩屑处于被压持着的状态。常见的泥包形式主要有钻头泥包和井底泥包两种。切屑粘结到切削结构以及钻头体上就形成钻头泥包，它严重削弱了钻头的破岩能力。而井底泥包是指切屑与泥浆的粘性混合物形成一层厚厚