《钻头的选型及钻井参数优选版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻头的选型及钻井参数优选版（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、五普钻井公司。兴趣爱好种养花草植物；擅长石油钻井技术难点攻关。 我的努力方向是：干有意义的事，做有意义的人。,钻头的选型及钻井参数的优化,2012年9月,主要内容,一、钻头的选型二、钻井参数优化三、现场应用分析,钻头的选型,现场常用钻头,金刚石钻头牙轮钻头,1、牙轮钻头,种 类：钢齿和镶齿破岩机理：牙轮钻头自转或公转时纵向振动产生的冲击力、静压力(钻压)对地层产生冲击、压碎形成体积破碎。牙轮牙齿的径向滑移、切向滑移对地层产生剪切破碎齿间岩石。喷嘴高压高速射流对井底岩石产生冲蚀、辅助破岩作用。注意事项：镶齿钻头忌井底不干净、有落物，以防止合金齿折断、脱掉等早期损坏。忌缩径或井下复杂段长时间划眼，
2、以防止牙轮的外排齿、背锥及牙掌尖磨损、钻头缩径以及轴承、密封圈早期失效等复杂情况,铣齿钻头,丝扣,牙轮,铣齿,巴掌,喷嘴,1、牙轮钻头,丝扣,牙轮,镶齿,巴掌,镶齿钻头,喷嘴,1、牙轮钻头,牙轮钻头破岩-冲击、压碎作用,钻进时，钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上，除此静载外，还有因钻头纵向振动造成的冲击载荷。钻头的冲击载荷有利于破碎岩石，但也会使钻头轴承过早破坏，使牙齿特别是硬质合金齿崩碎，造成钻柱的疲劳失效。因此，在钻井中，特别是钻硬地层时，要使用减震器。,1、牙轮钻头,钻头每转一周中，牙齿应全部破碎井底牙轮在重复滚动时应使牙齿不致落入别的齿已破碎的旧坑内。各牙轮齿圈上的牙齿数应使每齿均匀地
3、承担破碎井底岩石的任务。所以外圈齿数应多些，内圈齿应少些。,牙轮上牙齿的布置,1、牙轮钻头,布齿一般原则 长而稀疏的钢齿用来钻进软地层，稀疏布齿有利于钻头的清洗。 密而短的镶齿适合于钻硬地层,牙轮钻头的牙齿（铣齿）,铣齿牙轮钻头的牙齿与牙轮壳体成一体，它是由牙轮毛坯经过铣削加工形成，为了提高牙齿的耐磨性，在齿面上敷焊硬质合金粉。铣齿的齿型主要是楔形齿。外排保径齿可作成型、T型、L形。,牙轮钻头的牙齿（镶齿）,楔形齿：适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地层，齿尖角同6590不等，齿尖角小的适合软地层，齿尖角大的适合较硬的地层。 锥形齿：分单锥各双锥两种，以压碎方式破碎岩石，6070中等锥形齿用
4、来钻中硬地层，如灰岩、白云岩。90锥及120双锥型齿适用于研磨性高的坚硬地层，如硬砂岩、石英岩。,1、牙轮钻头,三棱齿：在双锥形齿的锥面上每隔120削出一个平面而成，适用于硬脆地层和软、塑性地层的交错层。球形齿：强度和耐磨性较高，以压碎和冲击的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。抛射体形齿：它是环形齿的变形，齿较高但有一定强度，适用高研磨性的坚硬地层。平顶性齿：齿形园柱体，端部有倒角，只用在牙轮的背锥上，以防止牙轮背锥磨损，从而维持规径大小。斜楔形齿：基本是楔形，但齿刃部分为一端窄，一端宽。用在中硬到软地层钻头的外排齿上。宽的一边耐磨性大，装在钻头外缘，以切削井壁防止钻
5、头磨小。,1、牙轮钻头,2、金刚石钻头,天然金刚石钻头：按金刚石的包镶方式分为表镶和孕镶两种。天然金刚石钻头主要由金刚石、胎体、水槽、钢心和上体等组成。PDC钻头：PDC是Polycrystalline Diamond Compact (聚晶金刚石复合片)的简写。PDC钻头主要由钻头体 (胎体)、PDC切削齿、喷嘴、保径材料等组成。TSP钻头：TSP是Thermally Stable Polyerystalline Diamond(热稳定聚晶金刚石)的缩写，TSP钻头主要由热稳定聚晶金刚石、胎体、水槽、钢体和接头等组成。,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
