第二章钻进工具--钻头选编课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 钻进工具,第一节 钻头第二节 钻柱,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,3-3/4 36 in,3.,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 钻 头（,Drill Bit),第一节 钻 头,刮刀钻头,二、刮刀钻头（,Drag Bit,）,（一）刮刀钻头的结构,上钻头体、下钻头体（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,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,=,12,15,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,70,80,；,中硬地层,80,85,。,刃后角,：,刃后角必须大于井底角,。,刃前角,：,90,。,第一节 钻 头,刮刀钻头,(4),提高刀翼的耐磨性,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。,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。,（,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,第一节 钻 头,刮刀钻头,（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。,第一节 钻 头,刮刀钻头,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 钻 头,刮刀钻头,（三）刮刀钻头的应用,刮刀钻头制造工艺简单，成本低；,刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低；,刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜；,刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备；,刮刀钻头目前逐渐被,PDC,钻头取代。,第一节 钻 头,刮刀钻头,三、牙轮钻头（,Roller Bit,）,（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 钻 头,牙轮钻头,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,a,b,c,第一节 钻 头,牙轮钻头,（,2,）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 钻 头,牙轮钻头,第一节 钻 头,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？,第一节 钻 头,牙轮钻头,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。,第一节 钻 头,牙轮钻头,4,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,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,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。,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；,第一节 钻 头,牙轮钻头,牙轮及牙齿的布置,第一节 钻 头,牙轮钻头,（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）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,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 钻 头,牙轮钻头,超顶引起切向滑动,副锥产生超顶效果,移轴引起径向滑动,单、双齿交替接触井底引起纵向振动,O,a,O,a,a,O,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。,第一节 钻 头,牙轮钻头,（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：,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,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 钻 头,牙轮钻头,2. IADC,分类法,系列代号,用数字,18,表示钻头牙齿特征及适钻地层；,地层等级代号,用数字,14,表示所钻地层再分为,4,个等级,；,钻头结构特征代号,用数字,19,表示钻头结构特征，其中,17,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,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 钻 头,牙轮钻头,四、金刚石钻头,（,Diamond Bit),（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 钻 头,金刚石钻头,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：,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：,a,双锥阶梯形；,b,双锥形；,c,“,B”,形；,d,脊圈式“,B”,形,第一节 钻 头,金刚石钻头,第一节 钻 头,金刚石钻头,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： 脆性大，受冲击载荷易碎裂；, 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,500010000MPa,10002000,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,粒度,：,0.515,粒,/,克拉,出刃,：最大出刃量为直径的,1/3,第一节 钻 头,金刚石钻头,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。,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,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 钻 头,金刚石钻头,五、,PDC,钻头,（,Polycrystalline Diamond Compact Bit,）,第一节 钻 头,PDC,钻头,胎体,PDC,钻头,钢体,PDC,钻头,两类,PDC,切削元件,（一）结构特点,1.,切削元件,聚晶金刚石复合片（,PDC,）,第一节 钻 头,PDC,钻头,特 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,，,19,2.,工作剖面形状,第一节 钻 头,PDC,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。,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,第一节 钻 头,PDC,钻头,4.,切削齿工作角,后倾角（负前角）,：起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值,020,，软地层小一些，硬地层大一些。,侧倾角（旁锋刀面角）,：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。,=15,左右,第一节 钻 头,PDC,钻头,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（,3,个喷嘴）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,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,1. PDC,钻头适用于软到中硬的大段均质地层，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。,第一节 钻 头,PDC,钻头,金刚石材料钻头的,IADC,分类法,第一节 钻 头,切削齿种类,和,钻头体材料,钻头冠部,形 状,水力结构,特 点,切削齿大小,和,切削齿密度,D,，,M,，,S,，,T,，,O,1,9,1,9,R,，,X,，,O,1,9,第一位字码,第二位字码,第三位字码,第四位字码,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,