钻头选型中的因素分析Fahd

钻头选型中的因素分析Fahd第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期二PDCDesignCompromise

PDC设计折中方案ThedesignofaPDCdrillbitislargelyamatterofcompromise,asvariousfactors,whichmaybeinconflict,areconsideredagainstatightframe-workoffundamentalconstraints.Featuresthatproveextremelybeneficialunderonesetofcircumstancesmaybelessthanoptimalunderanother.PDC钻头的设计主要涉及折中问题，因为在考虑避免基本约束条件的紧密结构时涉及的各种因素可能会相互冲突。在一系列情况下证明极其有利的特征在其它情况下则可能并非是最理想的。ConsiderthataPDCbitisamechanicaldevicedesignedtotransmitenergyforthepurposeofdrillingrock.Despiteitssmallsize,itmustbedesignedtotransfermoreenergythanisgeneratedinahighperformanceracecarengine.请注意PDC钻头是一种机械装置，专用于传递能量，完成岩石钻孔。虽然钻头的尺寸很小，但它传递的能量却比高性能赛车引擎产生的能量高。第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期二RotaryConsideration

旋转因素RotaryBit旋转钻头Theprofilefortherotarydesignsisrelativelyflatandthenoseisatarelativelylargeradius,allowingsecondarybladestooriginatefurtherfromthebitcentralregion.Thisgeometricarrangementkeepsthefaceofthebitmoreopenforimprovedhydraulics.旋转外形设计为是扁平状，但前端的半径较大，能使二级刀片从钻头的中心部位伸出来。这种几何设计使钻头的表面更加开阔，以提高液压。第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期二TurbineConsideration

涡轮机因素TurbineBit涡轮机钻头Somebitdesignshavebeenoptimizedforusewithahighspeedturbine.Normallytheyhaveaparabolicprofile,withalongtaper.Thenoseofthebitisveryclosetothebit'scentralaxesbecausetheRPMwillbehigheronaturbinethanonnormalrotary,thecutterswillhavehighervelocityresultinginacceleratedheatgenerationaswellasashallowerdepthofcuttoachievethesameROP.有些钻头设计已经完善，以便同高速涡轮机一起使用。它们的外形通常呈抛物线形状，还带一个长锥拔。钻头前端与钻头的中心轴非常接近，因为涡轮机钻头比普通旋转钻头的转速（RPM）更高，刀具的速度更快，不断加速发热过程，从而切削深度更浅，这样才能获得相同的机械钻速（ROP）。Tocompensate,aturbinePDCbitisbuiltwithanextendedprofiletopermitmorecutterstobesetinthebitwithlargeredundancyincluded.Therefore,eachcutterdoeslessworkindividually,asitisbackedupbyothercutters,resultinginincreasedcutterlife.Ifoneortwocuttersshouldfail,thebitwillstillbeabletocontinuedrilling.为弥补这一缺点，涡轮机PDC钻头表面延长，以便在钻头上安装更多的刀具，这样钻头上就留有很大的冗余部分。因此，刀具之间就能互相协助，从而减少每个刀具单独的工作量，延长刀具的寿命。若一个或两个刀具发生故障，钻头仍能继续工作。第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期二SteerableSystemsTheory

导向系统理论MotorsTheory电动机理论Motorsweredesignedtomeettheruggedrequirementsofdirectionaldrillersandclients.TheSurface-AdjustableBent(SAB)housinggivesthedrilleravarietyofmotorbendanglesthatareessentialtosteeringandcontrollingwelldeviation.Howthisbendinfluencesthewellprofiledependsuponthedrillingmode.电动机应满足定位钻井工和客户对于矿井表面不平的要求。表面可调弯（SAB）壳体允许钻井工从各种角度弯曲电动机，这对操纵和控制井斜非常重要。而这种弯曲对矿井结构的影响取决于钻井方式。第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期二MotorsTheorycont.

