石油钻井设备与工具- 聚晶金刚石钻头PPT演示课件

第四节聚晶金刚石钻头,1,以金刚石类材料为切削齿的钻头统称为金刚石钻头。按照金刚石种类的不同，将金刚石钻头分为四类：1、聚晶金刚石复合片（PDC）钻头2、热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）3、表镶金刚石钻头4、孕镶金刚石钻头,2,聚晶金刚石复合片钻头,3,表镶金刚石钻头,4,孕镶金刚石钻头,5,一、金刚石类材料简介,1、切削齿对材料性能的要求1）良好的机械力学性能。破岩需要良好的硬度、强度、韧性。2）耐磨性。抵御岩石的磨损。满足以上要求的材料有金属陶瓷、金刚石，统称为超硬材料。比如:硬质合金、单晶和聚晶金刚石等。金刚石是人类目前所知材料中最硬、抗压强度最强、抗磨损能力最高的材料，因此它是作为钻头切削刃最理想的材料。,6,天然单晶金刚石,2、金刚石的种类金刚石按其成因可分为两大类：天然金刚石：单晶金刚石;人造金刚石：单晶或聚晶金刚石、聚晶金刚石复合材料。,7,人造单晶金刚石,8,聚晶金刚石,9,聚晶金刚石复合材料复合片,10,11,3、金刚石材料简介,1）性能,硬度,弹性模量,冲击韧性,热胀系数,热传导系数,抗压强度,12,2）金刚石的结构,石墨,金刚石,金刚石为石墨的同素异形体。,13,金刚石的晶体类型：,14,3、合成金刚石机理与工艺,碳的相图,15,人造金刚石的是用石墨在某些金属触媒的作用下，在510MPa压力及1000C2000C高温条件下制成单晶金刚石。目前已能合成直径3mm或更大的大颗粒单晶金刚石，但成本较高。目前我国人造单晶金刚石的产量已居世界第一位。,16,合成金刚石的方法很多，主要有高压法:静压法动压法低压法:CVD法,17,18,六面顶压机结构原理,19,20,4、金刚石材料的特点,优点：硬、耐磨缺点：脆性较大，遇到冲击载荷会引起破裂。热稳定性较差，在高温下金刚石会燃烧变为二氧化碳和一氧化碳；在空气中，约在455860之间，金刚石就要出现氧化燃烧；在惰性或还原性气体中不会氧化燃烧，但约在1430C时，金刚石晶体出现同素异形转换变成石墨。对于聚晶金刚石复合片由于内部含有部分金属，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。因而，金刚石钻头的设计、制造和使用中必须避免金刚石材料经受高的冲击载荷并保证金刚石切削齿的及时冷却。,21,5、金刚石切削齿,1）单晶金刚石种类：天然、人造特点：颗粒小。2）聚晶金刚石聚晶金刚石是将直径约1100um之间的人造金刚石单晶微粉，加入一定配比的粘结金属或其他材料在高温高压下聚合而成的大颗粒的多晶金刚石材料。有PDC和TSP两类。,22,聚晶金刚石复合片结构：复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于3mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。特点：A、金刚石和硬质合金两种材料的有机结合，使PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金材料的强度和抗冲击能力。,23,24,B、自锐性由于金刚石的耐磨性是硬质合金的300倍以上，在钻进过程中硬质合金磨损量大于金刚石层，使得金刚石层始终保持一定的出露量，整个复合片齿始终保持良好的锋利性。