钻头钻柱及井口工具

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1、钻头、钻柱及井口工具第一节 刮刀钻头.1第二节 牙轮钻头.1第三节 金刚石钻头.8第四节 PDC 钻头 .11第五节 钻柱及其受力情况.15第六节 钻柱的损坏及合理使用.16第七节 井口工具.18钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具，可根据其结构、功用及原理进行分 类，现场常用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、PDC 钻头等。第一节第一节 刮刀钻头刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井法中最早使用的钻头，它的结构简单，制造方便，在 泥岩、疏松的砂岩、泥质砂岩、页岩等低硬度、高塑性地层中钻进，可得到较 高的机械钻速和钻头进尺，并且各油田均能自己设计和制造。刮刀钻头按刀片 的数量不同可分为两翼刮刀钻头、三翼

2、刮刀钻头、四翼刮刀钻头等。最常用的 是三翼刮刀钻头。由于刮刀钻头需要扭拒大，容易扭断钻具目前已经很少使用。第二节第二节 牙轮钻头牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有 冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙齿与井底的接触面积小，比压高、工作 扭矩小、工作刃总长度大等。因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石，成为 使用最广泛的钻头。 牙轮钻头可按牙轮数目的多少分为单牙轮钻头，双牙轮钻头、三牙轮钻头 和多牙轮钻头等。目前普遍使用的是三牙轮钻头。 一、三牙轮钻头的结构一、三牙轮钻头的结构 三牙轮钻头可分为五个部分，即钻头体、巴掌、牙轮、轴承和水眼。密封 喷射式钻头除上述基

3、本部分外，还有储油补偿系统。 1、钻头体 钻头体上部车有丝扣用于连接钻柱，下部带有巴掌。钻头体上镶装喷嘴。 牙轮钻头可分为有体式和无体式两类。钻头体与巴掌分别制造，然后将巴掌焊 接在钻头体下侧的叫做有体式钻头，这种钻头的上部丝扣均为母扣；巴掌与三 分之一钻头体做为一体，然后将三部分合焊在一起的叫做无体式钻头，无体式 钻头均为公扣。 2、巴掌 巴掌与牙轮轴相连，上面有轴颈，用于支承牙轮。 3牙轮 牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成与轴颈相对应的滚动体跑道（或滑 动磨擦面）的锥体，分单锥与复锥两种结构，如图 5-5 所示。仅有主锥和背锥 两个不同锥度的牙轮叫单锥牙轮，适用于硬或研磨性较强的地层；除

4、主、背锥 外还有 12 个副锥的牙轮叫复锥牙轮，适用于软或中硬地层。牙轮表面的牙齿， 由牙齿毛胚铣削加工或钻孔镶嵌两种方式制成。牙齿是钻头破岩的主要元件。 由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿叫铣齿，这种钻头叫铣齿钻头。将金属材料加工成一定形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳上的钻头叫镶齿钻头。4、轴承 牙轮钻头的轴承结构有滚动轴承和滑动轴承两种。目前广泛采用大轴承滑 动副一滚珠轴承第二道止推一小轴滑动副的滑动密封轴承结构。其类型有四 种： （1）普通滑动轴承，目前国产镶齿密封滑动轴承喷射钻头，大多采用这种 类型的结构； （2）带固定衬套的滑动轴承； （3）带浮动补套的滑动轴承； （4）简易滑动轴承。 5、水

5、眼 牙轮钻头在牙轮之间设计有水眼，根据需要可在水眼内安装不同类型、不 同直径和不同数量的喷嘴。 二、破岩机理二、破岩机理 牙轮钻头是依靠牙轮绕钻头轴线的公转与牙轮绕自身轴线的自转所产生的 冲击压碎作用和滑动剪切作用来破碎岩石的。 1、冲击压碎作用 牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的，轮齿对岩石的冲击压碎作 用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。旋转钻头时，牙齿以一定速度冲击压入 岩石，这一破碎方式与静压入破碎试验特点相似，牙齿压入岩石需要足够的比 压与接触时间。因此，牙轮钻头的牙齿作用在岩石上的轴向载荷包括静压及冲 击载何两部分。加给钻头的钻压为静压部分；冲击载荷是由钻头在井底旋转时 产生纵

