回转钻进用钻头讲解.ppt

回转钻进用钻头 Drilling bits used in the rotary-table drilling • 第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 • 第二节 硬质合金钻头 • 第三节 钻探用金刚石及其孔底碎岩过程 • 第四节 金刚石钻头和扩孔器 • 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 • 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 • 第七节 全面钻头 第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit • 一、钻探用硬质合金(hardmetal for drilling) 通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金碳化钨为骨 架材料，钴为粘结材料 硬质合金钻进一般适用于软、 中硬岩层钻进 硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、八角柱状 和针状等形状薄片状：1-5级软岩；方柱状、八角柱状 ：4-7级中硬岩石；其中八角柱状：较硬岩层和裂隙发育 ；针状：自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用 表4－1 YG类硬质合金的性能表 合金牌号 化学成分（％）物理机械性质 特性及用途 WCCo 密度（ g/cm3） 硬度（HRA ） 抗弯强度（ MPa） YG3x97315.0～15.3921050 耐磨性最好，冲击韧 性最 差，用于金属切削 YG4c96414.9～15.2901400 适用于均质和软质 互层地 层中回转钻进 YA691～93614.4～15.0921400 加有少量TaC成分，提高了 硬度 YG694614.6～15.089.51400 适用于回转钻进 ，使用效 果仅次于YG4c YG6x94614.6～15.0911350 细粒合金，强度接近YA6 ，耐磨性较YA6高 YG892814.0～14.8891500 地质勘探和石油回转钻进 用主要品种 YG8c92814.0～14.8881750 粗粒合金，冲击韧 性较高 适于冲击回转钻进 YG11c891114.0～14.4872000 耐磨性最差，冲击韧 性最 高，适于冲击回转凿 岩 YG15851513.9～14.1872000 注：硬质合金中的附加字母“x”表示细粒合金，“c”表示粗粒合金。

• 二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程(Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit) 回转钻进的机械钻速vm=60nmh1 影响切入深度h1的主要因素有：轴向力大小，岩 石的性质及岩屑被清除的速度切削具的性质、几 何形状及排布方式；钻头的转速与切削具的磨钝程 度 1、塑性岩石的孔底破碎过程 2、脆性岩石的孔底破碎过程 3、切入与切削同时作用下的碎岩过程 式中： Py—一个切削具上的轴向压力；S0—切削具与岩石的接 触面积； σ—岩石的临界抗压入强度（相当于在该条件下岩石的 硬度） Py ≥ σ. S0是切削具切入岩石的必要条件，否则，切削具在 井底不能切入岩石，碎岩过程只能是切削具对岩石的表 面磨蚀，碎岩效果很差因此，在硬质合金钻进中，必 须有足以使切削具切入岩石的轴向压力 在塑性岩石中，切削具切入岩石的情况如图1.3－1所示 一个单斜刃的切削具在轴向压力的作用下，切入岩石的 深度为由于切削具后斜面的作用，使切削具的刀尖O 并非垂直切入岩石，而是沿着与垂直线成γ角的线方向 切入岩石因此，在切入的过程中,在前面OB上产生的正 压力及摩擦力（ 等于摩擦 一、塑性岩石的碎岩情况： 岩石切入岩石底过程： 钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于（ 和最小等于）岩石的抗压强度（压入硬度），即： （1.3－1） f )。

