第四節(jié)聚晶金剛石鉆頭

以金剛石類材料為切削齒的鉆頭統(tǒng)稱為金剛石鉆頭。按照金剛石種類的不同，將金剛石鉆頭分為四類：1、聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭2、熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（TSP）3、表鑲金剛石鉆頭4、孕鑲金剛石鉆頭聚晶金剛石復合片鉆頭表鑲金剛石鉆頭孕鑲金剛石鉆頭一、金剛石類材料簡介1、切削齒對材料性能的要求1）良好的機械力學性能。破巖需要良好的硬度、強度、韌性。2）耐磨性。抵御巖石的磨損。滿足以上要求的材料有金屬陶瓷、金剛石，統(tǒng)稱為超硬材料。比如:硬質(zhì)合金、單晶和聚晶金剛石等。金剛石是人類目前所知材料中最硬、抗壓強度最強、抗磨損能力最高的材料，因此它是作為鉆頭切削刃最理想的材料。

天然單晶金剛石2、金剛石的種類金剛石按其成因可分為兩大類：天然金剛石：單晶金剛石;人造金剛石：單晶或聚晶金剛石、聚晶金剛石復合材料。人造單晶金剛石聚晶金剛石聚晶金剛石復合材料——復合片圖1爪型復合片圖2常規(guī)復合片聚晶金剛石層硬質(zhì)合金3、金剛石石材料簡介介1）性能硬度彈性模量沖擊韌性熱脹系數(shù)熱傳導系數(shù)數(shù)抗壓強度2）金剛石石的結(jié)構(gòu)石墨金剛石金剛石為石石墨的同素素異形體。。金剛石的晶晶體類型：：3、合成金金剛石機理理與工藝碳的相圖人造金剛石石的是用石石墨在某些些金屬觸媒媒的作用下下，在5～～10MPa壓力及及1000°C～2000°°C高溫條條件下制成成單晶金剛剛石。目前前已能合成成直徑3mm或更大大的大顆粒粒單晶金剛剛石，但成成本較高。。目前我國人人造單晶金金剛石的產(chǎn)產(chǎn)量已居世世界第一位位。合成金剛石石的方法很很多，主要要有高壓法:靜壓法動壓法低壓法:CVD法

兩面頂壓機合成金剛石原理圖六面頂壓機機結(jié)構(gòu)原理理4、金剛石石材料的特特點優(yōu)點：硬、、耐磨缺點：①脆性較大大，遇到?jīng)_沖擊載荷會會引起破裂裂。②熱穩(wěn)定性性較差，在在高溫下金金剛石會燃燃燒變?yōu)槎趸己秃鸵谎趸继迹辉诳諝鈿庵?，約在在455～～860℃之間，金剛剛石就要出出現(xiàn)氧化燃燃燒；在惰惰性或還原原性氣體中中不會氧化化燃燒，但但約在1430°C時，金剛剛石晶體出出現(xiàn)同素異異形轉(zhuǎn)換變變成石墨。。對于聚晶晶金剛石復復合片由于于內(nèi)部含有有部分金屬屬，由于金金屬材料的的熱膨脹系系數(shù)遠大于于金剛石的的熱膨脹系系數(shù)，急劇劇受熱容易易引起熱裂裂。因而，金剛剛石鉆頭的的設計、制制造和使用用中必須避避免金剛石石材料經(jīng)受受高的沖擊擊載荷并保保證金剛石石切削齒的的及時冷卻卻。5、金剛石石切削齒1）單晶金金剛石種類：天然然、人造特點：顆粒粒小。2）聚晶金金剛石聚晶金剛石石是將直徑徑約1～100um之間的人人造金剛石石單晶微粉粉，加入一一定配比的的粘結(jié)金屬屬或其他材材料在高溫溫高壓下聚聚合而成的的大顆粒的的多晶金剛剛石材料。。有PDC和TSP兩類。①聚晶金剛石石復合片結(jié)構(gòu)：復合片為圓圓片狀，金金剛石層厚厚度一般小小于3mm，切削削巖石時作作為工作層層，碳化鎢鎢基體對聚聚晶金剛石石薄層起支支撐作用。。特點：A、金剛石石和硬質(zhì)合合金兩種材材料的有機機結(jié)合，使使PDC既既具有金剛剛石的硬度度和耐磨性性，又具有有硬質(zhì)合金金材料的強強度和抗沖沖擊能力。。