技术员-钻头解析课件

d:My Documents动画与图片钻头钻进图.swfd:My Documents动画与图片钻进钻柱弯曲示意图.swfd:My Documents动画与图片钻头振动图.swf牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理金刚石钻头及其破岩原理金刚石钻头及其破岩原理钻头的正确使用钻头的正确使用内容牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理 (1)(1)用途用途 牙轮钻头是使用最广泛的钻头，适牙轮钻头是使用最广泛的钻头，适用于从软到硬的各种地层。牙轮钻头破岩用于从软到硬的各种地层。牙轮钻头破岩时扭矩小，转动平稳，对钻具及地面设备时扭矩小，转动平稳，对钻具及地面设备的危害小；工作刃较刮刀钻头长，减少了的危害小；工作刃较刮刀钻头长，减少了磨损，延长了使用寿命。但结构较复杂，磨损，延长了使用寿命。但结构较复杂，制造较刮刀钻头困难，成本较高。制造较刮刀钻头困难，成本较高。(2)(2)牙轮钻头的分类牙轮钻头的分类 牙轮钻头有单牙轮钻头、双牙轮钻头、牙轮钻头有单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头、多牙轮钻头等。其中使用最三牙轮钻头、多牙轮钻头等。其中使用最多的是三牙轮钻头，它的三个牙轮锥体按多的是三牙轮钻头，它的三个牙轮锥体按120120o o夹角对称分布。牙轮钻头还可分为全夹角对称分布。牙轮钻头还可分为全面钻进牙轮钻头、取心牙轮钻头、铣齿牙面钻进牙轮钻头、取心牙轮钻头、铣齿牙轮钻头、镶齿牙轮钻头、滚动轴承牙轮钻轮钻头、镶齿牙轮钻头、滚动轴承牙轮钻头、滑动轴承牙轮钻头等。头、滑动轴承牙轮钻头等。(3)(3)结构及组成结构及组成 牙轮钻头的基本组成是钻头体。巴掌牙轮钻头的基本组成是钻头体。巴掌（牙爪）、牙轮、轴承、水眼（喷嘴）、储（牙爪）、牙轮、轴承、水眼（喷嘴）、储油密封润滑系统。油密封润滑系统。三牙轮钻头三牙轮钻头 a.a.钻头体与巴掌钻头体与巴掌 钻头体上部车有螺纹与钻具相连，下钻头体上部车有螺纹与钻具相连，下部带有三个巴掌与牙轮的轴颈相连，起支部带有三个巴掌与牙轮的轴颈相连，起支撑牙轮的作用。钻头体的底端中部镶焊水撑牙轮的作用。钻头体的底端中部镶焊水眼板或安装喷嘴。根据钻头体与巴掌的连眼板或安装喷嘴。根据钻头体与巴掌的连接情况可将其分为有体式和无体式钻头。接情况可将其分为有体式和无体式钻头。有体式钻头是钻头体与巴掌分别制造，有体式钻头是钻头体与巴掌分别制造，然后将巴掌焊接在钻头体下侧的钻头。该然后将巴掌焊接在钻头体下侧的钻头。该种钻头直径一般在种钻头直径一般在 346mm346mm以上，其上部螺以上，其上部螺纹绝大多数为内螺纹。无体式钻头是巴掌纹绝大多数为内螺纹。无体式钻头是巴掌与三分之一钻头体做成一体，然后将加工与三分之一钻头体做成一体，然后将加工好并装接上牙轮的三部分合焊起来的钻头。好并装接上牙轮的三部分合焊起来的钻头。该钻头直径一般在该钻头直径一般在311mm311mm以下，其上部绝以下，其上部绝大多数为外螺纹。大多数为外螺纹。牙轮在牙爪轴颈上的固定是在牙轮牙轮在牙爪轴颈上的固定是在牙轮与轴颈组装好后，通过牙爪下侧背部的与轴颈组装好后，通过牙爪下侧背部的斜孔投入滚珠来完成的，最后插人销子斜孔投入滚珠来完成的，最后插人销子并焊死。并焊死。b.b.牙轮牙轮 牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成与轴颈相对应的滚动体跑道或滑动摩擦面的与轴颈相对应的滚动体跑道或滑动摩擦面的锥体。分单锥与多锥两种结构。单锥牙轮是锥体。分单锥与多锥两种结构。单锥牙轮是指仅有主锥和背锥两个不同锥度的牙轮。该指仅有主锥和背锥两个不同锥度的牙轮。该牙轮适用于硬及研磨性较高的地层。复锥牙牙轮适用于硬及研磨性较高的地层。复锥牙轮是指除主、背锥外还有轮是指除主、背锥外还有1 12 2个副锥的牙轮。个副锥的牙轮。该牙轮适用于软及中硬地层。该牙轮适用于软及中硬地层。c.c.牙齿牙齿 牙齿是钻头破岩的主要元件，要求其牙齿是钻头破岩的主要元件，要求其破岩效率高和工作寿命长。为此，牙齿既破岩效率高和工作寿命长。为此，牙齿既要耐磨，又要有足够的强度，还要有合理要耐磨，又要有足够的强度，还要有合理的几何外形。牙轮钻头的牙齿有铣齿（钢的几何外形。牙轮钻头的牙齿有铣齿（钢齿）、镶齿（硬合金齿）两种。齿）、镶齿（硬合金齿）两种。(a)铣齿铣齿 铣齿是由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿。铣齿是由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿。这种钻头叫铣齿钻头。铣齿断面形状主要是这种钻头叫铣齿钻头。铣齿断面形状主要是楔形。铣齿的齿形参数主要有齿尖角、齿高、楔形。铣齿的齿形参数主要有齿尖角、齿高、齿顶削平度（钝度）和外排齿形等。齿顶削平度（钝度）和外排齿形等。齿尖角是牙齿横断面上两边界的夹角。齿尖角是牙齿横断面上两边界的夹角。为了利于吃入地层，其值应小些，但太小则影为了利于吃入地层，其值应小些，但太小则影响强度。一般软地层阻力小，强度要求不高，响强度。一般软地层阻力小，强度要求不高，为了加快钻速，齿尖角应比硬地层小些。齿尖为了加快钻速，齿尖角应比硬地层小些。齿尖角的常用范围，软地层为角的常用范围，软地层为3838o o4040o o；中硬地层；中硬地层为为4040o o4242o o；硬地层为；硬地层为4242o o4545o o。齿尖角齿尖角 齿高是齿根到齿页的距离。一般齿齿高是齿根到齿页的距离。一般齿越高吃入地层越深，钻进效率越高，但太越高吃入地层越深，钻进效率越高，但太高易使牙齿蹩断。因此，不同岩性地层的高易使牙齿蹩断。因此，不同岩性地层的破岩阻力不同，齿高不同，软地层要比硬破岩阻力不同，齿高不同，软地层要比硬地层高些。地层高些。齿高齿高 齿顶削平度即齿尖的宽度。软地层齿顶削平度即齿尖的宽度。软地层为加快钻速，宽度要小些；硬地层为保为加快钻速，宽度要小些；硬地层为保证强度，宽度要大些。