钻井工程-第二章(上)

第二章钻进工具本章主要内容：第一节钻头

钻头的类型及工作原理钻头的选型及分类方法钻头的合理使用第二节钻柱

钻柱的组成及功用钻柱的工作状态及受力分析钻柱设计第一节钻头（DrillBit）一、概述

1.钻头类型

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

33/4

“

～36"国内常用尺寸：26"

、171/2

"

、121/4

"、

81/2"A、钻头进尺（米）B、钻头工作寿命（小时）C、机械钻速（米/小时）D、单位进尺成本（元/米）：3.工作指标二、刮刀钻头（DragBit）刀翼（一）刮刀钻头的结构

上钻头体、下钻头体（分水帽）、

刀翼、水眼。三刀翼的称作三刮刀钻头两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀钻头刀翼结构

（1）刀翼结构角

刃尖角β—刀翼尖端前后刃之间的夹角。它反映了刀翼的尖锐程度。β越小，刃部越尖锐，越容易吃入地层，但强度越低。

一般:

软地层

β=8～

10°；

硬地层

β=12°～15°

切削角α—

刀翼前刃和水平面之间的夹角。

在相同钻压下，α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:

松软地层

α＝70°

软地层

α＝70～80°；

中硬地层

α＝80～85°。

刃后角ψ＝α-β：刃后角必须大于井底角θ。

刃前角φ：φ＝90°－α。

(4)提高刀翼的耐磨性

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。刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块。

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。（2）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：

平底、正阶梯、反阶梯、反锥刀翼结构（二）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。（三）刮刀钻头的应用制造工艺简单，成本低；适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低；容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；目前逐渐被PDC钻头取代。三、牙轮钻头（RollerBit）（一）牙轮钻头结构牙轮钻头由钻头体、牙爪（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。1．牙轮及牙齿（1）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。单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层复锥牙轮：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铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。（2）牙齿硬质合金镶齿——镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层。铣齿与镶齿铣齿牙轮钻头镶齿牙轮钻头2．轴承

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。滚动轴承结构：滚柱—滚珠—滚柱—止推

滚柱—滚珠—滑动一止推滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推

滑动—滑动（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承比滚动轴承寿命长？3．储油润滑密封系统储油润滑补偿系统密封系统：

橡胶密封圈、金属密封圈

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。润滑系统4．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7~13mm。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布齿原则：

（1）转动一周，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。单牙轮钻头牙轮及牙齿的布置齿间相互齿合产生自洗作用非自洗自洗无移轴自洗移轴齿间相互齿合产生自洗作用非自洗自洗无移轴自洗移轴齿间相互齿合产生自洗作用非自洗自洗无移轴自洗移轴齿间相互齿合产生自洗作用非自洗自洗无移轴自洗移轴牙轮布置方案：（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，复锥、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，复锥、超顶，移轴，用于软地层；

非自洗自洗无移轴自洗移轴（二）牙轮钻头工作原理1．牙轮钻头在井底的运动公转：牙轮随钻头一起旋转。自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。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。

引起滑动的原因：

①超顶和复锥引起切向（周向）滑动②移轴引起径向（轴向）滑动

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：

①单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；②井底凹凸不平

公转自转牙轮运动图解超顶引起切向滑动副锥产生超顶效果单、双齿交替接触井底引起纵向振动牙轮滑动对破岩的作用:超顶和复锥：切向滑动，剪切同一齿圈相邻牙齿间的岩石。

移轴：径向滑动，剪切相邻齿圈之间的岩石。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。（三）牙轮钻头类型1.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：地层软硬：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY类型代号：1，2，

3，4，5，

6，

7国产三牙轮钻头类型及适应地层（3）型号表示方法

类型代号：数字1~7，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：8XHP5或215.9XHP5。系列代号—用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层；

1-3为铣齿，5-8为镶齿。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。祥见书P66-67.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。2.IADC分类法国产三牙轮钻头分类、型号表示法目前常用的牙轮钻头型号