圖1爪型復合片圖2常規(guī)復合片聚晶金剛石層硬質(zhì)合金B(yǎng)、自銳性性由于金剛石石的耐磨性性是硬質(zhì)合合金的300倍以上上，在鉆進進過程中硬硬質(zhì)合金磨磨損量大于于金剛石層層，使得金金剛石層始始終保持一一定的出露露量，整個個復合片齒齒始終保持持良好的鋒鋒利性。C、熱穩(wěn)定定性差聚晶金剛石石復合片內(nèi)內(nèi)部含有部部分金屬觸觸媒，由于于金屬材料料的熱膨脹脹系數(shù)遠大大于金剛石石的熱膨脹脹系數(shù)，急急劇受熱容容易引起熱熱裂。同同時由于于金剛石層層與硬質(zhì)合合金的熱脹脹系數(shù)存在在差異，受受熱也會造造成金剛石石的脫層。。其耐熱溫度度﹤700°。。D、脆性大大，抗沖擊擊韌性差金剛石本身身脆性大；；硬硬質(zhì)質(zhì)合金層與與金剛石的的彈性模量量不同，沖沖擊響應頻頻率不同，，受沖擊載載荷作用時時，金剛石石層受到的的沖擊不能能完全由硬硬質(zhì)合金層層吸收，容容易造成金金剛石層發(fā)發(fā)生崩裂，，因次適應應地層受到到限制。為提高硬質(zhì)合金層層與金剛石石層之間的的結(jié)合強度度，增強復合片的耐耐沖擊韌性性，對硬質(zhì)質(zhì)合金層與與金剛石層層的結(jié)合方方式進行了了不同的處處理，出現(xiàn)現(xiàn)了多種結(jié)結(jié)構(gòu)的復合合片。3、種類常用的PDC直徑為為13.4mm、16mm、19mm和8mm。目目前PDC正朝著大大直徑方向向發(fā)展，最最大的直徑徑可達50.8mm，而且且金剛石層層也有加厚厚的趨勢，，已有厚度度達2.5mm的PDC齒。。②熱穩(wěn)定性性聚晶金剛剛石（ThermallyStablePolycrystalline(TSP)Diamond）與PDC的的主要區(qū)別別：將聚晶晶金剛石中中的金屬粘粘結(jié)劑用酸酸去除，使使聚晶金剛剛石的耐溫溫性大大提提高。耐熱熱溫度達到到1150°。特點：顆粒粒較大，有有一定的耐耐溫性。熱穩(wěn)定聚晶晶金剛石二、PDC鉆頭PDC鉆頭頭（PolycrystallineDiamondCompactBit，即聚晶晶金剛石復復合片鉆頭頭）是隨著著PDC復復合材料的的發(fā)展而發(fā)發(fā)展起來的的一類新型型鉆井工具具。它是美美國石油鉆鉆井工業(yè)20世紀80年代的的一項重大大技術(shù)成就就。PDC鉆頭頭在石油鉆鉆井中的應應用使于70年代中中期。以鋒鋒利、耐磨磨、能夠自自銳的聚晶晶金剛石復復合片切削削齒剪切破破碎巖石。。由于這種種鉆頭在軟軟到中硬地地層中機械械鉆速高、、壽命長，，大大降低低了鉆井成成本，所以以PDC鉆鉆頭廣泛應應用于軟到到中硬地層層的油井的的鉆進。目前，PDC鉆頭的的用量和在在鉆井中總總進尺的比比例逐年上上升，迄今今已達到45%左右右。一)鉆頭結(jié)結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、PDC鉆頭分類類按鉆頭體材材料分類：：鋼體、胎胎體；按刀翼數(shù)量量分類：3-12刮刮刀。鋼體PDC鉆頭胎體PDC鉆頭鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)切削結(jié)構(gòu)水力結(jié)構(gòu)3、PDC鉆頭結(jié)構(gòu)構(gòu)參數(shù)切削結(jié)構(gòu)基基本參數(shù)切削結(jié)構(gòu)冠部形狀刀翼的數(shù)量及結(jié)構(gòu)切削齒的分布切削齒的空間位置保徑結(jié)構(gòu)水力結(jié)構(gòu)流道的結(jié)構(gòu)噴嘴及空間結(jié)構(gòu)水力結(jié)構(gòu)基基本參數(shù)：：二）切削結(jié)結(jié)構(gòu)及參數(shù)數(shù)1、冠部形形狀鉆頭冠部形形狀是指鉆頭切切削齒外部部輪廓的包包絡線。