同时，还要根据证强度，宽度要大些。同时，还要根据钻头大小而定，一般小钻头齿尖宽度为钻头大小而定，一般小钻头齿尖宽度为0 075751mm1mm；大钻头齿尖宽度为；大钻头齿尖宽度为2mm2mm。齿顶削平度 牙齿的排布方式。牙齿在轮壳上的牙齿的排布方式。牙齿在轮壳上的排列布置方式是影响钻进效率的重要因排列布置方式是影响钻进效率的重要因素。布齿时首先保证钻头每转一圈牙齿素。布齿时首先保证钻头每转一圈牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起部分。根据岩性不同牙轮上部分。根据岩性不同牙轮上 齿圈的排列齿圈的排列有自洗式和非自洗式。有自洗式和非自洗式。非自洁式又称重叠式，其特点是各牙轮非自洁式又称重叠式，其特点是各牙轮上可任意布置齿圈，不受相邻牙齿的影响，上可任意布置齿圈，不受相邻牙齿的影响，故可加密齿圈。重叠式牙轮钻头适应于硬及故可加密齿圈。重叠式牙轮钻头适应于硬及研磨性较高的地层。研磨性较高的地层。牙齿的加硬。钻进中，在钻头破碎岩石牙齿的加硬。钻进中，在钻头破碎岩石的同时牙齿逐渐被磨损，影响牙齿磨损的主的同时牙齿逐渐被磨损，影响牙齿磨损的主要因素是地层岩石的研磨性、钻井技术参数、要因素是地层岩石的研磨性、钻井技术参数、牙齿材料与齿形、加工工艺技术等。牙齿材料与齿形、加工工艺技术等。为了提高铣齿钻头的工作寿命，通为了提高铣齿钻头的工作寿命，通常要对铣齿进行加硬，即在钻头牙齿的常要对铣齿进行加硬，即在钻头牙齿的工作面上加焊一层硬质合金粉。两侧堆工作面上加焊一层硬质合金粉。两侧堆焊抗磨力强，适用于研磨性较高的地层；焊抗磨力强，适用于研磨性较高的地层；一侧堆焊牙齿则能在不断磨损中保持自一侧堆焊牙齿则能在不断磨损中保持自锐。锐。(b)(b)镶齿（硬合金齿）镶齿（硬合金齿）镶齿钻头是将硬合金材料加工成一定镶齿钻头是将硬合金材料加工成一定形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳的钻头上。形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳的钻头上。由于牙齿硬度高、耐磨性强，故能适应于由于牙齿硬度高、耐磨性强，故能适应于坚硬及高研磨性地层。目前的镶齿钻头已坚硬及高研磨性地层。目前的镶齿钻头已适应于从坚硬地层到软地层的不同地层。适应于从坚硬地层到软地层的不同地层。镶齿的齿形是指牙齿出露在轮壳以外部分镶齿的齿形是指牙齿出露在轮壳以外部分的形状与高度。镶齿齿形一般有楔形、锥的形状与高度。镶齿齿形一般有楔形、锥形、球形、三棱形和抛射体形等。形、球形、三棱形和抛射体形等。d.d.牙轮钻头的轴承牙轮钻头的轴承 决定钻头工作寿命最关键的因素是轴决定钻头工作寿命最关键的因素是轴承。通常轴承先于钻头牙齿及其他部分而承。通常轴承先于钻头牙齿及其他部分而报损（称为轴承的先期损坏），密封润滑报损（称为轴承的先期损坏），密封润滑的滑动轴承钻头大大提高了牙轮钻头的使的滑动轴承钻头大大提高了牙轮钻头的使用寿命。目前普遍使用的是硬质合金齿喷用寿命。目前普遍使用的是硬质合金齿喷射式密封滑动轴承牙轮钻头。射式密封滑动轴承牙轮钻头。(a)(a)普通轴承（滚动不密封轴承）普通轴承（滚动不密封轴承）牙轮钻头的普通轴承由牙爪轴颈、牙牙轮钻头的普通轴承由牙爪轴颈、牙轮内腔、滚动体组成。在牙轮内腔及轴颈上轮内腔、滚动体组成。在牙轮内腔及轴颈上加工了相对应的三个不同尺寸的滚动体跑道，加工了相对应的三个不同尺寸的滚动体跑道，构成三副轴承。大轴承主要承受由钻压引起构成三副轴承。大轴承主要承受由钻压引起的径向载荷，小轴承起扶正及承受少量径向的径向载荷，小轴承起扶正及承受少量径向载荷的作用，中间的滚珠轴承主要起锁紧定载荷的作用，中间的滚珠轴承主要起锁紧定位作用，它将牙轮及牙爪轴颈锁在一起并承位作用，它将牙轮及牙爪轴颈锁在一起并承受部分轴向载荷。受部分轴向载荷。此外，还有两道承受牙轮轴向载荷此外，还有两道承受牙轮轴向载荷的止推轴承，即小轴端部为第一道止推轴的止推轴承，即小轴端部为第一道止推轴承，它由小轴端部堆焊耐磨合金，并在牙承，它由小轴端部堆焊耐磨合金，并在牙轮内腔相对应部位镶装耐磨合金；小轴颈轮内腔相对应部位镶装耐磨合金；小轴颈底端的台肩面为第二道止推轴承，它在小底端的台肩面为第二道止推轴承，它在小轴颈底端的台后面堆焊耐磨合金，同时也轴颈底端的台后面堆焊耐磨合金，同时也在牙轮内腔相对应部位镶装耐磨合金。在牙轮内腔相对应部位镶装耐磨合金。常用的轴承结构有：滚柱轴承一滚珠轴承常用的轴承结构有：滚柱轴承一滚珠轴承一滑动轴承和滚柱轴承一滚珠轴承一滚柱轴承一滑动轴承和滚柱轴承一滚珠轴承一滚柱轴承两种。前种结构多用在直径两种。前种结构多用在直径 152152244mm244mm的小的小尺寸钻头中，后一种结构多用在直径尺寸钻头中，后一种结构多用在直径244 mm244 mm以以上的大尺寸钻头中。普通轴承由于没有密封装上的大尺寸钻头中。普通轴承由于没有密封装置，当钻头在井内工作时，洗井液与泥砂极易置，当钻头在井内工作时，洗井液与泥砂极易进人牙轮内腔，很快将轴承腔内的润滑脂冲蚀进人牙轮内腔，很快将轴承腔内的润滑脂冲蚀掉，加剧了轴承磨损，导致普通牙轮钻头工作掉，加剧了轴承磨损，导致普通牙轮钻头工作寿命很短。寿命很短。(b)(b)轴承的储油密封润滑轴承的储油密封润滑 牙轮钻头轴承的储油密封润滑结构是牙轮钻头轴承的储油密封润滑结构是在一牙轮巴掌的组合体上增加一套储油密在一牙轮巴掌的组合体上增加一套储油密封系统。它由轴承腔的压力补偿系统和密封系统。它由轴承腔的压力补偿系统和密封元件等组成。其作用是将牙轮内腔与外封元件等组成。其作用是将牙轮内腔与外界的洗井液分开，并在钻头工作时，随时界的洗井液分开，并在钻头工作时，随时向轴承腔补充润滑脂，从而改善轴承的工向轴承腔补充润滑脂，从而改善轴承的工作条件。作条件。(c)(c)滑动轴承滑动轴承 滑动轴承钻头主要是指滑动轴承取滑动轴承钻头主要是指滑动轴承取代大轴滚柱轴承的牙轮钻头。其结构为滑代大轴滚柱轴承的牙轮钻头。其结构为滑动轴承一滚珠轴承一滑动轴承。