基于着色法的PDC钻头切削面积计算方法研究

邓秀丽; 周春晓; 任海涛; 赵家辉; 何佳; 刘磊

doi:10.12473/CPM.202509003

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基于着色法的PDC钻头切削面积计算方法研究

钻井技术与装备 | 更新时间：2026-11-04

- 基于着色法的PDC钻头切削面积计算方法研究
- A Coloring-Based Cutting Area Calculation Method for PDC Bits
- 石油机械 2026年54卷第10期页码：12-19
- 作者机构：
  
  西南石油大学机电工程学院
- 作者简介：
  
  邓秀丽，女，生于2000年，现为在读硕士研究生，研究方向为PDC钻头布齿优化与设计。地址：（610500）四川省成都市。email：2835499274@qq.com。
  周春晓，副教授。email：lanyanglanyang@foxmail.com。
- 基金信息：
  
  国家科技重大专项“高功率毫米波-钻头复合破岩钻井技术”(2025ED10)
- DOI：10.12473/CPM.202509003
  中图分类号： TE921
- 收稿：2025-09-01，
  
  修回：2026-06-14，
  
  录用：2026-04-08，
  
  纸质出版：2026-10-25
- 稿件说明：
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邓秀丽，周春晓，任海涛，等.基于着色法的PDC钻头切削面积计算方法研究［J］.石油机械，2026，54（10）：12-19.

Deng Xiuli，Zhou Chunxiao，Ren Haitao，et al.A coloring-based cutting area calculation method for PDC bits［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（10）：12-19.
邓秀丽，周春晓，任海涛，等.基于着色法的PDC钻头切削面积计算方法研究［J］.石油机械，2026，54（10）：12-19. DOI： 10.12473/CPM.202509003.

Deng Xiuli，Zhou Chunxiao，Ren Haitao，et al.A coloring-based cutting area calculation method for PDC bits［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（10）：12-19. DOI： 10.12473/CPM.202509003.

摘要

PDC钻头是钻井工程中重要的破岩工具，在软硬交替、含砾石及复合地层中，其钻进效能常受切削齿载荷分布不均的影响，易出现环切、掏心等失效问题。切削区域分析和切削面积计算是钻头工作载荷分析的基础，但传统建模方法在复杂切削状态下存在建模效率低、过程烦琐等问题。为给钻头布齿优化与性能提升提供理论依据，提出了一种基于着色法的PDC钻头切削面积快速计算方法。该方法建立单齿在钻头空间坐标系下的齿刃轨迹方程，利用MATLAB绘制各切削齿的切削区域图像，并将当前齿当前圈、上一圈及前后相邻齿的区域分别标记为红、黑、白3种颜色；再结合像素级分类与灰度值转换，统计对应颜色像素数量，实现切削区域的自动识别与面积计算。为提高计算精度，引入侵入深度和切削顺序等关键参数，并通过图像叠加识别径向投影平面上各齿间的真实切削重叠区域。以直径215.9 mm、主切削齿数为19的PDC钻头为算例与传统数值积分法进行对比。研究结果表明：2种方法的计算结果在各齿切削面积分布规律上具有较高一致性，整体相对误差控制在5%以内；该方法能够更真实地反映PDC钻头单齿的实际切削区域，具备计算过程简洁、可视化表达直观等优势，在保证结果合理性的同时显著提升了建模与分析效率。所得结论可为PDC钻头的切削性能定量评价、磨损趋势分析及布齿参数优化提供一条可行的技术路径。

Abstract

PDC bit is an important rock-breaking tool in drilling engineering. However， in soft-hard alternating， gravel-bearing， and composite formations， its drilling efficiency is often affected by uneven load distribution on cutters， which readily causes failure modes such as ring cutting and core pulling. Cutting-region analysis and cutting-area calculation are fundamental for bit working-load analysis， but traditional modeling methods suffer from low efficiency and cumbersome procedures under complex cutting conditions. To provide a theoretical basis for bit cutter arrangement optimization and performance improvement， a rapid cutting-area calculation method for PDC bits based on the coloring technique was proposed. For this method， the tooth-edge trajectory equation of a single cutter in the bit spatial coordinate system is established， MATLAB is used to plot the cutting-region image of each cutter， and the regions of the current cutter on the current and previous rows， and of the adjacent cutters are separately marked with red， black， and white. Through pixel-level classification and grayscale value conversion， the number of pixels for each color is counted to achieve automatic identification and area calculation of the cutting regions. To improve calculation accuracy， key parameters such as penetration depth and cutting sequence are introduced， and image superposition is used to identify the actual cutting overlap regions between cutters on the radial projection plane. Taking a

