第二章1--钻头选编课件.ppt

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1、第二章 钻进工具,第一节 钻头第二节 钻柱,一、概述 钻头分为牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三类。钻头的技术、经济指标包括以下方面：钻头进尺：指一个钻头钻进的井眼总长度；钻头工作寿命：指一个钻头的累计总使用时间；,第一节 钻 头,钻头平均机械钻速：指一个钻头的进尺与工作寿命之比。钻头单位进尺成本：式中：C单位进尺成本，元/m；Cb钻头成本，元；Cr钻机作业费，元/h；t钻头钻进时间，h；tr起下钻及接根时间，h；H钻头进尺，m。,(一)刮刀钻头的结构刮刀钻头结构可分为四部分：上钻头体、下钻头体、刀翼、水眼,图2-1 刮刀钻头结构,刀翼,三刀翼的称作三刮刀钻头两刀翼的称作两刮刀钻头 或鱼尾刮

2、刀钻头四刀翼的称作四刮刀钻头,二、刮刀钻头的结构及工作原理,刮刀钻头刀翼的结构特点：(1)刀翼结构角，包括刃尖角、切削角、刃前角和刃后角。刃尖角是刀翼尖端前后刃之间的夹角，它表示刀翼的尖锐程度。切削角是刀翼前刃和水平面之间的夹角。刃后角-。刃后角必须大于井 底角。井底岩石表面和水平面成一夹角，此夹角称作井底角()。刃前角与切削角互为补角，刃前角90-。,图2-3 刮刀钻头刀翼结构角,(2)刀翼背部几何形状。刀翼背部应成抛物线形状，即刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而逐渐增厚，呈抛物线形。(3)刀翼底部几何形状。有平底、正阶梯、反阶梯和反锥形几种形状。,图2-4 刀翼底刃几何形状,平底刮刀钻头：钻速

3、慢，结构稳定；正阶梯型：钻速快，缩径；反阶梯型：钻速快，易蹩断；反锥型：钻速较快，不缩径，不易蹩断。(4)提高刀翼的耐磨性。刀翼一般采35CrMo或MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。,(二)刮刀钻头的工作原理 刮刀钻头主要以切削、剪切和挤压方式破碎地层，具体方式取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。刮刀钻头破碎塑性岩石的方式 在钻压W和扭转力T的作用下不 断产生塑性流动。,图2-5 刮刀钻头破碎塑性岩石过程,破碎塑脆性岩石大体分为三个过程：(1)刃前岩石沿剪切面破碎后。T力减小，切削刃向前推进。碰撞刃前岩石(图2-6a)；(2)在扭力T作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切

4、破碎，旋转力T增大(图2-6b)；(3)刀翼或切削齿继续压挤前方的岩石(部分被压成粉状)，当扭力T增大到极限值时，岩石沿剪切面破碎，然后扭力突然变小(图2-6c)。,图2-6 刮刀钻头破碎塑脆性岩石过程,碰撞、压碎及小剪切、大剪切这三个过程反复进行，形成破碎塑脆性岩石的全过程。,牙轮钻头分为三牙轮钻头，两牙轮钻头、单牙轮钻头和四牙轮钻头。,三、牙轮钻头的结构 及工作原理,(一)牙轮钻头的结构分为有体式和无体式两类,图2-7 三牙轮钻头（铣齿密封滚动轴承喷射式）,1牙轮及牙齿(1)牙轮具有单锥和复锥两大类，单锥牙轮适用于硬或研磨性较强的地层，复锥牙轮适用于软或中硬地层。,图2-8 单锥和复锥牙轮