滑动轴承动轴承一滚珠轴承一滑动轴承。滑动轴承把牙轮轴颈与滚柱的线接触改变成滑动摩把牙轮轴颈与滚柱的线接触改变成滑动摩擦面间的面接触，承压面积大大增加，比擦面间的面接触，承压面积大大增加，比压大大减小。同时，不存在滚柱对轴颈的压大大减小。同时，不存在滚柱对轴颈的冲击作用。由于去掉了滚柱就可以把轴颈冲击作用。由于去掉了滚柱就可以把轴颈尺寸加大，牙轮壳体增厚，这样提高了整尺寸加大，牙轮壳体增厚，这样提高了整个轴承的强度，从而有利于增大钻压，大个轴承的强度，从而有利于增大钻压，大大提高了钻头的工作寿命大提高了钻头的工作寿命。常用的滑动轴承有轴颈轴承、带固常用的滑动轴承有轴颈轴承、带固定村套的滑动轴承和带浮动式衬套的滑定村套的滑动轴承和带浮动式衬套的滑动轴承以及简易滑动轴承。动轴承以及简易滑动轴承。e.e.牙轮钻头的水眼牙轮钻头的水眼 非喷射式钻头的水眼只起洗井液循环非喷射式钻头的水眼只起洗井液循环通道的作用，而喷嘴不仅循环洗井液，还通道的作用，而喷嘴不仅循环洗井液，还能把洗井液转化为高速射流。普通钻头在能把洗井液转化为高速射流。普通钻头在软地层钻进时，为了防止钻头泥包，从水软地层钻进时，为了防止钻头泥包，从水眼流出的洗井液均直接冲在牙轮上。喷射眼流出的洗井液均直接冲在牙轮上。喷射式钻头的水眼方向是使洗井液直射两牙轮式钻头的水眼方向是使洗井液直射两牙轮间的井底。间的井底。(4)(4)牙轮钻头的工作原理牙轮钻头的工作原理 钻进中牙轮钻头在井底的运动及破钻进中牙轮钻头在井底的运动及破岩机理取决于钻头的结构、钻进参数配岩机理取决于钻头的结构、钻进参数配合、井底状态等多方面的因素。为了能合、井底状态等多方面的因素。为了能够根据不同地层岩性，合理选择与使用够根据不同地层岩性，合理选择与使用钻头，就必须了解牙轮钻头在井底的运钻头，就必须了解牙轮钻头在井底的运动及破岩机理。动及破岩机理。a.牙轮钻头在井底的运动 牙轮钻头在井底的运动，决定着牙轮与牙齿的运动，从而直接决定了牙齿对地层岩石的破岩作用。钻头在井底的运动有公转、自转、纵振、滑动。钻头在井底运动的同时牙轮在井底的运动也有公转、自转、纵振和滑动。(a)(a)公转公转 钻头绕井眼轴线的旋转运动叫钻头钻头绕井眼轴线的旋转运动叫钻头的公转。其转速等于转盘或井下动力钻具的公转。其转速等于转盘或井下动力钻具的旋转速度；钻头公转时，牙轮绕钻头轴的旋转速度；钻头公转时，牙轮绕钻头轴线所做的旋转运动称为牙轮的公转。牙轮线所做的旋转运动称为牙轮的公转。牙轮上各外排牙齿绕钻头轴线旋转的线速度不上各外排牙齿绕钻头轴线旋转的线速度不同，轮壳上最外排牙齿的线速度最大。同，轮壳上最外排牙齿的线速度最大。(b)(b)自转自转 钻头绕其自身轴线所做的旋转运动钻头绕其自身轴线所做的旋转运动叫钻头的自转。其转速取决于钻具的转速；叫钻头的自转。其转速取决于钻具的转速；钻头旋转时，牙轮绕巴掌轴所做的与钻头钻头旋转时，牙轮绕巴掌轴所做的与钻头旋转方向相反的旋转运动称为牙轮的自转。旋转方向相反的旋转运动称为牙轮的自转。其转速取决于公转速度，并与牙齿对井底其转速取决于公转速度，并与牙齿对井底的作用有关，牙轮的自转速度要比公转速的作用有关，牙轮的自转速度要比公转速度快得多。牙轮的转动是岩石对牙齿产生度快得多。牙轮的转动是岩石对牙齿产生阻力作用的结果。阻力作用的结果。(c)(c)纵振（轴向振动）纵振（轴向振动）钻进中旋转钻头时，轮齿与井底的接触是单钻进中旋转钻头时，轮齿与井底的接触是单双齿交替进行，单齿着地时，牙轮的轮心处于高位双齿交替进行，单齿着地时，牙轮的轮心处于高位置，双齿着地时则处于低位置。这样，就导致轮心置，双齿着地时则处于低位置。这样，就导致轮心不停地上升下降，即牙轮的纵振。牙轮的纵振使整不停地上升下降，即牙轮的纵振。牙轮的纵振使整个钻头沿轴向做上下往复运动，即钻头的纵振，其个钻头沿轴向做上下往复运动，即钻头的纵振，其振幅就是轮心的垂直位移。振幅的大小与齿高、齿振幅就是轮心的垂直位移。振幅的大小与齿高、齿距等钻头结构及岩性有关。在硬地层振幅较大，振距等钻头结构及岩性有关。在硬地层振幅较大，振动严重，危害较大。除牙轮的单双齿交替与井底接动严重，危害较大。除牙轮的单双齿交替与井底接触导致的纵振外，还会因井底不平造成振幅较大的触导致的纵振外，还会因井底不平造成振幅较大的振动。振动。(d)(d)滑动滑动 为了适应破碎不同岩石的需要，在钻头为了适应破碎不同岩石的需要，在钻头工作时，使其产生一定的滑动。钻头的滑动就工作时，使其产生一定的滑动。钻头的滑动就是牙轮的滑动。通常情况下，软地层钻进时钻是牙轮的滑动。通常情况下，软地层钻进时钻头具有较大的滑动量；在硬地层及高研磨性地头具有较大的滑动量；在硬地层及高研磨性地层钻进时，所用钻头其滑动量要尽量减小，以层钻进时，所用钻头其滑动量要尽量减小，以避免牙齿的迅速磨损。避免牙齿的迅速磨损。钻头在井底工作时，上述四种运动同时钻头在井底工作时，上述四种运动同时产生，钻头的运动是上述四种运动的复合运动。产生，钻头的运动是上述四种运动的复合运动。b.b.破岩的两种作用破岩的两种作用 牙轮钻头在钻压作用下破碎岩石是靠冲击压碎作牙轮钻头在钻压作用下破碎岩石是靠冲击压碎作用和滑动剪切用来完成的。用和滑动剪切用来完成的。(a)(a)冲击压碎作用冲击压碎作用 牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的轮牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的轮齿对岩石的冲击压碎作用是牙轮钻头破碎岩石的主要齿对岩石的冲击压碎作用是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。旋转钻头时，牙齿以一定的速度冲击压入岩石，方式。旋转钻头时，牙齿以一定的速度冲击压入岩石，牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。牙齿作用牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。牙齿作用在岩石上的轴向载荷包括静压及冲击载荷。