由由內(nèi)錐、外外錐和鼻部部組成（見見圖）。鉆頭冠部形狀短拋物線長拋物線鉆頭的冠部部形狀決定定了鉆頭切切削形成的的井底形狀狀，使得切切削齒接觸觸井底的先先后次序發(fā)發(fā)生變化。。由于最前端端的切削齒齒（鼻部齒齒）在半無無限體狀態(tài)態(tài)下破碎巖巖石，所受受的單位面面積的切削削力最大，，而后序切切削齒由于于自由面形形成，所受受的單位面面積的切削削力逐次降降低。因此此鉆頭冠部形形狀對切削削齒的受力力有較大的的影響。同時內(nèi)錐影響鉆鉆頭的穩(wěn)定定性，外錐錐影響鉆頭頭的布齒數(shù)數(shù)量和布齒齒密度；內(nèi)內(nèi)外錐結(jié)構(gòu)構(gòu)對流道形形狀也有較較大的影響響。①冠部形狀參參數(shù)：對于通常采采用的圓弧弧形冠部，，其形狀可可由內(nèi)錐角角和外錐圓弧弧半徑r兩兩個參數(shù)確確定（圖））。②冠部形狀狀參數(shù)確定定方法冠部內(nèi)錐角角的大小影響響鉆頭的穩(wěn)穩(wěn)定性，內(nèi)內(nèi)錐角越小鉆頭越越穩(wěn)定。隨隨著地層硬硬度的增加加，內(nèi)錐角角逐漸減小小、內(nèi)錐高高度增加，，以保持鉆鉆頭的穩(wěn)定定性。內(nèi)錐錐深度與內(nèi)內(nèi)錐角有關關，按內(nèi)錐錐角的大小小將內(nèi)錐深深度分為淺淺錐和深錐錐兩種，對對應關系為為：內(nèi)錐角﹥130°———淺錐內(nèi)錐角≦130°———深錐一般根據(jù)地地層軟硬變變化取值范范圍為120°—170°。。鉆頭的外錐錐弧半徑?jīng)Q決定了擺放放切削齒的的總數(shù)量、、切削齒的的切削體積積和流道的的形狀，因因此外錐圓圓弧半徑與與鉆頭齒的的磨損和攜攜巖效果密密切相關。。圓弧半徑的的確定原則則為：在保保持攜巖流流道暢通的的前提下，，盡量減小小圓弧半徑徑。同時要要考慮鉆頭頭轉(zhuǎn)速，一一般轉(zhuǎn)速越越快外錐部部位磨損越越嚴重，需需要增加圓圓弧長度以以增加切削削齒的數(shù)量量。常規(guī)鉆鉆頭外錐圓圓弧半徑由由冠部高度度系數(shù)確定定：冠部高度系系數(shù)定義為為：冠部高度即為鉆頭圓圓弧部位的的總高度。。按照冠部高高度系數(shù)將將冠部圓弧弧半徑大小小分為四級級（如圖）），具體分分級描述如如下：冠部圓弧半半徑大小分分級冠部高度系系數(shù)與適用用條件的對對應關系為為：2、布齒齒密度與布布齒間距布齒密度定定義為單位位長度內(nèi)切切削齒的總總面積，也可用兩兩個切削齒齒之間的切切削弧長表表示（如圖圖）。布齒齒密度的大大小由冠部部形狀、刀刀翼數(shù)量和和布齒間距距決定。在在冠部形狀狀、刀翼數(shù)數(shù)量確定的的條件下，，布齒密度度取決于布布齒間距的的大小。布齒間距定義為刮刀刀上相鄰兩兩切削齒之之間的間隙隙寬度（圖圖）。為使切削齒齒準確定位位，切削齒齒之間不能能接觸，因因此需要一一定的布齒齒間距。布布齒間距由由冠部圓弧弧半徑、切切削齒長度度、切削齒齒直徑、齒齒前角、切切削齒后部部距離決定定（如圖））。