钻井工程理论及技术第二章钻进工具--钻头(3学时)

1、第二章第二章 钻进工具钻进工具第一节第一节 钻头钻头第二节第二节 钻柱钻柱第一节第一节 钻钻 头头一、概一、概 述述二、牙轮钻头二、牙轮钻头三、金刚石钻头三、金刚石钻头四、四、PDC钻头钻头一、概一、概 述述1. 钻头分类钻头分类按结构及工作原理分按结构及工作原理分 刮刀钻头刮刀钻头 牙轮钻头牙轮钻头 PDC钻头钻头 金刚石钻头金刚石钻头按功用分按功用分 全面钻进钻头全面钻进钻头 取心钻头取心钻头 扩眼钻头扩眼钻头一、概一、概 述述2. 钻头尺寸系列钻头尺寸系列 3-3/4 36 in3. 钻头性能指标钻头性能指标 钻头进尺（米）钻头进尺（米） 钻头工作寿命（小时）钻头工作寿命（小时） 机械钻

2、速（米机械钻速（米/小时）小时） 单位进尺成本（元单位进尺成本（元/米）：米）：HttCCCtrbpm)( 第一节第一节 钻钻 头头一、概 述二、牙轮钻头二、牙轮钻头三、金刚石钻头三、金刚石钻头四、四、PDC钻头钻头 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit） 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构 （1） 牙轮及牙齿牙轮及牙齿 （2） 牙轮轴牙轮轴 （3） 轴承轴承 （4） 巴掌巴掌 （5） 钻头体钻头体 （6） 喷嘴喷嘴 （7） 储油润滑密封系统储油润滑密封系统a单锥；单锥； b、c复锥；复锥； 1主锥；主锥； 2副锥；副锥； 3背锥

3、背锥abc 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构1牙轮及牙齿牙轮及牙齿牙牙 轮：轮：20CrMo合金钢锥体，锥面铣齿或合金钢锥体，锥面铣齿或 镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。单单 锥：锥：主锥主锥+背锥，硬地层背锥，硬地层复复 锥：锥：主锥主锥+副锥副锥+背锥，软到中硬背锥，软到中硬 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）1牙轮及牙齿（牙轮及牙齿（Cone & tooth）（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构铣齿铣齿在牙轮锥面上直接铣出，楔形。在牙轮锥面上直接铣出，楔形。镶齿镶齿镶装在牙轮锥面

4、上的硬质合金齿，有多种齿形。镶装在牙轮锥面上的硬质合金齿，有多种齿形。 结构组成结构组成：牙轮内腔、牙爪轴颈、牙轮内腔、牙爪轴颈、轴承跑道、轴承跑道、锁紧元件锁紧元件 每个牙轮有大、中、小和止推每个牙轮有大、中、小和止推四付四付轴承。轴承。 大、小轴承承受径向载荷；大、小轴承承受径向载荷； 中轴承用来锁紧和定位；中轴承用来锁紧和定位； 止推轴承承受轴向载荷。止推轴承承受轴向载荷。 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构2. 轴轴 承（承（Bearing of Bit） 轴承分类：轴承分类： 按轴承副结构分：按轴承副结构分： 滚动轴承、滑动轴承滚动

5、轴承、滑动轴承 根据轴承密封与否分：密封、非密封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：滚柱滚动轴承有两种结构：滚柱滚珠滚珠滚柱滚柱止推止推 滚柱滚柱滚珠滚珠滑动滑动止推止推 滑动轴承有两种结构：滑动滑动轴承有两种结构：滑动滚珠滚珠滑动滑动止推止推 滑动滑动卡簧卡簧滑动滑动止推止推 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构2. 轴轴 承（承（Bearing of Bit） 3储油密封压力补偿系统储油密封压力补偿系统 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构 二、牙轮钻头（二、牙轮钻

6、头（Roller Bit） 4喷嘴喷嘴 牙轮钻头一般安装牙轮钻头一般安装 34 个喷嘴，直径个喷嘴，直径714mm。用卡簧固定在水眼内，并用。用卡簧固定在水眼内，并用O形形圈密封。圈密封。 （一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构 标准型：距井底标准型：距井底110140mm 中长喷嘴：比常规喷嘴长约中长喷嘴：比常规喷嘴长约38mm 长喷嘴：距井底约长喷嘴：距井底约25mm 中心喷嘴中心喷嘴 反喷嘴反喷嘴 空化喷嘴空化喷嘴 脉冲喷嘴脉冲喷嘴 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）5牙轮的布置方案牙轮的布置方案（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构 方案方案1：非自洗无滑动布置：非自洗无滑