215.9 mm PDC bit with 19 primary cutters as an example， the proposed method was compared with the traditional numerical integration method， indicating a good consistency in the cutting-area distribution pattern of each cutter， with an overall relative error controlled within 5%. The research results demonstrate that the proposed method can more realistically reflect the actual cutting region of each single cutter of the PDC bit， featu

ring a concise calculation process and intuitive visual representation. While ensuring the rationality of the results， it significantly improves modeling and analysis efficiency， providing a feasible technical approach for quantitative evaluation of cutting performance， wear trend analysis， and cutter arrangement optimization of PDC bits.

关键词

Keywords

references

Liu Weiji ， Deng Hongxing ， Zhu Xiaohua ， et al . The PDC cutter-rock interaction behavior in rock cutting： a review ［J］. Geoenergy Science and Engineering ， 2023 ， 229 ： 212168 .

Chen Pengju ， Dai Xianwei ， Shao Fangyuan ， et al . Review of PDC cutter-rock interaction： methods and physics ［J］. Geoenergy Science and Engineering ， 2023 ， 228 ： 211995 .

李彦操． PDC钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状［J］．金刚石与磨料磨具工程， 2023 ， 43 （ 5 ）： 553 - 567 ．

Li Yancao . Research status on rock-breaking mechanism and performance testing methods of PDC bit cutters ［J］. Diamond & Abrasives Engineering ， 2023 ， 43 （ 5 ）： 553 - 567 .

Scott D ， Hughes B . A bit of history： overcoming early setbacks， PDC bits now drill 90%-plus of worldwide footage ［J］. Drilling Contractor ， 2015 ， 71 （ 4 ）： 60 - 68 .

刘维，高德利． PDC钻头研究现状与发展趋势［J］．前瞻科技， 2023 ， 2 （ 2 ）： 168 - 178 ．

Liu Wei ， Gao Deli . Research status and development trends of polycrystalline diamond compact bits ［J］. Science and Technology Foresight ， 2023 ， 2 （ 2 ）： 168 - 178 .

未九森． PDC钻头切削结构受力分析与优化设计研究［D］．北京：中国石油大学（北京）， 2024 ．

Wei Jiusen . Study on cutting force analysis of PDC bit and its optimization design ［D］. Beijing ： China University of Petroleum ， 2024 .

沈飞．基于钻头与岩石相互作用的切削齿磨损机理仿真研究［D］．西安：西安石油大学， 2024 ．

Shen Fei . Simulation study on cutting tooth wear mechanism based on the interaction between drill bit and rock ［D］. Xi'an ： Xi'an Shiyou University ， 2024 .

鲍俊锟．四川盆地沙溪庙地层“一趟钻”长寿命PDC钻头研究与试验［D］．成都：西南石油大学， 2023 ．

Bao Junkun . Research and test of long-life PDC bit for “one trip drilling” in Shaximiao formation of Sichuan Basin ［D］. Chengdu ： Southwest Petroleum University ， 2023 .

田丰，杨迎新，任海涛，等． PDC钻头切削齿工作区域及切削量的分析理论和计算方法［J］．钻采工艺， 2009 ， 32 （ 2 ）： 51 - 53 ．

Tian Feng ， Yang Yingxin ， Ren Haitao ， et al . Analytical theory and computational method of contact area and cutting volume of PDC bit cutters ［J］. Drilling & Production Technology ， 2009 ， 32 （ 2 ）： 51 - 53 .

肖仕红． PDC钻头与岩石互作用过程的计算机仿真［D］．成都：西南石油大学， 2004 ．

Xiao Shihong . Computer simulation of interaction process between PDC bit and rock ［D］. Chengdu ： Southwest Petroleum University ， 2004 .

任海涛，杨迎新，陈炼，等． PDC钻头钻进仿真系统数字化方法研究［J］．西南石油大学学报（自然科学版）， 2010 ， 32 （ 5 ）： 150 - 154 ．

Ren Haitao ， Yang Yingxin ， Chen Lian ， et al . Research on the digital method of the PDC bit drilling progress simulation system ［J］. Journal of Southwest Petroleum University （Science & Technology Edition）， 2010 ， 32 （ 5 ）： 150 - 154 .

