第二章1--钻头.

第二章钻进工具第一节钻头第二节钻柱一、概述钻头分为牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三类。钻头的技术、经济指标包括以下方面：钻头进尺：指一个钻头钻进的井眼总长度；钻头工作寿命：指一个钻头的累计总使用时间；第一节钻头钻头平均机械钻速：指一个钻头的进尺与工作寿命之比。钻头单位进尺成本：式中：C——单位进尺成本，元/m；Cb——钻头成本，元；Cr——钻机作业费，元/h；t——钻头钻进时间，h；tr——起下钻及接根时间，h；H——钻头进尺，m。HttCCCrrb(一)刮刀钻头的结构刮刀钻头结构可分为四部分：上钻头体、下钻头体、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•四刀翼的称作四刮刀钻头二、刮刀钻头的结构及工作原理刮刀钻头刀翼的结构特点：(1)刀翼结构角，包括刃尖角、切削角、刃前角和刃后角。刃尖角β是刀翼尖端前后刃之间的夹角，它表示刀翼的尖锐程度。切削角α是刀翼前刃和水平面之间的夹角。刃后角ψ＝α-β。刃后角必须大于井底角θ。井底岩石表面和水平面成一夹角，此夹角称作井底角(θ)。刃前角与切削角互为补角，刃前角φ＝90°-α。图2-3刮刀钻头刀翼结构角(2)刀翼背部几何形状。刀翼背部应成抛物线形状，即刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而逐渐增厚，呈抛物线形。(3)刀翼底部几何形状。有平底、正阶梯、反阶梯和反锥形几种形状。图2-4刀翼底刃几何形状平底刮刀钻头：钻速慢，结构稳定；正阶梯型：钻速快，缩径；反阶梯型：钻速快，易蹩断；反锥型：钻速较快，不缩径，不易蹩断。(4)提高刀翼的耐磨性。刀翼一般采35CrMo或MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。(二)刮刀钻头的工作原理刮刀钻头主要以切削、剪切和挤压方式破碎地层，具体方式取决于钻头的切削结构及所钻地层的岩性。刮刀钻头破碎塑性岩石的方式在钻压W和扭转力T的作用下不断产生塑性流动。图2-5刮刀钻头破碎塑性岩石过程破碎塑脆性岩石大体分为三个过程：(1)刃前岩石沿剪切面破碎后。T力减小，切削刃向前推进。碰撞刃前岩石(图2-6a)；(2)在扭力T作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎，旋转力T增大(图2-6b)；(3)刀翼或切削齿继续压挤前方的岩石(部分被压成粉状)，当扭力T增大到极限值时，岩石沿剪切面破碎，然后扭力突然变小(图2-6c)。图2-6刮刀钻头破碎塑脆性岩石过程碰撞、压碎及小剪切、大剪切这三个过程反复进行，形成破碎塑脆性岩石的全过程。牙轮钻头分为三牙轮钻头，两牙轮钻头、单牙轮钻头和四牙轮钻头。三、牙轮钻头的结构及工作原理(一)牙轮钻头的结构分为有体式和无体式两类图2-7三牙轮钻头（铣齿密封滚动轴承喷射式）1．牙轮及牙齿(1)牙轮具有单锥和复锥两大类，单锥牙轮适用于硬或研磨性较强的地层，复锥牙轮适用于软或中硬地层。图2-8单锥和复锥牙轮a—单锥；b、c—复锥；1—主锥；2—副锥；3—背锥abc(2)铣齿。铣齿牙轮钻头的牙齿是由牙轮毛坯经铣削加工而成的，主要是楔形齿，齿的结构参数为齿尖角、齿高、齿顶削平度、齿距等。齿尖角：一般软地层=38º～40º；中硬地层=40º～42º，硬地层，=42º～45º。图2-9铣齿结构参数齿高h：指齿根到齿顶的距离。齿顶削平度k：指齿尖的宽度。一般小钻头k=0.75～1mm；大钻头k=2mm。一般软地层钻头的齿高、齿宽、齿距较大，而硬地层则相反。在研磨性较强的地层的钻头增大钻头外径部位的耐磨性的做法称作保径。铣齿钻头为达到保径要求外排齿制成“П”形、“T”形或“L”形(见图2-10)。图2-10保径齿齿形(3)镶齿镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔后，将硬质合金材料制成的齿镶入孔中。硬质合金成分/%牌号WCCo硬度/RA密度/g·cm3抗弯强度/MPaYG88988914.4～14.815YG8C9288814.4～14.817.5YG118911YG11C89118714.0～14.020表2-1国产硬质合金性能齿的体部都是圆柱体，是镶进牙轮壳体的齿孔内的部分，齿形是指露出在牙轮壳体以外部分的形状及高度。