3、切削削齒空間結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)PDC鉆頭頭切削齒空空間結(jié)構(gòu)由由四個基本本參數(shù)確定定：齒前角角、側(cè)轉(zhuǎn)角角、裝配角角和位置角角（如圖））。①齒前角金剛石復合合片繞水平平直徑線旋旋轉(zhuǎn)一個角角度，切削削齒切削平平面和切削削齒軸線所所成的角稱稱作齒前角。研究表明，，齒前角的的大小與破破巖效果密密切相關，，齒前角絕絕對值越大大，下部的的巖石多向向壓縮應力力增加，壓壓碎的巖石石比例增大大，不易形形成較大體體積的剪切切破碎，破破巖效率降降低；而齒齒前角變小小，一方面面復合片后后部趨于平平緩，切削削齒不易深深度吃入地地層，另一一方面由于于切削齒受受拉、彎應應力相對增增加，易造造成復合片片崩裂。因因此齒前角角存在最優(yōu)優(yōu)值（如圖圖）。最優(yōu)值的大大小與地層層特性、切切削齒的性性能等因素素有關。一一般而言，，對于較硬硬地層，齒齒前角絕對對值取大值值。對于軟軟地層齒前前角絕對值值應較小，，一般在-10°到到-30°°度范圍內(nèi)內(nèi)。中心部部位切削齒齒由于回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)半徑很小小，受力狀狀態(tài)復雜，，齒前角絕絕對值較大大，其它部部位切削齒齒的齒前角角根據(jù)地層層條件確定定，其選擇擇范圍見表表：②側(cè)側(cè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角由于于切切削削齒齒有有一一定定的的厚厚度度，，當當其其在在切切槽槽中中旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時時，，由由于于其其切切削削刃刃部部分分集集中中在在復復合合片片前前部部（（1-2mm）），，其其后后部部支支撐撐部部分分會會在在環(huán)環(huán)槽槽內(nèi)內(nèi)與與地地層層產(chǎn)產(chǎn)生生摩摩擦擦磨磨損損（（如如圖圖）），，影影響響機機械械鉆鉆速速，，同同時時側(cè)側(cè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角還還對對巖巖粉粉的的運運移移產(chǎn)產(chǎn)生生影影響響。。摩摩擦擦磨磨損損的的部部分分在在角角a范圍圍內(nèi)內(nèi)。。為為避避免免上上述述情情況況，，需需要要將將復復合合片片沿沿其其中中心心線線旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一一定定的的角角度度b，此此角角度度即即為為側(cè)側(cè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角（（如如圖圖））。。③裝裝配配角角切削削齒齒柱柱軸軸線線與與鉆鉆頭頭軸軸線線成成一一角角度度，，此此角角稱稱作作裝裝配配角角。。裝裝配配角角為為確確定定參參數(shù)數(shù)，，由由鉆鉆頭頭的的冠冠部部形形狀狀和和齒齒徑徑向向半半徑徑?jīng)Q決定定。。④位位置置角角切削削齒齒位位置置角角為為切切削削齒齒在在鉆鉆頭頭圓圓周周上上所所處處的的方方位位角角（（如如圖圖））。。切削齒位置角角由其所處的的刀翼位置、、刀翼形狀確確定。4、切削齒直直徑目前市場上常常規(guī)PDC齒齒的直徑為：：13.4mm、16mm、19mm、25.4mm四種種。齒直徑的的選擇依據(jù)地地層條件。大大直徑齒出露露量大、機械械鉆速高、不不易泥包，適適合軟地層。。