石油钻采装备-钻头介绍.ppt

,吕庆达,钻头,主 要 内 容 钻头 刮刀钻头 牙轮钻头 金刚石钻头 PDC钻头,1,2,3,4,5,刮刀钻头,PDC钻头,金刚石钻头,扩眼钻头,牙轮钻头,取心钻头,钻头(Drilling Bit)是石油钻井中用来破碎岩石以形成井眼 的工具。我国常用钻头： #按类型分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头（又称复合片齿钻头）等四种； 按功用分为全面钻进钻头、取心钻头和特殊工艺用钻头（如扩眼钻头、定向造斜钻头等）。 钻井中根据所钻地层性质合理选择和使用钻头，对提高钻井速度具有重要的实际意义。,刮刀钻头是旋转钻井使用最早的一种钻头，从十九世纪开始采用旋转钻井方法的时候就开始使用这种钻头，而且直到现在某些油田仍在使用。 这种钻头主要用在软地层和粘软地层，具有很高的机械钻速和钻头进尺。 刮刀钻头最大的优点是结构简单，制造方便，成本低，各油田可自行设计和制造。,1、刮刀钻头的结构,刮刀钻头由钻头体、刮刀片、分水帽和喷嘴四部分组成。 钻头体是刮刀钻头焊接刮刀片和分水帽的本体，采用中碳钢材料加工而成。下端焊接刮刀片和分水帽，上端车有丝扣和钻柱连接。 刮刀片又称刀翼，是刮刀钻头主要工作部件,刮刀钻头,2、刮刀钻头工作原理,刮刀钻头以切削方式破碎岩石。刮刀钻头在软的塑性地层工作时，其切削过程类似于刀具切削软金属。刀片在钻压的作用下吃入地层，与此同时刀刃前面的岩石在扭转力的作用下不断产生塑性流动，井底岩石被层层剥起。,刮刀钻头,刮刀钻头,刮刀钻头钻进脆性较大的地层时，破碎岩石的过程则分为碰撞、压碎及小剪切和大剪切三个阶段： （1）碰撞：刃前岩石破碎后，岩石对刀片的扭转阻力减小， 刀片向前推进，碰撞刃前岩石； （2）压碎及小剪切：刀片在扭转力作用下压碎前方的岩石， 使其产生小剪切破碎； （3）扭转力增大，刀片继续挤压前方岩石，当扭转力增大 到极限值时，岩石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭转力突然减小。 碰撞、压碎及小剪切、大剪切这三个过程反复进行，形成刮刀钻头破碎塑脆性岩石的全过程。,2、刮刀钻头的正确使用,刮刀钻头,刮刀钻头适用于软地层和粘软地层。钻进时需要适当控制钻压与转速，注意防斜、防蹩、防止刀翼断裂。由于刮刀钻头在软地层中的机械钻速较快，岩屑量较大，宜采用大排量钻进，充分清洗井底和冷却钻头。刮刀钻头钻进时，刀翼外侧线速度较高，磨损速度较快，钻头容易磨损成锥形，此时要特别注意防斜和防止井径缩小。,牙轮钻头,牙轮钻头,从1909年第一只牙轮钻头问世后，牙轮钻头便在全世界范围内得到了最广泛的应用。三牙轮钻头是目前旋转钻井作业中使用地最普遍的钻头。这种类型的钻头具有不同的牙齿设计和轴承结,构类型，因此能够适应各种类型地层。在钻井作业中，根据所钻地层性质正确选用合适结构的牙轮钻头，就可获得令人满意的钻进速度和钻头进尺。,牙轮钻头,1、牙轮钻头的结构,三牙轮钻头的基本结构： 钻头本体：有三片牙掌组装焊接在一起,上部有连接丝扣。 牙轮：由牙轮体和牙齿组成锥形的金属体。牙齿分铣齿和镶齿两种类型 轴承及其储油密封装置 喷嘴,图13-1 三牙轮钻头的结构,牙轮钻头,2、牙轮钻头的工作原理,牙轮钻头在井底工作时，钻头整体围绕钻头轴线旋转（称之为公转），三个牙轮则依其自己的轴线在井底滚动（称之为自转）。钻头上承受的钻压通过牙齿作用在岩石上，使岩石破碎（压碎作用）。,牙轮在滚动过程中，以单齿、双齿交替接触井底，牙轮中心的位置忽高忽低，使钻头产生纵向振动。,钻头在井底的纵向振动使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形能通过牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石。