第二章钻进工具--钻头

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 一、概述一、概述1. 钻头类型钻头类型v按结构及工作原理分类 刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头v按功用分类 全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头2. 钻头尺寸系列钻头尺寸系列 3-3/4 36 in3. 工作指标工作指标钻头进尺（米）钻头工作寿命（小时）机械钻速（米/小时）单位进尺成本（元/米）： 第一节第一节 钻钻 头（头（Drill Bit)HttCCCtrbpm)( 第一节第一节 钻钻 头头刮刀钻头刮刀钻头二、刮刀钻头（二、刮刀钻头（Drag Bit） （一）刮刀钻头的结构（一）刮刀钻头的结构上钻头体、下钻

2、头体（分水帽）、刀翼、水眼。图2-1 刮刀钻头结构刀翼三刀翼的称作三刮刀三刮刀钻头钻头两刀翼的称作两刮刀两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头钻头或鱼尾刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀四刮刀钻头钻头 v刀翼结构：刀翼结构：（1） 刀翼结构角刀翼结构角v 刃尖角刃尖角刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它反映了刀翼的尖锐程度。 越小，刃部越尖锐，越容易吃入地层，但强度越低。一般地，软地层 = 8 10 较硬地层 = 1215v 切削角切削角 刀翼前刃和水平面之间的夹角。在相同钻压下， 越大，刀刃越容易吃入地层，但旋转扭矩大，剪切刃 前岩石困难。 一般地，松软地层 70； 软地层 7080； 中硬地层 8085。 刃后角刃后

3、角：刃后角必须大于井底角。 刃前角刃前角：90。 第一节第一节 钻钻 头头刮刀钻头刮刀钻头 (4)提高刀翼的耐磨性提高刀翼的耐磨性v刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。v一般在刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块，在外侧面镶装YG8硬质合金块。v刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块。（2）刀翼背部形状）刀翼背部形状 刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而增厚，呈抛物线形，以确保刀翼强度足以承受弯矩。（3）刀翼底部形状：）刀翼底部形状： 平底、正阶梯正阶梯、反阶梯、反锥 第一节第一节 钻钻 头头刮刀钻头刮刀钻头 （二）刮刀钻头的工作原理（二）刮刀钻头的工作原理

4、刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。v破碎塑性岩石过程：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。 第一节第一节 钻钻 头头刮刀钻头刮刀钻头v破碎脆性岩石过程：破碎脆性岩石过程：刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为：碰撞 压碎及小剪切大剪切。（1）碰撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进， 碰撞刃前岩石。（2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。 （3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值，刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。 第一节第一节 钻钻 头头刮刀钻头刮刀钻头（三）刮

5、刀钻头的应用（三）刮刀钻头的应用v刮刀钻头制造工艺简单，成本低；v刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低；v刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；v刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；v刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。 第一节第一节 钻钻 头头刮刀钻头刮刀钻头 三、牙轮钻头（三、牙轮钻头（Roller Bit）（一）牙轮钻头结构（一）牙轮钻头结构 牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头1牙轮及牙齿牙轮及牙齿（1）牙轮）牙轮v20CrMo合金钢锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴

6、承跑道。v单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层v复锥牙轮：主锥+副锥+背锥，软到中硬a单锥； b、c复锥； 1主锥； 2副锥； 3背锥abc 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头 （2）牙齿）牙齿铣齿在牙轮锥面上直接铣出，楔形硬质合金镶齿镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层。 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头 2轴承轴承v牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。v滚动轴承结构：滚柱滚珠滚柱止推 滚柱滚珠滑动一止推v滑动轴承结构：滑动滚珠滑动止推 滑动滑动（

7、卡簧）滑动止推密封圈密封圈滚柱止推台阶滑动摩擦衬套滑动摩擦副 为什么滑动轴为什么滑动轴承比滚动轴承寿承比滚动轴承寿命长？命长？ 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头 3储油润滑密封系统储油润滑密封系统v储油润滑补偿系统v密封系统：橡胶密封圈、金属 密封圈v工作原理： 储油压力补偿系统（传压孔、压力补偿膜、油杯等）保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。其中，有效密封是关键。 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头4喷嘴喷嘴喷嘴钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产

8、生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。三牙轮钻头一般安装 3 个喷嘴，直径713mm。用卡簧固定在水眼内，并用O形圈密封。5牙轮及牙齿的布置方式牙轮及牙齿的布置方式v布齿原则布齿原则：（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的破碎坑内； （3）牙齿磨损均匀。v牙轮布置方案牙轮布置方案： （1）非自洗无滑动布置：各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于 硬地层； （2）自洗不移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中 硬地层； （3）自洗移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层；

9、第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头牙轮及牙齿的布置 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头（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v公转公转：牙轮随钻头一起旋转。v自转自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。v滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）滑动和切向（周向） 滑动。 引起滑动的原因： 超顶和副锥引起切向（周向）滑动 移轴引起径向（轴向）滑动v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。 引起纵向振动的原因： 单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； 井底凹凸不平 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮

10、钻头超顶引起切向滑动超顶引起切向滑动副锥产生超顶效果副锥产生超顶效果移轴引起径向滑动移轴引起径向滑动单、双齿交替接触单、双齿交替接触井底引起纵向振动井底引起纵向振动OaOaaO2牙轮钻头的破岩作用牙轮钻头的破岩作用 （1）冲击、压碎作用）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）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）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。 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头（三）牙轮钻头类型（

