本文通過對于鉆頭材質，切割結構，PDC復合片類型，鉆頭體幾何形狀和液壓系統的分析，構建了一個簡要的PDC鉆頭設計概覽，可作為分析，設計和篩選適合的PDC鉆頭的依據。

解構PDC鉆頭

PDC鉆頭通過巖石剪切以鉆井，包括四個部位：復合片(cutters)，切割結構(cutting structure)，刀翼(blades)，鉆頭體(bitbody)。

復合片通常為圓柱形，在碳化鎢基底上制有較薄的一層人造金剛石。在鉆井時，復合片形狀必須保持完整，以確保鉆頭可以按照設計的3D幾何形狀切削結構可靠地運行。

切割結構看似簡單，但它通常是PDC鉆頭設計中最復雜的部分。通常，復合片成排排列，以便于更好地清潔巖屑。每排沿著刀翼的頂部設置，突出向下，支撐切割結構并將其保持在適當位置，同時有效地將切割結構連接到鉆柱的端部。在刀翼之間是排屑槽，其用作鉆井液在鉆孔時將鉆屑從鉆頭面沖洗掉的通道。

鉆頭體由分為胎體和剛體。胎體 PDC鉆頭的接口處由鋼制成，并在外表面上過渡到碳化鎢復合材料。鋼體PDC鉆頭由粗鋼制成，然后涂上硬面材料以增加抗腐蝕性。

PDC鉆頭可以設計成幾乎無限的變量組合，故可以并根據鉆井應用進行修改。需求方可通過提出性能要求，由工程師和設計師對其進行設計和調整。

在設計鉆頭時必須考慮很多因素。設計中最重要的外部因素是需要鉆孔的井眼尺寸，其直徑可以是2? 英寸到36英寸（6cm到90cm）。其他因素包括諸如巖石和地層類型，操作環境，其他鉆井設備的能力(BHA)以及井眼角度等因素。

設計PDC 鉆頭

設計PDC鉆頭的最終目的主要包括兩個，增加總進尺或機械鉆速。

在設計開始之前，我們需要全面了解鉆井應用，包括鉆機能力，轉速（RPM），鉆壓（WOB），流速(TFA)，鉆井工具(BHA)，巖層強度和硬度，以及鉆孔距離。

收集和分析此信息后，應當按照鉆頭數據庫對比分析以前類似執行方式和執行結果。在繼續鉆頭設計部分之前，應通過這些經驗數據和所有外部因素來創建設計和性能預期。

在設計階段，創建和調整鉆頭的完整屬性，例如復合片尺寸，復合片方向，復合片密度和噴嘴位置。在設計鉆頭時，重要的是讓外部因素和應用的細節指導設計。

地層類型，硬度，鉆井參數和任何方向方面等外部因素也決定著鉆頭的使用效果。事實上，單就鉆頭生產流程里說，無論個別差異，制造過程均擁有很多相似之處。

有五個主要的設計原則：鉆頭材質，切割結構，PDC復合片類型，鉆頭體幾何形狀和液壓系統。

五個主要PDC位設計變量：

一、PDC 鉆頭材質：胎體 VS 鋼體

胎體鉆頭由碳化鎢合金制成，可提供更好的抗研磨性地層和流體腐蝕的能力。這些主體可以承受相對較高的壓縮載荷，并且可以承受地層的磨損。由于材料相對易碎，因此與鋼體PDC相比，由于較低的沖擊韌性，基質刀翼的性質（例如刀翼的高度）會受到限制。通常，胎體在侵蝕性環境中使用較多。

鋼體鉆頭由合金鋼制成。這些鉆頭可以承受高沖擊力，并且通常設計有更高的刀片支撐，這為流體和切屑的移除提供了更多的空間，這可以增加ROP潛力。鋼材相對較軟，有些沒有保護措施（如硬面材料，敷焊等），會因磨損和流體侵蝕而迅速失效。鋼體材料特性和制造能力允許復雜的鉆頭輪廓和液壓設計。由鋼制成的刀翼尺寸有著更大的空間，因為它本身堅韌和并具有延展性。

二、復合片類型

此處的復合片類型，變量包括金剛石臺面，金剛石粒度以及用于制造復合片的方法。 聚晶金剛石復合片是一種高度工程化的部件，所有這些方面都受到嚴格控制。 PDC復合片由兩個粘合件組成 - 聚晶金剛石復合片本身和碳化鎢基底。聚晶金剛石是一組微觀單晶金剛石，以隨機取向粘合在一起。晶格結構中晶體的多個取向產生晶界，這顯著增加了其斷裂韌性。設計中使用的PDC復合片的確切結構，材料和性能將取決于應用所需的性能。通常，工程師必須在耐磨性和承受沖擊損壞的能力之間取得平衡。