这种冲击、压碎作用是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。,牙轮钻头,牙轮钻头除了对井底岩石产生冲击、压碎作用外，还对井底岩石产生剪切作用。牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动，牙齿的滑动对井底岩石形成剪切作用，象刮刀钻头那样刮削井底。牙齿的滑动主要是由牙轮的超顶、副锥和移轴布置引起的。牙轮的超顶布置和复锥牙轮引起切线方向的滑动，牙轮的移轴布置则引起轴向方向的滑动。,牙轮钻头,牙轮钻头,一般地，钻软到中硬地层的钻头兼有超顶、复锥和移轴；钻中硬到硬地层的钻头在设计上有超顶和复锥；钻极硬和研磨性较强地层的钻头常采用单锥牙轮，不超顶也不移轴。,牙轮钻头,3、牙轮钻头的分类及选用,1）IADC分类及编号,轮钻头生产厂商众多，这些钻头厂商提供了多种类型和结构的钻头。为了便于牙轮钻头的选择和使用，国际钻井承包商学会（IADC）制定了全世界统一的牙轮钻头分类标准及编号方法。IADC规定，每一类钻头用三位数字代表，个数字意义如下： 第一位数字表示牙齿类型及适钻地层： 1- 铣齿，软地层； 2- 铣齿，中到中硬地层； 3- 铣齿，硬、研磨性或半研磨性地层； 4- 备用； 5- 镶齿，软到中等地层； 6- 镶齿，中硬地层； 7- 镶齿，硬、研磨性或半研磨性地层； 8- 镶齿，极硬、高研磨性地层,牙轮钻头,第二位数字表示所钻地层再细分为1，2，3，4四个硬度等级。 第三位数字表示钻头的结构特征： 1- 无密封滚动轴承； 2- T型外排齿保径； 3- 规径上有镶齿保径； 4- 密封滚动轴承； 5- 密封滚动轴承，规径上有镶齿保径； 6- 密封滑动轴承； 7- 密封滑动轴承，规径上有镶齿保径； 8- 定向井造斜钻头； 9- 其它。,2）国产牙轮钻头分类 国产牙轮钻头按其结构特征分为八个系列m,分别用代号Y 、 P 、MP、MPB、HP、HPB、XMP、XH表示，各代号的意义如下： Y-普通齿牙轮钻头； P-喷射式齿钻头； MP-滚动密封轴承喷射式齿钻头； MPB-滚动密封轴承喷射式保径钻头； HP-滑动密封轴承喷射式铣齿钻头； HPB-滑动密封轴承喷射式保径钻头； XMP-镶齿滚动密封轴承喷射式钻头； XH-镶齿滑动密封轴承喷射式钻头。,牙轮钻头,牙轮钻头,据所钻地层性质的不同，国产牙轮钻头又分为七种不同类型，按适用地层从软到硬的次序分别用数字（或字母）1（JR）、2（R）、3（ZR）、4（Z）、5（ZY）、6（Y）、7（JY）表示，其意义如下： 1（或JR）-极软地层； 2（或R ）-软地层； 3（或ZR）-中偏软地层； 4（或Z ）-中等地层； 5（或ZY）-中偏硬地层； 6（或Y ）-硬地层； 7（或JY）-极硬地层。,牙轮钻头种类很多，适用范围广泛，从松软到坚硬地层均有相适应的钻头类型供选择。在实际钻井作业中，要根据所钻地层性质，选用合适类型的钻头，以获得比较高的机械钻速和钻头进尺。 牙轮钻头使用时要注意保证下钻慢、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。,牙轮钻头,金刚石钻头,金刚石钻头是指靠镶嵌在钻头胎体上的金刚石颗粒破碎岩石的钻头。金刚石是目前人类所知材料中硬度最大、耐磨性最高的材料，因此金刚石钻头用于硬的、高研磨性地层，可获得比较高的钻头进尺。虽然金刚石比较昂贵，但金刚石钻头耐磨损，单只钻头进尺高，在当今的石油钻井仍有较强的竞争力。目前，金刚石钻头在普通的旋转钻井以及涡轮钻井和取芯作业中都得到了广泛的使用。 金刚石钻头属于整体式钻头，其结构主要包括钢体、胎体、水眼及水槽、金刚石等部分。