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钻头基础知识 1 钻头类型 1 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2 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 国产钻头的直径系列 共有15种 常见 17 1 2 12 1 4 8 1 2 6 进口钻头尺寸进口钻头直径系列非常复杂 例如美国休斯公司所产钻头从33 4 到26 共46种直径系列 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 4 刮刀钻头的结构 1 上钻头体 下钻头体 分水帽 刀翼 水眼 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2 刮刀钻头的应用及特点刮刀钻头制造工艺简单 成本低 刮刀钻头适用于低硬度高塑性地层 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 5 牙轮钻头 牙轮钻头由钻头体 牙爪 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 牙轮钻头结构图 各种牙轮钻头 钢齿牙轮钻头与镶齿牙轮钻头 1 钢齿牙轮钻头钢齿钻头又称为铣齿钻头 其牙齿是在牙轮毛坯上直接铣削加工而成的 牙齿形状为楔形齿 钢齿钻头大多用于软的上部地层 研磨性较低的地层一般也选用钢齿钻头 为了提高牙齿的耐磨性或使牙齿有自锐作用 在牙齿的表面及保径面上均敷焊有一层碳化钨粉 钢齿钻头可分为软 中 硬地层钻头三种 其详细的分类方法及适用地层见后面的IADC分类 钢齿牙轮钻头与镶齿牙轮钻头 2 镶齿牙轮钻头镶齿钻头 又称碳化钨硬质合金齿钻头 它是将端部形状不同的 圆柱形的烧结碳化钨硬质合金齿压入锻制的牙轮壳体上已精加工好的孔内而构成镶齿牙轮钻头 镶齿钻头的切削结构具有很高的抗磨损和承载能力 其使用寿命较长 尤其是破碎硬的 研磨性高的地层 如隧石 石英岩等 效果更好 这种钻头适用地层范围广 已在石油钻井得到了广泛的应用 镶齿牙轮钻头 目前国内外常用的镶齿钻头的硬质合金齿齿形有十多种 如球形 尖卵形 圆锥形 楔形 勺形 锥勺形 偏顶勺形 边楔形 平顶形等等 如图4 2所示 针对不同的地层 不同的岩性 要选择不同齿形的钻头 楔形齿 齿呈楔子状 对地层具有切削 挖掘作用 其齿顶角有60 65 70 75 90 等 适用于软至中硬地层 齿顶角越大 适用的地层越硬 球形齿的端部是个半圆形球面 耐磨性最好 它以凿击和压碎作用破碎地层 这种齿钻硬至极硬地层的破岩效率较高 尖卵形 圆锥形齿 既有凿击和压碎作用 也有刮削和挖掘作用 其抗磨能力及强度都比楔形齿高 适用地层较广 在中硬地层使用效果最好 镶齿牙轮钻头 镶齿牙轮钻头 勺形齿齿形如勺子 切削地层时 靠向内凹的勺形面挖掘 刮削作用破岩 这种齿形改善了牙齿的受力状况 既提高了破岩效率 又增加了齿的强度 能在极软至中软地层中高效率地破岩 在勺形齿的基础上 又发展了偏顶勺形齿及圆锥形勺形齿 偏顶勺形齿的齿顶超前了其轴线一个距离 其凹面正对被切削的地层 改善了牙齿的受力分布 进一步提高了牙齿的破岩效率和工作寿命 表4 l列举了几种常用齿形及其适用的地层 表4 1适用不同地层的齿形 牙轮钻头轴承结构 两大体系 1 滚动轴承 2 滑动轴承 1 滚动轴承 滚动轴承 如图4 3所示 的结构形式有滚柱 滚珠 滚柱 止推和滚柱 滚珠 小轴滑动 止推两种 前一种一般是用于12 1 4 以上的大尺寸钻头上 1 滚动轴承 滚动轴承按密封方式可分为非密封滚动轴承与密封式滚动轴承 非密封滚动轴承的特点是能适应较高的转速 但轴承磨损快 工作寿命低 主要用于上部井眼钻头 而密封式滚动轴承是在牙轮底平面处安装了密封元件 密封元件有 O 形图密封 碟形橡胶圈密封和金属密封 从而使轴承的工作寿命大为提高 密封滚动轴承的转速范围一般为100 250r min 无论哪种滚动轴承 牙轮的大部分径向载荷都是由滚柱槽承受的 小轴轴承主要起稳定作用 只承受少量的径向载荷 止推面和止推块承受向外的轴向推力 