钻井工程理论与技术第二章钻进工具--钻头(3学时)讲解.ppt
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第二章 钻进工具,第一节 钻头 第二节 钻柱,第一节 钻 头,一、概 述 二、牙轮钻头 三、金刚石钻头 四、PDC钻头,一、概 述,1. 钻头分类 按结构及工作原理分 刮刀钻头 牙轮钻头 PDC钻头 金刚石钻头 按功用分 全面钻进钻头 取心钻头 扩眼钻头,一、概 述,2. 钻头尺寸系列 3-3/4 ~ 36 in 3. 钻头性能指标 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 钻 头,一、概 述 二、牙轮钻头 三、金刚石钻头 四、PDC钻头,二、牙轮钻头（Roller Bit）,铣齿（钢齿）,镶齿（YG齿）,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（一）牙轮钻头结构 （1） 牙轮及牙齿 （2） 牙轮轴 （3） 轴承 （4） 巴掌 （5） 钻头体 （6） 喷嘴 （7） 储油润滑密封系统,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（一）牙轮钻头结构,1．牙轮及牙齿 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：主锥+背锥，硬地层 复 锥：主锥+副锥+背锥，软到中硬,二、牙轮钻头（Roller Bit）,1．牙轮及牙齿（Cone & tooth ）,（一）牙轮钻头结构,铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。
镶齿——镶装在牙轮锥面上的硬质合金齿，有多种齿形勺形齿：极软至中软地层 楔形齿：软至中硬地层 锥形齿：中硬地层 尖卵形齿：硬地层 球齿：硬至坚硬地层,◆ 结构组成：牙轮内腔、牙爪轴颈、轴承跑道、锁紧元件 每个牙轮有大、中、小和止推四付轴承 大、小轴承承受径向载荷； 中轴承用来锁紧和定位； 止推轴承承受轴向载荷二、牙轮钻头（Roller Bit）,（一）牙轮钻头结构,2. 轴 承（Bearing of Bit）,◆ 轴承分类： 按轴承副结构分： 滚动轴承、滑动轴承 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—滚珠—滚柱—止推 滚柱—滚珠—滑动—止推 滑动轴承有两种结构：滑动—滚珠—滑动—止推 滑动—卡簧—滑动—止推,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（一）牙轮钻头结构,2. 轴 承（Bearing of Bit）,3．储油密封压力补偿系统,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（一）牙轮钻头结构,二、牙轮钻头（Roller Bit）,4．喷嘴 牙轮钻头一般安装 3~4 个喷嘴，直径7~14mm用卡簧固定在水眼内，并用O形圈密封一）牙轮钻头结构,● 标准型：距井底110~140mm ● 中长喷嘴：比常规喷嘴长约38mm ● 长喷嘴：距井底约25mm ● 中心喷嘴 ● 反喷嘴 ● 空化喷嘴 ● 脉冲喷嘴,二、牙轮钻头（Roller Bit）,5．牙轮的布置方案,（一）牙轮钻头结构,方案1：非自洗无滑动布置 特点：齿圈不嵌合 不超顶 不移轴 适用地层：硬,二、牙轮钻头（Roller Bit）,5．牙轮的布置方案,（一）牙轮钻头结构,方案2：自洗不移轴布置 特点：齿圈相互嵌合 超顶 不移轴 适用地层：中,二、牙轮钻头（Roller Bit）,5．牙轮的布置方案,（一）牙轮钻头结构,方案3：自洗移轴布置 特点： 齿圈相互嵌合 超顶 移轴 适用地层：软,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（二）牙轮钻头工作原理,1. 牙轮钻头在井底的运动,（1）钻头公转（顺时针，转速Nb—rpm）:,（2）牙轮自转（逆时针，转速nc—rpm）:,（3）滑动——轴向滑动、切向滑动,（4）纵向振动,振动频率：,振动周期：,副锥产生超顶效果,超顶和副锥引起周向滑动,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（二）牙轮钻头工作原理,1. 牙轮钻头在井底的运动,移轴引起径向滑动,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（二）牙轮钻头工作原理,1. 牙轮钻头在井底的运动,单、双齿交替着地引起纵向振动,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（二）牙轮钻头工作原理,1. 牙轮钻头在井底的运动,二、牙轮钻头（Roller Bit）,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（二）牙轮钻头工作原理,2. 牙轮钻头的破岩机理,（1）冲击、压碎作用 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。
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压碎作用，形成体积破碎坑穴 （2）滑动剪切作用 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的滑动，剪切齿间岩石二、牙轮钻头（Roller Bit）,（三）牙轮钻头磨损与分级,1. 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 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二、牙轮钻头（Roller Bit）,2. 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 轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到三）牙轮钻头磨损与分级,二、牙轮钻头（Roller Bit）,3. 直径磨损 原直径：I 直径磨小：O+直径磨小值（in）,例如：T2—B4—I T6—B6—O 1/2,（三）牙轮钻头磨损与分级,4. 我国石油行业标准,（1）牙齿磨损 四级：Y1、Y2、Y3、Y4 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,（2）轴承磨损 级别 密封轴承 普通轴承 Z1 密封完好，用手不易转动 转动灵活，轴承不旷 Z2 密封尚好，用手容易转动 转动灵活但旷，径1~2mm，轴3mm，轴向2mm Z4 牙轮掉或快要掉落 牙轮卡死，轴承完全不能用,（3）直径磨损 代号“J”，在右下角用数 字表示直径磨损的毫米数。
