第三讲：钻井方法与破岩工具课件

第三讲第三讲 钻井方法与破岩工具钻井方法与破岩工具3.1 钻井方法（钻井方法（Drilling Method）3.2 牙轮钻头（牙轮钻头（Roller/Cone Bit）3.3 PDC钻头（钻头（PDC Bit）3.4 金刚石钻头（金刚石钻头（Diamond Bit）3.5 钻头类型优选钻头类型优选1石油钻井方法石油钻井方法顿钻钻井法（冲击钻）顿钻钻井法（冲击钻）（Percussion Drilling）旋转钻井法旋转钻井法转盘钻转盘钻（Rotary Drilling）井下动力钻井下动力钻（Downhole power drilling）（Downhole motor drive drilling）复合钻复合钻（Dual-drive Drilling）冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法（Percussion-rotary Drilling）3.1 3.1 钻井方法钻井方法2一、一、一、一、顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法3.1 3.1 钻井方法钻井方法3一、一、一、一、顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法 1859年，美国年，美国 E.H.Drake 在宾夕法尼亚在宾夕法尼亚 用钢绳冲击钻钻出第一口石油井（用钢绳冲击钻钻出第一口石油井（21.64m)。3.1 3.1 钻井方法钻井方法4一、一、一、一、顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法1.1.工作原理工作原理 冲击钻头给孔底岩石以直接的冲击动载，冲击钻头给孔底岩石以直接的冲击动载，碎岩基本条件可用工具动能碎岩基本条件可用工具动能T Tk k 和岩石变形位和岩石变形位能能U U 的平衡方程式来表达：的平衡方程式来表达：T Tk kU U式中：式中：m m 钻头和冲击钻杆的质量；钻头和冲击钻杆的质量；v v0 0 钻头同岩石碰撞时的速度；钻头同岩石碰撞时的速度；h hmaxmax钻头侵入岩石的最大深度；钻头侵入岩石的最大深度；P Pz z(h(h)岩石抵抗钻头侵入的阻力。岩石抵抗钻头侵入的阻力。3.1 3.1 钻井方法钻井方法5一、一、一、一、顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法1.1.工作原理工作原理假定作用力与表面的位移成正比（弹性变形）：假定作用力与表面的位移成正比（弹性变形）：（a为与岩石弹性有关的比例系数）最大作用力发生在表面位移最大（最大作用力发生在表面位移最大（h hmaxmax）的时刻，即钻头下落速度）的时刻，即钻头下落速度降到零的时刻。降到零的时刻。此时的变形位能为：此时的变形位能为：由条件由条件U U=T Tk k 不难确定不难确定h hmaxmax：最大作用力：最大作用力：3.1 3.1 钻井方法钻井方法6一、一、一、一、顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法顿钻（冲击）钻井法2.2.破岩工具破岩工具钎头钎头十字型十字型一字型一字型柱齿型柱齿型3.1 3.1 钻井方法钻井方法7一、一、一、一、旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法3.1 3.1 钻井方法钻井方法8二、二、二、二、旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法1900年年,德国发明了旋转钻机德国发明了旋转钻机。turntable1.转盘钻转盘钻3.1 3.1 钻井方法钻井方法9井下动力钻具井下动力钻具涡轮钻具（turbo drill）螺杆钻具（helicoid hydraulic drill）电动钻具（electric drill）二、二、二、二、旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法2.井下动力钻井下动力钻3.1 3.1 钻井方法钻井方法10二、二、二、二、旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法二、二、二、二、旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法3.