滚珠轴承使牙轮挂在牙掌上并承受向里的轴向推力 2 滑动轴承 滑动轴承 如图4 4 是为了与硬质合金齿的寿命相匹配而设计的 它也有两种结构 一是滑动 滚动 滚珠 滑动 止推 二是滑动 滑动 卡簧 滑动 止推 为了提高轴承的工作寿命 使轴承能在较高的温度和压力环境中良好地工作 摩擦副材料选用了高强度低碳合金钢制作 对牙掌轴颈 大轴颈 还进行渗碳等硬化处理 以提高其表面硬度和耐磨能力 对牙轮内孔跑道则镶焊铜合金或其他减磨材料 以提高滑动副的抗咬合能力 滑动轴承结构图 滑动轴承 滑动轴承可用各种密封圈作径向或者端面密封 与滚动轴承相比 滑动轴承的承压面积大 接触疲劳应力小 使用寿命较长 在常规的转速条件下 滑动轴承能承受更高的钻压 但除金属密封滑动轴承外 普通滑动轴承的转速范围一般在60 140r min 比滚动轴承低 除了前面所谈的两种结构形式的滑动轴承外 瑞德工具公司还研制出了一种新型的滑动轴承 即带浮动套的滑动轴承 如图4 5所示 浮动套轴承是在轴承大轴颈与牙轮内孔之间加了两个可作相对运动的浮动式衬套 并在小轴上套有两个止推垫圈 浮动套与垫圈表面都作镀银处理 这样大大地降低了摩擦力 又不致使耐磨能力减低 使轴承转速和工作寿命大为提高 滑动轴承 牙轮钻头的测量 牙轮钻头的分类 牙轮钻头的IADC分类方法 IADC新的牙轮钻头的分类系统确立了有关牙轮钻头的四种设计特征的编码标准 使牙轮钻头的分类方法更加成熟 更能体现牙轮钻头结构的设计特征 走向了系列化和标准化 按此标准 每个牙轮钻头的分类均可用四个与钻头设计特征相关的编码 数字的或字母的 来表示 即 IADC编码 这个四位数的编码依次代表牙轮钻头的 切削结构系列 切削类型 轴承与保径和钻头的附加设计特征 IADC编码的前三位是数字型的 第四位是字母型的 1 第一位编码 切削结构系列 l 8 八种分类或系列数字代表着一般的钻头所适用的地层特征 系列1 3指的是钢齿 或铣齿 钻头 4 8代表的是镶齿 碳化钨硬质合金齿 钻头 不论是钢齿钻头还是镶齿钻头 随着系列数字的增大 其所代表的地层硬度与研磨性也相应增加 2 第二位编码 切削类型 l 4 每种切削结构系列又可分为四个 类型 或硬度级别 类型1指的是专为某一系列中最软的地层而设计的钻头 类型4则代表这一系列中最硬的地层 3 第三位编码 轴承与保径 l 7 轴承和保径设计分为七种 4 第四位编码 附加特征共用十六个字母来分别代表钻头设计的 附加特征 它包括一些特殊的切削结构 轴承 水力分布方式和钻头体保径等方面的结构特征 有时在一个钻头的设计中同时具有好几种 附加特征 在IADC的编码中 则只把最重要的一项表示出来 牙轮钻头在井下工作情况判断 正常情况当地层岩性无变化时 正常钻压下 转盘转动均匀 转盘链条无上下跳动 钻时正常无明显变化 指重表 泵压表指示平稳 刹把无异常感觉 轴承损坏转盘出现周期性蹩跳 钻压小蹩跳轻 钻压大则蹩跳重 钻速下降 泵压正常而指重表指针有摆动 牙轮卡死转盘负荷增大 转盘链条跳动 方钻杆有蹩劲 停转盘打倒车 钻速下降 指重表指针摆动严重 掉牙轮转盘负荷增大 转盘链条严重跳动 停转盘打倒车 蹩钻严重 指重表指针来回摆动 钻速明显下降或无进尺 上提钻具变换方向下探方入有变化 高差约为一牙轮高度 牙齿磨 脱 光转盘负荷减轻 方钻杆无蹩跳 钻速明显下降或无进尺 指重表指示平稳无摆动 泵压正常 钻头泥包转盘负荷增大有蹩跳现象 钻速下降 上提钻具有不同程度的挂卡 泵压上升 严重时蹩泵 6 金刚石钻头 DiamondBit 金刚石钻头按其使用地层可分为 普通金刚石钻头 聚晶金刚石复合片钻头 简称PDC钻头 两大类 其中聚晶金刚石复合片钻头适用于软至中硬地层 而普通金刚石钻头适用于及坚硬和研磨性高的地层 金刚石钻头 1 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 2 金刚石钻头的应用及优缺点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 3 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 金刚石钻头 4 