,25,C、热稳定性差聚晶金刚石复合片内部含有部分金属触媒，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。同时由于金刚石层与硬质合金的热胀系数存在差异，受热也会造成金刚石的脱层。其耐热温度700。,26,D、脆性大，抗冲击韧性差金刚石本身脆性大；硬质合金层与金刚石的弹性模量不同，冲击响应频率不同，受冲击载荷作用时，金刚石层受到的冲击不能完全由硬质合金层吸收，容易造成金刚石层发生崩裂，因次适应地层受到限制。,27,为提高硬质合金层与金刚石层之间的结合强度，增强复合片的耐冲击韧性，对硬质合金层与金刚石层的结合方式进行了不同的处理，出现了多种结构的复合片。,28,29,30,3、种类常用的PDC直径为13.4mm、16mm、19mm和8mm。目前PDC正朝着大直径方向发展，最大的直径可达50.8mm，而且金刚石层也有加厚的趋势，已有厚度达2.5mm的PDC齿。,31,热稳定性聚晶金刚石（ThermallyStablePolycrystalline(TSP)Diamond）与PDC的主要区别：将聚晶金刚石中的金属粘结剂用酸去除，使聚晶金刚石的耐温性大大提高。耐热温度达到1150。特点：颗粒较大，有一定的耐温性。,32,热稳定聚晶金刚石,33,二、PDC钻头,34,PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompactBit，即聚晶金刚石复合片钻头）是随着PDC复合材料的发展而发展起来的一类新型钻井工具。它是美国石油钻井工业20世纪80年代的一项重大技术成就。PDC钻头在石油钻井中的应用使于70年代中期。以锋利、耐磨、能够自锐的聚晶金刚石复合片切削齿剪切破碎岩石。由于这种钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，大大降低了钻井成本，所以PDC钻头广泛应用于软到中硬地层的油井的钻进。目前，PDC钻头的用量和在钻井中总进尺的比例逐年上升，迄今已达到45%左右。,35,一)钻头结构,1、结构,36,2、PDC钻头分类按钻头体材料分类：钢体、胎体；按刀翼数量分类：3-12刮刀。,37,钢体PDC钻头,胎体PDC钻头,38,3、PDC钻头结构参数,39,切削结构基本参数,40,水力结构基本参数：,41,二）切削结构及参数1、冠部形状钻头冠部形状是指钻头切削齿外部轮廓的包络线。由内锥、外锥和鼻部组成（见图）。,42,43,短抛物线,长抛物线,44,钻头的冠部形状决定了钻头切削形成的井底形状，使得切削齿接触井底的先后次序发生变化。由于最前端的切削齿（鼻部齿）在半无限体状态下破碎岩石，所受的单位面积的切削力最大，而后序切削齿由于自由面形成，所受的单位面积的切削力逐次降低。因此钻头冠部形状对切削齿的受力有较大的影响。同时内锥影响钻头的稳定性，外锥影响钻头的布齿数量和布齿密度；内外锥结构对流道形状也有较大的影响。,45,冠部形状参数：对于通常采用的圆弧形冠部，其形状可由内锥角和外锥圆弧半径r两个参数确定（图）。,46,冠部形状参数确定方法冠部内锥角的大小影响钻头的稳定性，内锥角越小钻头越稳定。随着地层硬度的增加，内锥角逐渐减小、内锥高度增加，以保持钻头的稳定性。内锥深度与内锥角有关，按内锥角的大小将内锥深度分为浅锥和深锥两种，对应关系为：内锥角130浅锥内锥角130深锥一般根据地层软硬变化取值范围为120170。