黄何松． PDC钻头复杂运动工况动态力学特性研究［D］．成都：西南石油大学， 2019 ．

Huang Hesong . Study on dynamic mechanical properties of PDC bit under complex motion conditions ［D］. Chengdu ： Southwest Petroleum University ， 2019 .

黄安龙． PDC齿破岩过程岩石损伤演化模拟与试验研究［D］．成都：西南石油大学， 2022 ．

Huang Anlong . Simulation and experimental study on rock damage evolution of PDC cutter rock breaking process ［D］. Chengdu ： Southwest Petroleum University ， 2022 .

Cao Tong ， Chen Xuyue ， Yu Kaian ， et al . Experimental study of rock cutting characteristics of PDC cutter considering cutting effects of adjacent cutters ［J］. Journal of Mechanical Science and Technology ， 2024 ， 38 （ 7 ）： 3657 - 3666 .

Chen Pengju ， Stefan M ， Yu Mengjiao ， et al . Modeling of cutting rock： from PDC cutter to PDC bit-modeling of PDC bit ［J］. SPE Journal ， 2021 ， 26 （ 6 ）： 3465 - 3487 .

Ma Yachao ， Huang Zhiqing ， Li Qin ， et al . Calculation of cutting parameters of cutters of PDC bit under wear conditions ［J］. China Mechanical Engineering ， 2017 ， 28 （ 8 ）： 973 - 978 .

王元吉． PDC钻头布齿参数逆向分析技术研究［D］．成都：西南石油大学， 2017 ．

Wang Yuanji . Research on reverse analysis technology of PDC bit tooth arrangement parameters ［D］. Chengdu ： Southwest Petroleum University ， 2017 .

Chen Shilin ， Grosz G ， Anderle S ， et al . The role of rock-chip removals and cutting-area shapes in polycrystalline-diamond-compact-bit design optimization ［J］. SPE Drilling & Completion ， 2015 ， 30 （ 4 ）： 334 - 347 .

Zhang Chunliang ， Yang Yingxin ， Qi Qingliang ， et al . Research on numerical drilling technology of mesh-like cutting PDC bit ［J］. Energy Reports ， 2021 ， 7 ： 2068 - 2080 .

Wei Jiusen ， Liu Wei ， Gao Deli . Modeling of PDC bit-rock interaction behaviors based on the analysis of dynamic rock-cutting process ［J］. Geoenergy Science and Engineering ， 2024 ， 239 ： 212955 .

任钞．煤矿PDC钻头齿破岩机理与布齿参数优化［D］．贵阳：贵州大学， 2025 ．

Ren Chao . Rock breaking mechanism and tooth arrangement parameter optimization of PDC bit tooth in coal mine ［D］. Guiyang ： Guizhou University ， 2025 .

王少飞． PDC钻头侧向力平衡分析及优化设计［D］．西安：西安石油大学， 2025 ．

Wang Shaofei . Lateral force balance analysis and optimization design of PDC bit ［D］. Xi'an ： Xi'an Shiyou University ， 2025 .

李劲，尹卓，刘忠，等． PDC齿破岩力预测模型研究［J］．石油机械， 2021 ， 49 （ 8 ）： 23 - 29， 38 ．

Li Jin ， Yin Zhuo ， Liu Zhong ， et al . Research on rock breaking force prediction model of PDC cutter ［J］. China Petroleum Machinery ， 2021 ， 49 （ 8 ）： 23 - 29， 38 .

吴泽兵，张帅，郭龙龙，等． ABAQUS二次开发在PDC单齿破岩仿真中的应用［J］．西安石油大学学报（自然科学版）， 2020 ， 35 （ 1 ）： 104 - 109 ．

Wu Zebing ， Zhang Shuai ， Guo Longlong ， et al . Application of ABAQUS secondary development in rock breaking simulation of PDC cutter ［J］. Journal of Xi'an Shiyou University（Natural Science）， 2020 ， 35 （ 1 ）： 104 - 109 .

庞小林．模块化布齿的新型PDC钻头破岩特性研究［D］．成都：西南石油大学， 2015 ．

Pang Xiaolin . Study on rock breaking characteristics of new PDC bit with modular tooth arrangement ［D］. Chengdu ： Southwest Petroleum University ， 2015 .

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