,金刚石钻头钻进时，钻头表面上的多粒金刚石同时作用于岩石。金刚石破碎岩石的作用在不同性质的岩石中表现出不同的特性。在塑性地层（或岩石在应力作用下呈塑性的地层），金刚石在,金刚石钻头,钻压的作用下吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石发生破碎或塑性流动，该破岩过程类似于“犁地“过程，故称作“犁削“。,1、金刚石钻头工作原理,金刚石钻头,在脆性较大的地层中钻进时，金刚石破碎岩石的作用主要是“压碎“，在钻压和扭矩作用下所产生的应力可使刃下岩石沿最大剪应力面开裂，在金刚石移动的后部形成被压裂了沟槽，这种情况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后破碎的体积，岩石破碎具有体积破碎的性质，破岩效率较高。在坚硬地层（如燧石、硅质白云岩等）中，一般采用将细颗粒金刚石包镶在胎体内部的孕镶式金刚石钻头钻进，其破岩过程同砂轮的磨削相似。钻头上每一个包孕的金刚石都是小刃齿，钻头可看作有无数个刃的刀具。钻头钻进岩石时，钻头上出露的棱角锋利的金刚石刃齿以微切削、刻划等方式来破碎岩石。磨削破岩属于表面破碎，破岩效率较低。,金刚石钻头,金刚石钻头适用钻中到坚硬、研磨性地层和涡轮钻井、深井超深井钻井以及取芯作业。使用金刚石钻头前，井底要打捞干净，保证没有金属落物。钻头刚下到井底时，要先用小钻压、低转速跑合。然后采用相对较低的钻压（和牙轮钻头相比），较高的转速和较大的排量钻进。应尽量避免划眼。如果必须进行划眼，应采用低钻压和低转速，操作要均匀，防止钻头规径部分金刚石碎裂和过度磨损。,1、金刚石钻头正确使用,PDC钻头,PDC钻头,PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称（Polycrystalline Diamond Compact Bit） ，也称聚晶金刚 石切削块钻头或复合片齿钻头。从1973年美国通用电气公司引入PDC切削块，研制出第一个PDC钻头后，PDC钻头便以其钻速快、寿命长、进尺高等优势，在石油钻井中得到了广泛的应用。几乎所有钻头制造商都采用了这一技术，开始生产自己的PDC钻头系列。 PDC钻头由钻头体、PDC切削齿和喷嘴等部分组成，按结构与制造工艺的不同分为钢体和胎体两大系列。,PDC钻头,PDC产品性能不断改进 在过去的几年间，PDC切削齿的质量和类型都发生了巨大的变化。如果将世纪年代的齿与当今的齿进行比较的话，差异是相当大的。由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高 。 工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，以提高切削齿的韧性。层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。 除了材料和制造工艺方面的发展以外，PDC产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。现在，PDC产品已可被用于以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。这种向新领域中的扩展，对金刚石（固定切削齿）钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。,PDC钻头,最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。PDC钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。 