在岩石上的轴向载荷包括静压及冲击载荷。牙轮钻头破岩时，牙齿对岩石的牙轮钻头破岩时，牙齿对岩石的冲击载荷越大，冲击次数越多，钻头破冲击载荷越大，冲击次数越多，钻头破岩效率越高。但转速太快必然大大缩短岩效率越高。但转速太快必然大大缩短牙齿与岩石的接触时间，要保证接触时牙齿与岩石的接触时间，要保证接触时间大于岩石破碎所需的时间，才能有效间大于岩石破碎所需的时间，才能有效破碎岩石。破碎岩石。(b)(b)滑动剪切作用滑动剪切作用 牙轮钻头工作时，由于摩擦阻力的影牙轮钻头工作时，由于摩擦阻力的影响使其在井底产生滑动，而且转速越快，响使其在井底产生滑动，而且转速越快，滑动量越大，对岩石的剪切破碎作用越大。滑动量越大，对岩石的剪切破碎作用越大。此外，牙齿在轴向压力作用下吃入地层，此外，牙齿在轴向压力作用下吃入地层，转动钻头时随着牙齿的移动而使已破碎的转动钻头时随着牙齿的移动而使已破碎的岩石剔出，这一压入破碎其实质是剪切破岩石剔出，这一压入破碎其实质是剪切破碎。碎。软及中硬地层中钻进，要求牙轮钻软及中硬地层中钻进，要求牙轮钻头具有更大的滑动量以提高破岩效率。在头具有更大的滑动量以提高破岩效率。在设计制造牙轮钻头时，通常采用具有超顶、设计制造牙轮钻头时，通常采用具有超顶、复锥、移轴结构的牙轮钻头以增大钻头在复锥、移轴结构的牙轮钻头以增大钻头在井底工作时的滑动量。井底工作时的滑动量。超顶超顶 所谓牙轮钻头的超顶是指牙轮的锥顶所谓牙轮钻头的超顶是指牙轮的锥顶超过钻头中心的现象。锥顶超过钻头中心超过钻头中心的现象。锥顶超过钻头中心的距离叫做超顶距。牙轮的超顶距越大，的距离叫做超顶距。牙轮的超顶距越大，钻头的滑动剪切作用也越大。钻头的滑动剪切作用也越大。复锥复锥 复锥牙轮的副锥顶（延伸线）是超顶复锥牙轮的副锥顶（延伸线）是超顶的，主副锥顶间的距离叫锥顶距。锥顶距的，主副锥顶间的距离叫锥顶距。锥顶距越大或两个锥顶角的差值越大，钻头工作越大或两个锥顶角的差值越大，钻头工作时牙轮在井底产生的滑动量也越大。复锥时牙轮在井底产生的滑动量也越大。复锥牙轮产生滑动的原因是复锥牙轮绕轴线转牙轮产生滑动的原因是复锥牙轮绕轴线转动时线速度呈折线分布，其与钻头公转时动时线速度呈折线分布，其与钻头公转时的合成速度不为零，从而产生滑动。的合成速度不为零，从而产生滑动。移轴移轴 移移轴轴是是牙牙轮轮轴轴线线沿沿水水平平方方向向移移动动一一个个距距离离，三三个个牙牙轮轮的的轴轴线线不不交交于于钻钻头头中中心心，而而交交成成一一个个三三角角形形，即即为为牙牙轮轮的的移移轴轴结结构构。所所交交三三角角形形的的内内切切圆圆半半径径就就是是牙牙轮轮轴轴线线的的平平移移距距离离，称称为为移移轴轴距距。移移轴轴距距越越大大，钻钻头的滑动剪切作用也越大。头的滑动剪切作用也越大。(5)(5)牙轮钻头的产品系列牙轮钻头的产品系列 牙轮钻头是国内外钻井使用最多的钻牙轮钻头是国内外钻井使用最多的钻头，为满足不同深度、不同地层岩性、不头，为满足不同深度、不同地层岩性、不同井身结构等方面的要求，制定了牙轮钻同井身结构等方面的要求，制定了牙轮钻头的系列标准，即牙轮钻头的直径系列和头的系列标准，即牙轮钻头的直径系列和结构系列标准。结构系列标准。a.a.牙轮钻头的直径系列牙轮钻头的直径系列 牙轮钻头的直径要与相应的套管尺寸牙轮钻头的直径要与相应的套管尺寸相配合。下套管固井时，要保证套管外径相配合。下套管固井时，要保证套管外径与井眼间有合适的间隙，以提高固井质量；与井眼间有合适的间隙，以提高固井质量；固井后继续钻进时所用钻头直径又要与套固井后继续钻进时所用钻头直径又要与套管内径配合好。直径系列的确定必须根据管内径配合好。直径系列的确定必须根据各国的具体条件而定。各国的具体条件而定。b.b.牙轮钻头的结构系列牙轮钻头的结构系列 国产牙轮钻头分两大类，即钢齿牙国产牙轮钻头分两大类，即钢齿牙轮钻头和镶齿钻头、八个系列，系列代轮钻头和镶齿钻头、八个系列，系列代号用专用汉语拼音字母表示，见表号用专用汉语拼音字母表示，见表5-4-5-4-1(1(书书P191)P191)所示。钢齿钻头的类型及适用所示。钢齿钻头的类型及适用地层见表地层见表5-4-25-4-2（书（书P191P191）所示。）所示。国产三牙轮钻头结构系列国产三牙轮钻头结构系列 类别名 称代号类别名 称代号钢齿钻头普通钻头喷射钻头密封钻头密封喷射钻头密封喷射保径钻头滑动喷射钻头滑动喷射保径钻头YPMMPMPBHPHPB镶齿钻头镶齿普通钻头镶齿密封钻头镶齿滑动钻头镶齿密封喷射钻头镶齿滑动喷射钻头空气钻头XXMXHXMPXHPK 国产三牙轮钻头类型及适用范围国产三牙轮钻头类型及适用范围代号（简化）1234567类型新旧JRRLZRMZCZYTYTKJY钻头体颜色乳白黄淡兰灰墨绿红褐适用地层极软软中软中中硬硬极硬适用岩性（举例）泥 岩石 膏盐 岩软 页 岩软石灰岩白 垩中软页岩中硬石膏中软石灰岩中软砂岩中软页岩硬石膏中硬石灰岩中硬白云岩硬 页 岩硬石灰岩硬白云岩砂 岩石 英 岩石英砂岩石 英 岩隧 石花 岗 岩(6)(6)国产三牙轮钻头型号的表示方法国产三牙轮钻头型号的表示方法钻头直径（用公制毫米或英寸数）钻头类型（1.2.3.4.5.6.7为代号）钻头结构系列字母代号（P、M、X等）。国产三牙轮钻头型号的表示国产三牙轮钻头型号的表示 例如：244XHP5的意义是:244表示钻头直径为244mm；XHP表示钻头结构为镶齿密封滑动喷射式；5表示钻头适用于中硬地层。(7)(7)入井前的检查入井前的检查（1 1）把钻头倒置，将钻头规水平套在钻头直径最）把钻头倒置，将钻头规水平套在钻头直径最大处。大处。（2 2）用手顺时针搬动）用手顺时针搬动钻头规钻头规刻度盘手柄，直至搬刻度盘手柄，直至搬不动为止，此时与手柄相对的数字即为钻头不动为止，此时与手柄相对的数字即为钻头直径尺寸。直径尺寸。（3 3）操作同刮刀钻头的结构与使用单元中入井前）操作同刮刀钻头的结构与使用单元中入井前检查。检查。（4 4）检查喷嘴焊的是否牢靠。）检查喷嘴焊的是否牢靠。（5 5）把小于钻头水眼直径的木棒，插入水眼看是）把小于钻头水眼直径的木棒，插入水眼看是否畅通。否畅通。（6 6）用手转动三个牙轮，检查是否灵活，）用手转动三个牙轮，检查是否灵活，牙齿有无互咬现象。