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 5 金刚石钻头的正确使用适用于硬 研磨性地层 涡轮钻井 深井钻井 取心作业 寿命长 进尺高 钻头下井前 井底打捞干净 确保没有金属落物 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 采用大排量钻进 7 PDC钻头 优点 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 缺点 弱点是热稳定性差 350 以上加速磨损 抗冲击能力较差 PDC钻头的正确使用 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 与牙轮钻头相比 PDC钻头宜采用低钻压 高转速钻进 正常钻进时优选钻井参数 钻压30 60KN 转速217 117r min 每钻进250 300米 必须进行一次中途短起 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 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钻头的正确使用 由于金刚石抗冲击性能差 脆性大 因此上下钻台不能碰撞硬物 井下不得有落物 井底有落物时应起钻 严禁顿钻和溜钻 下钻遇阻严禁强行下压 应接方钻杆开泵冲划 但不超过30米大段划眼 在下钻到最后两单根时 接方钻杆冲划到井底并开大排量循环 将井底循环干净 然后 用小钻压 低转速钻进0 5米 进行井底造型 PDC钻头的选择 根据钻井方式选择钻头 直井应选择钻速快 寿命长的钻头 定向井选择造斜或稳斜性能好 适合于配井底马达的高转速钻头 根据地层情况选择钻头 包括所钻地层的类型 硬度 岩性等 根据钻井条件选择钻头 如设备能力 根据钻井参数选择钻头 PDC钻头冠部轮廓形状有抛物线型 圆形和锥形三种 其中 抛物线型 适用于各种软地层 具有进尺多 机械钻速高 稳定性好的特点 适合于转盘及井下动力钻具 圆形 工作面积小 水力集中 清洗较好 有利于钻穿硬夹层 在转盘钻井中常用 锥形 吃入性好 稳定性强 适合于转盘及高转速下动力钻具钻井 8 取心钻头 取心钻头的功用是环形破碎地层 形成岩心 目前 常用的有刮刀取心钻头 领眼式硬质合金取心钻头 硬质合金取心钻头和金刚石取心钻头等 为了提高岩心收获率 除在下部使用扶正器外 首先要求取心钻头工作稳定 因此钻头的切削元件要对称分布 其耐磨性应一致 以免在钻进时发生歪斜 从而破坏及折断岩心 同时要求钻头底面 井底 与岩心爪的距离尽可能短些 使岩心形成后很快就能进入内岩心筒被保护起来 从而避免破坏和冲蚀 IADC钻头磨损定级表 八位数表示法 1 内排齿 指所有的从钻头中心到2 3半径范围内的齿 2 外排齿 指距离钻头中心线2 3半径范围之外的齿 第 1 和第 2 栏用数字0 8呈线性描述切削齿的磨损情况 具体如下 A钢齿钻头0 无磨损或断齿 即为新齿 8 全部齿磨损或断完 B镶齿钻头测量出因磨损掉齿或断齿的齿的数量 0 无磨损 掉齿或断齿 即为新齿 8 全部镶齿磨损 掉齿或断完 C金刚石钻头对脱落 磨损或断齿的齿的数量 0 无脱落 磨损或折断的切削刃 8 全部切削刃脱落 磨损或拆断完 3 磨损特征 仅用于与编码相关的切削结构 BC 牙轮破裂LN 掉喷嘴BF 联结失效LT 掉齿 刃BT 切削齿 刃断裂OC 偏心磨损BU 钻头泥包PB 钻头缩径CC 牙轮有裂痕PN 喷嘴 流道堵塞CD 牙轮卡死RG 规径磨圆CI 牙轮打架RO 磨出环形槽CR 钻头 取心 RR 钻头可再用CT 切削齿 刃破碎SD 掌尖磨损ER 冲蚀SS 自锐磨损FC 齿顶磨平TR 齿间磨损HC 热裂纹WO 冲涮JD 碎屑损坏WT 牙齿 切削齿磨损LC 掉牙轮NO 无磨损特 4 位置 牙轮金刚石切削刃N 顶部齿圈C 内锥M 中间齿圈N 冠部 鼻部G 规径齿圈T 外锥A 全部齿圈S 肩部G 规径A 所有部位 5 轴承 密封不密封轴承呈线性预测轴承寿命 0 轴承未用 8 全部寿命用完或无剩余寿命 密封轴承E 密封有效F 密封无效N 不能定级X 金刚石钻头 无轴承 6 规径 以1英寸或25 4mm的分数值来表示 I 规径无磨损1 16 规径磨