二、牙轮钻头（Roller Bit）,（三）牙轮钻头磨损与分级,系列代号：用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层；,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例如：341S——表示适用于中等研磨性或研磨性硬地层、4级、非 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、3级地层、滑 动密封轴承保径、带中心喷嘴钻头二、牙轮钻头（Roller Bit）,（四）牙轮钻头类型及选择,IADC编码,二、牙轮钻头（Roller Bit）,（五）牙轮钻头合理使用,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 所钻地层性质合理选择钻头类型 2. 钻压在1.36~2.7吨/英寸范围内，钻速与所加钻压成正比一般常用最 佳范围：1.82~2.27吨/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： 55rpm~110rpm 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 高压水射流的破岩作用，提高钻速。
第一节 钻 头,一、概 述 二、牙轮钻头 三、金刚石钻头 四、PDC钻头,三、金刚石钻头（Diamond Bit）,孕镶式,表镶式,三、金刚石钻头（Diamond Bit）,（一）金刚石的物理机械性质,正四面体晶体结构,优点：极高的硬度（莫氏硬度10） 极高抗压强度（8800MPa） 极高的耐磨性(钢的9000倍） 缺 点： ① 脆性大，受冲击载荷易碎裂； ② 具有热敏性，在空气中约在455~860℃出现石墨化但在碳化钨或石墨中烧结时氧化速度可降低50~90%,典型晶形,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，结合力极强三、金刚石钻头（Diamond Bit）,（二）金刚石钻头结构,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三、金刚石钻头（Diamond Bit）,（二）金刚石钻头结构,1. 钻头冠部形状,a．双锥阶梯形； b．双锥形； c．“B”形； d．脊圈式“B”形,软到中硬地层 内锥角50~60° 外锥角50~100 °,中到中硬地层 内锥角60~70° 外锥角40~60 °,硬地层 内锥角90°,硬~坚硬地层 内锥角90°,,,,,三、金刚石钻头（Diamond Bit）,（二）金刚石钻头结构,2. 水力结构,常用水槽结构： □ 逼压式 □ 辐射型 □ 辐射逼压式 □ 螺旋形,三、金刚石钻头（Diamond Bit）,（二）金刚石钻头结构,3. 金刚石及布置,（1）天然金刚石 卡邦（Carbon）—— 黑色金刚石，巴西及非洲，性能最好，最贵 巴拉斯（Ballas）—— 多晶金刚石，非洲产，性能及价格次于卡邦 包尔兹（Boartz）—— 硬度很高，但解理性强，有内裂纹和应力 刚果金刚石 —— 硬度次于包尔兹，但产量高（60%），价格便宜,目前使用最广泛的产品：热稳定聚晶，耐温1200℃，有圆片、圆柱、立 方体、三角聚晶等多种形状。
三、金刚石钻头（Diamond Bit）,（二）金刚石钻头结构及设计,3. 金刚石及布置,（3）金刚石粒度 软地层：2粒/克拉，粒径约4mm左右 中硬地层：3~4粒/克拉，粒径约3.6mm左右 中硬到硬地层： 5~8粒/克拉，粒径约2.5~2.9mm 硬到坚硬地层：10~15粒/克拉，粒径约2.0mm左右 孕镶钻头，60~400粒/克拉，粒径1.2~0.6mm，硬至坚硬地层软地层,硬地层,坚硬地层,三、金刚石钻头（Diamond Bit）,（二）金刚石钻头结构及设计,3. 金刚石及布置,（5）金刚石布置,三、金刚石钻头（Diamond Bit）,（二）金刚石钻头结构及设计,4. 保径设计,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 保径部分长度：60~100mm,（三）金刚石钻头的破岩机理,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， 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 性体积破碎，岩屑尺寸约为金刚石出露部分的2~4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 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； （2）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； （4）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,三、金刚石钻头（Diamond Bit）,第一节 钻 头,一、概 述 二、牙轮钻头 三、金刚石钻头 四、PDC钻头,胎体PDC钻头,钢体PDC钻头,四、PDC钻头,Polycrystalline Diamond Compact Bit,四、PDC钻头,（一）聚晶金刚石复合片（PDC）,1. 结构及尺寸,四、PDC钻头,（一）聚晶金刚石复合片（PDC）,2. 物理机械性质,（1）极高的硬度（钢的9~14倍，硬质合金的3~5倍）； （2）较高的抗压强度（钢的3~4倍）； （3）良好的自锐性（碳化钨基体比聚晶层磨损速度快）； （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 载荷作用易碎裂尤其是新复合片刚开始接 触岩石，锋锐 边刃 很容易碎裂 （5）对温度较敏感350℃左右，磨损速度显著加快； 700 ℃左右， 强度失效四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,◆ 刮刀式 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 包。
◆ 单齿式（散布式） 布齿区域大，布齿密度高，但排屑能力较差，容易泥包适合于较。