牙齿有无互咬现象。（7 7）将钻头放倒，慢慢转动钻头，检查主）将钻头放倒，慢慢转动钻头，检查主要焊口有无裂纹。要焊口有无裂纹。（8 8）将钻头置于一平钢板上，使三个牙轮）将钻头置于一平钢板上，使三个牙轮牙齿与钢板的接触状态相同，再用直牙齿与钢板的接触状态相同，再用直尺测量其高差。尺测量其高差。349mm349mm以上钻头高以上钻头高差不超过差不超过3mm3mm，298.5mm298.5mm以下钻头不以下钻头不超过超过2mm2mm。(8)(8)使用操作使用操作 a.a.根据所钻地层岩性，合理选择钻头类型。根据所钻地层岩性，合理选择钻头类型。(a)(a)浅井段疏松地层，选用牙齿长的钻头。浅井段疏松地层，选用牙齿长的钻头。(b)(b)深井段选用进尺多的钻头。深井段选用进尺多的钻头。(c)(c)起钻后，如发现出井钻头的起钻后，如发现出井钻头的外排齿磨损严重，改外排齿磨损严重，改选带有保径齿的钻头选带有保径齿的钻头。(d)(d)易斜井段选用滑动量小，牙齿短的钻头。易斜井段选用滑动量小，牙齿短的钻头。用于软地层：高、大、稀、尖、薄用于硬地层：矮、小、密、钝、厚b.b.将牙轮钻头与上部钻具连接好。将牙轮钻头与上部钻具连接好。c.c.平稳下钻，遇阻不能硬压猛放，防止顿坏平稳下钻，遇阻不能硬压猛放，防止顿坏巴掌。巴掌。d.d.钻头下至离井底钻头下至离井底7 78m8m时，开泵循环钻井时，开泵循环钻井液（排量由小到大，防止蹩泵）。液（排量由小到大，防止蹩泵）。e.e.待钻头到井底后，加压待钻头到井底后，加压202030kN30kN钻进（磨钻进（磨合及钻新井底），磨合合及钻新井底），磨合303060min60min后，再后，再一次加足钻压钻进。一次加足钻压钻进。f.f.接单根下放钻具时，在钻头接触井底前接单根下放钻具时，在钻头接触井底前启动转盘，然后下放钻具，禁止在钻头启动转盘，然后下放钻具，禁止在钻头加压状态下启动转盘。加压状态下启动转盘。g.g.钻进时，送钻要均匀，禁止猛放猛压防钻进时，送钻要均匀，禁止猛放猛压防掉牙轮，把井打斜，并对钻具和设备造掉牙轮，把井打斜，并对钻具和设备造成不良影响。成不良影响。（9 9）确定起钻）确定起钻 a.新钻头入井后，钻井每米成本逐步下降，当每米新钻头入井后，钻井每米成本逐步下降，当每米成本上升时，应立即起出钻头。成本上升时，应立即起出钻头。b.公式公式式中：式中：Ct钻头每米成本，元钻头每米成本，元/m；Cb钻头成本，元；钻头成本，元；Cr钻头工作时设备使用成本，元钻头工作时设备使用成本，元/m；Tr起下钻，换钻头时间，起下钻，换钻头时间，h；T钻头纯进时间，钻头纯进时间，h；H钻头总进尺，钻头总进尺，m。金刚石钻头及其破岩原理金刚石钻头及其破岩原理 金刚石钻头是以锋利、耐金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自锐的天然金刚石或人磨和能够自锐的天然金刚石或人造金刚石为切削齿，在钻低钻压造金刚石为切削齿，在钻低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中广泛使用的一尺，是石油钻井中广泛使用的一种高效钻头。种高效钻头。分类按金刚石来源可分为天然金刚石钻头和按金刚石来源可分为天然金刚石钻头和人造金刚石钻头人造金刚石钻头按功用可分为取心钻头和全面钻进钻头；按功用可分为取心钻头和全面钻进钻头；按镶嵌方式可分为表镶和孕镶两类；按镶嵌方式可分为表镶和孕镶两类；按钻井方式则可分为转盘钻井和涡轮钻按钻井方式则可分为转盘钻井和涡轮钻井用两类。井用两类。一、金刚石钻头一、金刚石钻头1、金刚石钻头的结构钢体胎体切削刃水眼与水槽一、金刚石钻头一、金刚石钻头(1)钢体钢体 钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与胎体烧结在一起。刚体有一体式的，也胎体烧结在一起。刚体有一体式的，也有由两部分构成的，即上部为合金钢车有由两部分构成的，即上部为合金钢车有螺纹，下部为低碳钢连接胎体。钢体有螺纹，下部为低碳钢连接胎体。钢体上下两部分以螺纹连接在一起然后焊死。上下两部分以螺纹连接在一起然后焊死。一、金刚石钻头一、金刚石钻头(2)胎体胎体 胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，是由胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，是由一定粒度的硬质合金粉加上适当的易熔一定粒度的硬质合金粉加上适当的易熔金属作粘合剂，压制烧结面而成。金属作粘合剂，压制烧结面而成。胎体形状即工作剖面，主要是指工作面胎体形状即工作剖面，主要是指工作面的几何形状和工作面积的大小，是根据的几何形状和工作面积的大小，是根据适用不同岩性而设计的。适用不同岩性而设计的。双锥阶梯形剖面软到中硬地层双锥形剖面较硬地层“B”型剖面硬地层带波纹的“B”型剖面坚硬地层一、金刚石钻头一、金刚石钻头一、金刚石钻头一、金刚石钻头(3)切削刃切削刃 金刚石钻头的切削刃根据金刚石钻头的切削刃根据金刚石颗粒镶装在胎体上的金刚石颗粒镶装在胎体上的形式有表镶式、孕镶式和表形式有表镶式、孕镶式和表孕镶式三种。孕镶式三种。表表镶式式孕孕镶式式表孕表孕镶式式把金刚石颗粒只镶在胎体表面上层。颗粒大小：0.51.5粒/克拉，出刃高度：1/31/4，棱角不宜尖锐，以免钻进中崩裂。把金刚石颗粒均匀分布在钻头工作面胎体金属层的一定厚度层内，随胎体磨损，金刚石颗粒不断露出而不断磨削岩石，并不断自锐，不断磨损，直到金刚石磨完为止。颗粒粒度：20200粒/克拉，棱角越大越好，孕镶层厚度：212mm。是在表镶式钻头工作面上薄弱部分的胎体内，孕镶一层金刚石。破碎效果好，寿命长。一、金刚石钻头一、金刚石钻头一、金刚石钻头一、金刚石钻头金刚石在钻头工作面上的排布方式金刚石在钻头工作面上的排布方式交错排列法圆周排列法脊圈排列法软到中硬硬地层坚硬地层一、金刚石钻头一、金刚石钻头(4)水眼与水槽水眼与水槽 金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。