钻头基本知识和选型(技术员培训)

中原西南钻井分公司技术发展中心TechnologyDevelopmentCentre(EOTDC).Southwest.DrillingcompanyofZhongyuanPetroleumEngineeringCo.LtdSinopec钻头基本知识和选型1.三牙轮钻头1.1.三牙轮钻头图片石油钻井钻头的分类1.三牙轮钻头1.2.三牙轮钻头工作原理1.2.1．牙轮钻头在井底的运动（1）公转牙轮随钻头一起旋转。（2）自转牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。（3）滑动牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。（4）纵向振动牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。一、石油钻井钻头的分类1.三牙轮钻头1.2.2三牙轮钻头工作原理三牙轮钻头破岩机理利用了两种破岩方式的联合作用：一是轴向冲击破岩，二是回转刮削剪切破岩。1.2．牙轮钻头的破岩作用（1）冲击、压碎作用纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。（2）滑动剪切作用牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎齿间岩石。（3）射流的冲蚀作用由喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩石。2、单牙轮钻头单牙轮钻头比三牙轮钻头更适用于强度和塑性同时都大的地层，同时又能适用于PDC钻头难于对付的硬夹层和其他复杂地层，且结构简单，轴承空间大，使用安全可靠，钻头尺寸容易小型化，现场使用效果良好。单牙轮钻头可应用于增斜钻进，更适合稳斜钻进，更适用于小井眼钻井。3.刮刀钻头2.1.刮刀钻头图片2.刮刀钻头2.2.刮刀钻头的工作原理刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。•破碎塑性岩石过程：在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T的作用下不断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。2.刮刀钻头2.3.刮刀钻头的应用•刮刀钻头制造工艺简单，成本低；•刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低；•刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；•刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；•刮刀钻头目前很大程度上被PDC钻头取代。一、石油钻井钻头的分类3.金刚石钻头3.1.天然金刚石钻头3.金刚石钻头3.2.天然金刚石钻头的破岩机理天然金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨削金属的过程。(1)在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性；(2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层)，使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动。(3)在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。(4)在坚硬岩石(如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等)中，是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。3.金刚石钻头3.3.热稳定聚晶金刚石钻头（Ballasetbit）3.金刚石钻头3.4.热稳定聚晶金刚石钻头的破岩机理Ballaset钻头以切削和磨削（研磨）方式破碎岩石。