第04章 钻头与钻井参数设计

第四章钻头与钻井参数设计第四章钻头与钻井参数设计........................................................................................................2第一节牙轮钻头的分类..............................................................................................................2一．牙轮钻头结构特点简介..................................................................................................2二．牙轮钻头的发展趋势......................................................................................................9三．牙轮钻头的分类............................................................................................................10四．常用牙轮钻头的IADC分类........................................................................................14第二节牙轮钻头的合理使用....................................................................................................22一．牙轮钻头的选型............................................................................................................22二．钻井参数的选择............................................................................................................23三．现场使用牙轮钻头的操作要点及注意事项................................................................28四．确定合理的起钻时间....................................................................................................30五．钻头使用经济评价........................................................................................................31第三节金刚石钻头....................................................................................................................32一．天然金刚石钻头....................................................................................................32二．聚晶金刚石复合片（PDC）钻头................................................................................35三．热稳定性聚晶金刚石（TSP）钻头.............................................................................43四．全刚石钻头的分类方法................................................................................................43五．常用全刚石钻头的选型表............................................................................................47第四节钻头磨损分析................................................................................................................53一．IADC钻头磨损定级方法.............................................................................................53二．钻头磨损特征分析........................................................................................................57第五节水力参数设计................................................................................................................61一．钻井水力参数设计步骤与方洁....................................................................................61第六节钻井液流变参数设计....................................................................................................70一．钻井液流变模式的选择................................................................................................70二．钻井液流态的判别........................................................................................................71三．钻井液的携岩能力........................................................................................................73四．老屑浓度与有效钻井液密度................................................................................75五．选择钻井液流变参数的几个约束条件........................................................................76附件一标准的喷嘴尺寸及面积................................................................................................77附件二．中国海上常用钻井泵的泵压和排量............................................................................79参考文献..................................................................................................................................80第四章钻头与钻井参数设计钻头和钻井参数是影响钻井速度、钻井时效和钻井成本的重要的可变因素。本章主要介绍的是牙轮钻头和金刚石钻头的分类、选型及磨损定级的方法，并结合现场实践，对钻井水力参数、机械参数和钻井液流变参数进行优选设计。第一节牙轮钻头的分类一．牙轮钻头结构特点简介牙轮钻头有单牙轮、双牙轮和三牙轮钻头之分，而三牙轮钻头是石油钻井中用得最为广泛的一种。牙轮钻头一般由牙掌、牙轮、切削齿、轴承、锁紧元件、储油密封系统、喷嘴装置等部件组成。下面以三牙轮钻头为例，对其结构特点（见图4－1）作一简要介绍。1．钢齿牙轮钻头与镶齿牙轮钻头（1）钢齿牙轮钻头钢齿钻头又称为铣齿钻头，其牙齿是在牙轮毛坯上直接铣削加工而成的，牙齿形状为楔形齿。钢齿钻头大多用于软的上部地层，研磨性较低的地层一般也选用钢齿钻头。为了提高牙齿的耐磨性或使牙齿有自锐作用，在牙齿的表面及保径面上均敷焊有一层碳化钨粉。钢齿钻头可分为软、中、硬地层钻头三种，其详细的分类方法及适用地层见后面的IADC分类。（2）镶齿牙轮钻头镶齿钻头，又称碳化钨硬质合金齿钻头，它是将端部形状不同的、圆柱形的烧结碳化钨硬质合金齿压入锻制的牙轮壳体上已精加工好的孔内而构成镶齿牙轮钻头。镶齿钻头的切削结构具有很高的抗磨损和承载能力，其使用寿命较长，尤其是破碎硬的、研磨性高的地层，如隧石、石英岩等，效果更好。这种钻头适用地层范围广，已在石油钻井得到了广泛的应用。目前国内外常用的镶齿钻头的硬质合金齿齿形有十多种，如球形、尖卵形、圆锥形、楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、边楔形、平顶形等等，如图4－2所示。针对不同的地层、不同的岩性，要选择不同齿形的钻头。楔形齿，齿呈楔子状，对地层具有切削、挖掘作用。其齿顶角有60°、65°、70°、75°、90°等，适用于软至中硬地层。齿顶角越大，适用的地层越硬。球形齿的端部是个半圆形球面，耐磨性最好。它以凿击和压碎作用破碎地层。这种齿钻硬至极硬地层的破岩效率较高。尖卵形、圆锥形齿，既有凿击和压碎作用，也有刮削和挖掘作用，其抗磨能力及强度都比楔形齿高，适用地层较广，在中硬地层使用效果最好。勺形齿齿形如勺子，切削地层时，靠向内凹的勺形面挖掘、刮削作用破岩。这种齿形改善了牙齿的受力状况，既提高了破岩效率，又增加了齿的强度，能在极软至中软地层中高效率地破岩。在勺形齿的基础上，又发展了偏顶勺形齿及圆锥形勺形齿。偏顶勺形齿的齿顶超前了其轴线一个距离，其凹面正对被切削的地层，改善了牙齿的受力分布，进一步提高了牙齿的破岩效率和工作寿命。表4－l列举了几种常用齿形及其适用的地层。表4－1适用不同地层的齿形齿形破岩机理地层球形尖卵形圆锥形楔形勺形凿击、压碎凿击、压碎凿击、压碎、挖掘、刮削挖掘、刮削挖掘、刮削硬、极硬硬中硬、硬软至中硬极软至中软2．轴承结构（1）滚动轴承滚动轴承（如图4－3所示）的结构形式有滚柱──滚珠──滚柱──止推和滚柱──滚珠──小轴滑动──止推两种。前一种一般是用于311.1mm以上的大尺寸钻头上。滚动轴承按密封方式可分为非密封滚动轴承与密封式滚动轴承。非密封滚动轴承的特点是能适应较高的转速，但轴承磨损快，工作寿命低，主要用于上部井眼钻头。而密封式滚动轴承是在牙轮底平面处安装了密封元件（密封元件有“O”形图密封、碟形橡胶圈密封和金属密封），从而使轴承的工作寿命大为提高。密封滚动轴承的转速范围一般为100～250r／min。无论哪种滚动轴承，牙