一、金刚石钻头一、金刚石钻头水眼和水槽的布置原则：水眼和水槽的布置原则：是使金刚石钻头在钻进过程中，保证供给钻头工作面足够的水力能量，既能清除岩屑，又能很好地冷却和润滑钻头上的金刚石。用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于其工作面小，金刚石颗粒粗而稀，钻进时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。而对于硬和坚硬地层，由于钻头工作面大、金刚石颗粒细而密，且出刃低，钻压大，水槽则应多、密、窄。表镶式金刚石钻头通常采用的水槽结构大体上可分为：逼压式水槽、辐射形水槽、辐射形逼压式水槽和螺旋形水槽四种。一、金刚石钻头一、金刚石钻头2.金刚石钻头破岩原理金刚石钻头破岩原理 当当钻钻某某些些硬硬地地层层时时，钻钻头头上上的的每每粒粒金金刚刚石石在在钻钻压压作作用用下下压压入入岩岩石石使使下下面面的的岩岩石石处处于于极极高高的的应应力力状状态态，呈呈现现塑塑性性，同同时时在在旋旋转转扭扭矩矩的的作作用用下下产产生生切切削削作作用用，破破碎碎岩岩石石的的体体积积大大体体上上等等于于金金刚刚石石吃吃入入岩石的位移体积。岩石的位移体积。一、金刚石钻头一、金刚石钻头对于脆性较大的对于脆性较大的岩石，在钻压和岩石，在钻压和扭力的作用下所扭力的作用下所产生的应力可使产生的应力可使岩石沿剪切面产岩石沿剪切面产生裂缝生裂缝,此时此时,岩岩石破碎体积远大石破碎体积远大于金刚石吃入后于金刚石吃入后位移体积。脆性位移体积。脆性较大的岩石其破较大的岩石其破碎深度可达金刚碎深度可达金刚石压入深度的石压入深度的2525倍。倍。接触面积吃入深度出露高度出露高度金刚石金刚石钻头基体钻头基体一、金刚石钻头一、金刚石钻头金刚石破碎岩金刚石破碎岩石的效果，除石的效果，除与岩石的性能与岩石的性能有关外，还与有关外，还与井筒和地层孔井筒和地层孔隙流体的压差隙流体的压差有大小、钻压有大小、钻压大小及金刚石大小及金刚石几何形状、粒几何形状、粒度和出露有关。度和出露有关。接触面积吃入深度出露高度出露高度金刚石金刚石钻头基体钻头基体二、二、PDC钻头钻头 聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact)钻头，简称PDC钻头。它是用聚晶金刚石(薄圆片状)做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上而形成的。使用于软到中硬地层。二、二、PDC钻头钻头1.PDC钻头结构钻头结构 PDC钻头为一整体式钻头，钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。分组成。二、二、PDC钻头钻头（1 1）钻头基体）钻头基体 PDCPDC钻头可分为钢体钻头可分为钢体PDCPDC钻头和碳化钨胎体钻头和碳化钨胎体PDCPDC钻头。钻头。钢体式钢体式PDCPDC钻头的表面不耐冲蚀，规径易于钻头的表面不耐冲蚀，规径易于磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨损，允许使用较高的钻头压力降、较高钻井磨损，允许使用较高的钻头压力降、较高钻井液含砂量，易于进行优化水力设计，具有较大液含砂量，易于进行优化水力设计，具有较大的设计灵活性，鱼尾形钻头寿命较长。的设计灵活性，鱼尾形钻头寿命较长。PDC钻头基体有四种基本冠部外形：浅锥形短抛物线形抛物线形鱼尾形二、二、PDC钻头钻头浅锥形浅锥形浅锥形浅锥形短抛物线形短抛物线形短抛物线形短抛物线形抛物线形抛物线形抛物线形抛物线形鱼尾形鱼尾形鱼尾形鱼尾形翼片很长，增加了复合片出刃高度，增加了钻头冠部与地层之间的间隙，使岩屑易于排向环形空间不致于粘附于钻头体，有利于射流的清洗。特点：特点：能减少泥包和与泥包相关的钻井问题。适用范围：适用范围：转盘钻井的直井和定向钻井，钻进粘性极高的泥页岩层。冠部面积最小，水力能量集中，易于清洗。其外形有较长的保径齿，能适当扶正。复合片密度不宜过大。特点：特点：快速钻进中，能保持方位和井斜。适用范围：适用范围：只适用于钻盘钻井，钻进夹层。有一个带锥度的冠部，冠顶相当圆顿。可以使钻头外侧布置更多数量的切削齿。特点：特点：钻头的磨损更为平衡。适用范围：适用范围：转盘钻井、井下动力钻井及定向钻井都比较稳定，最适合于钻可能遇到硬夹层的地区。冠部载荷分布均匀，无明显载荷过渡区，载荷不致过分集中。这种冠部外形可使钻头及规径部位布更多的切削齿。特点：特点：具有良好的寿命；要求较高的流量和水力能量来实现清洗和冷却，钻头的鼻部在钻夹层时易受损坏。适用范围：适用范围：高速井下动力钻进。二、二、PDC钻头钻头（2 2 2 2）钻头切削齿钻头切削齿钻头切削齿钻头切削齿 聚晶金刚石复合片是经过特殊工艺将金刚聚晶金刚石复合片是经过特殊工艺将金刚石微粒粘结在一起形成的复合材料。复合片上石微粒粘结在一起形成的复合材料。复合片上部为聚晶金刚石薄层，其厚度为部为聚晶金刚石薄层，其厚度为0.5000.635mm0.5000.635mm，是切削齿锋利的刃口，硬度，是切削齿锋利的刃口，硬度及耐磨性极高，当抗冲击性较差。复合片下部及耐磨性极高，当抗冲击性较差。复合片下部为碳化钨基片，聚晶金刚石片与碳化钨基片之为碳化钨基片，聚晶金刚石片与碳化钨基片之间的有机结合，使得间的有机结合，使得PDCPDC齿既具有金刚石的硬齿既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨的结构强度的抗冲度和耐磨性，又具有碳化钨的结构强度的抗冲击能力。击能力。二、二、PDC钻头钻头 PDC齿具有良好的自锐性，聚晶金刚石晶粒在切削岩石的过程中不断脱落，形成刃面的晶粒更新自锐。此外，碳化钨基片先磨损，形成锋利的刃口，同时具有良好的抗冲击性能为金刚石提供良好的弹性依托。标准切削齿牙嵌式切削齿环嵌式切削齿凿形切削齿倒角切削齿凸圆形切削齿齿状碳化钨基柱按形状二、二、PDC钻头钻头标准切削齿标准切削齿二、二、PDC钻头钻头二、二、PDC钻头钻头圆柱状和栓销状切削齿是两种基本类型，圆柱状是标准切削齿，使用最普遍。