电动机理论（续）FrictionalForces摩擦力ThedrawbackofthePDMsisthatinordertosteer,thedrillstringcannotberotated,andthisdecreasestheamountofWeightonBit(WOB)thatcanbetransmittedtothebit,inturndecreasingROP.Forthisreason,PDMshavelimitedusageinExtendedReachDrilling(ERD)applications,especiallyastheinclinationofwellsincreases.容积式电动机（PDM）的缺点在于，为了实现操控钻头之目的，不能旋转钻柱，这将减少能传递到钻头的钻压（WOB）数量，从而降低机械钻速。因此，在大位移延伸井钻井（ERD）应用中，尤其是在矿井倾斜增多的情况下，PDM的使用有限。Thebitsteer-abilityinslidingmodeisoneofthemajorconcernstodirectionalcompaniesaswellastotheclient.滑动模态中钻头的导向能力是定向公司和客户的主要忧虑之一。第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期二RotarySteerableMethods

旋转导向方法Pointthebit指向式Thismethoddictatesthedirectionofbuildbypointingthebitofftheaxisoftherestofthetool.Thisway,thetrajectoryissetbythreetouchpoints;theupperstabilizer,thenear-bitstabilizer,andthebit.

本方法通过指示钻头远离其它工具的轴线来规定建立方向，这样就能通过三个触点（即上部稳定器、近钻头稳定器和钻头）来设定轨道。第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期二Point-the-BitSystem

指向式系统BenefitsofthePoint-the-BitSystem指向式系统的优点Point-the-Bitsystemsputtheoperatingmechanismsinsidethecollarinoilchambersisolatedfromthemudandfromcontactwiththewellbore.Additionally,therearenorotatingormovingo’ringsealsinitssteeringunit.PointthebitsystemshavealsolessworktodooncetheBHAhasentereditsnaturaltrajectory.Themajorityoftheworkisdonewhenthedirectionischanged.指向式系统将操作机构置于储油器中的套圈内，远离泥浆和钻井孔。此外，导向装置中无旋转式或可移动O型环密封件。一旦井底钻具组合（BHA）进入其自然轨道，指向式系统的工作量则减小。而大多数工作已在方向改变时完成。第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期二RotarySteerableMethods

旋转导向方法Pushthebit.推靠式Pushthebitsystems;useeitheranon-rotatingsleeveorpistonsontheODofthetooltopushthebitinthedesireddirection.推靠式系统：在工具的外直径（OD）上使用非旋转套筒或活塞，将钻头向目标方向推进。Itisarotarysteerablesystemthatcontrolsthedirectioninwhichawellisdrilled,in3–D,whilerotatingthedrillstring.Thetoolusesmudactuatedpadstodeviatethedirectionofdrillingbypushingagainsttheformation.

旋转导向系统，可在旋转钻柱时从三个方向控制钻井。该工具使用泥浆驱动式衬垫通过推动地层而改变钻井方向。第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期二Push-the-BitSystem

推靠式系统BenefitsofthePush-the-BitSystem推靠式系统的优点Thepush-the-bitsystem,workstopushthebitatalltimes,andevenharderwhenaskedtobuild,becauseithastolifttheweightofthetool.Nodissipatedtimeforslidingandtool-faceadjustments,itusesadesiredInclinationandAzimuthtofollowtheplantrajectorymoreaccurately.推靠式系统的工作是一直推动钻头，在需要承重时要有足够的硬度，因为该系统必须举起工具的重量。无需浪费时间进行滑动和工具表面的调整，它也能通过理想的倾角和方位更加精确地跟随规划的轨道移动。第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignforRSS

RSS钻头设计Steer-ability导向能力Bitprofile,gaugelength钻头外形，保径长度Aggressivesidecuttingability锋利面切削能力Stability稳定性Lateral侧面Torsional扭矩Durability耐久性ShoetoTD管靴至TDExtendbitlife延长钻头寿命第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期二DesignFeaturesforRSSApplication

RSS应用的设计特点SecondaryCutters二级刀具ImprovedSecondaryCutterscountenablesuseofshort,steerableprofilewhilstmaintainingcutterdensity增加二级刀具的数量，能使用外形短小、易操纵的刀具，且能保持刀具的密度。Fieldrunsdisplay50%lesswear现场运行显示磨损小于50%Extendedbitlife延长钻头寿命第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期二RotarySteerableBitGaugeDesign