6、振，使钻头钻柱系统不断地压缩与伸张，下部钻柱把这种周期的弹性 变形能传递给牙轮而产生的，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。加 大钻头牙齿对地层的冲击压力，就能提高破碎岩石的效率。 2、滑动剪切作用 在塑性较高的岩石中，除了要求牙齿对井底岩石有冲击压碎作用外，还要 求牙齿对地层有一定的滑动作用，使牙齿对岩石进行剪切，以扩大岩石的破碎 效果，这一点在软地层钻进时显得很重要。使牙轮在井底滚动时产生滑移的措 施有超顶、复锥和移轴。 （1）超顶。超顶就是指牙轮的锥顶超过钻头的中心线。锥顶超过中心线的 距离叫做超顶距。超顶距越大滑动量就越大，超顶在切线方向上产生了滑动， 剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之

7、间的岩石。 （2）复锥。复锥导致牙轮在切线方向产生滑动，同超顶一样也剪去了牙轮 每个齿圈上齿与齿之间的岩石。 （3）移轴。移轴就是指牙轮轴线相对于钻头轴线平移了一段距离。这段距 离叫做移轴距。如果移轴距越大，牙轮的滑动量就越大，剪切作用也就越大， 移轴使牙齿产生了轴向滑动，剪去了牙轮上齿圈之间的岩石。3、牙齿本身的剪切作用 牙齿在轴向压力（钻压）的作用下吃入岩石时，牙齿的楔形面就对与其接 触的岩石产生了一个水平剪切力，岩石沿剪切面发生了剪切破碎，随着牙齿的 移动而将已破碎的岩石剔出，这就是牙齿本身对岩石的剪切作用。表 5-1 国产三牙轮钻头型式代号 型式名称类别全称简称型式代号普通轴承三牙钻头

8、普通钻头Y 普通轴承喷射式三牙轮钻头喷射钻头P 密封滚动轴承喷射式三牙轮钻头密封喷射钻头MP 密封滚动轴承喷射式保径三牙轮 钻头密封喷射保径钻头MPB密封滑动轴承三牙轮钻头滑动钻头H 密封滑动轴承喷射式三牙轮钻头滑动喷射钻头HP铣齿钻头密封滑动轴承喷射式保径三牙轮 钻头滑动喷射保径钻头HPB镶齿密封滚动轴承喷射式三牙轮 钻头镶齿密封喷射钻头XMP镶齿密封滑动轴承三牙轮钻头镶齿滑动钻头XH镶齿钻头 镶齿密封滑动轴承喷射式三牙轮 钻头镶齿滑动喷射钻头XHP三、三牙轮钻头系列三、三牙轮钻头系列 1、国产三牙轮钻头系列 （1）根据钻头的结构特征分成铣齿和镶齿两大类，10 种型式，如表 5-1 所示。

9、（2）按照所钻地层的软硬程度，各种型式的钻头分成七个品种，见表 5- 2。表 5-2 国产三牙轮钻头品种代号 地层软硬极软软中软中中硬硬极硬 品种代号1234567（3）型号表示方法例：直径为 215.9mm、镶硬质合金齿、滑动密封轴承、喷射式水眼，用于 中软地层的钻头代号应为：215.9 XHP3。钻头直径，mm型式代号品种代号四、三牙轮钻头的合理使用四、三牙轮钻头的合理使用 1、合理选择钻头类型（1）根据所钻地层岩性，选择钻头类型遵循以下原则： a.在浅井段岩石胶结疏松，主要考虑钻头的钻速和防止泥包； b.在深井段由于起下钻行程长，主要考虑钻头的进尺； c.出井钻头外排齿严重磨损时，宜选用

10、带有保径齿的钻头； d.在易斜井段宜选用滑移量小牙齿多而短的钻头； e.在选用镶齿钻头时，宜用楔形齿钻头； f.钻石灰岩时，宜用双锥齿、抛射体形齿钻头； g.地层泥页岩较多或钻井液密度较大时，宜选用具有较大滑移量的钻头； h.地层为灰岩、砂岩，宜选用滑移量较小的钻头； i.在钻坚硬及高研磨的地层时，宜用纯滚动的球齿、双锥齿钻头。 常用钻头与适用地层见表 5-3。 （2）优选钻头水力参数应优先选用加长喷嘴和不等径组合喷嘴钻头。表 5-3 钻头类型与适用地层对照表 钻头类型类 别系 列适用地层岩性标准滚 柱轴承密封滚 柱保径密封滑 动轴承密封滑 动保径 Y1，P1， R1HP1，J 1Y2，P2，

