钻井工程理论与技术第二章钻进工具--钻头(3学时)

第二章钻进工具第一节钻头第二节钻柱第一节钻头一、概述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、PDC钻头一、概述1.钻头分类按结构及工作原理分刮刀钻头牙轮钻头PDC钻头金刚石钻头按功用分全面钻进钻头取心钻头扩眼钻头一、概述2.钻头尺寸系列3-3/4~36in3.钻头性能指标钻头进尺（米）钻头工作寿命（小时）机械钻速（米/小时）单位进尺成本（元/米）：HttCCCtrbpm)(第一节钻头一、概述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、PDC钻头二、牙轮钻头（RollerBit）铣齿（钢齿）镶齿（YG齿）二、牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构（1）牙轮及牙齿（2）牙轮轴（3）轴承（4）巴掌（5）钻头体（6）喷嘴（7）储油润滑密封系统a—单锥；b、c—复锥；1—主锥；2—副锥；3—背锥abc二、牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构1．牙轮及牙齿牙轮：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：主锥+背锥，硬地层复锥：主锥+副锥+背锥，软到中硬二、牙轮钻头（RollerBit）1．牙轮及牙齿（Cone&tooth）（一）牙轮钻头结构铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。镶齿——镶装在牙轮锥面上的硬质合金齿，有多种齿形。勺形齿：极软至中软地层楔形齿：软至中硬地层锥形齿：中硬地层尖卵形齿：硬地层球齿：硬至坚硬地层◆结构组成：牙轮内腔、牙爪轴颈、轴承跑道、锁紧元件每个牙轮有大、中、小和止推四付轴承。大、小轴承承受径向载荷；中轴承用来锁紧和定位；止推轴承承受轴向载荷。二、牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构2.轴承（BearingofBit）◆轴承分类：按轴承副结构分：滚动轴承、滑动轴承根据轴承密封与否分：密封、非密封轴承滚动轴承有两种结构：滚柱—滚珠—滚柱—止推滚柱—滚珠—滑动—止推滑动轴承有两种结构：滑动—滚珠—滑动—止推滑动—卡簧—滑动—止推二、牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构2.轴承（BearingofBit）3．储油密封压力补偿系统二、牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构二、牙轮钻头（RollerBit）4．喷嘴牙轮钻头一般安装3~4个喷嘴，直径7~14mm。用卡簧固定在水眼内，并用O形圈密封。（一）牙轮钻头结构●标准型：距井底110~140mm●中长喷嘴：比常规喷嘴长约38mm●长喷嘴：距井底约25mm●中心喷嘴●反喷嘴●空化喷嘴●脉冲喷嘴二、牙轮钻头（RollerBit）5．牙轮的布置方案（一）牙轮钻头结构方案1：非自洗无滑动布置特点：齿圈不嵌合不超顶不移轴适用地层：硬二、牙轮钻头（RollerBit）5．牙轮的布置方案（一）牙轮钻头结构方案2：自洗不移轴布置特点：齿圈相互嵌合超顶不移轴适用地层：中二、牙轮钻头（RollerBit）5．牙轮的布置方案（一）牙轮钻头结构方案3：自洗移轴布置特点：齿圈相互嵌合超顶移轴适用地层：软二、牙轮钻头（RollerBit）（二）牙轮钻头工作原理1.牙轮钻头在井底的运动（1）钻头公转（顺时针，转速Nb—rpm）:)/(60smNDVbbxbx（2）牙轮自转（逆时针，转速nc—rpm）:)/(60smnDVccxcx（3）滑动——轴向滑动、切向滑动（4）纵向振动振动频率：振动周期：z60DDnznmcbbcmT1c超顶距公转时自转时平衡时合速度副锥产生超顶效果c超顶和副锥引起周向滑动二、牙轮钻头（RollerBit）（二）牙轮钻头工作原理1.牙轮钻头在井底的运动O’a’a’O’a’O’移轴引起径向滑动二、牙轮钻头（RollerBit）（二）牙轮钻头工作原理1.牙轮钻头在井底的运动单、双齿交替着地引起纵向振动二、牙轮钻头（RollerBit）（二）牙轮钻头工作原理1.