6、面钻进钻头；按镶嵌方式可分为表镶和孕镶两类；按钻井方式则可分为转盘钻井和涡轮钻井用两类。,金刚石钻头的分类,钢体 钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与胎体烧结在一起。刚体有一体式的，也有由两部分构成的，即上部为合金钢车有螺纹，下部为低碳钢连接胎体。钢体上下两部分以螺纹连接在一起然后焊死。 胎体 胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，是由一定粒度的硬质合金粉加上适当的易熔金属作粘合剂，压制烧结面而成。 胎体形状即工作剖面，主要是指工作面的几何形状和工作面积的大小，是根据适用不同岩性而设计的。,金刚石钻头的结构,金刚石钻头的结构 1.钢体 2.胎体 3.切削刃 4.水眼与水槽,孕镶,PDC钻头,聚晶金刚石,金刚
7、石钻头的优点,针对高抗压强度和高研磨性的地层，逐步推出的一套提高机械钻速的采用特殊设计的人造金刚石孕镶钻头与高速涡轮动力钻具组合，依靠强化钻井参数的办法提高钻速，与牙轮钻头相比，该项技术可提高机械钻速310倍以上，大幅度提高了深井在高抗压强度和高研磨性地层的机械钻速。,PDC钻头,PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。 PDC齿具有良好的自锐性，聚晶金刚石晶粒在切削岩石的过程中不断脱落，形成刃面的晶粒更新自锐。此外，碳化钨基片先磨损，形成锋利的刃口，同时具有良好的抗冲击性能为金刚石提供良好的弹性依托。,PDC钻头的
8、结构,PDC钻头主要由钻头体、切削齿、喷嘴、保径面和接头等组成 。,PDC钻头结构 PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。PDC钻头钻头基体可分为钢体PDC钻头和碳化钨胎体PDC钻头。钢体式PDC钻头的表面不耐冲蚀，规径易于磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨损，允许使用较高的钻头压力降、较高钻井液含砂量，易于进行优化水力设计，具有较大的设计灵活性，鱼尾形钻头寿命较长。,PDC钻头的结构,PDC钻头的工作原理,PDC钻头的破岩方式：PDC钻头对软地层主要是犁，对硬地层是靠剪切。就像车刀切削金属一样，由于岩石本
9、身抗剪强度比抗压强度小得多，对于同样的岩石用剪切方式破碎比用压碾方式破碎需要的能量小(剪切为压碾的1/8)，所以使用PDC钻头钻进，只需要较轻的钻压就可获得较高的机械钻速。,PDC钻头的分类,钻头体按材料可分为胎体和钢体两种，钻头相应地分为胎体钻头和钢体钻头。,胎体钻头,钢体钻头,PDC钻头的分类,PDC钻头是利用按一定规律布置和固定在钻头体上的切削齿（聚晶金刚石复合片，PDC）破碎地层岩石的，分为复合片式切削齿和齿柱式切削齿两种。,PDC切削齿,PDC切削齿的特点：耐磨性好、强度高；自锐性好；热稳定性差、抗冲击韧性差。 PDC切削齿的尺寸从8mm到50.8mm， 常用的尺寸有：13.4mm和
10、19mm两种。,聚晶金刚石复合片是经过特殊工艺将金刚石微粒粘结在一起形成的复合材料。复合片上部为聚晶金刚石薄层，其厚度为0.5000.635mm，是切削齿锋利的刃口，硬度及耐磨性极高，当抗冲击性较差。复合片下部为碳化钨基片，聚晶金刚石片与碳化钨基片之间的有机结合，使得PDC齿既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨的结构强度的抗冲。,PDC切削齿,近几年切削齿从表面形状、光洁度、金刚石层厚度、结合面形状和硬质合金基体等方面得到了较大改进。出现了多种PDC切削齿：爪形齿、环爪形齿； “黑冰” 抛光齿； 应力处理齿；涡轮齿； 硬质合金支撑边缘齿。,PDC切削齿,A型切削齿与常规PDC齿相比：1.