5、a单锥；b、c复锥；1主锥；2副锥；3背锥,a,b,c,(2)铣齿。铣齿牙轮钻头的牙齿是由牙轮毛坯经铣削加工而成的，主要是楔形齿，齿的结构参数为齿尖角、齿高、齿顶削平度、齿距等。齿尖角：一般软地层=3840；中硬地层=4042，硬地层，=4245。,图2-9 铣齿结构参数,齿高h：指齿根到齿顶的距离。齿顶削平度k：指齿尖的宽度。一般小钻头k=0.751mm；大钻头k=2mm。一般软地层钻头的齿高、齿宽、齿距较大，而硬地层则相反。,在研磨性较强的地层的钻头增大钻头外径部位的耐磨性的做法称作保径。铣齿钻头为达到保径要求外排齿制成“”形、“T”形或“L”形(见图2-10)。,图2-10 保径齿齿形,

6、(3)镶齿 镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔后，将硬质合金材料制成的齿镶入孔中。,表2-1 国产硬质合金性能,齿的体部都是圆柱体，是镶进牙轮壳体的齿孔内的部分，齿形是指露出在牙轮壳体以外部分的形状及高度。国内外常见的硬质合金齿的齿形如图2-11所示。,图2-11 硬质合金齿齿形图,楔形齿：齿形呈“楔子”状，齿尖角由6590不等。适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地层，齿尖角小的适合软地层，齿尖角大的适合较硬地层。圆锥形齿：锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状，以压碎方式破碎岩石。锥角6070的中等锥形齿用来钻中硬地层，90锥形及120双锥形齿用来钻研磨性高的坚硬岩石。,球形齿：顶部为半球体，以

7、压碎和冲击方式破碎高研磨性的坚硬地层，如燧石、石英岩、玄武岩、花岗岩等，强度和耐磨性均高。抛物体形齿：是球形齿的变形，齿高较大但有一定强度，同样用在高研磨性的坚硬地层。勺形齿：是美国休斯公司80年代推出的新齿形。它是一种不对称的楔形齿，其切削地层的工作面是内凹的勺形，背面是微向外凸的圆弧形。,偏顶勺形齿的齿顶相对于其轴线超前偏移了一个距离，其凹面正对被切削的地层。圆锥勺形齿是在圆锥形齿的基础上产生的，它切削地层的工作面内凹，背面是微向外凸的圆弧形。平顶形齿，齿形为圆柱体，端部有倒角，它只用在牙轮钻头的背锥上，以防止背锥磨损，达到保径及提高钻头寿命的目的。,2轴承 牙轮钻头轴承由牙轮内腔、轴承跑

8、道、牙掌轴颈、锁紧元件等组成。,根据轴承的密封与否，分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，分为滚动轴承和滑动轴承。对于滚珠轴承、滚柱轴承及滑动轴承，轴与轴承副之间的接触方式分别为点接触、线接触与面接触。密封圈有碟形密封圈、“O”形密封圈及金属密封圈等几种。,3储油润滑密封系统 既能保证轴承得到润滑，又可有效地防止钻井液进入轴承内。整个储油装置安装在牙爪的储油孔内，与外界用传压孔相通，与轴承腔内用长油孔相连。,4钻头水眼 钻头水眼是钻井液流出钻头射向井底的流道。喷射式钻头在水眼处装有硬质合金喷嘴，充分利用钻头水力功率，使高速液体直接射向井底，以充分清除井底岩屑，提高钻进效率。,5牙齿的排布方式

9、 布齿原则：（1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；（2）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿已破碎的旧坑内；（3）应使每个牙齿均匀地承担破碎任务。自洗式：其特点是相邻两牙轮的齿圈相互交错排列。工作时相邻牙轮的牙齿相互“嵌入”，铣掉齿圈间的岩屑，而又不影响各自的转动。,1牙轮的公转与自转 公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：钻头工作时，牙轮绕牙轮轴线做逆时针方向的旋转称自转。2钻头的纵向振动 纵向振动：牙齿与井底的接触是单齿、双齿交错进行的接触井底所引起的较高频振动外，在纵向还有低频率、振幅较大的振动，这是由于井底不平和有凸台所引起的。,图2-13 单、双齿交错接触 井底引起牙轮的纵