,47,钻头的外锥弧半径决定了摆放切削齿的总数量、切削齿的切削体积和流道的形状，因此外锥圆弧半径与钻头齿的磨损和携岩效果密切相关。圆弧半径的确定原则为：在保持携岩流道畅通的前提下，尽量减小圆弧半径。同时要考虑钻头转速，一般转速越快外锥部位磨损越严重，需要增加圆弧长度以增加切削齿的数量。常规钻头外锥圆弧半径由冠部高度系数确定：冠部高度系数定义为：,48,冠部高度即为钻头圆弧部位的总高度。按照冠部高度系数将冠部圆弧半径大小分为四级（如图），具体分级描述如下：,冠部圆弧半径大小分级,49,冠部高度系数与适用条件的对应关系为：,50,2、布齿密度与布齿间距布齿密度定义为单位长度内切削齿的总面积，也可用两个切削齿之间的切削弧长表示（如图）。布齿密度的大小由冠部形状、刀翼数量和布齿间距决定。在冠部形状、刀翼数量确定的条件下，布齿密度取决于布齿间距的大小。,51,52,布齿间距定义为刮刀上相邻两切削齿之间的间隙宽度（图）。,53,为使切削齿准确定位，切削齿之间不能接触，因此需要一定的布齿间距。布齿间距由冠部圆弧半径、切削齿长度、切削齿直径、齿前角、切削齿后部距离决定（如图）。,54,3、切削齿空间结构参数PDC钻头切削齿空间结构由四个基本参数确定：齿前角、侧转角、装配角和位置角（如图）。,55,齿前角金刚石复合片绕水平直径线旋转一个角度，切削齿切削平面和切削齿轴线所成的角称作齿前角。研究表明，齿前角的大小与破岩效果密切相关，齿前角绝对值越大，下部的岩石多向压缩应力增加，压碎的岩石比例增大，不易形成较大体积的剪切破碎，破岩效率降低；而齿前角变小，一方面复合片后部趋于平缓，切削齿不易深度吃入地层，另一方面由于切削齿受拉、弯应力相对增加，易造成复合片崩裂。因此齿前角存在最优值（如图）。,56,57,最优值的大小与地层特性、切削齿的性能等因素有关。一般而言，对于较硬地层，齿前角绝对值取大值。对于软地层齿前角绝对值应较小，一般在-10到-30度范围内。中心部位切削齿由于回转半径很小，受力状态复杂，齿前角绝对值较大，其它部位切削齿的齿前角根据地层条件确定，其选择范围见表：,58,59,侧转角由于切削齿有一定的厚度，当其在切槽中旋转时，由于其切削刃部分集中在复合片前部（1-2mm），其后部支撑部分会在环槽内与地层产生摩擦磨损（如图），影响机械钻速，同时侧转角还对岩粉的运移产生影响。摩擦磨损的部分在角a范围内。为避免上述情况，需要将复合片沿其中心线旋转一定的角度b，此角度即为侧转角（如图）。,60,61,62,装配角切削齿柱轴线与钻头轴线成一角度，此角称作装配角。装配角为确定参数，由钻头的冠部形状和齿径向半径决定。,63,位置角切削齿位置角为切削齿在钻头圆周上所处的方位角（如图）。切削齿位置角由其所处的刀翼位置、刀翼形状确定。,64,65,4、切削齿直径目前市场上常规PDC齿的直径为：13.4mm、16mm、19mm、25.4mm四种。齿直径的选择依据地层条件。大直径齿出露量大、机械钻速高、不易泥包，适合软地层。小直径齿抗冲击韧性相对较好，但出露量较小，适合硬地层。切削齿尺寸选择与地层的对应关系如下：,66,5、刀翼数量、形状及位置角刀翼数量对刮刀PDC钻头而言，钻头冠部形状确定后，刀翼数量决定了切削齿的布齿密度和数量。同时其位置角影响钻头的整体受力和流道的结构。,67,地层越硬钻头磨损越严重，需要增加切削齿的数量，刀翼数量也越多。常规钻头刮刀数范围为39。刮刀数量与地层硬度的对应关系为：,68,刀翼形状刀翼形状与钻头的冠部形状、切削齿的空间结构参数有关。