国内外常见的硬质合金齿的齿形如图2-11所示。图2-11硬质合金齿齿形图楔形齿：齿形呈“楔子”状，齿尖角由65°～90°不等。适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地层，齿尖角小的适合软地层，齿尖角大的适合较硬地层。圆锥形齿：锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状，以压碎方式破碎岩石。锥角60°～70°的中等锥形齿用来钻中硬地层，90°锥形及120°双锥形齿用来钻研磨性高的坚硬岩石。球形齿：顶部为半球体，以压碎和冲击方式破碎高研磨性的坚硬地层，如燧石、石英岩、玄武岩、花岗岩等，强度和耐磨性均高。抛物体形齿：是球形齿的变形，齿高较大但有一定强度，同样用在高研磨性的坚硬地层。勺形齿：是美国休斯公司80年代推出的新齿形。它是一种不对称的楔形齿，其切削地层的工作面是内凹的勺形，背面是微向外凸的圆弧形。偏顶勺形齿的齿顶相对于其轴线超前偏移了一个距离，其凹面正对被切削的地层。圆锥勺形齿是在圆锥形齿的基础上产生的，它切削地层的工作面内凹，背面是微向外凸的圆弧形。平顶形齿，齿形为圆柱体，端部有倒角，它只用在牙轮钻头的背锥上，以防止背锥磨损，达到保径及提高钻头寿命的目的。2．轴承牙轮钻头轴承由牙轮内腔、轴承跑道、牙掌轴颈、锁紧元件等组成。根据轴承的密封与否，分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，分为滚动轴承和滑动轴承。对于滚珠轴承、滚柱轴承及滑动轴承，轴与轴承副之间的接触方式分别为点接触、线接触与面接触。密封圈有碟形密封圈、“O”形密封圈及金属密封圈等几种。3．储油润滑密封系统既能保证轴承得到润滑，又可有效地防止钻井液进入轴承内。整个储油装置安装在牙爪的储油孔内，与外界用传压孔相通，与轴承腔内用长油孔相连。4．钻头水眼钻头水眼是钻井液流出钻头射向井底的流道。喷射式钻头在水眼处装有硬质合金喷嘴，充分利用钻头水力功率，使高速液体直接射向井底，以充分清除井底岩屑，提高钻进效率。5．牙齿的排布方式布齿原则：（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已破碎的旧坑内；（3）应使每个牙齿均匀地承担破碎任务。自洗式：其特点是相邻两牙轮的齿圈相互交错排列。工作时相邻牙轮的牙齿相互“嵌入”，铣掉齿圈间的岩屑，而又不影响各自的转动。1．牙轮的公转与自转公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：钻头工作时，牙轮绕牙轮轴线做逆时针方向的旋转称自转。2．钻头的纵向振动纵向振动：牙齿与井底的接触是单齿、双齿交错进行的—接触井底所引起的较高频振动外，在纵向还有低频率、振幅较大的振动，这是由于井底不平和有凸台所引起的。图2-13单、双齿交错接触井底引起牙轮的纵向振动(二)牙轮钻头工作原理3．牙轮的滑动产生滑动是由牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。(1)超顶和复锥引起的滑动牙轮锥顶超过钻头轴线，这种特点称作超顶，超过的距离ob称作超顶距（c）。牙轮超顶产生滑动，滑动速度随超顶距c的增加而增加。超顶产生的滑动复锥牙轮包括主锥和副锥，主锥顶与钻头中心重合，而副锥锥顶的延伸线是超顶的。因而产生了滑动。(2)移轴引起的滑动牙轮轴线相对于钻头轴线平移一段距离，这种方式称作移轴，平移的距离s＝oo‘称作偏移值。由于牙轮的移轴，牙轮作公转时，牙轮与岩石接触母线上任一点都产生垂直于牙轮轴的分速度和沿牙轮轴线方向的分速度，从而产生滑动。图2-15牙轮钻头的牙轮移轴超顶和复锥所引起的切线方向滑动，剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。移轴则在轴向产生滑动，它可以剪切掉齿圈之间的岩石。移轴引起的轴向滑动使牙齿的内端面部分磨损，而超顶和复锥引起的切线方向滑动使牙齿侧面磨损。