10、向振动,(二)牙轮钻头工作原理,3牙轮的滑动 产生滑动是由牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。(1)超顶和复锥引起的滑动 牙轮锥顶超过钻头轴线，这种特点称作超顶，超过的距离ob称作超顶距（c）。牙轮超顶产生滑动，滑动速度随超顶距c的增加而增加。,超顶产生的滑动,复锥牙轮包括主锥和副锥，主锥顶与钻头中心重合，而副锥锥顶的延伸线是超顶的。因而产生了滑动。(2)移轴引起的滑动 牙轮轴线相对于钻头轴线平移一段距离，这种方式称作移轴，平移的距离soo称作偏移值。,由于牙轮的移轴，牙轮作公转时，牙轮与岩石接触母线上任一点都产生垂直于牙轮轴的分速度和沿牙轮轴线方向的分速度，从而产生滑动。,图2-1

11、5 牙轮钻头的牙轮移轴,超顶和复锥所引起的切线方向滑动，剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。移轴则在轴向产生滑动，它可以剪切掉齿圈之间的岩石。移轴引起的轴向滑动使牙齿的内端面部分磨损，而超顶和复锥引起的切线方向滑动使牙齿侧面磨损。牙轮钻头破岩方式：纵向振动冲击作用；钻压压碎作用；超顶、复锥、移轴剪切作用。,（一）金刚石的基本特征 金刚石是比重3.52的结晶碳，其抗压强度为9000MPa，是迄今为止在地球上发现的最硬、抗磨能力最强的材料。金刚石颗粒的大小一般用“粒度”来衡量，即每克拉（0.2g）重量所含金刚石的粒数，单位为“粒/克拉”。,四、金刚石材料钻头的结构及工作原理,金刚石钻头所用的金

12、刚石的粒度一般在0.5粒/克拉15粒/克拉。软到中软地层，用0.5粒/克拉2粒/克拉的金刚石；中硬地层用3粒/克拉6粒/克拉的；硬地层用8粒/克拉12粒/克拉；坚硬地层用12粒/克拉15粒/克拉的金刚石。,金刚石的弱点：第一，它的脆性较大，遇到冲击载荷会引起断裂；第二，它的热稳定性较差。钻头用金刚石，必须质地坚固，形状规则，如十二面体、八面体、立方体或其它接近球体的形状。用石墨在某些金属触媒的作用下，在510MPa压力及10002000高温条件下制成单晶金刚石。,(二)金刚石材料钻头的结构 1切削齿 PDC的结构见图2-18，它是以金刚石粉（直径约1100m之间）为原料加入粘结剂在高温高压下烧

13、结而成。复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于1mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。,图2-18 聚晶金刚石复合片(PDC)的结构,PDC由于多种材料的存在，热稳定性较差，同时脆性较强，不能经受冲击载荷。常用的PDC直径为13.4mm以及19mm和8mm。热稳定性聚晶金刚石(TSP)，没有碳化钨基层，没有游离的钴存在，具有良好的热稳定性，耐热温度达1200以上。可根据需要制造成圆片状、立方体状、圆柱状、三角状等各种形状；尺寸也可根据要求而定。TSP的耐磨性高于PDC，抗冲击能力强，具有天然金刚石材料的优点。,2金刚石材料钻头总体结构 金刚石材料钻头属一体式钻头，整个

14、钻头无活动部件，主要有钻头体、冠部、水力结构(包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道、排屑槽)、保径、切削刃(齿)五部分。,图2-18 金刚石钻头结构(俯视图）,图2-18 金刚石钻头结构（侧视图）,金刚石材料钻头的保径部分在钻进时起到扶正钻头、保证井径不致缩小的作用。,图2-19 保径结构及方式,3天然金刚石钻头和TSP钻头的结构(1)冠部的几何形状a双锥阶梯形：冠部形状除两个锥面外还有阶梯或螺旋阶梯。b双锥形。由内锥、外锥和顶部圆弧三部分组成。内锥角一般在6070左右，外锥角在4060左右。c“B”形。工作面由内锥和圆弧面组成，内锥角不小于90，其结构特点是顶部较宽也较平缓。d带波纹(或称脊因式)的