刀翼形状影响钻头流道结构、钻头受力和携岩效果。其基本参数由切削齿空间结构参数确定，其基本结构形式分为以下三种：,69,直刀翼：钻头刀翼的俯视投影为直线（如图）一般其冠部圆弧较小，用于中软至硬地层钻头。,70,常规螺旋：刀翼形状由直线段和螺旋线组成，适用于各种地层。大螺旋：刀翼形状为螺旋型，由切削齿的位置拟合得到，适用于软地层。,71,刀翼位置角各刀翼位置角由周向角限定。周向角即为刀翼的方位角（如图）。,72,周向角依据结构对称原则、流道协调原则设计。结构对称是指长短刀翼的搭配力求做到在结构上对称，使任意横截面两边的切削齿数量和切削结构基本对称（如图）。,73,74,流道协调原则是指流道的过流面积变化协调均匀，避免局部流道堵塞或局部狭窄，防止局部岩屑堆积（如图）。,75,6、保径结构与形状钻头保径除保持井眼直径外，对钻头的导向性能和钻头稳定性影响较大。其结构由保径长度、保径宽度、保径形状确定。一般而言，地层研磨性越大，保径面积应加大。在保持井眼直径的前提下，考虑钻头的导向性能和稳定性。,76,保径的形状分为直线形和螺旋形两种。保径形状与刀翼形状、地层特性以及井眼轨迹控制等因素有关。一般刀翼形状为螺旋形则保径为螺旋形。,77,三）钻头水力结构参数确定原则钻头水力结构主要包括两部分：流道结构和喷嘴及空间分布。,78,1、流道结构流道结构与尺寸结构设计目标是最大限度的增加流道空间，便于岩粉尽快离开井底，避免岩粉的二次破碎。一般流道深度为喷嘴的最佳喷距，也即喷嘴直径的57倍；流道的宽度越大越好，其由刀翼空间决定，因此一般情况下在保证刀翼强度的前提下尽量采用较窄刀翼形状。,79,2、喷嘴及其空间结构参数喷嘴的数量与尺寸喷嘴数量和尺寸是由水力学参数优化设计结果确定的。喷嘴的当量直径可由排量和设计钻头压降计算得到：,式中：P设计钻头压降；Q排量；A钻头喷嘴过流面积；D喷嘴当量直径；Dj第j个喷嘴的直径；N喷嘴个数。,80,由排量和设计钻头压降计算得到钻头喷嘴的当量直径后，根据喷嘴个数确定每个喷嘴直径。每个喷嘴直径有不同，但差别不能太大，以使钻头表面的液流分布均匀。,81,喷嘴的空间结构参数喷嘴的空间结构参数主要有：中心半径、位置方位角、喷射方位角、喷射角度四个参数(如图）。这四个参数依据水力学优化设计结果确定。,82,中心半径、位置方位角确定原则是消除钻头表面的涡流区（如图）。,83,喷射方位角、喷射角度的优化目标是以较大的水马力清除切削齿破碎的眼屑并形成速度矢量指向井壁的漫流层将岩屑携离井底，同时避免在井壁附近形成涡流区（如图）。根据有限元流场分析结果，最优的喷嘴喷射角度为25。,84,喷射角度和喷射方位的具体确定方法可分为三类：中心喷嘴：对于刮刀数量较多或钻头直径较大（241mm）的钻头需要中心喷嘴，以冲洗中心部位的岩屑（如图）。中心喷嘴的喷射角度一般在010，喷射方位一般与某一长刮刀平行。,85,86,内锥喷嘴：内锥喷嘴主要覆盖长刮刀所处的流道的冲洗，覆盖面积较大，因而喷射角度的变化范围较大。如果长刮刀流道只布置一个喷嘴，则喷射角度一般取值范围为15-30；如果长刮刀流道布置两个喷嘴，则内锥喷嘴喷射角度一般取值范围为5-15（如图）。,87,88,外锥喷嘴：外锥喷嘴覆盖某一短刮刀或长刮刀的外锥部分的冲洗，由于其放置位置靠近钻头外侧，喷射角度不宜过大，一般要求其射流的中心对准钻头的鼻部为宜，通常取值范围在10-25（如图6-22）。,89,90,四）PDC钻头的破岩机理,1、切削齿的运动轨迹钻井过程中切削齿在压力和扭矩的作用下破碎井底的岩石，相应地产生给进和回转运动，其运动轨迹为螺旋线。