牙轮钻头破岩方式：纵向振动—冲击作用；钻压—压碎作用；超顶、复锥、移轴—剪切作用。（一）金刚石的基本特征金刚石是比重3.52的结晶碳，其抗压强度为9000MPa，是迄今为止在地球上发现的最硬、抗磨能力最强的材料。金刚石颗粒的大小一般用“粒度”来衡量，即每克拉（0.2g）重量所含金刚石的粒数，单位为“粒/克拉”。四、金刚石材料钻头的结构及工作原理金刚石钻头所用的金刚石的粒度一般在0.5粒/克拉～15粒/克拉。软到中软地层，用0.5粒/克拉～2粒/克拉的金刚石；中硬地层用3粒/克拉～6粒/克拉的；硬地层用8粒/克拉～12粒/克拉；坚硬地层用12粒/克拉～15粒/克拉的金刚石。金刚石的弱点：第一，它的脆性较大，遇到冲击载荷会引起断裂；第二，它的热稳定性较差。钻头用金刚石，必须质地坚固，形状规则，如十二面体、八面体、立方体或其它接近球体的形状。用石墨在某些金属触媒的作用下，在5～10MPa压力及1000～2000℃高温条件下制成单晶金刚石。(二)金刚石材料钻头的结构1．切削齿PDC的结构见图2-18，它是以金刚石粉（直径约1～100m之间）为原料加入粘结剂在高温高压下烧结而成。复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于1mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。图2-18聚晶金刚石复合片(PDC)的结构PDC由于多种材料的存在，热稳定性较差，同时脆性较强，不能经受冲击载荷。常用的PDC直径为13.4mm以及19mm和8mm。热稳定性聚晶金刚石(TSP)，没有碳化钨基层，没有游离的钴存在，具有良好的热稳定性，耐热温度达1200℃以上。可根据需要制造成圆片状、立方体状、圆柱状、三角状等各种形状；尺寸也可根据要求而定。TSP的耐磨性高于PDC，抗冲击能力强，具有天然金刚石材料的优点。2．金刚石材料钻头总体结构金刚石材料钻头属一体式钻头，整个钻头无活动部件，主要有钻头体、冠部、水力结构(包括水眼或喷嘴、水槽亦称流道、排屑槽)、保径、切削刃(齿)五部分。图2-18金刚石钻头结构(俯视图）图2-18金刚石钻头结构（侧视图）金刚石材料钻头的保径部分在钻进时起到扶正钻头、保证井径不致缩小的作用。图2-19保径结构及方式3．天然金刚石钻头和TSP钻头的结构(1)冠部的几何形状a．双锥阶梯形：冠部形状除两个锥面外还有阶梯或螺旋阶梯。b．双锥形。由内锥、外锥和顶部圆弧三部分组成。内锥角一般在60～70左右，外锥角在40～60左右。c．“B”形。工作面由内锥和圆弧面组成，内锥角不小于90，其结构特点是顶部较宽也较平缓。d．带波纹(或称脊因式)的“B”形。外形和“B”形相同，不同的是内锥和圆弧面上带有螺旋形波纹槽。图2-20金刚石钻头不同冠部形状a．双锥阶梯形；b．双锥形；c．“B”形；d．脊圈式“B”形(2)水力结构：然金刚石钻头和TSP钻头均采用水孔一水槽式水力结构，钻井液由水孔中流出经水槽流过钻头工作面，冲洗每一粒金刚石前的岩屑并冷却、润滑每一粒金刚石。a．逼压式水槽结构：包括高压水槽及低压水槽。b．辐射形水槽：水槽为放射形且在钻头工作面上均匀分布。c．辐射形逼压式水槽。d．螺旋形水槽：水槽为反螺旋流道。图2-21天然金刚石钻头和TSP钻头水力结构的水槽类型图2—22金刚石在钻头上的不同排列方式a．钻头外形；b．交错排列；c．圆周排列；d．脊圈排列(3)金刚石粒度和排列：钻头用金刚石的粒度根据地层而定。较软地层，粒度较大；较硬地层，粒度较小。排列方式常见的有：交错排列法、圆周排列法及背圈排列法三种。(4)金刚石颗粒在胎体上的镶装方式：表镶式，孕镶式，表孕镶式。①表镶式：表镶式金刚石钻头就是把金刚石颗粒镶装在钻头胎体表面，因此又称为表镶式。露头（露在外面的部分）不超过1/3，其原因有三：一是出露太多，镶嵌部分就少，镶嵌不牢固，易脱落；二是金刚石颗粒很脆，不抗冲击；三是出露太多，相应切削刃吃入地层的深度就大，破岩时所需扭力大，易崩断。表镶式金刚石钻头所用的金刚石颗粒一般0.5～1.5粒/克拉。②孕镶式：孕镶式金刚石钻头是把金刚石颗粒与钻头胎体烧结在一起。适合于对付极硬地层，而且成本比表镶式低得多。一般孕镶层的厚度2～12mm，金刚石颗粒棱角越尖越好。③表孕镶式：就是在钻头的工作面上同时采用表镶式和孕镶式