钻井工程理论与技术第二章.ppt
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1、第二章 钻进工具,本章介绍钻进工具主要的包括:钻头:破碎岩石的直接工具,正确的选型与合理使 用对安全快速钻进具有直接影响;钻柱:钻杆+钻铤+扶正器等。,钻头的类型及工作原理,钻头的分类方法,钻头的选型与合理使用,第一节 钻头,钻柱的组成及功用 钻柱的工作状态及受力分析 钻柱设计 钻柱的损坏与预防,第二节 钻柱,主要内容,1、本章重点:(1)各类型钻头的结构特点;(2)各类型钻头在井底底运动形式及破岩原理;(3)各类型钻头的使用特点;(4)钻柱的组成;(5)钻柱在井下底受力情况;(6)钻柱设计。2、难点:(1)各类型钻头在井底底运动形式及破岩原理;(2)钻柱在井下底受力情况。,一、概述 1.钻头
2、类型 按结构及工作原理分类:刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头 按功用分类 全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头 2.钻头尺寸系列 3-3/4 36,第一节 钻头(Drill Bit),常用尺寸:26、171/2、121/4、81/2,括眼钻头,3.工作指标 钻头进尺(米)钻头工作寿命(小时)机械钻速(米/小时)单位进尺成本(元/米):,二、牙轮钻头(Roller Bit),单牙轮钻头,双牙轮钻头,三牙轮钻头,(一)牙轮钻头结构 牙轮钻头由钻头体、牙抓(巴掌)及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润 滑密封系统、喷嘴等部分组成。,钻头体,喷嘴,巴掌,牙齿,牙轮,1牙轮及牙齿(1)牙轮 20CrM
3、o合金钢锥体,锥面铣齿或镶装 硬质合金齿,内腔有轴承跑道。单锥牙轮:主锥+背锥,硬地层 复锥牙轮:主锥+副锥+背锥,软到中硬,(2)牙齿 铣齿在牙轮锥面上直接铣出,楔形。硬质合金镶齿镶装在牙轮锥面上,有多种齿形适应不同地层。,铣齿牙轮钻头,镶齿牙轮钻头,2轴承 牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否,可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构,可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承结构:滚柱滚珠滚柱止推 滑动轴承结构:滑动滑动(卡簧)滑动止推,为什么滑动轴承比滚动轴承寿命长?,3储油润滑密封系统 储油润滑补偿系统 密封系统:橡胶密封圈、金属密封圈 工作原理:储油压力补偿系统(传
4、压孔、压力补偿膜、油杯等)保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低,储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内;当轴承腔内的油压升高,则流入储油杯。其中,有效密封是关键。,4喷嘴 钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流,清除井底岩屑,辅助破碎岩石。三牙轮钻头一般安装 3 个喷嘴,直径7-13mm。用卡簧固定在水眼内,并用o形圈密封。,5牙轮及牙齿的布置方式 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的破碎坑内;(3)牙齿磨损均匀。,牙轮布置方案:(1)非自洗无滑动布置:
5、各牙轮牙齿齿圈不嵌合,单锥、不超顶,不移轴,用于硬地层(2)自洗不移轴布置:各牙轮牙齿齿圈相互嵌合,副锥、超顶,不移轴,用于中硬地层(3)自洗移轴布置:各牙轮牙齿齿圈相互嵌合,副锥、超顶,移轴,用于软地层,牙轮及牙齿的布置,齿间相互齿合产生自洗作用,非自洗,自洗无移轴,自洗移轴,(二)牙轮钻头工作原理 1牙轮钻头在井底的运动 公转:牙轮随钻头一起旋转。自转:牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。纵向振动:牙轮在滚动过程,其中心上下波动,使钻头做上下往复运动。引起纵向振动的原因:单、双齿交替接触井底,使牙轮中心上下波动;井底凹凸不平 滑动:牙轮齿相对于井底的滑移,包括径向(轴向)和切向(周向)滑