旋转导向钻头保径设计ActiveGaugeBit有效保径钻头Sincedrillbitsusedwiththerotarysteerablesystem(RSS)arelaterallyresponsiveforgenerationoftherequireddoglegs,manytimesitisrequestedtheyhaveactivegauges,whicharecriticalforeffectiveside-cutting.由于旋转导向系统（RSS）中使用的钻头是侧面反应转向要求的轨道，很多时候都需要有效保径，才能有效地完成侧向切削。Anactivegaugebitconsistsofcuttersontheleadingedgeofthegaugepadsandapassivepadtrailingthecutters.Theside-cuttingpotentialofthebitcanbeadjustedbychangingthelength,width,andlevel,relativetothecuttingedgeofthepassivepad.有效保径钻头包括保径衬垫前缘的刀具和刀具后面的无源衬垫。可通过改变相对于无源衬垫切削刃的长度、宽度和水平面来调节钻头的侧向切削能力。第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期二DesignFeatures-ActiveGaugeforRSSApplication设计特点——RSS应用中的有效保径Conventionalgaugecutterplacement-non-aggressive.常见的边刀配置——非侵蚀性CuttersinanActiveGauge:有效保径中的刀具：Heavyset沉重的Lowbackrake后倾角低Highexposure暴露量高Improvedsidecuttingability提高侧向切削能力Advantages:优点：Increasedgaugedurability提高保径耐久性Aggressivegauge,increasedsidecuttingability侵蚀性保径，提高侧向切削能力LowfrictionresistancefrompointcontactwithTCimpregswillimprovepotentialROP.与TC浸渍木接触点产生的低摩擦阻力能提高潜在的机械钻速。Fluidflowtoaidcoolingandcleaningaroundthegaugecuttersandimpregs.液体流动能促进冷却且能清洁边刀和浸渍木。.第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期二DesignFeatures–ProfileforRSSApplication

设计特点——RSS应用简介Steerable:Shortroundedtaper,shallowconeandshortbitlength.导向：短圆形锥拔，浅圆锥体，钻头长度短Sidecutting:Maximizationofcuttersinshoulder&gauge侧向切削：刀具的肩部和保径部位增加到最大程度Stable:Stabilityenhancedbyincreasedcontactwithboreholeviaspiraledgaugepads,andflatterprofile.稳定：通过螺旋形保径衬垫与井眼的接触增多，稳定性增强，且表面更加平滑。第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations

钻头设计因素BitBody钻头体Profile外形Cutters刀具RakeAngles倾角BitLength钻头长度Gauge保径BladeHeight刀片高度Vibrations振动第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations-BitBody

钻头设计因素——钻头体Themainfactorsinfluencingthechoiceofmaterialare:影响材料选择的主要因素包括：A.Life‐incertainapplicationsbodylifeisdictatedbyerosionresistance,notstrength.Steelislesserosionresistantthanmatrix,butwithcarefuldesignofthebodygeometryanduseofhardfacing,thisshortcomingcanbereduced.A.寿命——在某些应用中，钻头体的寿命取决于抗腐蚀性，而非强度。虽然钢材的抗腐蚀性不如脉石强，但只要仔细设计钻头体的几何排列和表面硬化处理，就可以弥补该缺点。B.Strength‐matrixisnotasstrongintensionassteelandconsequentlythisisreflectedinthebodydesign.Steelbitscanbedesignedtoincorporatehigh,relativelythinbladeswhichcanbeusefulespeciallyinwaterbasedmud,softformationapplications.Suchdesignsaregenerallynotfeasibleifthebitismanufacturedfrommatrixbecauseoftheriskofbladebreakageifaharderstringerisencountered.B.强度——脉石的张力不如钢材强，这点在钻头体的设计中不难看出。钢钻头上可安装较薄的高刀片，尤其适用于水基泥浆和软地层。若钻头由脉石制成，此种设计则不可行，因为钻头遇到较硬的细脉时刀片可能会断裂。第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BitBodyCont.

钻头设计因素——钻头体（续）C.BitLength‐matrixproductsmusthaveaseparatepiecefortheAPIpinwhichisthenweldedontothesteelblankcastintothematrixcrownand,therefore,amatrixbitisinherentlylongerthantheequivalentone‐piecesteelbit.C.钻头长度——脉石产品必须包括一个单独的部件，以便随后将API销焊接在铸成脉石冠部的钢铁坯料上，因此，脉石钻头会比相同的钢钻头更长。