7、动布置 特点：齿圈不嵌合特点：齿圈不嵌合 不超顶不超顶 不移轴不移轴 适用地层：硬适用地层：硬 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）5牙轮的布置方案牙轮的布置方案（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构方案方案2：自洗不移轴布置：自洗不移轴布置 特点：齿圈相互嵌合特点：齿圈相互嵌合 超顶超顶 不移轴不移轴 适用地层：中适用地层：中 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）5牙轮的布置方案牙轮的布置方案（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构方案方案3：自洗移轴布置：自洗移轴布置 特点：特点： 齿圈相互嵌合齿圈相互嵌合 超顶超顶 移轴移轴 适用地层：软适用地层：软 二、牙轮钻头（

8、二、牙轮钻头（Roller Bit）（二）牙轮钻头工作原理（二）牙轮钻头工作原理1. 牙轮钻头在井底的运动牙轮钻头在井底的运动（1）钻头公转（顺时针，转速）钻头公转（顺时针，转速Nbrpm）:)/(60smNDVbbxbx（2）牙轮自转（逆时针，转速）牙轮自转（逆时针，转速ncrpm）:)/(60smnDVccxcx（3）滑动）滑动轴向滑动、切向滑动轴向滑动、切向滑动（4）纵向振动）纵向振动振动频率：振动频率：振动周期振动周期：z60DDnznmcbbcmT1c超顶距公转时自转时平衡时合速度副锥产生超顶效果副锥产生超顶效果c 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（二）牙轮钻头工作

9、原理（二）牙轮钻头工作原理1. 牙轮钻头在井底的运动牙轮钻头在井底的运动OaaOaO 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（二）牙轮钻头工作原理（二）牙轮钻头工作原理1. 牙轮钻头在井底的运动牙轮钻头在井底的运动 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（二）牙轮钻头工作原理（二）牙轮钻头工作原理1. 牙轮钻头在井底的运动牙轮钻头在井底的运动 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit） 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（二）牙轮钻头工作原理（二）牙轮钻头工作原理2. 牙轮钻头的破岩机理牙轮钻头的破岩机理（1）冲击、压碎作用）冲击、压碎作用 牙轮

10、钻头工作时，牙轮滚动，单齿与双牙轮钻头工作时，牙轮滚动，单齿与双齿交替接触井底，使钻头产生纵向振动。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。压碎作用，形成体积破碎坑穴。 （2）滑动剪切作用）滑动剪切作用 牙轮钻头的超顶、复锥和移轴结构，使牙轮钻头的超顶、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。的滑动，剪切齿间岩石。 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller

11、Bit）（三）牙轮钻头磨损与分级（三）牙轮钻头磨损与分级 1. 牙齿磨损牙齿磨损 铣齿：根据齿的磨损高度与原齿高之比划分磨损等级。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。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。牙齿磨损代号牙齿磨损代号铣铣 齿齿镶镶 齿齿T1T2T3T4T5T6T7T8齿高磨掉齿高磨掉1/8齿高磨掉齿高磨掉2/8齿高磨掉齿高磨掉3/8齿高磨掉齿高磨掉4/8齿高磨掉齿高磨掉5/8齿高磨掉齿高磨掉6/8齿高磨掉齿高磨掉7/8齿高全磨光齿高全磨光1/8的齿甭碎或掉落的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落的齿甭碎

12、或掉落1/8的齿甭碎或掉落的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落的齿甭碎或掉落1/8的齿甭碎或掉落的齿甭碎或掉落所有齿全甭碎或掉落所有齿全甭碎或掉落 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit） 2. 轴承磨损轴承磨损 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。轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到。轴承磨损代号轴承磨损代号磨损情况磨损情况B1B2B3B4B5B6B7B8轴承寿命已用掉轴承寿命已用掉1/8轴承寿命已用掉轴承