6、动。引起滑动的原因:超顶和复锥引起切向(周向)滑动 移轴引起径向(轴向)滑动,单、双齿交替接触井底 引起纵向振动,纵向振动,(二)牙轮钻头工作原理 1牙轮钻头在井底的运动 公转:牙轮随钻头一起旋转。自转:牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。纵向振动:牙轮在滚动过程,其中心上下波动,使钻头做上下往复运动。引起纵向振动的原因:单、双齿交替接触井底,使牙轮中心上下波动;井底凹凸不平 滑动:牙轮齿相对于井底的滑移,包括径向(轴向)和切向(周向)滑动。引起滑动的原因:超顶和复锥引起切向(周向)滑动 移轴引起径向(轴向)滑动,超顶引起切向滑动,单、双齿交替接触井底引起纵向振动,副锥产生超顶效果,超顶距,
7、公转时,自转时,平衡时 合速度,纵向振动,移轴引起径向滑动,O,牙轮滑动对破岩的作用:牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。超顶引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石。,2牙轮钻头的破岩作用(1)冲击、压碎作用 纵向振动产生的冲击力和静压力(钻压)一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用,形成体积破碎坑。(2)滑动剪切作用 牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用,破碎齿间岩石。(3)射流的冲蚀作用 由喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用,辅助破碎岩石。,(三)牙轮钻头类型 1.国产牙轮钻头分类方法(1)按结构分类:Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH共8个系列,
8、(2)按地层分类:JR,R,ZR,Z,ZY,Y,JY 1,2,3,4,5,6,7,国产三牙轮钻头类型及适应地层,(3)型号表示方法,2.IADC分类法,系列代号用数字18表示钻头牙齿特征及适钻地层;1-3为铣齿,5-8为镶齿。,地层等级代号用数字14表示所钻地层再分为4个等级;,钻头结构特征代号用数字19表示钻头结构特征,其中17表示钻头轴承及保径特征;,附加结构特征代号用英文字母表示钻头附加特征。,祥见书P66-67.例如:341S表示适用于中等研磨性或研磨性4级硬地层非密封 滚动轴承的标准铣齿钻头。537C表示适用于底抗压强度的软到中硬的3级地层滑动 密封轴承保径带中心喷嘴钻头。,国产三牙
9、轮钻头分类、型号表示法 钻头直径类型代号系列代号 例:用于中硬地层、直径为81/2”(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为:81/2”XHP5或215.9XHP5。目前常用的牙轮钻头型号 P2,P3,HP2,HP3 铣齿 XH2,XH3,XH4镶齿 J1,J2,J3 铣齿 J11,J22,J33,J44,J55 镶齿,(四)牙轮钻头的正确使用 1.根据地层性质合理选择钻头类型,标准是每米钻进成本最低。地层较软:选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头;地层较硬:选用牙齿高度小,无超顶或移轴的钻头;易斜地层:选用不移轴或移轴量较小的钻头;软硬交错地层:按照较硬地层选择钻头类型;
10、2.优选钻进参数:钻压、转速、水力参数等。3.根据统计资料选择钻头。,软地层用钻头,硬地层用钻头,(五)牙轮钻头磨损与分级,1.牙齿磨损 铣齿:根据齿的磨损高度与原齿高之比划分磨损等级。镶齿:根据甭碎和掉落的齿数与原有齿数之比划分磨损等级。,2.轴承磨损 轴承磨损以钻头使用时间与轴承寿命(小时)之比分级。轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到。,3.直径磨损 原直径:I 直径磨小:O+直径磨小值(in),例如:T2B4I T6B6O 1/2,4.我国石油行业钻头磨损分级标准,(1)牙齿磨损 四级:Y1、Y2、Y3、Y4 铣齿:磨掉高度与新齿高度之比 镶齿:断、掉齿数与总齿数之比,(2)轴承磨