旋转钻井破岩工具旋转钻井破岩工具3.1 3.1 钻井方法钻井方法11三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法3.1 3.1 钻井方法钻井方法12三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法1.1.工作原理工作原理钻压（静载）钻压（静载）冲击载荷冲击载荷井下冲击锤井下冲击锤 冲击冲击旋转钻井是在旋转钻进旋转钻井是在旋转钻进的基础上加入一个井下冲击器。在的基础上加入一个井下冲击器。在钻进中，地面以动力带动整个钻具钻进中，地面以动力带动整个钻具旋转，并通过钻具给钻头一定的轴旋转，并通过钻具给钻头一定的轴向压力；同时井下冲击器以一定的向压力；同时井下冲击器以一定的频率进行冲击，给钻头齿施加一个频率进行冲击，给钻头齿施加一个附加冲击载荷。钻头在加压旋转和附加冲击载荷。钻头在加压旋转和冲击共同作用下破碎岩石。冲击共同作用下破碎岩石。井下冲击锤是旋转冲击钻井的核井下冲击锤是旋转冲击钻井的核心工具。按照驱动方式的不同，分为心工具。按照驱动方式的不同，分为气动冲击锤和液动冲击锤两种。气动冲击锤和液动冲击锤两种。3.1 3.1 钻井方法钻井方法13三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法2.2.井下冲击锤井下冲击锤（Downhole percussion Hammer）（1 1）气动冲击锤（空气锤）气动冲击锤（空气锤）主要由缸套（外壳）、活塞冲击锤、配气主要由缸套（外壳）、活塞冲击锤、配气机构和接头等部分组成。空气经空压机和增压机构和接头等部分组成。空气经空压机和增压机加压后机加压后,进入空气锤的配气机构，在活塞上下进入空气锤的配气机构，在活塞上下两腔形成压力差来推动活塞上下往复运动两腔形成压力差来推动活塞上下往复运动,实现实现对钻头的冲击做功对钻头的冲击做功,达到提高破岩效率的目的。达到提高破岩效率的目的。l 冲击频率：10001500次/min；l 风压：3MPal 风量：6”4852m3/min;8-1/2”/9-1/2”7590m3/min；12-1/4”/17-1/2”100120m3/minl 钻压：12tl 转速：2050rpm 3.1 3.1 钻井方法钻井方法14三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法2.2.井下冲击锤井下冲击锤（Downhole percussion Hammer）（2 2）液动冲击锤）液动冲击锤 喷嘴 上腔 冲锤 活塞 活塞套 外壳下腔 砧子 射吸式冲击器射吸式冲击器由喷嘴、活塞冲由喷嘴、活塞冲锤、活塞套、外壳、砧子等部分组锤、活塞套、外壳、砧子等部分组成。利用高压射流的卷吸作用使活成。利用高压射流的卷吸作用使活塞冲锤上、下腔产生交变压力差推塞冲锤上、下腔产生交变压力差推动活塞往复运动的无阀液动冲击器。动活塞往复运动的无阀液动冲击器。上接头 射流元件 缸体 活塞 冲锤 外壳 砧子 花键套 下接头 射流式冲击器 射流式冲击器射流式冲击器由射流元件、缸由射流元件、缸体、活塞、冲锤、外壳、砧子等部体、活塞、冲锤、外壳、砧子等部分组成。采用双稳射流元件作为控分组成。采用双稳射流元件作为控制机构，在活塞冲锤上、下腔产生制机构，在活塞冲锤上、下腔产生交变压力差推动活塞往复运动。交变压力差推动活塞往复运动。3.1 3.1 钻井方法钻井方法15三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法3.3.破岩工具破岩工具（1）硬质合金柱齿钻头（专用）硬质合金柱齿钻头（专用）半球形或锥球形硬质合半球形或锥球形硬质合金柱齿以过盈配合金柱齿以过盈配合冷压冷压方式方式镶嵌在钻头钢体上。镶嵌在钻头钢体上。平底钻头（平底钻头（Flat Bottom）用于相对较软的地层。用于相对较软的地层。凹底钻头（凹底钻头（Concave）应用最广泛，有利于防斜。应用最广泛，有利于防斜。锥底钻头（锥底钻头（Convex）用于极硬、研磨性极高的地层。用于极硬、研磨性极高的地层。复合型钻头复合型钻头 结合锥底和凹底钻头的特点设计。