D.Repair‐Worncutterscanbereplacedwithconsiderablymorereliabilityinasteelbodiedbitbecauseoftheoriginalattachmenttechniqueutilized.Inmostcases,cuttersareinterferencefittedintoasteelbitwhereasbrazingsecuresthePDCinamatrixproduct.Replacingcuttersinamatrixbitinvolvestheapplicationoflocalizedheat,whichcanhavedetrimentaleffectsonthesurroundingPDCwhichisnotbeingreplaced.D.修理——由于使用了原始连接技术，磨损的刀具可被更换为钢制钻头体钻头中可靠性更高的刀具。在大多数情况下，刀具通过过盈配合被安装在钢钻头上，而铜焊却能将PDC紧固于脉石产品中。更换脉石钻头中的刀具时需局部加热，这对周围未被更换的PDC有不利影响。第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BitProfile

钻头设计因素——钻头外形Cone圆锥体Theconeofthebitprovidesadegreeofstabilitywhenthebitisdrilling,duetotheresultantcuttingforcesfromthePDCsetwithintheconegenerallyurgingthebittorotateaboutitscentralaxes.钻头的圆锥体使钻头工作时保持稳定，原理在于圆锥体中的PDC组产生的切削合力驱动钻头围绕中心轴旋转。Nose前端Itisdesirabletohavearelativelylargenumberofcutterssetonthenosetopreventoverloadingduringthetransitiontoaharderformation.钻头前端最好能携带较多刀具，以防止转换到较硬地层时刀具超负荷工作。第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BitProfileCont.

钻头设计因素——钻头外形（续）Taper锥拔Thetaper(orflank)ofthebitisthesectionbetweenthenoseandthegauge.Itmayprovideadegreeofstabilityanditslengthisusuallygovernedbythecutterdensityrequirement.钻头的锥拔（或侧翼）指位于前端和保径之间的部位，能使钻头保持稳定，其长度通常取决于刀具密度的要求。However,analternativewaytoachieveahighercutterdensitywithoutextendingthetaperistoincreasethenumberofblades.然而，另一种方法无需延长锥拔即可实现较高刀具密度，那就是增加刀片的数量。第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BitProfileCont.

钻头设计因素——钻头外形（续）OuterDiameterRadius(ODR)外直径区域（ODR）TheODRreferstothatregionofthebitprofilewheretheradiusattheendoftheflankleadsintothegaugeofthebit.ODR指钻头剖面区域，即侧翼末端到钻头保径的区域。Thisregionofabitisextremelyimportant,especiallyinmotororturbineapplicationswhererotatingspeedsarehigh,asthecuttersmustwithstandtheeffectsofhighvelocityduetotheirradialpositiononthefaceofthebit.Althoughtheangularvelocityofcuttersatthebitgaugeisidenticaltothatofcutterswithinthecone,thetangentialvelocityisgreatersinceitisafunctionofradiallocation.该区域在钻头上极其重要，尤其是在电动机和涡轮机的应用中转速很高时，由于刀具处于钻头表面上的径向位置，它们必须承受高速度的影响。虽然钻头保径处刀具的角速度与圆锥体中的刀具相同，但由于径向位置的作用，保径处刀具的角速度更高。第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–Cutters

钻头设计因素——刀具CutterCount刀具数量ThenumberofcuttersonaPDCbitisaprimarydeterminantofhowthebitperforms.PDC钻头上的刀具数量是钻头性能的主要决定因素。

Inanidealworldthebitdesignerwantstodesignaproductwhich:在理想环境中，钻头设计师想要设计出拥有下述特点的产品：Candrillabroadrangeofformationsincludinghardandabrasivestringers,能在各种地层中工作，包括较硬的和研磨性细脉，Canprovideaconsistentlyhighrateofpenetration,能持续提供较高的机械钻速，Hasalongbitlifeandcanbebuiltatalowcost.钻头寿命长，且制造成本低。第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–CuttersCont.

钻头设计因素——刀具（续）Unfortunately,thereareperformanceandcosttradeoffsinvaryingcuttercount.Usingmorecuttersallowsabittodrillharder,moreabrasiveformationsandgenerallyresultsinalongerbitlife.但不幸的是，产品的性价比随刀具数量的变化而变化。若使用较多刀具，钻头则能在较硬的、研磨性更强的地层中工作，钻头寿命也更长。However,ahighercuttercountalsomakesabitmorecostly(particularlysincePDCcomponentsconstituteahighpercentageofthetotalbitcost)and,ingeneral,causethebittodrillataslowerrateofpenetration.Asthenumberofcuttersisreduced,thedirectionofthetradeoffreverses.然而，刀具越多也会使成本增加（特别是当PDC部件在钻头总成本中占有很高比例时），而且，通常使钻头的机械钻速更低。若刀具数量减少，情况则相反。第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–CuttersCont.