15、“B”形。外形和“B”形相同，不同的是内锥和圆弧面上带有螺旋形波纹槽。,图2-20 金刚石钻头不同冠部形状a双锥阶梯形；b双锥形；c“B”形；d脊圈式“B”形,(2)水力结构：然金刚石钻头和TSP钻头均采用水孔一水槽式水力结构，钻井液由水孔中流出经水槽流过钻头工作面，冲洗每一粒金刚石前的岩屑并冷却、润滑每一粒金刚石。a逼压式水槽结构：包括高压水槽及低压水槽。b辐射形水槽：水槽为放射形且在钻头工作面上均匀分布。c辐射形逼压式水槽。d螺旋形水槽：水槽为反螺旋流道。,图2-21 天然金刚石钻头和TSP钻头水力结构的水槽类型,图222金刚石在钻头上的不同排列方式a 钻头外形；b交错排列；c圆周排列；d

16、脊圈排列,(3)金刚石粒度和排列：钻头用金刚石的粒度根据地层而定。较软地层，粒度较大；较硬地层，粒度较小。排列方式常见的有：交错排列法、圆周排列法及背圈排列法三种。,(4)金刚石颗粒在胎体上的镶装方式：表镶式，孕镶式，表孕镶式。表镶式：表镶式金刚石钻头就是把金刚石颗粒镶装在钻头胎体表面，因此又称为表镶式。露头（露在外面的部分）不超过1/3，其原因有三：一是出露太多，镶嵌部分就少，镶嵌不牢固，易脱落；二是金刚石颗粒很脆，不抗冲击；三是出露太多，相应切削刃吃入地层的深度就大，破岩时所需扭力大，易崩断。,表镶式金刚石钻头所用的金刚石颗粒一般0.51.5粒/克拉。孕镶式：孕镶式金刚石钻头是把金刚石颗粒

17、与钻头胎体烧结在一起。适合于对付极硬地层，而且成本比表镶式低得多。一般孕镶层的厚度212mm，金刚石颗粒棱角越尖越好。表孕镶式：就是在钻头的工作面上同时采用表镶式和孕镶式两种镶装方式。,4聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的结构（1）胎体PDC钻头及钢体PDC钻头。胎体钻头的钻头体采用铸造碳化钨粉烧结而成，烧结时在钻头工作面上留下窝槽，再将复合片直接焊接在窝槽上。钢体钻头的钻头体用整块合金钢通过机械加工而成，将复合片焊接在碳化钨材料齿柱上制成切削齿，再将切削齿镶嵌在钻头体上。,钢体PDC钻头 胎体PDC钻头（碳化钨）图2-23钢体及胎体PDC钻头,（2）钻头冠部(工作面)的几何形状。钻头工作面形状

18、包括内锥、顶部、侧 面、肩部及保径五个基本要素。内锥对钻头起导向和稳定作用若要求高钻速、钻井液流动控制能力强，则内锥应为浅内锥，锥角较大(110160)；如果要求突出钻头稳定性，提高井斜控制能力，则应为深内锥，锥角较小(60100)。,图2-24 PDC钻头工作剖面,钻头顶部：较硬或有硬夹层，选较大半径、较宽的顶部结构；为了提高钻头吃入地层的能力，应选择较小半径的顶部结构。侧面部分的剖面线有直线和弧线两种。,(3)水力结构、切削齿的分布。PDC钻头有刮刀式、单齿式及组合式三种排列及分布方式。,图225 PDC钻头切削齿排列及分布方式,刮刀式布齿方式的特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷

19、却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力控制能力低，容易在粘性地层泥包。组合式切削齿的布置，具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。,(4)切削齿工作角。具有后倾角和侧倾角(见图2-26)。后倾角一般在1030范围内。侧倾角的作用是使切削齿在切削时对齿前切削产生侧向推力，使岩屑向钻头外缘移动，以利排除岩屑。,图226PDC钻头切削齿工作角,(三)金刚石材料钻头的工作原理 PDC钻头工作原理和刮刀钻头基本相同。天然金刚石钻头和TSP钻头：(1)在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压

20、入岩石，使与金刚石接触的岩石处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性；,(2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层)，使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，脱 离岩石基体，形成岩屑，称作犁削。岩屑的体积大体等于金刚石吃入岩石的位移体积。,图2-27天然金刚石钻头的犁削作用,(3)在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力破坏岩石。(4)在坚硬岩石(如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等)中，是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。,(一)牙轮钻头的选型(1)地层的软硬程度和研磨性。软地层应选择兼有移轴、超顶、复锥三种结构，齿形较大、较尖，齿数

21、较少的铣齿或镶齿钻头；随着岩石硬度增大，选择钻头的上述三种结构值应相应减小，牙齿也要减短、加密。牙齿齿形同时要适合于地层。钻研磨性地层，应该选用有保径齿的镶齿钻头。,五、钻头的选型,(2)钻进井段的深浅。(3)易斜地层。在易斜地层钻进，应选用不移轴或移轴量小的钻头；同时，在保证移轴小的前提下，所选的钻头适应的地层应比所钻地层稍软一些。(4)软硬交错地层。既在软地层中有较高的机械钻速（降低钻压提高转速），也能顺利地钻穿硬地层（适当提高钻压降低转速）。,2牙轮钻头的选择方法（1）推荐法（2）经验法（3）成本分析法：选择原则是以每米成本最低其核算公式为：式中：C单位进尺成本，元/m；Cb钻头成本，元

22、；Cr钻机作业费，元/h；t钻头钻进时间，h；tr起下钻及接根时间，h；H钻头进尺，m。,例1：某井钻进A类地层，根据邻井对比资料已知：钻进同类地层，甲类钻头，t甲=50h，H甲=240m，Cb甲=10000元/只；乙类钻头，t乙=45h，H乙=220m，Cb乙=10000元/只。钻机作业费Cr=200元/小时，tr=20小时。试选择使用哪一类钻头。解：m m，故应选择乙类钻头。,(二)金刚石材料钻头的选型 1金刚石材料钻头的特点(1)金刚石材料钻头是一体性钻头，适合与高转速的井下动力钻具一起使用，适合于钻定向钻井。(2)金刚石材料钻头使用正确时，耐磨且寿命长，适合在深井及研磨性地层中使用。,

23、(3)在地温较高的情况下，牙轮钻头的轴承密封易失效，使用金刚石材料钻头则不会出现此问题。(4)小井眼钻井宜使用金刚石材料钻头。(5)金刚石材料钻头的钻压低于牙轮钻头，因而在钻压受到限制(如防斜钻进)的情况下应使用金刚石材料钻头。(6)金刚石材料钻头结构设计、制造比较灵活，生产设备简单，因而能满足非标准的异形尺寸井眼的钻井需要。,(7)金刚石材料钻头中的PDC钻头是一种切削型钻头，切削齿具有自锐优点，破碎岩石时无牙轮钻头的压持作用，切削齿切削时的切削面积较大，是一种高效钻头。(8)金刚石材料钻头由于热稳定性的限制，工作时必须保证充分的清洗与冷却。(9)金刚石材料钻头抗冲击性载荷性能较差。(10)金刚石材料钻头价格较高。,2金刚石材料钻头适应的地层 天然金刚石钻头的切削结构选用不同粒度的金刚石，采用不同的布齿密度和布齿方式，能满足在中至坚硬地层中钻井的需要。TSP钻头适合于在具有研磨性的中等至硬地层中钻井。PDC钻头适用于软到中等硬度地层。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,