小直徑齒抗抗沖擊韌性相相對較好，但但出露量較小小，適合硬地地層。切削齒齒尺寸選擇與與地層的對應應關系如下：：5、刀翼數(shù)數(shù)量、形狀及及位置角①刀翼數(shù)量對刮刀PDC鉆頭而言，，鉆頭冠部形形狀確定后，，刀翼數(shù)量決決定了切削齒齒的布齒密度度和數(shù)量。同同時其位置角角影響鉆頭的的整體受力和和流道的結(jié)構(gòu)構(gòu)。地層越硬鉆頭頭磨損越嚴重重，需要增加加切削齒的數(shù)數(shù)量，刀翼數(shù)數(shù)量也越多。。常規(guī)鉆頭刮刮刀數(shù)范圍為為3~9。刮刮刀數(shù)量與地地層硬度的對對應關系為：②刀翼形狀刀翼形狀與鉆鉆頭的冠部形形狀、切削齒齒的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)參數(shù)有關。。刀翼形狀影響響鉆頭流道結(jié)結(jié)構(gòu)、鉆頭受受力和攜巖效效果。其基本本參數(shù)由切削削齒空間結(jié)構(gòu)構(gòu)參數(shù)確定，，其基本結(jié)構(gòu)構(gòu)形式分為以以下三種：直刀翼：鉆頭刀翼的俯俯視投影為直直線（如圖））一般其冠部部圓弧較小，，用于中軟至至硬地層鉆頭頭。常規(guī)螺旋：刀翼形狀由直直線段和螺旋旋線組成，適適用于各種地地層。大螺旋：刀翼形狀為螺螺旋型，由切切削齒的位置置擬合得到，，適用于軟地地層。③刀翼位置角角各刀翼位置角角由周向角限限定。周向角角即為刀翼的的方位角（如如圖）。周向角依據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)對稱原則則、流道協(xié)調(diào)調(diào)原則設計。結(jié)構(gòu)對稱是指指長短刀翼的的搭配力求做做到在結(jié)構(gòu)上上對稱，使任任意橫截面兩兩邊的切削齒齒數(shù)量和切削削結(jié)構(gòu)基本對對稱（如圖））。流道協(xié)調(diào)原則則是指流道的的過流面積變變化協(xié)調(diào)均勻勻，避免局部部流道堵塞或或局部狹窄，，防止局部巖巖屑堆積（如如圖）。6、保徑結(jié)結(jié)構(gòu)與形狀鉆頭保徑除保保持井眼直徑徑外，對鉆頭頭的導向性能能和鉆頭穩(wěn)定定性影響較大大。其結(jié)構(gòu)由由保徑長度、、保徑寬度、、保徑形狀確確定。一般而而言，地層研研磨性越大，，保徑面積應應加大。在保保持井眼直徑徑的前提下，，考慮鉆頭的的導向性能和和穩(wěn)定性。保徑的形狀分分為直線形和和螺旋形兩種種。保徑形狀狀與刀翼形狀狀、地層特性性以及井眼軌軌跡控制等因因素有關。一一般刀翼形狀狀為螺旋形則則保徑為螺旋旋形。三）鉆頭水力力結(jié)構(gòu)參數(shù)確確定原則鉆頭水力結(jié)構(gòu)構(gòu)主要包括兩兩部分：流道道結(jié)構(gòu)和噴嘴嘴及空間分布布。1、流道結(jié)結(jié)構(gòu)流道結(jié)構(gòu)與尺尺寸結(jié)構(gòu)設計計目標是最大大限度的增加加流道空間，，便于巖粉盡盡快離開井底底，避免巖粉粉的二次破碎碎。一般流道道深度為噴嘴嘴的最佳噴距距，也即噴嘴嘴直徑的5—7倍；；流道的寬度度越大越好，，其由刀翼空空間決定，因因此一般情況況下在保證刀刀翼強度的前前提下盡量采采用較窄刀翼翼形狀。2、噴嘴及及其空間結(jié)構(gòu)構(gòu)參數(shù)①噴嘴的數(shù)量量與尺寸噴嘴數(shù)量和尺尺寸是由水力力學參數(shù)優(yōu)化化設計結(jié)果確確定的。