其它几类切削齿都是以标准切削齿为基础而产生的。标准切削齿很容易受冲击载荷而损坏，使金刚石薄片与碳化钨基片分离，或者产生大块金刚石薄层破裂，在钻硬地层时效果不理想。牙嵌式切削齿牙嵌式切削齿 在增加了金刚石薄层厚度的同时，增加了金刚石层与碳化钨基片的接触面积，提高了切削齿的研磨性和强度。环嵌式切削齿环嵌式切削齿 是牙嵌式切削齿的特殊形式，在嵌牙的外缘增加了一周聚晶金刚石环。不仅提高了切削齿的耐磨强度，还提高了耐冲击强度。二、二、PDC钻头钻头凿形切削齿凿形切削齿 通过改变切削齿的几何形状来实现提高切削齿吃入深度目的的齿形，可在坚硬的研磨性地层提高钻速。倒角切削齿倒角切削齿通过分散作用在切削刃上的力，及增加金刚石与地层的接触面积，改善PDC层的破碎强度和研磨强度。凸圆形切削齿凸圆形切削齿 可以使刚产生的岩屑失去平衡，有效防止泥包钻头现象。齿状碳化钨基柱齿状碳化钨基柱 是在碳化钨基柱圆周加工出齿状，增加基柱与钻头体之间的紧配合强度，以防止基柱转动而脱落。二、二、PDC钻头钻头（3 3）切削齿的排列方向）切削齿的排列方向）切削齿的排列方向）切削齿的排列方向 PDC钻头设计中用负前角、侧偏角和切削齿出露高度来规定切削齿的排列方向。负前角又称后倾角负前角又称后倾角，它是指复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹角。采用适当的负前角，可以大大改善切削齿的抗冲击性。一般负前角取值范围为0 25 。软地层：取0或较小负前角值；硬地层，负前角应较大，以保证有效切削，并防止冲击载荷引起切削齿的损坏。二、二、PDC钻头钻头侧偏角侧偏角是指切削齿面与钻头径向平面之间的夹角，有侧偏角的钻头比无侧偏角的钻头钻进性能好，钻速快，并可以改善钻头的清洗和岩屑的及时排除；减少岩屑粘附切削齿的机会。实验表明，侧偏角为-15时粘附机会最小。切削齿的出露高度切削齿的出露高度与所钻岩性有关，可分为全出露和部分出露两种。全部出露：适于钻软地层；部分出露：使于钻硬地层，可以提高切削齿刚度，有利于延长PDC钻头的寿命。二、二、PDC钻头钻头（4 4）喷嘴水道及排屑槽喷嘴水道及排屑槽喷嘴水道及排屑槽喷嘴水道及排屑槽喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，以及排屑槽的形状和布置都是以及排屑槽的形状和布置都是PDCPDC钻头设计中钻头设计中重要组成部分。重要组成部分。喷嘴的配置和取向基本原则：每个喷嘴或水眼喷嘴的配置和取向基本原则：每个喷嘴或水眼能清洗和冷却一组复合片。能清洗和冷却一组复合片。按喷嘴的形状可将喷嘴分为：标准喷嘴、扇射按喷嘴的形状可将喷嘴分为：标准喷嘴、扇射式喷嘴、矩形喷嘴和六角形喷嘴。式喷嘴、矩形喷嘴和六角形喷嘴。排屑槽的形状主要有楔形、扇形、半圆形。排屑槽的形状主要有楔形、扇形、半圆形。二、二、PDC钻头钻头2.PDC钻头破岩原理 PDCPDC钻头是以切削钻头是以切削 齿对地层进行切削来齿对地层进行切削来破碎岩石，整个切削过程，与金属切削破碎岩石，整个切削过程，与金属切削过程很相似。过程很相似。岩石的切削过程实质：是一种挤压过程，岩石的切削过程实质：是一种挤压过程，在挤压过程中，岩石主要以滑移变形方在挤压过程中，岩石主要以滑移变形方式成为切屑。式成为切屑。二、二、PDC钻头钻头 当岩石开始接触切削齿的刀当岩石开始接触切削齿的刀刃最初瞬时，接触点的压力刃最初瞬时，接触点的压力使岩石内部产生弹性应力和使岩石内部产生弹性应力和应变；当切削刃逼近岩石时，应变；当切削刃逼近岩石时，岩石内部弹性应力逐渐增大，岩石内部弹性应力逐渐增大，在岩石内某一位置，剪应力在岩石内某一位置，剪应力达到岩石的屈服强度，因而，达到岩石的屈服强度，因而，岩石开始沿剪切力相等的岩石开始沿剪切力相等的“初滑移面初滑移面”滑移（滑移（OAOA面，该面，该面左边代表弹性变形区，右面左边代表弹性变形区，右边代表塑性变形区）边代表塑性变形区）。二、二、PDC钻头钻头岩石经过岩石经过OAOA面在当切削刃移动时，滑移变形越来越大，面在当切削刃移动时，滑移变形越来越大，当岩石移到当岩石移到OEOE面时，将不在沿面时，将不在沿OEOE面滑移（如面滑移（如1 1、2 2面），面），而是一起沿切削齿前倾面流出，所以称而是一起沿切削齿前倾面流出，所以称OAOA为初始滑移线，为初始滑移线，而称而称OEOE为终止滑移线。为终止滑移线。当岩石沿前倾面流出时，由于受到切削齿前倾面的压力当岩石沿前倾面流出时，由于受到切削齿前倾面的压力和摩擦，切削的底层（靠近前倾面的一层）产生较大的和摩擦，切削的底层（靠近前倾面的一层）产生较大的挤压和剪切变形，结果，下层膨胀，切削向前倾相反方挤压和剪切变形，结果，下层膨胀，切削向前倾相反方向流出，离开前倾面而成为切屑。向流出，离开前倾面而成为切屑。PDCPDC钻头的破岩机理可概括为：钻头的破岩机理可概括为：PDCPDC钻头切削齿在钻压作钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石石。PDCPDC钻头不存在由于压差作用引起的岩屑清除障碍；因此，钻头不存在由于压差作用引起的岩屑清除障碍；因此，破岩效率高。破岩效率高。二、二、PDC钻头的使用钻头的使用1下钻前的准备 （1）上一个钻头起出后，立即盖好井口，防止物体落井。（2）了解上一个钻头的损坏情况。即直径磨损；切削齿的磨损及断、碎、裂；对损坏比较严重或因严重损坏而导致直径减少的钻头，要用磨鞋和打捞篮处理井眼。（3）搬运钻头要小心。最好从包装箱取出后放在胶合板或胶垫上，严禁在钻台钢板上滚动。（4）查看钻头直径、螺纹牙型是否正确，喷嘴是否畅通。（5）装卸钻头要用合适的钻头装卸器。二、二、PDC钻头的使用钻头的使用2下钻 下钻要细心。在通过封井器或缩径井段时要放慢速度，防止保径部分的金刚石复合片损坏。如果需要在缩径井段扩眼，须向上稍提方钻杆，并尽可能加大排量，以约60 rmin的转速，使钻头缓慢地穿过缩径井段，钻压不大于10 kN。当钻头下到井底时，要注意观察悬重表和钻柱扭矩。扭矩突然增大，说明钻头到达井底。