三、切割結構

設計PDC鉆頭時要考慮的主要變量是復合片數量，尺寸和復合片方向。

與其他設計變量一樣，鉆孔應用程序確定PDC復合片的數量和尺寸，也可稱為“金剛石含量（Diamond Volume）”。較低的金剛石含量為給定的WOB提供更快的ROP，對WOB調節的響應更快，對鉆機的扭矩更大，并且相對耐磨性低。較高的金剛石含量為給定的WOB提供較慢的ROP，在損壞發生之前承受較大的力，對鉆機的扭矩響應較小，以及較高的耐磨性。

鉆頭中心的復合片負責抵抗地表的侵蝕性。大直徑的復合片可根據需要以較低的切割量實現完全覆蓋。這些較低的復合片數量會增加鉆頭的侵蝕性和扭矩響應。較小的復合片允許更密集的包裝以根據需要增加復合片數量。較高的復合片數量可提高耐用性和耐磨性，較小的復合片可減少曝光。

四、鉆頭幾何學

鉆頭的幾何形狀由諸如刀翼的形狀，保徑區域的構造，液體流徑的尺寸以及與鉆頭的形狀和尺寸有關的所有其他因素等因素確定。幾何形狀由外部變量決定，如流速，ROP，泥漿條件等。不同尺寸的刀翼，噴嘴位置，刀翼數量都對鉆井作業有很大影響。

通常對于具有較少金剛石含量的鉆頭，肩部更短且更具侵略性;而對于較多金剛石含量的鉆頭，肩部區域較長。更長的肩部將允許更多的PDC復合片和增加的鉆石體積，更多的耐磨性和更少的侵略性。較短的肩部有較少的復合片，較低的鉆石體積，垂直和定向更具侵略性，但對磨損磨損的耐久性較差。

鉆頭的形狀也受到刀翼數量的影響。延伸到鉆頭中心的刀翼稱為主刀翼，而靠近鉆頭外部開始的刀翼稱為輔助刀翼。在鉆頭體輪廓的中心是錐形區域，更深的錐角允許增加金剛石體積，增強鉆頭穩定性并且降低偏離角度。淺錐角則有更有效的WOB傳遞。

五、液壓裝置

鉆井液流過PDC鉆頭的過程，包含了大量水力學的知識，而這對于鉆頭的性能非常重要。流體流動清潔和冷卻切割結構，同時還將鉆出的巖屑切割離開鉆頭體。為了優化鉆頭液壓系統，改變噴嘴/端口數量，位置，尺寸和矢量將改善鉆屑排空，有助于冷卻復合片，減少鉆頭侵蝕，并擴大或縮小壓力問題的總流動面積（TFA） 。

流體動力計算軟件（CFD，Computational Fluid Dynamics）是一種使用數值分析和算法的軟件模擬軟件包，用于建模和優化流程。CFD可以將噴嘴方向和位置可能對流路，腐蝕，清潔鉆頭等產生的影響可視化。通常，一個鉆頭的每個刀翼有一個噴嘴，以便切割結構盡可能高效地冷卻和清潔。在較小的PDC鉆頭上，可能沒有足夠的空間用于這么多噴嘴，但是建模和設計確保鉆頭的任何部分都有足夠的鉆井液經過。

PDC鉆頭設計中的考慮外部因素

設計師可以根據外部因素條件，相應地制造鉆頭，以適應外部環境和鉆井作業的需要。

其中，巖石屬性是決定鉆頭設計的主要因素。不同的巖石類型：如石灰巖，砂巖，頁巖等。這些巖石由不同的礦物和結構組成，對扭矩，鉆速，鉆壓的變動會有有不同的反應。例如，如果巖石非常堅硬且具有磨蝕性，則傾向使用更多的復合片，同時增加刀翼數量。此外，復合片尺寸會適當調小，以提高耐用性并降低損壞的風險。

也可以根據預計進尺定制鉆頭。通過采取不同的設計和預防措施，定制鉆頭可以在作業期間鉆頭穿越不同的地質結構。例如，在我國的某些區域，復雜的地質成分和夾層構造要求鉆頭能夠擁有多種特征,這要求鉆頭采用非常規設計。

PDC鉆頭技術近年來發生了巨大變化，一個重要因素是由于對于鉆井振動過程以及其對于生產率影響的研究。鉆頭旋轉時通過振動模式產生會產生額外沖擊，從而傳遞到鉆頭切削結構并造成損壞。如何建模和平衡，以便鉆井時不會引起振動和損壞，是鉆頭廠商面對的重大課題。

參考文獻：

（1） Drilling & Geology ，Kjell K?re Fjelde 

（2） The Drilling Manual,ADITC

（3） PDC Bits 101, Ulterra

（4） 《鉆頭設計理念介紹》，Smith Technologies

（5） Petrowiki