(1)在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与聚晶金刚石接触的岩石处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性；(2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层)，使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动。(3)在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石。(4)由于聚晶金刚石属于硬脆性，在工作过程中也易崩损，崩损后的聚晶金刚石工作模式将与天然金刚石工作模式相似。(5)在坚硬岩石(如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等)中，是要靠聚晶金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。3.金刚石钻头3.5.孕镶钻头（Impregnatedbit）用于高研磨性地层3.金刚石钻头3.6.PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompactBit）3.金刚石钻头3.6.PDC钻头破岩机理1946年首次诞生了金刚石取心钻头1952生产出了全面钻进的金刚石钻头1960年开发出烧结式的孕镶式钻头1976年PDC钻头1979年偏心金刚石钻头1981年巴拉斯钻头1986年正式在中国建立合资公司生产金刚石钻头PDC钻头金刚石钻头PDC全面钻头PDC取心钻头PDC双心钻头Ballaset钻头天然金刚石钻头孕镶金刚石钻头全面钻头取心钻头双心钻头双心全面钻头双心取心钻头孕镶全面钻头孕镶取心钻头金刚石钻头产品分类钻头命名---后缀PDC钻头命名方式(以BEST钻头为例）百施特公司钻头命名方式百施特公司钻头命名方式江汉牙轮钻头型号表示方法1三牙轮钻头型号表示方法1.1型号的组成三牙轮钻头型号由钻头直径代号、系列代号、IADC分类号和附加结构特征代号四部分组成。示例：81/2HJ537Y直径代号附加结构特征代号系列代号IADC分类号1.2钻头直径代号钻头直径代号用数字（整数或分数）表示，代表钻头直径英寸数，各种规格的钻头直径应符合SY/T5164的规定。特殊情况下，用户定制的非标尺寸钻头可以直接用公制尺寸表示。示例：直径代号为81/2，表示钻头直径为81/2in、公制尺寸215.9mm。1.3钻头系列代号钻头系列及代号见表1。系列代号由一至三个字母组成。对于H、HA、HJ、FA、FJ、GA、GJ、W等系列，其含义如下：第1个字母表示轴承结构特征。现有3种轴承结构：--H-滑动轴承；--G-滚动轴承；--F-浮动轴承；：W系列-非密封滚动轴承。第2个字母表示密封结构。现有3种密封结构，其中W系列无第2个字母，表示为非密封。--A-橡胶密封；--J-金属密封；第3个字母表示特殊结构。现主要有2种特殊结构：--T-特别保径；--S-副齿。对于MD、HF、SWT、Q等系列钻头，其组合字母含义分别为：--MD-高速马达钻头系列，适用定向井、水平井、高温深井钻井；--HF-硬地层钻头系列，适用深井硬地层，如：火成岩、花岗岩；--SWT-高效钢齿钻头系列，适合高转速，软或中软地层钻进；--Q-气体钻井牙轮钻头系列，适用以气体作为循环介质的欠平衡钻井。1.4钻头分类号钻头分类号采用SY/T5164的分类规定，用一组3位数字组成，首位数表示钻头切削结构类别及地层系列号，第2位数为地层分级号，末位数为钻头结构特征代号。钻头分类号见表2。示例：适用于低抗压强度高可钻性的软第1级地层，密封滑动轴承非保径钢齿钻头的分类号为“116”。1.5钻头附加结构特征钻头附加结构特征是钻头系列、分类不能表示出来的但又影响钻头成本、性能的特征。采用在分类号后用一个大写英文字母表示一种附加结构特征。型号中可用多个字母表示附加结构特征，这时应以字母先后顺序排列附加结构特征。与SY/T5164相同的附加结构特征采用相同的字母代号，公司专有技术代号自定。附加结构特征及其代号见表3。1.6钻头型号示例示例：81/2HJT537GL钻头--81/2：钻头直径为8.5in、公制尺寸Ф215.9mm；--HJT：滑动轴承金属密封、特别保径；--537：低抗压强度、软到中硬地层镶齿钻头；--G：掌背强化；--L：掌背扶正块。2单牙轮钻头型号表示方法单牙轮钻头型号由钻头直径代号、单牙轮钻头代号、设计编号及钻头分类号四部分组成。单牙轮钻头直径代号、钻头分类号、附加结构特征代号与三牙轮钻头代号的意义相同。