13、寿命已用掉2/8（轻度磨损）（轻度磨损）轴承寿命已用掉轴承寿命已用掉3/8轴承寿命已用掉轴承寿命已用掉4/8（中等磨损）（中等磨损）轴承寿命已用掉轴承寿命已用掉5/8轴承寿命已用掉轴承寿命已用掉6/8（轴承晃动）（轴承晃动）轴承寿命已用掉轴承寿命已用掉7/8轴承寿命已用完（轴承卡死或担子掉落）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（三）牙轮钻头磨损与分级 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit） 3. 直径磨损直径磨损 原直径：原直径：I 直径磨小：直径磨小：O+直径磨小值（直径磨小值（in）例如：例如：T2B4I T6B6O 1/2（三）牙轮钻头磨损与分级（三

14、）牙轮钻头磨损与分级4. 4. 我国石油行业标准我国石油行业标准（1）牙齿磨损）牙齿磨损 四级：四级：Y1、Y2、Y3、Y4 铣齿：磨掉高度与新齿高度之比铣齿：磨掉高度与新齿高度之比 镶齿：断、掉齿数与总齿数之比镶齿：断、掉齿数与总齿数之比（2）轴承磨损）轴承磨损 级别级别 密封轴承密封轴承 普通轴承普通轴承 Z1 密封完好，用手不易转动密封完好，用手不易转动 转动灵活，轴承不旷转动灵活，轴承不旷 Z2 密封尚好，用手容易转动密封尚好，用手容易转动 转动灵活但旷，径转动灵活但旷，径12mm，轴，轴3mm，轴向，轴向2mm Z4 牙轮掉或快要掉落牙轮掉或快要掉落 牙轮卡死，轴承完全不能用牙轮卡死

15、，轴承完全不能用 （3）直径磨损）直径磨损 代号代号“J”，在右下角用数，在右下角用数 字表示直径磨损的毫米数。字表示直径磨损的毫米数。 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（三）牙轮钻头磨损与分级（三）牙轮钻头磨损与分级系列代号：用数字系列代号：用数字18表示钻头牙齿特征及适钻地层；表示钻头牙齿特征及适钻地层；地层等级代号：用数字地层等级代号：用数字14表示所钻地层再分为表示所钻地层再分为4个等级；个等级；钻头结构特征代号：用数字钻头结构特征代号：用数字19表示钻头结构特征，其表示钻头结构特征，其中中17表示钻头轴承及保径特征；表示钻头轴承及保径特征；附加结构特征代号：用英文字

16、母表示钻头附加特征。附加结构特征代号：用英文字母表示钻头附加特征。例如：例如：341S表示适用于中等研磨性或研磨性硬地层、表示适用于中等研磨性或研磨性硬地层、4级、非级、非 密封滚动轴承、标准铣齿钻头。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、表示适用于低抗压强度的软到中硬、3级地层、滑级地层、滑 动密封轴承保径、带中心喷嘴钻头。动密封轴承保径、带中心喷嘴钻头。 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（四）牙轮钻头类型及选择（四）牙轮钻头类型及选择IADC编码编码 二、牙轮钻头（二、牙轮钻头（Roller Bit）（五）牙轮钻头合理使用（五）牙轮钻头合理

17、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。所钻地层性质合理选择钻头类型。2. 钻压在钻压在1.362.7吨吨/英寸范围内，钻速与所加钻压成正比。一般常用最英寸范围内，钻速与所加钻压成正比。一般常用最 佳范围：佳范围：1.822.27吨吨/英寸。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：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： 55rpm110rpm。4. 在排量满足携带岩屑要求的前提下，尽可能提高泵压，以充分利用在排量满足携带岩屑要求

18、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。高压水射流的破岩作用，提高钻速。第一节第一节 钻钻 头头一、概 述二、牙轮钻头三、金刚石钻头三、金刚石钻头四、四、PDC钻头钻头 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）孕镶式孕镶式表镶式表镶式 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）（一）金刚石的物理机械性质（一）金刚石的物理机械性质 正四面体晶体结构p优点优点：极高的硬度：极高的硬度（莫氏硬度（莫氏硬度10） 极高抗压强度极高抗压强度（8800MPa） 极高的耐磨性极高的耐磨性(钢的钢的9000倍）倍）u缺缺 点：点： 脆性大，受冲击载荷

19、易碎裂；脆性大，受冲击载荷易碎裂； 具有热敏性，在空气中约在具有热敏性，在空气中约在455860出现出现石墨化。但在碳化钨或石墨中烧结时氧化速度石墨化。但在碳化钨或石墨中烧结时氧化速度可降低可降低5090% 典型晶形 金刚石金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体，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。四个碳原子形成四个共价键，结合力极强。 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）（二）金刚石钻头结构（二