钻头设计因素——刀具（续）CutterSize刀具尺寸AvarietyofPDCcuttersizesareavailable.ThemajorityofPDCproductsincorporatePDCofdiameters9mm,13mm,16mmand19mm.PDC刀具有各种不同的尺寸。大多数PDC产品的PDC直径为9毫米、13毫米、16毫米和19毫米。Small小型Cuttersof9mmdiameterhavebeenusedonproductsdesignedforharderformations.刀具直径为9毫米的产品设计用于较硬的地层。Medium中型13mmand16mmcuttersaremostsuitableforcuttingmediumtomedium-hardformationsaswellasabrasiverock.直径为13毫米和16毫米的刀具最适用于切削中等到中等硬度的地层以及研磨性岩石。第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–CuttersCont.

钻头设计因素——刀具（续）Large大型Generallyassociatedwithfastdrilling,19mmcuttersaremostsuitablefordrillingsofttomediumformationswhenmountedinhighbladedfishtailstylebits.Becauselargercuttersproducelargecuttingsintherightapplication.将直径为19毫米的刀具安装在高刀片鱼尾形钻头上时，通常钻速都很快，最适用于软到中等地层，因为较大的刀具在适当的应用中会产生较大的钻屑。VeryLarge超大型PDCcomponentsofupto48mmdiameterhavebeenusedinsoftformationbits.Spaceislimitedonthebitfaceandbyusingsuchlargecuttersthereisonlysufficientroomtomounttheminimumnumberofcutterstocutafullborehole.Wereonecuttertofail,thebitwouldbeunabletoproceed.Additionally,asverylargecutterswear,theverylargewearflatsproduceconsiderableheatwhichcancausecatastrophicdamagetothediamondlayer.直径达48毫米的PDC部件适用于软地层钻头。钻头表面的空间有限，若使用此类大型刀具，钻头上的空间只够安装最少的刀具，这样才能切削出完整的井眼。若有一个刀具发生故障，则整个钻头都不能工作。此外，若超大型刀具磨损，那么，磨损的平面则会产生相当高的温度，这会严重损坏金刚石焊层。第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–CuttersCont.

钻头设计因素——刀具（续）CutterDistribution刀具分布Cuttersaredistributedacrossthebitfaceinsuchawayastosatisfyvariousrequirements.刀具在钻头表面的分布方式能满足各种要求。A.EvenWear‐thedesignertriestoachieveevenwearacrossthebit,sothatnoonecutterwearsappreciablymorethantherestwhichwouldresultinaweakspot.Additionally,evenwearresultsintheefficientutilizationofthePDC.A.均匀磨损——设计师试图通过钻头实现均匀磨损，这样就不会出现某一个刀具明显比其它刀具磨损得更严重的情况，也不会产生薄弱环节。此外，均匀磨损能实现PDC的高效利用。B.OptimumLife‐basedontargetformationsand,therefore,operatingconditions,thecuttersarearrangedacrossthebitinsuchawayastoprovidemaximumbitlifeandtotakeintoaccountexpectedratesofpenetrationandproductcost.B.最长寿命——按照目标地层和工作条件，刀具在钻头表面的分布方式能使钻头的寿命最长，且考虑了机械钻速和产品成本等因素。第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–CuttersCont.

钻头设计因素——刀具（续）C.Balance‐thelateralimbalanceforce,resultingfromthevectorialadditionofallthecuttingforcesasthebitisdrilling,iscalculatedatthedesignstagetoreducetheincidenceofbackwardwhirling,adetrimentalmotionofthebitwhichcanoccurundercertainconditions.Onmostproducts,however,itisdesirabletominimizethislateralforceandthecuttersarepositionedaccordingly.C.平衡——应在设计阶段计算好钻头工作时所有切削力的向量相加而产生的侧向不平衡力，以减小某些情况下钻头反向旋转和有害运动的发生率。然而，对多数产品而言，最好能使侧向力减到最小，并将刀具放置在相应位置。第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–CuttersCont.