11、三）牙轮钻头类型1. 国产牙轮钻头分类方法国产牙轮钻头分类方法（1）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8个系列（2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 1 ，2 ， 3 ，4， 5 ，6， 7 （3）型号表示方法： 类型代号：数字17，表明所适应的地层 系列代号：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH ，表明结构特征 钻头直径：用英寸或毫米表示直径大小v例：用于中硬地层、直径为8in(215.9mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：8HP5或215.9HP5。 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头 2. IADC分类法分类法

12、系列代号系列代号用数字用数字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；地层等级代号地层等级代号用数字用数字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；钻头结构特征代号钻头结构特征代号用数字用数字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；附加结构特征代号附加结构特征代号用英文字母表示钻头附加特征。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4级硬地层非密封滚动轴承的标准铣齿钻头。 537C表示适用于底抗压强度的软到中硬的3级地层滑动密封轴承保径带中心喷嘴钻头。 （四）牙轮钻头的正确使

13、用（四）牙轮钻头的正确使用1. 根据地层性质合理选择钻头类型，标准是每米钻进成本最低。2. 优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。 第一节第一节 钻钻 头头牙轮钻头牙轮钻头四、金刚石钻头四、金刚石钻头 （Diamond Bit)（一）金刚石钻头的结构（一）金刚石钻头的结构 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。 第一节第一节 钻钻 头头金刚石钻头金刚石钻头1. 钢体钢体钢体是金刚石钻头的骨架。上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形和胎体烧结在一起。2. 胎体胎体胎体是镶嵌金刚石的基体，为硬质合金材料，用粉末冶金技术烧结在钻头钢

14、体上。常用剖面形状：3. 水眼和水槽水眼和水槽钻井液由水眼流出，经过水槽流过钻头表面，清洗井底，冷却和润滑金刚石。常用水力结构： a双锥阶梯形； b双锥形； c“B”形； d脊圈式“B”形 第一节第一节 钻钻 头头金刚石钻头金刚石钻头 第一节第一节 钻钻 头头金刚石钻头金刚石钻头4. 金刚石金刚石（1）特性）特性 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，碳原子位于四面体的顶角及中心。每个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键。因共价键结合力强，故金刚石具有极高的硬度（莫氏硬度10）、抗压强度（8800MPa）和耐磨性钢的9000倍）。其缺点是： 脆性大，受冲击载荷易

15、碎裂； 具有热敏性，高温下（450以上）石墨化。（2）两类金刚石材料）两类金刚石材料 天然金刚石天然金刚石非洲产，品种有：卡邦(Carnon)、包尔兹(Boarz)、巴拉斯(Ballas)。人造金刚石单晶和聚晶人造金刚石单晶和聚晶： 石墨500010000MPa10002000金刚石单晶金刚石单晶金刚石聚晶高温高压下 （3）金刚石粒度、出刃和排列方式）金刚石粒度、出刃和排列方式 粒度粒度：0.515粒/克拉 出刃出刃：最大出刃量为直径的1/3 第一节第一节 钻钻 头头金刚石钻头金刚石钻头v排列方式排列方式：a 钻头外形；b交错排列；c圆周排列；d脊圈排列 （二）金刚石钻头的破岩机理（二）金刚石

16、钻头的破岩机理 概括地讲，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。 对塑性地层，以“犁削”作用为主；对脆性地层，以压碎、剪切作用为主；对坚硬地层，以刻划、微切削作用为主。 （三）金刚石钻头的正确使用（三）金刚石钻头的正确使用 1. 适用于硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井，取心作业。寿命长，进尺高。 2. 钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。 3. 开始先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高转速钻进。 4. 采用大排量钻进。 第一节第一节 钻钻 头头金刚石钻头金刚石钻头五、五、PDC钻头钻头（Polycrystalline Diamond Compact B

17、it） 第一节第一节 钻钻 头头PDC钻头钻头胎体PDC钻头钢体PDC钻头两类PDC切削元件（一）结构特点（一）结构特点1. 切削元件切削元件聚晶金刚石复合片（聚晶金刚石复合片（PDC） 第一节第一节 钻钻 头头PDC钻头钻头特特 性性 PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨合金的结构强度和抗冲击能力。 弱点是热稳定性差，350以上加速磨损。抗冲击能力较差。13.4， 192. 工作剖面形状工作剖面形状 第一节第一节 钻钻 头头PDC钻头钻头特点 内外锥有利于钻头稳定； 外锥较长，可多布齿，使磨损均匀； 钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。 适合中等均质地层。特点 钻头表面积较小，水力集中，清

18、洗效果好； 载荷分布较均匀；用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。特点 侧向推力指向钻头中心，有利于防斜； 钻头外部表面积大，可布置较多切削齿，利于提高寿命。 用于软地层。特点 冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均匀。 外侧采用圆弧，布齿面积较大。用于硬地层。双锥形浅锥形抛物线形B 形3. 切削齿布置切削齿布置v刮刀式布齿方式的特点是整体强度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排屑好、抗泥包能力强。适用于粘性或软地层。v单齿式布齿方式：布齿区域大、布齿密度高，可以提高钻头的使用寿命，但水力清洗能力低，容易在粘性地层泥包。适用于硬地层。v组合式切削齿的布置，具有较好的清洗、冷却和排屑能力，布齿密度较高。这种布齿方式的钻头多用于中等硬度地层。v布齿原则：等切削体积等磨损等功率 第一节第一节 钻钻 头头PDC钻头钻头4. 切削齿工作角切削齿工作角后倾角（负前角）后倾角（负前角）：起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值020，软地层小一