牙轮钻头在井底的运动二、牙轮钻头（RollerBit）二、牙轮钻头（RollerBit）（二）牙轮钻头工作原理2.牙轮钻头的破岩机理（1）冲击、压碎作用牙轮钻头工作时，牙轮滚动，单齿与双齿交替接触井底，使钻头产生纵向振动。钻头纵向振动产生的冲击载荷和钻压通过牙齿作用在岩石上，对井底岩石产生冲击压碎作用，形成体积破碎坑穴。（2）滑动剪切作用牙轮钻头的超顶、复锥和移轴结构，使牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动，剪切齿间岩石。二、牙轮钻头（RollerBit）（三）牙轮钻头磨损与分级1.牙齿磨损铣齿：根据齿的磨损高度与原齿高之比划分磨损等级。镶齿：根据甭碎和掉落的齿数与原有齿数之比划分磨损等级。牙齿磨损代号铣齿镶齿T1T2T3T4T5T6T7T8齿高磨掉1/8齿高磨掉2/8齿高磨掉3/8齿高磨掉4/8齿高磨掉5/8齿高磨掉6/8齿高磨掉7/8齿高全磨光1/8的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落所有齿全甭碎或掉落二、牙轮钻头（RollerBit）2.轴承磨损轴承磨损以钻头使用时间与轴承寿命（小时）之比分级。轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到。轴承磨损代号磨损情况B1B2B3B4B5B6B7B8轴承寿命已用掉1/8轴承寿命已用掉2/8（轻度磨损）轴承寿命已用掉3/8轴承寿命已用掉4/8（中等磨损）轴承寿命已用掉5/8轴承寿命已用掉6/8（轴承晃动）轴承寿命已用掉7/8轴承寿命已用完（轴承卡死或担子掉落）（三）牙轮钻头磨损与分级二、牙轮钻头（RollerBit）3.直径磨损原直径：I直径磨小：O+直径磨小值（in）例如：T2—B4—IT6—B6—O1/2（三）牙轮钻头磨损与分级4.我国石油行业标准（1）牙齿磨损四级：Y1、Y2、Y3、Y4铣齿：磨掉高度与新齿高度之比镶齿：断、掉齿数与总齿数之比（2）轴承磨损级别密封轴承普通轴承Z1密封完好，用手不易转动转动灵活，轴承不旷Z2密封尚好，用手容易转动转动灵活但旷，径1~2mm，轴1mmZ3密封失效，径2~3mm，轴2~3mm明显旷动，径向3mm，轴向2mmZ4牙轮掉或快要掉落牙轮卡死，轴承完全不能用（3）直径磨损代号“J”，在右下角用数字表示直径磨损的毫米数。二、牙轮钻头（RollerBit）（三）牙轮钻头磨损与分级系列代号：用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层；地层等级代号：用数字1~4表示所钻地层再分为4个等级；钻头结构特征代号：用数字1~9表示钻头结构特征，其中1~7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硬地层、4级、非密封滚动轴承、标准铣齿钻头。537C——表示适用于低抗压强度的软到中硬、3级地层、滑动密封轴承保径、带中心喷嘴钻头。二、牙轮钻头（RollerBit）（四）牙轮钻头类型及选择IADC编码二、牙轮钻头（RollerBit）（五）牙轮钻头合理使用1.从软到硬各种地层，都有相应钻头类型与之对应。使用时，应根据所钻地层性质合理选择钻头类型。2.钻压在1.36~2.7吨/英寸范围内，钻速与所加钻压成正比。一般常用最佳范围：1.82~2.27吨/英寸。3.增加转速，可提高钻速，但轴承和牙齿磨损加快。常用转速范围：55rpm~110rpm。4.在排量满足携带岩屑要求的前提下，尽可能提高泵压，以充分利用高压水射流的破岩作用，提高钻速。第一节钻头一、概述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、PDC钻头三、金刚石钻头（DiamondBit）孕镶式表镶式三、金刚石钻头（DiamondBit）（一）金刚石的物理机械性质正四面体晶体结构优点：极高的硬度（莫氏硬度10）极高抗压强度（8800MPa）极高的耐磨性(钢的9000倍）缺点：①脆性大，受冲击载荷易碎裂；②具有热敏性，在空气中约在455~860℃出现石墨化。但在碳化钨或石墨中烧结时氧化速度可降低50~90%典型晶形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，碳原子位于四面体顶角及中心。