11、 R2HP2，J 2JD2 R3XDGJ3JD31低抗压强度的高可 钻性软地层粘土、泥岩、 页岩、疏松砂 岩、石膏Y3、P3MPB3HP3HPB3 Y4，P4， R4XDV，MP B4HP4，J 4HPB4，J D4DR52高抗压强度的中到 中硬地层砂岩、页岩、 泥岩、白垩岩 等Y5，P5MP5HP5，J 7HPB5 Y6，P6HP6 R7，DR7铣 齿3半研磨性或研磨性 的硬地层白去砂岩、砂 质泥岩、石英 岩R8J8JD8J114低抗压强度的高可 钻性软地层泥岩、石膏、 疏松砂岩等 X11XHP1，J 11CJ22 X22XHP2，J 22CXHP3，J 335低抗压强度的软到 中地层泥岩、

12、页岩、 石膏、软石灰 岩等X33J33C XHP4，J 44X44XHP5，J 55RJ556高抗压强度的中硬 地层页岩、砂岩、 白云岩、石灰 岩X55RXHP5A X55XHP6，J 777半研磨性或研磨性 的硬地层石英砂岩、硬 白云岩、石灰 岩等XHP7，J 99镶 齿8研磨性的极硬地层石英岩、花岗 岩、玄武岩、 火山岩表 5-8 上海第一石油机械厂推荐的钻头钻压与转速值钻头系列Y，PMP,MPB,HP,HPBXHP 钻 头 型 式钻头直 径 mm钻压 N/mm转速 r/min钻压 N/mm转速 r/min钻压 N/mm转速 r/min11905508001409055080 014090

13、2175 190350450 55085014090 1409035045 0 55085 01206040050 0 50080 0150603175 190350450 60085014090 1257035045 0 60085 01005040050 0 50080 0100404175 190350450 65090014090 1004535045 0 65090 08060 705040050 0 50080 07050 60405175 190350450 65090014090 804535045 0 65090 08060 705040050 0 55085 07050 6

14、0406 175 190350450 65095014090 804540050 0 55085 07050 60407175 19040050 0 55065 07050 60402.钻头入井前的检查 （1）检查所选的钻头型号，直径是否符合要求； （2）仔细察看钻头丝扣、焊缝、牙齿是否完好； （3）检查喷嘴是否装牢，水眼应畅通；用手转动牙轮，轴承密封应完好； 钻头的压力补偿系统应完好，卸压孔应无堵塞。 3.钻头入井时注意事项 （1）钻头丝扣清洗后涂上专用丝扣油； （2）选用合适的装卸器，钻头放进装卸器时不得猛顿； （3）紧扣时按规定扭矩上紧； （4）下钻操作要平稳，遇阻不得硬压。镶齿钻头下钻

15、要慢，以免在硬地层 及井眼不规则处碰坏合金齿； （5）下钻遇阻划眼时，应记下井深、划眼情况及时间，以便于判断遇阻原因，控制工作时间； 表 5-9 四川石油管理局总机修厂推荐的钻头钻压和转速值 转速,r/min钻压（滚动密封、滑动密封） ，kN 地 层滚动密封 轴承滑动密封 轴承kN/cm2钻头直径 215mm钻头直径 152mm软4.636.5 698137.329.458.8中6085 5.47.33117.7156.939.268.6硬50704060 6.178.4 9137.3176.54978.5注：钻头直径 152mm 的钻头因轴颈和牙轮都小，钻压不能过大，尚不能按 kN/cm2标准计算。(6)下钻至井底一定距离（一个单根） ，应开泵转动转盘缓慢下放，严禁下 到底开泵。 4.钻进注意事项 （1）新钻头应轻压磨合半小时左右，再逐渐加至规定钻压，严禁加压启动 转盘； （2）操作刹把时精力要集中，送钻均匀，严防溜钻、顿钻事故； （3）钻进中应根据