20、）金刚石钻头结构金刚石金刚石水眼水眼 水槽水槽冠部冠部保径保径钢体钢体排排屑屑槽槽胎体胎体钢体钢体接头接头金刚石金刚石胎体胎体 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）（二）金刚石钻头结构（二）金刚石钻头结构1. 钻头钻头冠部形状冠部形状 a双锥阶梯形；双锥阶梯形； b双锥形；双锥形； c“B”形；形； d脊圈式脊圈式“B”形形 软到中硬地层软到中硬地层 内锥角内锥角5060 外锥角外锥角50100 中到中硬地层中到中硬地层 内锥角内锥角6070 外锥角外锥角4060 硬地层硬地层 内锥角内锥角90 硬硬坚硬地层坚硬地层 内锥角内锥角90 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Dia

21、mond Bit）（二）金刚石钻头结构（二）金刚石钻头结构2. 水力结构水力结构常用水槽结构：常用水槽结构： 逼压式逼压式 辐射型辐射型 辐射逼压式辐射逼压式 螺旋形螺旋形 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）（二）金刚石钻头结构（二）金刚石钻头结构3. 金刚石及布置金刚石及布置（1）天然金刚石）天然金刚石 卡邦（卡邦（Carbon） 黑色金刚石，巴西及非洲，性能最好，最贵黑色金刚石，巴西及非洲，性能最好，最贵 巴拉斯（巴拉斯（Ballas） 多晶金刚石，非洲产，性能及价格次于卡邦多晶金刚石，非洲产，性能及价格次于卡邦 包尔兹（包尔兹（Boartz） 硬度很高，但解理性强，

22、有内裂纹和应力硬度很高，但解理性强，有内裂纹和应力 刚果金刚石刚果金刚石 硬度次于包尔兹，但产量高（硬度次于包尔兹，但产量高（60%），价格便宜），价格便宜目前使用最广泛的产品：热稳定聚晶，耐温目前使用最广泛的产品：热稳定聚晶，耐温1200，有圆片、圆柱、立，有圆片、圆柱、立 方体、三角聚晶等多种形状。方体、三角聚晶等多种形状。石墨石墨500010000MPa10002000金刚石单晶金刚石单晶金刚石聚晶金刚石聚晶高温高压下高温高压下金属触媒金属触媒（2）人造金刚石聚晶）人造金刚石聚晶 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）（二）金刚石钻头结构及设计（二）金刚石钻头结构及设计

23、3. 金刚石及布置金刚石及布置（3）金刚石粒度）金刚石粒度 软地层：软地层：2粒粒/克拉，粒径约克拉，粒径约4mm左右左右 中硬地层：中硬地层：34粒粒/克拉，粒径约克拉，粒径约3.6mm左右左右 中硬到硬地层：中硬到硬地层： 58粒粒/克拉，粒径约克拉，粒径约2.52.9mm 硬到坚硬地层：硬到坚硬地层：1015粒粒/克拉，粒径约克拉，粒径约2.0mm左右左右 孕镶钻头，孕镶钻头，60400粒粒/克拉，粒径克拉，粒径1.20.6mm，硬至坚硬地层。，硬至坚硬地层。（4）出露高度）出露高度软地层：软地层：1/3金刚石粒径金刚石粒径中硬地层：中硬地层：1/31/5金刚石粒径金刚石粒径硬地层：硬地

24、层：1/51/6金刚石粒径金刚石粒径坚硬地层：坚硬地层：1/61/10金刚石粒径金刚石粒径软地层软地层 硬地层硬地层坚硬地层坚硬地层 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）（二）金刚石钻头结构及设计（二）金刚石钻头结构及设计3. 金刚石及布置金刚石及布置（5）金刚石布置）金刚石布置 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）（二）金刚石钻头结构及设计（二）金刚石钻头结构及设计4. 保径设计保径设计常用保径方式：拉槽式、平镶式、组合式常用保径方式：拉槽式、平镶式、组合式保径齿材料：天然金刚石保径齿材料：天然金刚石保径部分长度：保径部分长度：60100mm（三）金刚