单牙轮钻头代号以“Y”表示，意指一个牙轮，设计编号表示不同的钻头设计特征，设计编号按字母顺序取用。示例：45/8YC437表示直径为45/8in、C次设计的、适用于低抗压强度高可钻性的极软第3级地层，密封滑动保径的单牙轮钻头。钻头的基本选型通常包括：1、钻头类型2、确定刀翼数3、确定复合片大小4、确定布齿密度5、选择冠型6、保径长度7、保径类型8、防碰节的需求9、后排齿布置的要求五、钻头的基本选型地质资料–岩性分析–地质分层–测井资料井深声波时差（DT）伽玛（GAPI）密度钻井工程数据–井身结构–井眼轨迹–泥浆性能–钻具组合–钻井参数邻井钻头使用资料钻头的基本选型测井代码测井方式单位DT,DTc声波secs/ftRHOB,DEN密度G/ccGR,GRc伽吗APIPe岩性密度B/eCAL井径inRES电阻率Ohm-mS-POR，S-PORc声波孔隙度%D-POR，D-POR密度孔隙度%N-POR中子孔隙度%ND-POR中子-密度孔隙度%UCS-psi单轴抗压强度PsiCCS-psi三轴抗压强度psi常用测井方式、代码和单位抗压强度(psi)地层硬度类别地层研磨级别PDC钻头IADC编码刀翼数量切削齿尺寸(mm)＜4000极软1～2M/S112~M/S223≤5≥194000~8000软3M/S222~M/S333519，168000~12000软～中硬4M/S323~M/S4335～719，1612000～16000硬5M/S333~M/S4436～816，1316000~32000硬6M/S432~M/S444＞613，8＞32000极硬7级以上巴拉斯/孕镶/天然金刚石内摩擦角(度)地层硬度类别地层研磨级别PDC钻头IADC编码刀翼数量切削齿尺寸(mm)＜10极软1～2M/S112~M/S223≤5≥1910~20软3M/S222~M/S333519，1620~30软～中硬4M/S323~M4335～719，1630～38硬5～6M/S333~M4446～816，1338~45硬6M432~M444＞613，8＞45极硬7级以上巴拉斯/孕镶/天然金刚石岩石的密度和空隙度岩石类型密度,g/cm3孔隙度,%页岩2.02.41030砂岩2.02.6525花岗岩2.62.70.51.5玄武岩2.82.90.11.0灰岩2.22.6520石英岩2.650.10.5岩石力学分析在钻头选型中的应用空隙度与机械钻速的关系机械钻速，FT/HR声波孔隙度，%分析方法：孔隙度低于8%，对机械钻速影响不大。孔隙度大于15%时，对机械钻速有较大影响。从PDC钻头的发展过程来看，影响PDC钻头使用的主要因素有两个方面：一是PDC切削齿性能不能满足造成钻头进尺少，速度慢；（内部原因）二是地层的复杂性，导致钻头选型困难。（外部原因）解决PDC钻头的内因问题就是要解决钻头选型、设计、制造工艺和材料质量的问题。影响PDC钻头机械钻速的因素：钻头本身的因素和使用环境因素钻头本身因素（或内因）包括：钻头选型PDC钻头对地层相对比较敏感，根据地层情况选择合适的钻头型号或根据地层情况进行针对性的设计钻头，是非常重要的，也是PDC钻头能否取得较好经济指标的前提和关键。钻头设计参数和制造工艺；切削齿性能及质量；使用环境因素包括：地层岩性和压实强度；使用的钻井参数；包括钻压、转速和排量等。PDC的刚脆性要求钻头旋转要平稳、减少振动，钻具组合时最好加上减振器，减少振动，防止跳钻和溜钻；PDC的热敏性要求选择合适的排量，以达到清洗和冷却切屑齿。通过水力参数计算，一般选择的排量要求钻头喷嘴的射流冲击力要达到40米/秒以上，钻头比水马力要达到1.5马力/in2以上，以满足清洗岩屑和冷却PDC的要求，泥浆环空最低返速达到0.6-1米/秒。泥浆性能。增加机械钻速泥浆参数对机械钻速速的影响式中：–D－钻头直径–n－钻头上切削齿尺寸种类数–Zi，di－分别代表第i种尺寸的齿的数量和直径（不包括保径上的PDC齿）上表中的“当量齿数”是以8-1/2“钻头、13.44mm直径的切屑齿为基准。DdZZniii116IADC代码说明（1）PDC齿烧损；（2）PDC齿碎裂；（3）PDC齿掉片；（4）PDC齿冲蚀；（5）PDC齿崩碎；（6）PDC齿面裂纹；（7）PDC钻头出环；（8）PDC齿脱片；（9）PDC钻头保径磨小；（10）PDC钻头断刀翼。PDC钻头的典型磨损分析可能产生的原因：（1）排量过低；（2）转速过快；（3）钻压过高；（4）过度划眼。IADC描述：HC(HeatCheck)PDC齿烧损可能产生的原因：（1）由于钻头回旋产生冲击载荷；（2）地层变化，