然后将钻头上提0.20.3 m，同时循环钻井液，并缓慢转动5min，以确保井底干净。二、二、PDC钻头的使用钻头的使用3钻进 开始钻进前，将转速提高到60r/min，使钻头接触井底，用10kN的钻压在井底造型一般钻进0.51m。在软地层钻进，即使钻压在 1020KN，钻速也很高，此时不必加大钻压和提高转速。一般转速在100150r/min之间，效果最好。二、二、PDC钻头的使用钻头的使用 在硬地层中，井底造型要耐心，钻进第一米，可能用时较长。在完成井底造型前，只有少数切削齿接触井底，急于加压会导致PDC钻头切削齿过载而损坏。井底造型完成后，可提高转速，一般为80100r/min，然后逐渐增加钻压，直到获得满意的机械钻速为止。如果钻压增大后，发现扭距不增加、钻速不提高，说明PDC钻头不适应地层。二、二、PDC钻头的使用钻头的使用 接单根后，要以最大排量洗井，把钻头缓慢地放到井底，以防止钻头撞击井底而损坏。随着井深的增加和PDC钻头复合片的磨损，机械钻速一般要下降。磨平的PDC钻头复合片能承受更大的钻压，PDC钻头切削齿吃入地层的深度减少，此时应增加钻压，以保持机械钻速的增加。二、二、PDC钻头的使用钻头的使用4钻头清洗 在钻进软而粘的地层时，有时会出现泥包。其现象一般是钻速突然下降，泵压上升。当钻头提离井底时上述现象消失。此时需要把钻头提离井底，然后在大排量和正常转速下，把钻头恰好送到井底，并停留 1015 min，让钻井液充分清洗钻头。也可以在高转速下，较频繁地将钻头反复提离井底，将泥包物带起，从钻头表面甩掉。钻钻 头的正确头的正确 使使 用用钻头使用所涉及的因素钻头检查验收钻头装卸下钻，划眼探井底钻水泥塞和套管附件井底造型试钻确定最优钻井参数接单根判断与钻头有关的钻井迹象掌握最佳起钻时机起钻及钻头磨损分级钻头检查验收钻头检查验收）外观检查；）钻头装卸器，喷嘴，喷嘴扳手，钻头类型及系列号；）与钻具组合的匹配；）钻井方案，钻压，转速等；）钻头搬运等钻头装卸）匹配的钻头装卸器以免损伤钻头；）装卸时防止井口工具落井；）涂丝扣油，放单流阀；）推荐扭矩上扣，PDC钻头与牙轮有不同的紧扣要求如 6 5/8”REG,牙轮:2800032000 ft.lbs;PDC:4105050750 ft.lbs.下钻，划眼）通过防喷器组，套管头，缩径井段，大狗腿度，台肩及套管鞋处要控制下放速度；）轻划通过缩径井段，PDC钻头更要小心，划眼前必须开泵；）下钻要平稳，避免压力激动；）最后一个单根或立柱要大排量划眼到井底；）开泵前在井口放钻杆滤清器探井底）划眼接近井底时，监测钻压和扭矩，如钻压和扭矩增加时，表明已接触井底或沉沙；）若有沉沙，提起钻具，大排量旋转钻具划到井底，确保沉沙或落物已清洗；）在清洗沉沙后上下活动钻具；）无动力钻具，划眼按0.2吨/英寸及 40-60转/分钟要求操作；）动力钻具，划眼按0.2吨/英寸及尽量慢的转速操作钻水泥塞及套管附件）在循环和旋转钻具时要经常上下活动钻具以利于清洗钻头；）控制钻压，避免钻头损坏，如切削齿及轴承密封；）监测泵压变化，防止堵喷嘴；）遇到跳钻或扭矩变化剧烈时，调整转速；）小钻压，低转速，稳定扭矩，动力钻具，适当排量，非动力钻具，大排量井底造型）小钻压，低转速，大排量，小扭矩；）井底造型与钻头类型及钻具组合等有关；）牙轮钻头，按0.2吨/英寸及 40-60转/分钟要求操作，至少钻进36英寸；）PDC钻头，低于2吨钻压及 60-100转/分钟要求操作，至少钻进35英尺后方可加压和提高转速试钻确定最佳钻井参数）试钻是确定最优钻压和转速组合获得很快机械钻速的有效手段；）在地层变化，机械钻速变化，扭矩变化，人员变化以及作业参数变化如泥浆性能，水力学变化时要进行试钻；）试钻转速从低转速开始，钻压以推荐的钻头所承受的最大钻压为上线；）在不同的钻压和转速组合都能获得很高的机械钻速时，取不跳钻的低钻压转速组合以延长钻头寿命；）最优的钻压和转速以线性终点和扭矩的限制为佳试钻步骤）钻头提离井底，在给定的排量，转速条件下校核钻井仪表；）钻头吃入地层，变换钻压，记录在给定转速，给定进尺，不同钻压下的机械钻速，钻压增幅为2吨左右；）逐渐增加转速，记录在给定转速，给定进尺，不同钻压下的机械钻速，硬地层转速增幅为10转/分钟左右，软地层转速增幅为20转/分钟左右；）比较不同的钻压和转速组合获得的机械钻速，得到最优的钻压转速组合试钻步骤接单根步骤防钻头涡动）降低钻压50%左右；）降低转速50%左右，并保持60转/分钟左右的转速；）钻具提离井底，停转盘，并停泵；）接单根；缓慢开泵至正常排量；）启动转盘并保持60转/分钟左右的转速，循环大约分钟左右；）缓慢下放钻具到井底，逐渐增加钻压到以前的钻压值；）增加转速到以前的转速值9.与钻头有关的钻井迹象钻速降低）泥包；刺钻具；）轴承，密封失效；）跳钻；）切削结构损坏或磨损；）地层变化；）落物；）偏心转动；跟踪破碎坑；）钻压低于最优钻压；）转速低于最优值9.与钻头有关的钻井迹象钻速增加）地层变化；）最优钻压；）最优转速；）钻头清洗好9.与钻头有关的钻井迹象扭矩增加）轴承，密封失效；）钻头振动涡动；）井眼清洗不好；）切削结构损坏或磨损；）地层变化；）落物；）钻压过大；）转速低于最优值9.与钻头有关的钻井迹象扭矩波动）切削结构损坏或磨损；）地层变化；）地层有夹层；）钻头振动粘贴滑动；）落物；）钻压过大；）转速过高 9.与钻头有关的钻井迹象扭矩减小）钻头泥包；）切削结构损坏或磨损；）地层变化；）刺钻具；）钻压过大；）转速过低 9.与钻头有关的钻井迹象定向井）轴承，密封失效；）切削结构损坏或磨损；）地层变化9.与钻头有关的钻井迹象泵压增加）钻头泥包；）钻头泥包；）水力清洗不好；）水力清洗不好；）堵喷嘴；）堵喷嘴；）切削结构损坏或磨损；）切削结构损坏或磨损；）钻压过大；）钻压过大；）固含过高；）固含过高；）堵钻杆滤清器）堵钻杆滤清器9.与钻头有关的钻井迹象泵压下降）掉喷嘴；）刺钻具起钻时机）经济方面原因；）机械钻速降低，齿磨损，泥包等；）井眼轨迹控制方面原因；）泵压降低，掉喷嘴或刺钻具；）PDC钻头，泵压增加，磨损严重；）牙轮钻头，扭矩波动过大，密封失效起钻时机轴承可靠性起钻及钻头磨损分级）钻头有倒