孙美伟 徐建飞

摘  要：常规PDC钻头在软到中硬均值砂泥岩底层钻进时，机械钻速高，钻头寿命长，但在钻进硬岩过程中，PDC钻头吃入岩石困难，破岩效率低，且由于剪切阻力大，切削破岩过程不连续，钻头的旋转扭矩和扭矩波动比较大，导致破岩效率低，复合片冲击损坏严重。而锥形PDC钻齿为新型破岩元件，前端为独特的圆锥形状，可施加超高集中的力。在钻头中心布置安装一个锥型齿，可以把增长到一定长度的岩芯压碎，提高机械钻速和钻头稳定性。因此通过结合常规PDC钻齿和锥形PDC钻齿的优点，通过对钻头剖面形状、切削结构、切削齿工作角度、钻头水力结构、稳定特性影响因素等方面的研究和优化设计，研制中心锥型PDC齿钻头，提高其在硬地层中的破岩效率。

关键词：PDC钻头;机械钻速;优化设计;破岩效率

1 现有PDC钻头遇到的问题

现有的PDC钻头的工作元件通常为圆柱形聚晶金刚石复合片。在钻压和扭矩的作用下，复合片以后倾角耙削岩石。但在钻进硬岩过程中，PDC钻头吃入岩石困难，破岩效率低，且由于剪切阻力大，切削破岩过程不连续，钻头的旋转扭矩和扭矩波动比较大，导致破岩效率低，复合片冲击损坏严重。

研究发现，在只有轴向应力作用下，应力破坏强度度测试表明，对应力的大小由中点向边缘减弱，也就是说在钻头边缘的岩石需要较中心低得多的应力就可以切削破坏掉。基于此理论，在钻头中心留出出芯位置，对中心高强度的岩石不切削，岩芯增长到一定长度再被破坏掉，可提高机械钻速和钻头稳定性。……