噴嘴嘴的當量直徑徑可由排量和和設計鉆頭壓壓降計算得到到：式中：△P—設計鉆鉆頭壓降；Q—排量；A—鉆頭噴嘴嘴過流面積；；D—噴嘴當量量直徑；Dj—第j個個噴嘴的直徑徑；N—噴嘴個數(shù)數(shù)。由排量和設計計鉆頭壓降計計算得到鉆頭頭噴嘴的當量量直徑后，根根據(jù)噴嘴個數(shù)數(shù)確定每個噴噴嘴直徑。每每個噴嘴直徑徑有不同，但但差別不能太太大，以使鉆鉆頭表面的液液流分布均勻勻。②噴嘴的空間間結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的空間結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要要有：中心半徑、位位置方位角、、噴射方位角角、噴射角度度四個參數(shù)(如圖）。這四四個參數(shù)依據(jù)據(jù)水力學優(yōu)化化設計結(jié)果確確定。中心半徑、位位置方位角確確定原則是消消除鉆頭表面面的渦流區(qū)（（如圖）。噴射方位角、、噴射角度的的優(yōu)化目標是是以較大的水水馬力清除切切削齒破碎的的眼屑并形成成速度矢量指指向井壁的漫漫流層將巖屑屑攜離井底，，同時避免在在井壁附近形形成渦流區(qū)（（如圖）。根根據(jù)有限元流流場分析結(jié)果果，最優(yōu)的噴噴嘴噴射角度度為25°。。噴射角度和噴噴射方位的具具體確定方法法可分為三類類：中心噴嘴：對對于刮刀數(shù)量量較多或鉆頭頭直徑較大（（≧241mm）的鉆頭頭需要中心噴噴嘴，以沖洗洗中心部位的的巖屑（如圖圖）。中心噴噴嘴的噴射角角度一般在0°—10°°，噴射方位位一般與某一一長刮刀平行行。內(nèi)錐噴嘴：內(nèi)內(nèi)錐噴嘴主要要覆蓋長刮刀刀所處的流道道的沖洗，覆覆蓋面積較大大，因而噴射射角度的變化化范圍較大。。如果長刮刀刀流道只布置置一個噴嘴，，則噴射角度度一般取值范范圍為15°°-30°；；如果長刮刀刀流道布置兩兩個噴嘴，則則內(nèi)錐噴嘴噴噴射角度一般般取值范圍為為5°-15°（如圖））。外錐噴嘴：外外錐噴嘴覆蓋蓋某一短刮刀刀或長刮刀的的外錐部分的的沖洗，由于于其放置位置置靠近鉆頭外外側(cè)，噴射角角度不宜過大大，一般要求求其射流的中中心對準鉆頭頭的鼻部為宜宜，通常取值值范圍在10°-25°°（如圖6-22）。四）PDC鉆鉆頭的破巖機機理1、切削齒的的運動軌跡鉆井過程中切切削齒在壓力力和扭矩的作作用下破碎井井底的巖石，，相應地產(chǎn)生生給進和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運動，其運運動軌跡為螺螺旋線。2、PDC鉆鉆頭破巖過程程根據(jù)破巖機理理分析，切削削齒在鉆壓壓壓入地層一定定深度的同時時在扭矩作用用下連續(xù)破碎碎巖石。①初期擠壓階階段（塑性變變形）刃前巖石沿剪剪切面破碎后后,切削齒齒刃侵入前一一過程留下的的斷裂面，切切削齒擠壓刃刃前巖石，切切削力不斷增增大，巖石發(fā)發(fā)生局部塑性性變形。②小剪切破碎碎（局部破碎碎）隨著切削力的的不斷增大,刃前巖石石發(fā)生裂紋。。當巖石的拉拉應力超過巖巖石的抗拉強強度時，巖石石被拉開，出出現(xiàn)裂紋。當當剪應力超過過巖石的抗剪剪強度時，巖巖石出現(xiàn)剪切切裂紋,巖石石發(fā)生小剪切切破碎。③大剪切破碎碎（體積破碎碎）隨著切削齒繼繼續(xù)向前運動動，切削力力不斷增大，，齒刃擠壓前前方巖石。當當切削力增大大到極限值時時，巖石沿剪剪切面發(fā)生大大剪切破碎，，出現(xiàn)塊體崩崩裂。大剪切切發(fā)生的瞬間間，切削阻力力突降至最小小。