11、金刚石层增厚，以提高切削齿的耐磨性和工作寿命。2.改进了复合片结合面，由平面型改为网格型,PDC钻头的冠部剖面形状,钻头冠部剖面形状一般包括内锥、鼻部、侧面、肩部及保径五个基本部位。PDC钻头冠部剖面的几何形状影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损、钻头各部位载荷分布。 PDC钻头基体有四种基本冠部外形：1.鱼尾形 2.浅锥形 3.短抛物线形 4.抛物线形,PDC钻头的冠部剖面形状,内锥对钻头起导向和稳定作用，如果需要较高钻速、较好的泥浆流动能力，则应为浅内锥；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。,PDC钻头的冠部剖面形状,鼻部是钻头的最顶点，钻进中工况最恶劣，因地层变化而受
12、损的可能性最大。侧面部分的剖面线有直线和弧线两种，钻头冠部形状越长，则布齿空间越大。保径部位除保径外还对钻头稳定性起很大的影响作用，加长保径可提高钻头的稳斜能力，定向钻头应缩短保径长度。,切削齿的工作角度,PDC复合片按一定前倾角和侧倾角安装在钻头上。前倾角是切削齿的工作角度，一般为负角（又叫“负前角”），有利于保护切削刃、延长使用寿命，一般在-10-20o范围内。侧偏角的作用使切削齿在切削地层时对齿前岩屑产生侧向推力，使岩屑向钻头外侧移动，以利于排除岩屑，即“自洁”功能。,切削齿的排列方向 PDC钻头设计中用负前角、侧偏角和切削齿出露高度来规定切削齿的排列方向。负前角又称后倾角，它是指复合片
13、层面与岩石工作面垂线之间的夹角。采用适当的负前角，可以大大改善切削齿的抗冲击性。一般负前角取值范围为0 25 。软地层：取0或较小负前角值；硬地层，负前角应较大，以保证有效切削，并防止冲击载荷引起切削齿的损坏。,切削齿的工作角度,侧偏角是指切削齿面与钻头径向平面之间的夹角，有侧偏角的钻头比无侧偏角的钻头钻进性能好，钻速快，并可以改善钻头的清洗和岩屑的及时排除；减少岩屑粘附切削齿的机会。实验表明，侧偏角为-15时粘附机会最小。切削齿的出露高度与所钻岩性有关，可分为全出露和部分出露两种。全部出露：适于钻软地层；部分出露：使于钻硬地层，可以提高切削齿刚度，有利于延长PDC钻头的寿命。,切削齿的工作角
14、度,喷嘴水道及排屑槽喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，以及排屑槽的形状和布置都是PDC钻头设计中重要组成部分。喷嘴的配置和取向基本原则：每个喷嘴或水眼能清洗和冷却一组复合片。按喷嘴的形状可将喷嘴分为：标准喷嘴、扇射式喷嘴、矩形喷嘴和六角形喷嘴。排屑槽的形状主要有楔形、扇形、半圆形。,PDC钻头的切削结构,PDC钻头的布齿密度和切削齿尺寸应根据使用地层和钻井条件决定。地层越硬，切削齿尺寸越小，布齿密度越高。随着布齿数量增加，各个齿承担的切削载荷降低，钻头寿命增加，但机械钻速相应降低。对于研磨性较强地层的PDC钻头，布齿密度应高一些，切削齿尺寸应小一些。用于软地层的PDC钻头，布齿密度应低一
15、些，切削齿尺寸应大一些。,PDC钻头的应用：适用于软到中硬的大段均质地层，禁忌软硬交错和砾石层。与牙轮钻头相比宜采用低钻压、高转速钻进，可与井下动力钻具配合使用。新钻头、新入井钻头要小钻压、低转速磨合井底。PDC钻头使用注意事项：搬动钻头时要小心轻放，防止PDC切削齿损伤。禁止堵喷嘴以防止降低对PDC切削齿的冷却效果。忌带钻压启动转盘、砾石层钻进，钻遇大段疏松砂岩地层要适当降低机械钻速。正常钻进时，钻井液排量保持在推荐范围内，以确保岩屑及时排出、PDC切削齿充分冷却。在使用井下动力钻具时严禁在井口或套管内进行动力钻具试运转，以防止损坏PDC切削齿。,钻头选型所考虑的因素,地层岩性可钻性和研磨性电测资料伽玛和声波泥浆综合录井邻井钻头记录井身结构钻具组合钻井液性能上一只钻头磨损分析对钻头的期望值钻速，进尺经济评价,钻头选型所考虑的因素,地层岩性可钻性，研磨性，抗压强度,1粘土铣齿牙轮，2泥岩铣齿牙轮，3页岩铣齿牙轮，4疏松砂岩铣齿牙轮，5石膏铣齿牙轮，6砂岩铣齿，镶齿牙轮，7砂质泥岩铣齿，镶齿牙轮，8软石灰岩镶齿牙轮，9白云岩镶齿牙轮10. 石灰岩镶齿牙轮11. 石英砂岩镶齿牙轮12. 硬白云岩镶齿牙轮13. 石英岩镶齿牙轮14. 花岗岩镶齿牙轮15. 玄武岩镶齿牙轮16. 火山岩镶齿牙轮,