11、损 级别 密封轴承 普通轴承 Z1 密封完好,用手不易转动 转动灵活,轴承不旷 Z2 密封尚好,用手容易转动 转动灵活但旷动 Z3 密封失效,径23mm,轴23mm 明显旷动,径3mm,轴2mm Z4 牙轮掉或快要掉落 牙轮卡死,轴承完全不能用,(3)直径磨损 代号“J”,在右下角用数 字表示直径磨损的毫米数。,(六)钻头常见故障及其识别 钻头故障是钻进过程中常见故障之一,其故障形式主要有:因钻头轴承严重磨损产生剧烈旷动、牙轮卡死、掉牙轮、钻头泥包、喷嘴堵、掉喷嘴和牙齿脱落等。,1、钻头轴承磨损的识别 反映钻头轴承工作状态最敏感的信号是扭矩信号。为了消除因钻压变化对扭矩产生的影响,采用比扭矩,
12、比扭矩表示为:,2、牙轮钻头泥包的识别 钻头发生泥包后的特征:钻时 Zt 迅速增大,立压 StP 有所上升 扭矩 M 逐渐增大,波幅Vr(M)减小 转速 Rpm 有所下降。,坨762井,井深至2239米时,立管压力由1515.6MPa,其它参数无变化,立管压力增至18.1MPa最高峰,此时泵负载很大,泵转速明显的下降,最高峰后立即缓慢下降至175bar后,23时40分突然下降到14.2MPa,水眼冲开,后恢复钻进。,3、钻头水眼堵、掉的识别,三、金刚石钻头(Diamond Bit),(一)金刚石材料钻头的分类,按金刚石来源可分为:天然金刚石钻头和人造金刚石钻头 按功用可分为:取心钻头和全面钻进
13、钻头 按镶嵌方式可分为:表镶式钻头和孕镶式钻头 按钻井方式则可分为:转盘钻井钻头和涡轮钻井钻头,(二)金刚石材料钻头的结构 1.总体结构 金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钢体、胎体(冠部和保径部分)、水力结构(水眼、水槽及排屑槽)、金刚石切削刃等部分组成。,金刚石钻头,PDC钻头,TSP金刚石钻头,钢体,保径,排屑槽,冠部,胎体 胎体是镶嵌金刚石的基体,为硬质合金材料,用粉末冶金技术烧结在钻头钢体上。水力结构(水眼和水槽)钻井液由水眼流出,经过水槽流过钻头表面,清洗井底,冷却和润滑金刚石。,金刚石钻头,PDC钻头,TSP金刚石钻头,2.切削齿材料(1)金刚石特性 金刚石为碳在高温高压下形
14、成的结晶体,正四面体晶体结构。在单位晶胞中,碳原子位于四面体的顶角及中心。每个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键 因共价键结合力强,故金刚石具有极高的硬度(莫氏硬度10)、抗压强度(8800MPa)和耐磨性钢的9000倍)。其缺点是:脆性大,受冲击载荷易碎裂;具有热敏性,高温下(450以上)石墨化。,(2)两类金刚石材料 天然金刚石:非洲产,品种有:卡邦(Carnon)、包尔兹(Boarz)、巴拉斯(Ballas)。人造金刚石单晶和聚晶:,聚晶金刚石复合片-PDC(Polycrystalline Diamond Compact Bit),特 性 PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性,又具有碳化
15、钨的结构强度。弱点是热稳定性差,350以上加速磨损。脆性较强,抗冲击能力较差。,13.4,19,金刚石复合片层厚度:一般2-3mm,热稳定性聚晶金刚石-TSP(Thermally Stable Polycrystalline Diamond Bit),特 性 良好的热稳定性,耐热温度达1200;切削齿形状可根据需要而定;耐磨性高、抗冲击能力强;具有天然金刚石的特点但是尺寸大于天然金刚石。,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 1.冠部几何形状,a双锥阶梯形;b双锥形;c“B”形;d脊圈“B”形,适用于钻软到中硬地层,如硬石膏、泥岩、砂岩、灰岩,适用于钻较硬和致密的岩石,如砂岩、石灰岩、白云岩
16、,适用于硬地层如硬砂岩和致密的白云岩,适用于钻坚硬地层如石英岩、燧石、火山岩和硬砂岩,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 2.水力结构,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 3.金刚石颗粒在胎体上的镶装方式,表镶式:把金刚石颗粒只镶在胎体表面上层。颗粒大0.5-1.5 粒/克拉,出刃高度:1/3-1/4,棱角不宜尖锐,以 免钻进中崩裂。孕镶式:把金刚石颗粒均匀分布在钻头工作面胎体金属层的一 定厚度层内,随胎体磨损,金刚石颗粒不断露出而不 断磨削岩石,并不断自锐,不断磨损,直到金刚石磨 完为止。颗粒粒度:20-200粒/克拉,棱角越大越 好,孕镶层厚度:2-12mm,孕镶式,表镶式,4.金