,91,92,2、PDC钻头破岩过程,根据破岩机理分析，切削齿在钻压压入地层一定深度的同时在扭矩作用下连续破碎岩石。,93,94,初期挤压阶段（塑性变形）刃前岩石沿剪切面破碎后,切削齿刃侵入前一过程留下的断裂面，切削齿挤压刃前岩石，切削力不断增大，岩石发生局部塑性变形。小剪切破碎（局部破碎）随着切削力的不断增大,刃前岩石发生裂纹。当岩石的拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩石被拉开，出现裂纹。当剪应力超过岩石的抗剪强度时，岩石出现剪切裂纹,岩石发生小剪切破碎。大剪切破碎（体积破碎）随着切削齿继续向前运动，切削力不断增大，齿刃挤压前方岩石。当切削力增大到极限值时，岩石沿剪切面发生大剪切破碎，出现块体崩裂。大剪切发生的瞬间，切削阻力突降至最小。,95,96,塑性岩石的切削齿受力,97,塑、脆性岩石破碎过程的差异：,塑性岩石与脆性岩石的剪切破岩过程基本相似，但又有差异。由于塑性岩石的崩切体积较小，形成的切削槽在宽度和深度上变化不大，切削过程是一个较稳定的过程，切削力遵循一定的周期性变化，但波幅较小。而脆性岩石的崩切体积较大，形成的切削槽在宽度和深度上变化较大，切削力跳动幅度较大。,98,五）PDC钻头的特点,99,PDC切削齿的自锐性,100,101,PDC钻头的特点总结,优点：1）以剪切方式破岩，在软至中硬均质地层中破岩效率高，机械钻速高；2）具有自锐性，能始终保持较高的机械钻速；3）PDC钻头切削齿耐磨性高，钻头寿命长；4）所需钻压较低，钻柱负荷小。同时在吊打情况下能保持较高的钻井速度；5）适应较高的转速（可达400转/分），有利于提高钻井速度；同时适合配合动力钻具使用；6）PDC钻头结构牢固，没有活动部件和易损件，有利于防止钻井事故；7）不受井眼尺寸的限制，适合在小井眼中应用；8）不受地层温度的影响，是高温地层钻进的首选。,102,六）PDC钻头优化设计理论与方法,1、传统的PDC钻头设计理论等切削体积原则；等功率原则；等磨损原则。,103,等切削体积原则：即以每个切削齿的切削体积相等为原则。,sj第j颗切削齿的破岩面积；,Rj第j颗切削齿距旋转中心的距离。,104,等功率原则：每个切削齿的切削功率相等。,Sj第j颗切削齿的破岩面积；,Rj第j颗切削齿距旋转中心的距离。,Aj岩石的单位体积破碎功或岩石的抗剪强度。,105,等磨损原则:等磨损原则的目标函数为使钻头每个切削齿的磨损速度一致。由于影响磨损速度的因素众多，目前还没有合理的函数表达式。,106,2、传统PDC钻头设计理论的局限性,传统PDC钻头设计理论与方法，对于PDC钻头的设计有一定的指导意义，但在实际应用过程中还存在许多问题，特别对于刮刀式PDC钻头的设计，理论与实际差距更大。原因在以下几个方面:,107,等切削体积布齿原则可以用于PDC钻头的实际设计。但是等切削体积布齿原则没有考虑齿与地层的相互作用，不能准确反映切削齿受力以及磨损的规律。对于等功率、等磨损原则，由于对钻头齿与地层相互作用的规律的研究不够系统完善，还不能用于实际钻头设计。,108,图PDC钻头的不平衡力,3、PDC钻头设计理论的最新研究成果1）平衡力设计,109,由于钻头齿的受力的合力不平衡（如图），在旋转过程中使钻头的旋转中心偏离井眼中心，造成钻头在公转的同时伴有间断性自转，从而形成涡动。,110,平衡力设计的方法,