系数同理，在后斜面OA上产生正压力及摩擦力各作用力平衡关系如下： （1.3－2） （1.3－3） 式中： b—切削具的宽度； σn－OA面上的法线压强； σ－垂直于AB的压强，它等于岩石的抗压入强度（压入硬度） 将式（1.3－5）代入式（1.3－4）中，则有： 因此，切入深度h0为： 若设： 则有： 式中：v－由切削具刃尖角β和切削具与岩石的摩擦角φ所决定的一个系数 在一般情况下，v＝0.88～0.97 根据切削具切入岩石的条件知： 图1.3－2 塑性岩石中的回转切削 Py-轴向压力； Px-水平力； h0-切入深度； b-切削槽宽（切削具宽度） 图1.3－5 脆性岩石的回转切削过程 Py-轴向压力；Px-回转水平压力； β－刃角 h0-切入深度； abc-大剪切体； a'b'c'-第二次大剪切体； B1－大剪切时岩面槽宽； 图1.3－4 单面锲形切削具切入脆性岩石 Py-轴向压力；h0-切入深度；kok'-崩落岩穴 当钻头的直径较大时，γ很小，即cosγ=1，sinγ＝0，则式（1.3－10）、（1.3 －11）写成： 图1.3－7 切入切削同时作用的井底碎岩情况 Py-给进力； Px-切削力； R－岩石底抗压入阻力； Q－刃前阻力；N,T-R的分力；f-摩擦系数；α-切削角； β-切削具前面与岩石破碎面底夹角；γ-井底切削面倾角 三、硬质合金切削具的磨损 (Wear of tungsten carbide cutter ) 1. 关于切削具磨损和转速问题的研究 费得洛夫等人用鱼尾钻头对硬质合金切削具的磨损问题进行了大量研究， 得出如图4－5中的磨损曲线。

该曲线反映了切削具单位时间磨损量W与切削具 刃端面积上比压σ的关系横坐标的分界点 表示岩石的压入硬度，在其前后属 于两种不同性质的磨损 （1）曲线Ⅰ当σ＜ σ0时，切削具未能有效地吃入岩石，钻进处于表面破碎 状态，此时切削具单位时间的磨损量W正比于切削具上的比压σ （2）曲线Ⅱ当σ＞ σ0时，岩石呈体积破碎随着切削具上的比压σ增大，单 位时间的磨损量W不但未增加，反而出现下降的趋势即在体积破碎的条件下 ，切削具的磨损主要不取决于轴向压力，而取决于岩石的硬度、切削具的材质 及切削具的磨钝面积 费得洛夫提出，在一定条件下切削具磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关 S（t）=S0+θt 式中： S0 －切削具的初始面积，mm2；t－磨损时间，min； θ－取决于岩石性质的磨损系数，mm2/min 硬质合金钻进的机械转速随着切削具接触面积的增大而下降，其机械转速vm与切削刃磨钝面积的平凡成 反比： （4－5） 式中：A－系数当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量 设钻进的初始参数为v0=A/so2 ，（4－5）式可写成 （4－6） 式中：k0=θ/S0,，k0－转速下降的特征系数； 钻头在t时间内的总进尺为，将（4－6）代入，则有。

因此，平均转速为，通过变换可写成： （4－7） （4－7）式表明，平均转速可写成以进尺H为自变量的一元线性方程其中，v0是在纵坐标上的截距，k0 为直线的斜率进尺H是在钻进过程中容易准确测得的参数，我们可以用一元线性回归分析的方法，在若干 观察值的基础上求出k0值，从而利用（4－7）式莱预测切削具磨损对转速的影响 2.切削具在孔底磨损的实际情况 前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损，实际上在钻进过程中，钻头硬质合金切削具出刃的 内、外侧磨损量是不均匀的（图4－6），即： y外＞y内＞y，t外＞t内＞y 切削具底端也不是想象底那样被磨损成平面，而是呈圆弧形，刃前端和后缘磨损更加厉害（图4－7） 3.减轻切削具磨损底措施 虽然切削具的磨损是不可避免的，但我们应设法把它控制在最低限度内可采取的主要措施是： （1）避免切削具在表面破碎状态下工作尤其是在高转速、低钻压的条件下钻进研磨性岩石时，切削具 磨损更快 （2）切削具的磨损速度取决于切削具的硬度与所钻岩石的硬度之比，岩石的研磨性、裂隙性等性质，还 取决于切削具在钻头唇面的布置应根据岩性选用合适的硬质合金牌号和型号，采用合理的钻头唇面结构。