由于钻头设计和齿的改进，PDC钻头的可定向性也随之提高，这进一步削弱了过去在钻井中牙轮钻头的优势。 目前，PDC钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。,PDC钻头,1、PDC钻头的工作原理,PDC钻头是以切削方式破碎岩石。能自锐的切削齿在钻压 的作用下很容易切入地层，在扭矩的作用下向前移动剪切岩石。多个PDC切削齿同时工作，井底岩石的自由面多，岩石在剪 切作用下也容易破碎，因此破岩效率高，钻进速度快。,PDC钻头,2、PDC钻头的使用说明,(1)PDC钻头在大段均质的软到中硬地层中使用效果最好,不适合钻砾石层和软硬交错地层。 (2)采用低钻压、高转速、大排量钻进，钻头使用效果好。 (3)钻头下井前，井底要清洁，确保无金属落物。 (4)钻头刚下井时，要采用小钻压和低转速跑和，待形成井 底后恢复正常钻进。 (5)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。,PDC钻头,(1)钻头使用前的准备工作： 首先应仔细检查前一只钻头的使用情况，了解钻头规径的磨损状态，检查钻头体上是否有缺落性的损坏（缺落部分如掉齿等会对即将入井的钻头造成伤害）。 钻头的工作稳定性对于防止井斜并最大程度地发挥钻头的性能具有重要作用，因此，使用PDC钻头时都推荐钻头在稳定的工作状态下钻进。然而，由于具体的钻井过程以及井眼条件的特殊性，有时并不需要刻意追求这种稳定性。所有的稳定器和扩眼器都应该检测其外径，以确保外径尺寸不过大。,3、PDC钻头的使用,PDC钻头,(2)操作： 新钻头首次钻进： 1在钻头接近井底时将泵的排量开到最大，而后启动转盘，将转速控制在3060rpm。缓慢下钻直至钻头接触井底。 2为了形成新的井底，在钻进最初的1m左右深度井眼的过程中，应该按照推荐的起始钻压值施加钻压。表中提供了不同尺寸的各种型号钻头的起始钻压值。钻头的起始工作参数（钻压和转速）至少应维持钻完一只钻头的长度。,3、PDC钻头的使用,PDC钻头,(2)操作： 新钻头首次钻进： 3新的井底形成后，就可以平缓、均匀地增加钻压直至达到正常钻进时的钻压水平。对于极软地层，该钻压与起始钻压非常接近。对于较硬的地层，钻头磨合形成新井底将花费较长的时间，最终的正常工作钻压也较高。最佳的钻压值应该是：当钻压达到此值后，钻头的机械钻速ROP不再随着钻压新的增加而增加，或钻头扭矩已达到极限扭矩值。,3、PDC钻头的使用,PDC钻头,(2)操作： 4增加钻头转速直至达到预期水平。钻头的最佳转速应该是：当转速达到此值后，钻头的机械钻速ROP不再随着转速新的增加而增加，或钻头扭矩已达到极限扭矩值。通常情况下，钻头在较软的岩石中钻进时的机械钻速ROP对转速的变化更加敏感。对于较硬、研磨性较强的地层，高的钻头转速易导致切削齿提前磨损失效。因此，及时监测钻头钻速ROP随转速RPM的变化情况是很重要的，这样我们可以在最低的转速下达到预期的机械钻速，一般而言，推荐的钻头转速范围为60240rpm。,3、PDC钻头的使用,PDC钻头,(2)操作： 新钻头首次钻进： 5当钻遇岩性变化的地层时，应连续监测和调整钻压和转速，以达到最优的钻头寿命和钻进速度。,3、PDC钻头的使用,PDC钻头,(2)操作： 接单根： 除了没有磨合形成新井底的过程外，接单根时遵循与新钻头首次钻进相似的规程。 1当钻达方钻杆尾端时，降低转速至3060rpm。 2制动刹车，不再送钻，使钻头上的部分钻压在数分钟内逐渐得以释放。 3将钻头提离井底，停止钻头转动。,3、PDC钻头的使用,PDC钻头,(2)操作： 接单根： 4接单根完毕后，钻头重新入井。在钻头接近井底时开足钻井泵排量，使井底泥浆充分循环。开动转盘（或顶驱），转速3060rpm。 5钻头到达井底后，首先增加