吃入—剪切复合破岩模式下PDC齿的破岩规律与损伤特性研究

来源：石油科学通报杂志2026年第2期北京时间：

作者：冯超超, 刘维, 高德利, 章宇

单位：中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室， 北京 102249

摘要：PDC齿的破岩效率与耐用性是影响钻井提速提效的关键因素。现有PDC齿破岩研究主要在恒定吃入深度下开展，对PDC齿吃入地层时吃入—剪切复合破岩规律及其剪切断裂特性认识不足。本文基于立式转塔车床，设计了PDC齿吃入—剪切复合破岩实验，探究了岩性、吃入深度、后倾角与齿形特征等因素对PDC齿破岩效果的影响规律，并引入皮尔逊相关系数方法，对各影响因素与破岩效率之间的相关性进行了定量表征，此外在30°和35°大后倾角下开展了PDC齿抗剪切断裂测试。结果表明，在吃入—剪切复合破岩模式下，岩性是影响PDC齿破岩效率的首要因素，切削花岗岩时切削力与机械比能均显著高于砂岩；吃入深度是影响破岩效率的关键变量，随着吃入深度增加，机械比能快速下降并逐渐趋于稳定，而攻击性则单调增大且与岩性无关；异形齿破岩所需能量较低、破岩效率较高，具有更强的抗剪切断裂能力，但齿形特征及后倾角与破岩效率的相关性弱于岩性和吃入深度。在大后倾角(≥30°)下，PDC齿的破岩方式逐渐由剪切转向压碎破岩，同时岩屑难以排出、切削力增大且周期性动态冲击增强，易导致PDC齿剪切断裂失效，合理选择后倾角和控制吃入深度是防止PDC齿过早失效的有效措施。研究成果可为PDC齿设计优化和现场应用提供参考。

关键词：吃入—剪切复合破岩,PDC齿,齿形结构,机械比能,深层/超深层钻井

基金资助：国家工信部专项(ZX20240310)