17、刚石粒度、出刃和排列方式 粒度:0.5 15粒/克拉(0.2g)出刃:最大出刃量为直径的1/3 排列方式:,a 钻头外形;b交错排列;c圆周排列;d脊圈排列,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构,软地层,硬地层,坚硬地层,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 5.破岩机理,在塑性地层中:如泥岩、泥质砂岩、石膏等,以切削作用 破碎岩石,类似于金属的切削过程。在脆性地层中:如石英砂岩等,金刚石破碎岩石的特点主 要表现为脆性体积破碎,破岩效率高。在坚硬岩石中:如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等,一 般用孕镶钻头钻进,金刚石以微切削、刻 划方式破碎岩石。,概括地讲,金刚石钻头以磨削(研磨)方式破碎岩
18、石,类似于砂轮磨削金属的过程。,(三)天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 6.金刚石钻头的正确使用,(1)适用于硬、研磨性地层,涡轮钻井,深井钻井,取心 作业。寿命长,进尺高。(2)钻头下井前,井底打捞干净,确保没有金属落物。(3)先用小钻压、低转速跑合,然后用合适钻压和高 转速钻进。(4)采用低钻压(30-50kN)、高转速、大排量钻进。,(四)PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit),胎体PDC钻头,钢体PDC钻头,两类PDC切削元件,1.PDC钻头的结构特点(1)钻头体,(2)复合片物理机械性质,极高的硬度(钢的9-14倍,硬质合金的3-5倍);
19、较高的抗压强度(钢的3-4倍);良好的自锐性(碳化钨基体比聚晶层磨损速度快);,抗冲击韧性比天然金刚石好,比硬质合金差。聚晶层经受 冲击载荷作用易碎裂。尤其是新复合片刚开始接触岩石,锋锐边刃很容易碎裂。对温度较敏感。350左右,磨损速度显著加快;700左右,强度失效。,13.4,19,复合片尺寸及适用地层:,(3)工作剖面形状,特点 内外锥有利于钻头稳定;外锥较长,可多布齿,使磨损均匀;钻硬夹层,冠部齿易早期损坏。适合中等均质地层。,双锥形,内锥:导向和稳定作用浅内锥高钻速、液流控制能力好深内锥稳定性好,防井斜顶部:吃入地层硬地层大半径、宽顶部软地层小半径侧面:弧线or直线直线吃入性好,切削效
20、率高弧线高转速、高抗研磨保径:稳定钻头,防止缩径直井增长保径,控制井斜造斜缩短保径,特点 侧向推力指向钻头中心,有利于防斜;钻头外部表面积大,可布置较多切削齿,利于提高寿命。用于软地层。,特点 冠顶较宽且较平缓,载荷分布较均匀。外侧采用圆弧,布齿面积较大。用于硬地层。,抛物线形,B形,浅锥形,特点 钻头表面积较小,水力集中,清洗效果好;载荷分布较均匀;用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。,(4)切削齿布置 刮刀式布齿方式:特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、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,但水力清洗能力低,容易在
21、粘性地层泥包。适用于硬地层。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。,布齿设计原则,井底覆盖良好;内疏外密,各切削齿磨损均匀;布齿密度随地层硬度增大而增大;同一刀翼上各切削齿的安装互不干涉;切削齿的布置和刀翼分布和有利于提高钻头的稳定性;切削齿和刀翼的布置有利于提高水力清洗和冷却效果。,布齿设计方法,(5)切削齿工作角 后倾角(负前角):起到保护切削齿,延长寿命的作用。取值0-20,软地层小一些,硬地层大一些。侧倾角(旁锋刀面角):钻头旋转时,切削刃面对切屑产生向外侧的推力,有利于向外排除岩屑。=15左右。,(6)喷嘴流道系统 冷
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