P2,P3,HP2,HP3——铣齿

XHP2,XHP3,XHP4——镶齿

J1,J2,J3——铣齿

J11,J22,J33,J44，J55——镶齿（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。

地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头；地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头。2.优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。（四）牙轮钻头的正确使用牙轮钻头的选型钻头结构、特点、作用原理地层岩石性质：岩性、硬度、塑性系数、抗压强度地层可钻性分析地层研磨性分析牙轮钻头使用下钻慢、防止顿钻井内无落物避免划眼使用减震器在生产厂家推荐的钻压，转速范围内工作钻头的选择选择时考虑的因素研磨性地层的选择牙齿磨损快，钻速降低快，磨损保径齿和背锥，使钻头直径变小，轴承外露，加速钻头的磨损，此时最好选择镶齿钻头。浅井段和深井段钻头的选择浅井使用机械钻速高的钻头，深部井段使用寿命长的钻头。深部软地层钻头的选择3000m以下的泥岩、页岩等软地层岩石，如选用硬地层钻头钻进，机械钻速低，选用软地层钻头钻进，容易断齿。对于这种高围压引起的“橡皮地层”，最好采用低密度钻井液，选择中硬地层钻头。（五）钻头常见故障及其识别

钻头故障是钻进过程中常见故障之一，其故障形式主要有：因钻头轴承严重磨损产生剧烈旷动、牙轮卡死、掉牙轮、钻头泥包、喷嘴堵、掉喷嘴和牙齿脱落等。1、钻头轴承磨损的识别反映钻头轴承工作状态最敏感的信号是扭矩信号。为了消除因钻压变化对扭矩产生的影响，采用比扭矩，比扭矩表示为：

Mt

钻头发生磨损后的扭矩信号特征轻度磨损中度磨损严重磨损2、牙轮钻头泥包的识别钻头发生泥包后的特征：钻时Zt迅速增大、立压StP有所上升、扭矩M

逐渐增大、波幅Vr(M)减小、转速Rpm有所下降。tM牙轮钻头泥包时扭矩变化特征3、钻头水眼堵、掉的识别坨762井，井深至2239米时，立管压力由15↗15.6MPa，其它参数无变化，立管压力增至18.1MPa最高峰，此时泵负载很大，泵转速明显的下降，最高峰后立即缓慢下降至175bar后，23时40分突然下降到14.2MPa，水眼冲开，后恢复钻进。四、金刚石钻头（DiamondBit)（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）、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分组成。热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）

TSP钻头的热稳定性、耐磨性和抗冲击能力都高于一般的天然金刚石钻头。（一）金刚石钻头的结构1.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体上。

常用剖面形状：

a．双锥阶梯形；

b．双锥形；

c．“B”形；

d．脊圈式“B”形3.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（水槽）：逼压式、辐射式、辐射逼压式、螺旋式。4.金刚石（1）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：

①脆性大，受冲击载荷易碎裂；

②具有热敏性，高温下（450℃以上）石墨化。

（2）两类金刚石材料天然金刚石：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：石墨5000~10000MPa1000~2000℃金刚石单晶金刚石单晶金刚石聚晶高温高压下（3）金刚石颗粒在胎体上的镶装方式

表镶式金刚石钻头：所用的金刚石颗粒一般0.5～1.5粒/克拉。

孕镶式金刚石钻头：把金刚石颗粒与钻头胎体烧结在一起。适合于对付极硬地层，而且成本比表镶式低得多，一般孕镶层的厚度2～12mm。金刚石颗粒棱角越尖越好。（4）金刚石粒度、出刃和排列方式

粒度：

0.5~15粒/克拉（0.2g)

出刃：

最大出刃量为直径的1/3

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

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。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，脱离岩石基体，形成岩屑，称作犁削。(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。

（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.先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高转速钻进(150RPM以上)。4.采用低钻压（30-50kN）、高转速、大排量钻进。5.避免划眼。五、PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompactBit）胎体PDC钻头钢体PDC钻头钢质碳化钨（一）PDC钻头的结构特点1.切削元件—聚晶金刚石复合片（PDC）

特性

PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性。弱点是热稳定性差，350℃以上加速磨损。抗冲击能力较差。Φ13.4，

Φ192.工作剖面形状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

刮刀式布齿方式：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。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。

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。布齿原则：

等切削体积、等磨损、等功率4.切削齿工作角

后倾角（负前角）α：起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值0°～

20°，软地层小一些，硬地层大一些。侧倾角（旁锋刀面角）β：钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。

β=15°左右。5.喷嘴—流道系统冷却和清洗效果严重影响PDC钻头的钻速和寿命。喷嘴数量一般比三牙轮钻头多。喷嘴位置和流道结构根据切削齿位置确定。（二）PDC钻头破岩机理和特点PDC钻头主要以切削方式破碎岩石。切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下发生剪切破坏。切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头。由于多个切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高。金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。（三）PDC钻头的正确使用PDC钻头适用于软到中硬的大段均质地层（泥页岩），不适合钻软硬交错地层和砾石层。（？）2.与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。（？）3.钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。新钻头钻进时，先用小钻压和低转速磨合井底。4.PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的涡轮钻井。金刚