第二章钻进工具--钻头

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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 1. 钻头类型 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 in 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）：,第一节 钻 头（Drill Bit),第一节 钻 头刮刀钻头,二、刮刀钻头（Drag Bit） （一）刮刀钻头的结构 上钻头体、下钻头体（分水帽）、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刀钻头 四刀翼的称作四刮

2、刀钻头,刀翼结构： （1） 刀翼结构角 刃尖角刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它 反映了刀翼的尖锐程度。 越小，刃部越尖锐， 越容易吃入地层，但强度越低。 一般地，软地层 = 8 10 较硬地层 = 1215 切削角 刀翼前刃和水平面之间的夹角。 在相同钻压下， 越大，刀刃越容易吃入地层， 但旋转扭矩大，剪切刃 前岩石困难。 一般地，松软地层 70； 软地层 7080； 中硬地层 8085。 刃后角：刃后角必须大于井底角。 刃前角：90。,第一节 钻 头刮刀钻头,(4)提高刀翼的耐磨性 刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。 一般在刀翼表面平铺一层YG

3、8硬质合金块，在外侧面镶装YG8硬质合金块。 刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块。,（2）刀翼背部形状 刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而增厚，呈抛物线形，以确保刀翼强度足以承受弯矩。 （3）刀翼底部形状： 平底、正阶梯、反阶梯、反锥,第一节 钻 头刮刀钻头,（二）刮刀钻头的工作原理 刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。 破碎塑性岩石过程： 在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T 的作用 下不 断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。,第一节 钻 头刮刀钻头,破碎脆性岩石过程： 刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为：碰撞 压碎及小剪切大剪切。 （1）碰撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃 在

4、旋转扭矩作用下向前推进， 碰撞刃前岩石。 （2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前 岩石，产生小剪切破坏。 （3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值， 刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。,第一节 钻 头刮刀钻头,（三）刮刀钻头的应用 刮刀钻头制造工艺简单，成本低； 刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低； 刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜； 刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备； 刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。,第一节 钻 头刮刀钻头,三、牙轮钻头（Roller Bit） （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

5、封系统、喷嘴等部分组成。,第一节 钻 头牙轮钻头,1牙轮及牙齿 （1）牙轮 20CrMo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,第一节 钻 头牙轮钻头,（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。,第一节 钻 头牙轮钻头,第一节 钻 头牙轮钻头,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 滚柱滚珠滑动一止推 滑动轴承结构：滑动滚珠滑

6、动止推 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？,第一节 钻 头牙轮钻头,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。,第一节 钻 头牙轮钻头,4喷嘴 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713mm。用卡簧固定在

7、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：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；,第一节 钻 头牙轮钻头,牙轮及牙齿的布置,第一节 钻 头牙轮钻头,（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

8、转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。 滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）滑动和切向（周向） 滑动。 引起滑动的原因： 超顶和副锥引起切向（周向）滑动 移轴引起径向（轴向）滑动 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,第一节 钻 头牙轮钻头,超顶引起切向滑动,副锥产生超顶效果,移轴引起径向滑动,单、双齿交替接触井底引起纵向振动,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

9、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。,第一节 钻 头牙轮钻头,（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 （2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 1 ，2 ， 3 ，4， 5 ，6， 7 （3）型号表示方法：,第一节 钻 头牙轮钻头,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；,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

10、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。,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。,（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。 2. 优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。,第一节 钻 头牙轮钻头,四、金刚石钻头 （Diamond Bit) （一）金刚石钻头的结构 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）、 水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。,第

11、一节 钻 头金刚石钻头,1. 钢体 钢体是金刚石钻头的骨架。上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形和胎体烧 结在一起。 2. 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。 常用剖面形状： 3. 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。 常用水力结构：,a双锥阶梯形； b双锥形； c“B”形； d脊圈式“B”形,第一节 钻 头金刚石钻头,第一节 钻 头金刚石钻头,4. 金刚石 （1）特性 金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，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

12、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：,金刚石单晶,金刚石聚晶,高温高压下,（3）金刚石粒度、出刃和排列方式 粒度：0.515粒/克拉 出刃：最大出刃量为直径的1/3,第一节 钻 头金刚石钻头,排列方式：,a 钻头外形；b交错排列；c圆周排列；d脊圈排列,（二）金刚石钻头的破岩机理 概括

13、地讲，金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨削金属的过程。 对塑性地层，以“犁削”作用为主； 对脆性地层，以压碎、剪切作用为主； 对坚硬地层，以刻划、微切削作用为主。 （三）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. 开始先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高转速钻进。 4. 采用大排量钻进。,第一节 钻 头金刚石钻头,五、PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）,第一节 钻 头PDC钻头,胎体PDC钻头,钢体PDC钻头,两

14、类PDC切削元件,（一）结构特点 1. 切削元件聚晶金刚石复合片（PDC）,第一节 钻 头PDC钻头,特 性 PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨合金的结构强度和抗冲击能力。 弱点是热稳定性差，350以上加速磨损。抗冲击能力较差。,13.4， 19,2. 工作剖面形状,第一节 钻 头PDC钻头,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。,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。,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

15、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。,双锥形,浅锥形,抛物线形,B 形,3. 切削齿布置 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。 布齿原则： 等切削体积 等磨损 等功率,第一节 钻 头PDC钻头,4. 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 020，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,第一节 钻 头PDC钻头,5.喷嘴流道系统 冷却和清洗效果严重影响PDC钻头的钻速和寿命。 喷嘴数量一般比三牙轮钻头（3个喷嘴）多。喷嘴位置和流道结构根据切削齿位置确定。,（二）PDC钻头破岩机理 PDC钻头主要以切削方式破碎岩石。切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前 岩石