图4－5 不同比压下切削具的磨损情况 Ⅰ－表面碎岩；Ⅱ－体积碎岩 图4－7 切削具刃端磨损的 理想情况（a）与实际情况（b） 图4－6 切削刃的实际磨损情况 y－切削刃磨损高度； r,R-环槽内外径 t-刃端磨损高度； t内，t外－刃端内、外侧磨损宽度； b-环槽宽度； y内，y外-切削刃内外侧磨损高度； 第二节 硬质合金钻头 (Carbide-insert bit) • 分为取芯钻头和不取芯钻头 • 取芯式硬质合金钻头的结构要素 钻头体，切削具出刃，切削具镶焊角 度，切削具在钻头体上的布置方式，切削 具在钻头体上的数目，钻头的水口与水槽 钻头体(Bit blank) 图 1.3－15 硬质合金钻头 切削具出刃(Protruding edge of cutter) 岩石性质内出刃外出刃底出刃 松软、塑性、粘性、弱研磨性2-2.52.5-33-5 中硬、强研磨性1-1.51.5-22-3 图 1.3－16 硬质合金钻头底出刃示意图 b-环槽宽度；r－环槽内半径 图 1.3－17 硬质合金切削具底出刃和补强 H－切削具底出刃；h0-切入深度；h1-钻头底面过水间 切削具的镶焊角度 Welding / soldering angle of cutter 选择原则：对所钻岩切入和回转阻力小；镶焊形式有利 于保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力；有利 于及时排除岩粉，磨损后的切削具应保持一定的切削能力。

比较三种镶焊方式的排粉条件、受力情况、锋利情况 切削具在钻头体上的布置方式 Layout of cutters on the crown of bit blank 布置时应考虑以下：能保证钻头工作平稳；多环、不同底 出刃的排列，有利于形成多个破岩自由面，提高效率；使 每个切削具破岩工作量相近，避免局部磨损；切削具之间 应保持一定的距离，利于排粉；利于镶焊和修磨 图4－11 切削具在钻头体上底布置 （1）－单环排列；（b）－双环排列；（c）－多环排列 切削具在钻头体上的数目 (Numbers of cutter on the crown of bit blank) 切削具在钻头底面上的数目，应包括切削具的 组数和每组的颗数组数和每组颗数之乘积就是切 削具在钻头体上的数目 机械钻速与切削具组数的关系：v=hqn （q：切 削具的组数） 钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的 钻压、切削的型式（决定切入面积）和岩石压入硬 度等因素而定 m≤P/s 钻头的水口与水槽(Waterways of bit) 1、水口的数目与面积 每组切削具配备一个水口，水口面积应大于钻头与 岩芯之间的或者钻头与井壁之间的环状间隙的面积。

2、水口的形状 3、水槽 图 1.3－28 硬质合金钻头的各种水口和水槽 一 取芯式硬质合金钻头 (Carbide-insert bits for coring) • 分为磨锐式钻头与自磨式钻头 图 1.3－29 磨锐式切削具和自磨式切削具 图 1.3－30 磨锐式钻头和自磨式钻头的钻进曲线 Ⅰ－磨锐式钻头；Ⅱ－自磨式钻头 典型钻头结构举例 磨锐式钻头：在 钻进遇水膨胀、 粘结性的地层— —肋骨钻头和薄 片钻头；在钻进 中硬及较硬地层 ——分环式、掏 槽式 自磨式钻头：针 状硬质合金钻头 （胎块式，钢柱 式）和薄片硬质 合金钻头 分 环 式 钻 头 掏 槽 式 钻 头 胎块式针状硬质合金钻头 常用硬质合金钻头选型 类别类别钻头类钻头类 型 岩石可钻钻性级别级别岩石 ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ 磨 锐锐 式 钻钻 头头 螺旋肋骨钻头钻头－－－松散可塑性岩层层 阶阶梯肋骨钻头钻头－－－页页岩，砂页页岩 薄片式钻头钻头－－－砂页页岩，碳质质泥岩 方柱状钻头钻头－－－ 均质质大理岩，灰岩，软软 砂岩，页页岩 单单双粒钻头钻头－－－中研磨性砂岩，灰岩 晶字形型钻头钻头－－－灰岩，大理岩，细细砂岩 破扩扩式钻头钻头－－－砂硕硕岩，硕硕岩 负负前角阶阶梯钻头钻头－。