钻头设计因素——刀具（续）对PDC刀具的更高效利用——若PDC钻头设计中钻头全表面的刀具磨损相对一致，则能实现对PDC的最高效利用。制造钻头时避免易磨损区域是延长钻头寿命的一大要素。—理想的磨损曲线中，钻头中心的磨损最小，在钻头表面则大面积迅速上升直到达到一个很高的稳定水平，而在关键的保径保护区域则下降到较低水平。1.减小中心刀具被损坏的可能性。2.提高钻头表面的刀具磨损率，延长钻头寿命。3.减少钻头关键外直径区域（ODR）的严重磨损。4.大大地提高边刀的有效性。第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–RakeAngles

钻头设计因素——倾角Therakeanglesofacuttingtooldefinetheanglesatwhichthetoolispresentedtotheworkpiece.切削工具的倾角指工具与被加工件之间的角度。PDCelementscanhavebackrakeandsiderake,eachofwhichcanbepositive,negativeorzero.PDC元件可有后倾角和侧倾角，二者都可为正角、负角或零角。Cutterbackrakeissaidtobemoreaggressivewhenthecutterispositionedsuchthatagivenweightonabitgivesagreaterdepthofcut.Themoreaggressivethebackrakeangle,thesmalleritsvaluebecomes.Henceacutterwithbackrakeof20°willbelessaggressivethanonewitha15°angle,butmoreaggressivethananothercuttersetat25°.若刀具放置的位置有利于施加在钻头上的重量使钻头制造更大的切削深度，刀具后倾角据说有具有更大的攻击力。后倾角的攻击力越大，其价值则越小。因此，后倾角为20°的刀具比后倾角为15°的刀具的攻击力小，但却比后倾角为25°的刀具的攻击力大。第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–RakeAnglesCont.钻头设计因素——倾角（续）Ingeneral,asthebackrakeofaPDCcutterbecomesmoreaggressive(i.e.asthetoprakeisreduced)itismoresuitableforsofterformations.Ifbackrakeistooaggressive,drillingharderformationsmightresultinchatteringofthecutter(andhencethebit),followedbychippingofthediamondandperhapscatastrophicfailureofthePDC.一般而言，由于PDC刀具后倾角的攻击力较大（即，前倾角减小），此类钻头更适用于较软的地层。若后倾角的攻击力过大，在较硬的地层中工作可能会使刀具（以及钻头）震颤，然后导致金刚石碎裂，也许还会使PDC产生严重故障。Lessaggressivebackrakeswillreducetorqueforagivenweight-on-bit,butattheexpenseofpenetrationrate.Thus,onceagain,thedesignerisfacedwithadecisionbasedonconflictingrequirements.Themajorityofbitshavebackrakesof15°to30°.Althoughothervalueshavebeentested,the15°to30°rangeappearstoprovidethebestbalancebetweenrateofpenetrationandbitlife.攻击力较小的后倾角能减小给定钻压的扭矩，但却会减小机械钻速。因此，设计师再次面临就冲突要求作出决定的难题。大多数钻头的后倾角为15°到30°。尽管设计师也对刀具其它数值的后倾角做过试验，但只有15°到30°范围内的后倾角似乎才能使机械钻速和钻头寿命达到最佳平衡。Mostdesignsvariesbackrakeascutterpositionincreasesfromthecentralaxesofthebit.LowerbackrakeonthebitfacemakesthebitmoreaggressiveforfasterROPandincreasedbackrakeattheODRreducesthelikelihoodthatbitwhirlwillbeinitiated.在大多数设计中，后倾角随刀具位置与钻头中心轴之间距离的增加而变化。若钻头表面的后倾角减小，钻头的攻击力则变大，机械钻速也提高；若外直径区域的后倾角增大，则可减小钻头旋转的可能性。第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–RakeAnglesCont.钻头设计因素——倾角（续）Siderakeisameasureofcutterskewrelativetoalinenormaltothedirectionoftravel.侧倾角指刀具与钻头行进方向标准直线之间的倾斜度。Negativesiderakepositionsthecutterfacetowardsthebit'scentralaxesandresultsincuttingsbeingurgedinward,insteadoftowardsthejunkslots.若侧倾角为负角，则刀具的位置为表面朝向钻头中心轴，这样就会将钻屑推入钻头内部而非垃圾槽中。Positivesiderakepositionsthecutterfacetowardstheoutsidediameterandproducestheoppositeeffect.若侧倾角为正角，则刀具的位置为表面朝向外直径，并能产生与上述相反的效果。Differentcompanieshaveexperimentedextremelyhighsiderakeangles,bothpositiveandnegative,butnoadvantageswereseen.Assiderakeincreases,theeffectiveoperatingwidthofthecutterdecreases,necessitatingmorecutterstoobtainthesamecoverage.个别公司尝试过使用极其大的侧倾角（包括正角和负角），但并未无任何优势。因为侧倾角增大，刀具的有效操作宽度则减小，这样则需使用更多的刀具才能完成相同范围内的工作。InlightoftheabovemanybitcompaniescurrentlyorientsallPDCcuttingelementswithzerosiderake.鉴于上述原因，许多钻头公司目前都将所有PDC切削元件的侧倾角设定为零。第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BitLength