25、石钻头的破岩机理（三）金刚石钻头的破岩机理 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit） 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，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。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性体积破碎，岩屑尺寸约为金刚石出露部分的24倍，破岩效率很高。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，一般用孕镶钻在坚硬岩石中，如燧石、硅质

26、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。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；）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；）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；）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。）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（四）金刚石钻头的正确

27、使用 三、金刚石钻头（三、金刚石钻头（Diamond Bit）第一节第一节 钻钻 头头一、概 述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、四、PDC钻头钻头胎体胎体PDC钻头钻头钢体钢体PDC钻头钻头 四四、PDC钻头钻头Polycrystalline Diamond Compact Bit 四四、PDC钻头钻头（一）聚晶金刚石复合片（一）聚晶金刚石复合片（PDC）1. 结构及尺寸结构及尺寸直径（直径（mm)适用地层适用地层24极软极软19软软16中中13中硬中硬8硬硬 四四、PDC钻头钻头（一）聚晶金刚石复合片（一）聚晶金刚石复合片（PDC）2. 物理机械性质物理机械性质（1）极高的硬度（钢的）极高的硬

28、度（钢的914倍，硬质合金的倍，硬质合金的35倍）；倍）；（2）较高的抗压强度（钢的）较高的抗压强度（钢的34倍）；倍）；（3）良好的自锐性（碳化钨基体比聚晶层）良好的自锐性（碳化钨基体比聚晶层磨损速度磨损速度快）；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）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载荷作用易碎裂。尤其是新复合片刚开始接 触岩石，锋锐触岩石，锋锐 边刃边刃 很容易碎裂。很容易碎裂。（5）对温度较敏感。对温度较敏感。350左右，磨损速度显著加快；左右，磨损速度显著加快； 700 左右，左右， 强度失效。

29、强度失效。 四四、PDC钻头钻头（二）（二）PDC钻头结构设计钻头结构设计 刮刀式刮刀式 在软地层中，吃入性能好，排屑在软地层中，吃入性能好，排屑能力强，清洗冷却效果好，不易泥能力强，清洗冷却效果好，不易泥包。包。 单齿式（散布式）单齿式（散布式） 布齿区域大，布齿密度高，但布齿区域大，布齿密度高，但排屑能力较差，容易泥包。适合排屑能力较差，容易泥包。适合于较硬地层。于较硬地层。 组合式（混合式）组合式（混合式） 清洗、冷却和排屑能力较好，清洗、冷却和排屑能力较好，布齿密度较高，吃入性能较好。布齿密度较高，吃入性能较好。适合于中到中硬地层。适合于中到中硬地层。 四四、PDC钻头钻头（二）（二）

30、PDC钻头结构设计钻头结构设计（1） 内锥（内锥（Cone） 内锥的主要作用是抵抗钻头横向力，防内锥的主要作用是抵抗钻头横向力，防止钻头横移，维持钻头稳定旋转。止钻头横移，维持钻头稳定旋转。一般地，软地层，内锥深一些；一般地，软地层，内锥深一些； 硬地层，内锥浅一些。硬地层，内锥浅一些。（2） 冠顶（冠顶（Nose） 冠顶是钻头最先吃入地层的部位，而且冠顶是钻头最先吃入地层的部位，而且总是最先接触地层的变化。总是最先接触地层的变化。 一般地，软地层，冠顶半径小一些，以一般地，软地层，冠顶半径小一些，以提高钻头吃入地层的能力；而硬地层或软提高钻头吃入地层的能力；而硬地层或软硬交错地层，冠顶半径大

31、一些，以使切削硬交错地层，冠顶半径大一些，以使切削齿受力较均匀，避免单齿受力过大而先期齿受力较均匀，避免单齿受力过大而先期损坏。损坏。1. 钻头剖面形状钻头剖面形状 四四、PDC钻头钻头（二）（二）PDC钻头结构设计钻头结构设计1. 钻头剖面形状钻头剖面形状（3） 外锥或侧翼（外锥或侧翼（Taper or Flank） 分直线和曲线两种。较硬地层，需分直线和曲线两种。较硬地层，需要较多切削齿，外锥应长一些；较软地要较多切削齿，外锥应长一些；较软地层，外锥可短一些。层，外锥可短一些。 （4） 肩部（肩部（Shoulder） 肩部是从侧翼向保径过渡的部位。它肩部是从侧翼向保径过渡的部位。它是钻头冠