每个碳原子与邻近四个碳原子形成四个共价键，结合力极强。三、金刚石钻头（DiamondBit）（二）金刚石钻头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。金刚石水眼水槽冠部保径钢体排屑槽胎体钢体接头金刚石胎体三、金刚石钻头（DiamondBit）（二）金刚石钻头结构1.钻头冠部形状a．双锥阶梯形；b．双锥形；c．“B”形；d．脊圈式“B”形软到中硬地层内锥角50~60°外锥角50~100°中到中硬地层内锥角60~70°外锥角40~60°硬地层内锥角90°硬~坚硬地层内锥角90°三、金刚石钻头（DiamondBit）（二）金刚石钻头结构2.水力结构常用水槽结构：□逼压式□辐射型□辐射逼压式□螺旋形三、金刚石钻头（DiamondBit）（二）金刚石钻头结构3.金刚石及布置（1）天然金刚石卡邦（Carbon）——黑色金刚石，巴西及非洲，性能最好，最贵巴拉斯（Ballas）——多晶金刚石，非洲产，性能及价格次于卡邦包尔兹（Boartz）——硬度很高，但解理性强，有内裂纹和应力刚果金刚石——硬度次于包尔兹，但产量高（60%），价格便宜目前使用最广泛的产品：热稳定聚晶，耐温1200℃，有圆片、圆柱、立方体、三角聚晶等多种形状。石墨5000~10000MPa1000~2000℃金刚石单晶金刚石聚晶高温高压下金属触媒（2）人造金刚石聚晶三、金刚石钻头（DiamondBit）（二）金刚石钻头结构及设计3.金刚石及布置（3）金刚石粒度软地层：2粒/克拉，粒径约4mm左右中硬地层：3~4粒/克拉，粒径约3.6mm左右中硬到硬地层：5~8粒/克拉，粒径约2.5~2.9mm硬到坚硬地层：10~15粒/克拉，粒径约2.0mm左右孕镶钻头，60~400粒/克拉，粒径1.2~0.6mm，硬至坚硬地层。（4）出露高度软地层：1/3金刚石粒径中硬地层：1/3~1/5金刚石粒径硬地层：1/5~1/6金刚石粒径坚硬地层：1/6~1/10金刚石粒径软地层硬地层坚硬地层三、金刚石钻头（DiamondBit）（二）金刚石钻头结构及设计3.金刚石及布置（5）金刚石布置三、金刚石钻头（DiamondBit）（二）金刚石钻头结构及设计4.保径设计常用保径方式：拉槽式、平镶式、组合式保径齿材料：天然金刚石保径部分长度：60~100mm（三）金刚石钻头的破岩机理三、金刚石钻头（DiamondBit）◆在塑性地层中，如泥岩、泥质砂岩、石膏等，以切削作用破碎岩石，类似于金属的切削过程。◆在脆性地层中，如石英砂岩等，金刚石破碎岩石的特点主要表现为脆性体积破碎，岩屑尺寸约为金刚石出露部分的2~4倍，破岩效率很高。◆在坚硬岩石中，如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等，一般用孕镶钻头钻进，金刚石以微切削、刻划方式破碎岩石，类似于砂轮磨。（1）适用于硬的、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井、取心作业；（2）钻头下井前，井底打捞干净，无金属等硬材料；（3）开始钻进时，先用小钻压、低转速跑合，完成井底造型；（4）钻进参数优选：合适钻压、高转速、大排量。（四）金刚石钻头的正确使用三、金刚石钻头（DiamondBit）第一节钻头一、概述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、PDC钻头胎体PDC钻头钢体PDC钻头四、PDC钻头PolycrystallineDiamondCompactBit四、PDC钻头（一）聚晶金刚石复合片（PDC）1.结构及尺寸直径（mm)适用地层24极软19软16中13中硬8硬四、PDC钻头（一）聚晶金刚石复合片（PDC）2.物理机械性质（1）极高的硬度（钢的9~14倍，硬质合金的3~5倍）；（2）较高的抗压强度（钢的3~4倍）；（3）良好的自锐性（碳化钨基体比聚晶层磨损速度快）；（4）抗冲击韧性比天然金刚石好，比硬质合金差。聚晶层经受冲击载荷作用易碎裂。尤其是新复合片刚开始接触岩石，锋锐边刃很容易碎裂。（5）对温度较敏感。350℃左右，磨损速度显著加快；700℃左右，强度失效。四、PDC钻头（二）PDC钻头结构设计◆刮刀式在软地层中，吃入性能好，排屑能力强，