钻头设计因素——钻头长度Wesupposethatthedistancefromthefacewherebittouchesthedriveshafttothebitcuttingfacemayvaryfrom1to2ofnominalbitdiameter.我们假设钻头接触驱动轴的表面与钻头切削表面之间的距离可有1至2个公称钻头直径的差异。Theoverallbitlengthisimportantfromasteer-abilityperspective.Shorterbitsaremoresteerable,astheyreducetheradiusofthepossibleturn.就导向能力而言，钻头的整体长度非常重要。钻头越短则越容易被操纵，因为它们能减少可能转动的半径。ThelengthofaPDCbitisgovernedbythelengthofthebitgaugedesiredfortheapplication,thebladeheightandthebitcuttingprofile.PDC钻头的长度取决于应用中理想钻头保径的长度、刀片高度和钻头的切削剖面。第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BitGauge

钻头设计因素——钻头保径GaugeProtectionMaintainingthefullgaugediameteroftheholebeingdrillediscrucial.Ifthebitlosesgaugeandbeginstodrillanundersizedhole,avarietyofproblemscanfollow,includingthebottomholeassemblybecomingstuckinthewell.保径保护——维持钻孔的全尺寸直径至关重要。若钻头为安全保径而开始钻尺寸过小的孔，各种问题将会接踵而至，包括井底钻具组合陷在井内。Itis,therefore,imperativethebithassufficientprotectionatgaugetoavoidexcessivewear,whilestillbeingofreasonablelengthtoallowfordirectionalwork.因此，充分保护钻头保径避免过度磨损非常必要，但仍需利用合理的长度以完成定向工作。InmyexperienceaPDCbitwilltypicallyhaveagaugeofsomewhereintheregionof1“to5".OnaverageIwouldsaythatthemajorityofbitsrunwiththeRSStoolhaveagaugeof1.5"to3.5",andthemajorityofbitsrunonmudmotorshaveslightlylongergaugesof2"to4".以我之见，PDC钻头的保径通常为1"至5"。大多数应用RSS工具的钻头的保径通常为1.5"至3.5"，而大多数应用井下动力钻具的钻头的保径稍长，为2"至4"。第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BitGaugeCont.

钻头设计因素——钻头保径（续）Forspecificapplicationssuchassidetrackingthebitgaugemaybeevenlessthan1"andforenvironmentswherebitstabilityisveryimportantextendedgaugesof>5"maybeutilized.在特殊应用中，比如侧向钻，钻头保径可能小于1"，而在钻头稳定性极其重要的环境中，也可使用大于5"的延长保径。

Itisgenerallyconsideredthatlongergaugelengthsprovidemorestabilityinrotationduetoincreasedsurfacecontactbetweenbitandborehole.一般而言，保径越长，钻头与井眼的接触面越大，则旋转稳定性越高。第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BladeHeight

钻头设计因素——刀片高度Thebladesofabitservethreemainfunctions:钻头的刀片有三个主要功能：

1.Givesupporttothecuttingstructures,1.支撑切削结构，

2.Definethehydraulicflowpaths2.规定液流路径，

Asoftformationbitwillbenefitfromtallblades,givingthebitmaximumopenfacevolume.