32、部旋转半径最大的部位，磨损是钻头冠部旋转半径最大的部位，磨损也就最严重，受冲击载荷最大。也就最严重，受冲击载荷最大。 （5）保径（）保径（Gauge）：）： 60100mm，金刚石、，金刚石、PDC图图3-1 PDC钻头冠部剖面形状钻头冠部剖面形状IADC分类分类中中 锥锥 型型平平 底底 型型长长 锥锥 型型浅浅 锥锥 型型内锥内锥冠顶冠顶外锥外锥肩部肩部保径保径内锥内锥冠冠顶顶外锥外锥肩部肩部保径保径内锥内锥冠顶冠顶外锥外锥肩部肩部保径保径内锥内锥冠顶冠顶肩部肩部保径保径PDC钻头剖面形状的钻头剖面形状的IADC分类分类 四四、PDC钻头钻头（二）（二）PDC钻头结构设计钻头结构设计（1）

33、布齿设计原则）布齿设计原则p 井底覆盖良好；井底覆盖良好；p 内疏外密，各切削齿磨损均匀；内疏外密，各切削齿磨损均匀；p 布齿密度随地层硬度增大而增大；布齿密度随地层硬度增大而增大；p 同一刀翼上各切削齿的安装互不干涉；同一刀翼上各切削齿的安装互不干涉；p 切削齿的布置和刀翼分布和有利于提高钻头的稳定性；切削齿的布置和刀翼分布和有利于提高钻头的稳定性；p 切削齿和刀翼的布置有利于提高水力清洗和冷却效果。切削齿和刀翼的布置有利于提高水力清洗和冷却效果。2. 布齿设计布齿设计 四四、PDC钻头钻头（二）（二）PDC钻头结构设计钻头结构设计2. 布齿设计布齿设计 四四、PDC钻头钻头（二）（二）PD

34、C钻头结构设计钻头结构设计（2）布齿设计方法）布齿设计方法 等磨损布齿等磨损布齿 同轨布齿同轨布齿 变密度布齿变密度布齿轨道布齿的井底剖面轨道布齿的井底剖面 四四、PDC钻头钻头（二）（二）PDC钻头结构设计钻头结构设计3. 切削齿工作角设计切削齿工作角设计后倾角：后倾角：1025侧转角：侧转角：015 后倾角较小，钻头吃入性能较好；后倾角较小，钻头吃入性能较好； 后倾角较大，钻头承受冲击载荷的能力较强；后倾角较大，钻头承受冲击载荷的能力较强； 目前多采用变后倾角设计；目前多采用变后倾角设计； 对刀翼式钻头，侧转角没有太大意义。对刀翼式钻头，侧转角没有太大意义。 四四、PDC钻头钻头（二）（二

35、）PDC钻头结构设计钻头结构设计4. 水力设计水力设计（1）水力结构设计）水力结构设计 喷嘴数量、位置、倾斜角度及喷嘴数量、位置、倾斜角度及方位、流道形状等。方位、流道形状等。（2）水力参数优化设计）水力参数优化设计 喷嘴直径、钻井泵工作参数、喷嘴直径、钻井泵工作参数、钻头水力参数。钻头水力参数。 目前仍处于经验设计阶段。目前仍处于经验设计阶段。喷嘴喷嘴开放式水槽结构开放式水槽结构 四四、PDC钻头钻头（三）（三）PDC钻头破岩机理钻头破岩机理 切削（剪切）破碎岩石。切削（剪切）破碎岩石。 软的塑性地层破碎过程：软的塑性地层破碎过程： 连续切削，类似车刀切削金属的过程连续切削，类似车刀切削金属的过程。 硬的脆性地层破碎过程：硬的脆性地层破碎过程： 碰撞碰撞 压碎及小剪切压碎及小剪切大剪切。大剪切。 四四、PDC钻头钻头（四）（四）PDC钻头分类钻头分类第一位字码第一位字码第二位字码第二位字码第三位字码第三位字码第四位字码第四位字码钻头体材料钻头体材料切削齿密度切削齿密度切削齿尺寸切削齿尺寸剖面形状剖面形状S钢体钢体M胎体胎体150 1 24 mm 219 mm 313.3 mm 48 mm1平底平底2短锥短锥3中锥中锥4长锥长锥 CUTTER STRUCTUREBGREMARKSINNER