结合锥底和凹底钻头的特点设计。平底钻头凹底钻头锥底钻头复合型钻头3.1 3.1 钻井方法钻井方法16三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法3.3.破岩工具破岩工具（2）改进的牙轮钻头改进的牙轮钻头l 八十年代中期八十年代中期,国外研制了空气钻井牙轮钻头。国外研制了空气钻井牙轮钻头。它采用非移轴设计它采用非移轴设计,使使 用较硬的硬质合金齿和敞式轴承。用较硬的硬质合金齿和敞式轴承。IADCIADC编码为编码为619619、639 639 和和539539。机械钻机械钻 速较高速较高,但寿命较短。但寿命较短。l 传统的牙轮钻头不能承受冲击载荷，主要表现在钻头巴掌脱落和传统的牙轮钻头不能承受冲击载荷，主要表现在钻头巴掌脱落和 钻头钻头牙牙 齿容易遭到损坏。将传统的牙轮钻头加以改进，主要是增强齿容易遭到损坏。将传统的牙轮钻头加以改进，主要是增强 巴掌焊缝和巴掌焊缝和 牙齿，提高其承受冲击载荷的能力，可用于冲旋钻井。牙齿，提高其承受冲击载荷的能力，可用于冲旋钻井。2002 2002 年年,美国能源部资助的世界第一例使用泥浆驱动的液动冲击器与不美国能源部资助的世界第一例使用泥浆驱动的液动冲击器与不同钻头配合同钻头配合,在不同钻井参数和岩层构造下作了深井凿岩比较在不同钻井参数和岩层构造下作了深井凿岩比较,结果发现在相结果发现在相同条件下使用牙轮钻头不如使用冲击类专用钻头的钻速快同条件下使用牙轮钻头不如使用冲击类专用钻头的钻速快,即使牙轮钻头没即使牙轮钻头没有损坏有损坏,其对冲击能量的传递效率也远不如平底钻头等冲击类专用钻头。其对冲击能量的传递效率也远不如平底钻头等冲击类专用钻头。3.1 3.1 钻井方法钻井方法17三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法3.3.破岩工具破岩工具（3）金刚石加强齿钻头金刚石加强齿钻头3.1 3.1 钻井方法钻井方法18三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法4.4.冲击冲击旋转钻井的破岩特点旋转钻井的破岩特点 冲击载荷比静载荷能更有效地破碎脆性硬岩石冲击载荷比静载荷能更有效地破碎脆性硬岩石 冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达到极高值，局部应力集中，在岩石内容冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达到极高值，局部应力集中，在岩石内容易产生微裂纹。并且冲击速度越大，岩石脆性越大，越有利于裂隙发育。裂纹易产生微裂纹。并且冲击速度越大，岩石脆性越大，越有利于裂隙发育。裂纹的发育，降低了岩石表面的机械强度。当冲击载荷足够大时，应力很快接近或的发育，降低了岩石表面的机械强度。当冲击载荷足够大时，应力很快接近或超过强度极限，产生脆性破坏，表现为岩石大体积崩离。超过强度极限，产生脆性破坏，表现为岩石大体积崩离。岩石处于预压应力状态，受冲击作用更容易破碎岩石处于预压应力状态，受冲击作用更容易破碎 旋转冲击钻进时，井底岩石始终受到轴向压力的作用，使钻头齿下面尚未破旋转冲击钻进时，井底岩石始终受到轴向压力的作用，使钻头齿下面尚未破碎的岩石处于紧张的预压应力状态，当受到高频冲击作用时，产生应力叠加，岩碎的岩石处于紧张的预压应力状态，当受到高频冲击作用时，产生应力叠加，岩石更容易破碎。石更容易破碎。冲击形成的裂隙给旋转剪切创造了良好的条件冲击形成的裂隙给旋转剪切创造了良好的条件 冲击作用在井底岩石表面上形成的裂纹，有助于被进一步压碎产生剪切体，冲击作用在井底岩石表面上形成的裂纹，有助于被进一步压碎产生剪切体，也有利于旋转剪切破碎岩石。两冲击破碎坑之间的岩脊也很容易被剪切掉。也有利于旋转剪切破碎岩石。两冲击破碎坑之间的岩脊也很容易被剪切掉。3.1 3.1 钻井方法钻井方法19三、三、三、三、冲击冲击冲击冲击-旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法旋转钻井法3.1 3.1 钻井方法钻井方法l 冲击破岩的主要特点是在瞬间可对岩石产生很大的冲击力。岩冲击破岩的主要特点是在瞬间可对岩石产生很大的冲击力。岩 石越硬，冲击载荷作用时间越短，冲击力越大。因此，冲