软地层钻头最好使用高刀片，这会使钻头的露面体积达到最大。

3.ProvideincreasedfrontalexposureforthePDC.3.增加PDC的正面暴露量。第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–BladeHeightCont.钻头设计因素——刀片高度（续）Exposure暴露量ExposureisdefinedasthedistancebetweenthetopofthePDCandthebottomofthewaterwayinfrontofthebladeasillustratedinthefigurebelow.暴露量指PDC顶部和刀片前面水道底部之间的距离，如下图所示。Insoftformationdrilling,wheredepthofcutandpenetrationratearehigh,increasedexposurebecomesanadvantage,asthehighvolumeofcuttingsproducedcanberemovedfromthePDCfacemoreeasilyduetothelargecrosssectionalareaofwaterway.Thishighexposuregreatlyreducestheriskofbitballingwhendrillingsoft,stickyformationswithwaterbasedmud.在切削深度和机械钻速都很高的软地层钻井中，暴露量增加是一大优势，因为水道的横切面积较大，更易于将产生的大量钻屑从PDC表面移除。在带水基泥浆的软粘性地层中钻井时，高暴露量大大地减小了钻头泥包的风险。第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–Vibrations

钻头设计因素——振动Bitstability钻头稳定性VibrationscancausehighimpactloadsonindividualPDCcutterswhichoftenresultinchipping,andreducedcutterlife.振动可对单个PDC刀具造成高冲击负载，这常常导致碎裂并缩短刀具寿命。Acceleratedwearofevenjustafewcuttersincriticalareasofabitcangreatlyreduceoverallbitlife.钻头关键部位的刀具，即使仅有几个刀具加速磨损都能在很大程度上缩短整个钻头的寿命。Therearetwodistincttypesofvibrationwhichmustbeconsidered:必须考虑以下两种不同的振动类型：

1.Lateralvibration侧向振动

2.Axialvibration轴向振动第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–VibrationsCont.

钻头设计因素——振动（续）Lateralvibration,sometimesreferredtoasbitwhirl,istheperiodicsidewaysmovementofthebitinthe"x-y"plane.Bitwhirlisaspecificphenomenonthatoccurswhenthedownholedynamicforcescausethebit'sinstantaneouscenterofrotationtomovefromitsgeometriccenter.侧向振动指钻头在“x-y”平面上的周期性侧向运动，有时也指钻头的旋转运动。钻头旋转是一种特殊现象，通常在井下动力使钻头的瞬时旋转中心偏离其几何中心时发生此现象。WhenanindividualPDCcutter"grabs"theformation,thebit'sinstantaneouscenterofrotationisshiftedtothepointofcutter/formationcontact.ThisinturncreatesabackwardwhirlingmotionwhichimpartsimpactloadingonthePDCcuttersonthesideoppositethecenterofrotation.当单个PDC刀具“钻入”地层时，钻头的瞬时旋转中心移至刀具与地层的接触点，从而产生反向旋转运动，使旋转中心反侧的PDC刀具承受冲击荷载。第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期二BitDesignConsiderations–VibrationsCont.

钻头设计因素——振动（续）Axialvibration,thesecondareaofconcern,istheperiodicupanddownmovementofthebitinthedirectionofthebit'scentralaxis.Thismovementisoftenreferredtoas"bitbounce.“轴向振动是第二个因素，指钻头在其中心轴方向上的周期性上下运动。此运动通常指“钻头跳动”。Asabitvibratesupanddownatthebottomoftheholeandtheweightappliedtoeachindividualcutterchanges,thedepthsofcutforthePDCcuttersvary,goingfromaminimumwhenthebitisintheuppositiontoamaximumwhenthebitisdown.由于钻头在井底上下振动，且每个刀具承受的重量发生变化，PDC刀具的切削深度随之变化，钻头位于上方时最小、位于下方时最大。Variationsinthedepthofcuttranslateintovariationsintorque.Thesetorquefluctuationscanbeacauseoftorsionalvibrationatthebit.切削深度的变化可理解为力矩的变化。力矩的大小波动可导致钻头扭转振动。Modifiedbitsminimizetorsionalvibrationbycontrollingdepthofcut.Becausethepreciselylocatedimpregspreventthebitfromtakinganinordinatelyhighdepthofcut,excessivetorquespikesareeliminated.改良过的钻头通过控制切削深度而使扭转振动最小化。由于正确放置的浸渍木可防止钻头完成的切削深度过高，可避免过高的力矩峰值。第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期二Example:PowerDriveArcher

实例：PowerDriveArcher第四十页，共四十四页，编辑于2023年，星期二PowerDriveArcher475PDCBitSpecifications

PowerDriveArcher475PDC钻头规格BitGeneralFeatures钻头的一般特点ThebackrakeanglesofthefacePDCcuttersshouldbeintheregionof10º‐25°andthebladeandgaugep