塑性巖石的切切削齒受力塑、脆性巖石石破碎過程的的差異：塑性巖石與脆脆性巖石的剪剪切破巖過程程基本相似，，但又有差異異。由于塑性巖石石的崩切體積積較小，形成成的切削槽在在寬度和深度度上變化不大大，切削過程程是一個較穩(wěn)穩(wěn)定的過程，，切削力遵循循一定的周期期性變化，但但波幅較小。。而脆性巖石的的崩切體積較較大，形成的的切削槽在寬寬度和深度上上變化較大，，切削力跳動動幅度較大。。五）PDC鉆鉆頭的特點PDC切削齒齒的自銳性PDC鉆頭的的特點總結(jié)優(yōu)點：1）以剪切方方式破巖，在在軟至中硬均均質(zhì)地層中破破巖效率高，，機械鉆速高高；2）具有自銳銳性，能始終終保持較高的的機械鉆速；；3）PDC鉆鉆頭切削齒耐耐磨性高，鉆鉆頭壽命長；；4）所需鉆壓壓較低，鉆柱柱負荷小。同同時在吊打情情況下能保持持較高的鉆井井速度；5）適應較高高的轉(zhuǎn)速（可可達400轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分），有有利于提高鉆鉆井速度；同同時適合配合合動力鉆具使使用；6）PDC鉆鉆頭結(jié)構(gòu)牢固固，沒有活動動部件和易損損件，有利于于防止鉆井事事故；7）不受井眼眼尺寸的限制制，適合在小小井眼中應用用；8）不受地層層溫度的影響響，是高溫地地層鉆進的首首選。六）PDC鉆鉆頭優(yōu)化設計計理論與方法法1、傳統(tǒng)的PDC鉆頭設設計理論等切削體積原原則；等功率原則；；等磨損原則。。等切削體積原原則：即以每個切削削齒的切削體體積相等為原原則。sj——第j顆切削齒齒的破巖面積積；Rj——第j顆切削齒齒距旋轉(zhuǎn)中心心的距離。等功率原則：：每個切削齒的的切削功率相相等。Sj——第j顆切切削齒的破巖巖面積；Rj——第j顆切切削齒距旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)中心的距離離。Aj——巖石的單單位體積破碎碎功或巖石的的抗剪強度。。等磨損原則:等磨損原則的的目標函數(shù)為為使鉆頭每個個切削齒的磨磨損速度一致致。由于影響磨損損速度的因素素眾多，目前前還沒有合理理的函數(shù)表達達式。2、傳統(tǒng)PDC鉆頭設計計理論的局限限性傳統(tǒng)PDC鉆鉆頭設計理論論與方法，對對于PDC鉆鉆頭的設計有有一定的指導導意義，但在在實際應用過過程中還存在在許多問題，，特別對于刮刮刀式PDC鉆頭的設計計，理論與實實際差距更大大。原因在以以下幾個方面面:①等切削體積積布齒原則可可以用于PDC鉆頭的實實際設計。但但是等切削體體積布齒原則則沒有考慮齒齒與地層的相相互作用，不不能準確反映映切削齒受力力以及磨損的的規(guī)律。②對于等功率率、等磨損原原則，由于對對鉆頭齒與地地層相互作用用的規(guī)律的研研究不夠系統(tǒng)統(tǒng)完善，還不不能用于實際際鉆頭設計。。圖PDC鉆頭的的不平衡力3、PDC鉆鉆頭設計理論論的最新研究究成果1）平衡力設設計由于鉆頭齒的的受力的合力力不平衡（如如圖），在旋旋轉(zhuǎn)過程中使使鉆頭的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)中心偏離井井眼中心，造造成鉆頭在公公轉(zhuǎn)的同時伴伴有間斷性自自轉(zhuǎn)，從而形形成渦動。平衡力設計的的方法①改變切削齒齒的空間角度度消除不平衡衡力；②采用不對稱稱刀翼設計消消除不平衡力力；③采用低摩擦擦保徑設計抵抵消不平衡力力;④采用軌道式式布齒形成的的溝槽限制鉆鉆頭的渦動。。圖2