钻井工程理论与技术--第二章--钻进工具--钻头3学时

第二章钻进工具,第一节钻头第二节钻柱,第一节钻头,一、概述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、PDC钻头,一、概述,1.钻头分类按结构及工作原理分刮刀钻头牙轮钻头PDC钻头金刚石钻头按功用分全面钻进钻头取心钻头扩眼钻头,一、概述,2.钻头尺寸系列3-3/436in3.钻头性能指标钻头进尺（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,一、概述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、PDC钻头,二、牙轮钻头（RollerBit）,铣齿（钢齿）,镶齿（YG齿）,二、牙轮钻头（RollerBit）,（一）牙轮钻头结构（1）牙轮及牙齿（2）牙轮轴（3）轴承（4）巴掌（5）钻头体（6）喷嘴（7）储油润滑密封系统,二、牙轮钻头（RollerBit）,（一）牙轮钻头结构,1牙轮及牙齿牙轮：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：主锥+背锥，硬地层复锥：主锥+副锥+背锥，软到中硬,二、牙轮钻头（RollerBit）,1牙轮及牙齿（Cone&tooth）,（一）牙轮钻头结构,铣齿在牙轮锥面上直接铣出，楔形。镶齿镶装在牙轮锥面上的硬质合金齿，有多种齿形。,勺形齿：极软至中软地层楔形齿：软至中硬地层锥形齿：中硬地层尖卵形齿：硬地层球齿：硬至坚硬地层,结构组成：牙轮内腔、牙爪轴颈、轴承跑道、锁紧元件每个牙轮有大、中、小和止推四付轴承。大、小轴承承受径向载荷；中轴承用来锁紧和定位；止推轴承承受轴向载荷。,二、牙轮钻头（RollerBit）,（一）牙轮钻头结构,2.轴承（BearingofBit）,轴承分类：按轴承副结构分：滚动轴承、滑动轴承根据轴承密封与否分：密封、非密封轴承滚动轴承有两种结构：滚柱滚珠滚柱止推滚柱滚珠滑动止推滑动轴承有两种结构：滑动滚珠滑动止推滑动卡簧滑动止推,二、牙轮钻头（RollerBit）,（一）牙轮钻头结构,2.轴承（BearingofBit）,3储油密封压力补偿系统,二、牙轮钻头（RollerBit）,（一）牙轮钻头结构,二、牙轮钻头（RollerBit）,4喷嘴牙轮钻头一般安装34个喷嘴，直径714mm。用卡簧固定在水眼内，并用O形圈密封。,（一）牙轮钻头结构,标准型：距井底110140mm中长喷嘴：比常规喷嘴长约38mm长喷嘴：距井底约25mm中心喷嘴反喷嘴空化喷嘴脉冲喷嘴,二、牙轮钻头（RollerBit）,5牙轮的布置方案,（一）牙轮钻头结构,方案1：非自洗无滑动布置特点：齿圈不嵌合不超顶不移轴适用地层：硬,二、牙轮钻头（RollerBit）,5牙轮的布置方案,（一）牙轮钻头结构,方案2：自洗不移轴布置特点：齿圈相互嵌合超顶不移轴适用地层：中,二、牙轮钻头（RollerBit）,5牙轮的布置方案,（一）牙轮钻头结构,方案3：自洗移轴布置特点：齿圈相互嵌合超顶移轴适用地层：软,二、牙轮钻头（RollerBit）,（二）牙轮钻头工作原理,1.牙轮钻头在井底的运动,（1）钻头公转（顺时针，转速Nbrpm）:,（2）牙轮自转（逆时针，转速ncrpm）:,（3）滑动轴向滑动、切向滑动,（4）纵向振动,振动频率：,振动周期：,副锥产生超顶效果,超顶和副锥引起周向滑动,二、牙轮钻头（RollerBit）,（二）牙轮钻头工作原理,1.牙轮钻头在井底的运动,移轴引起径向滑动,二、牙轮钻头（RollerBit）,（二）牙轮钻头工作原理,1.牙轮钻头在井底的运动,单、双齿交替着地引起纵向振动,二、牙轮钻头（RollerBit）,（二）牙轮钻头工作原理,1.牙轮钻头在井底的运动,二、牙轮钻头（RollerBit）,二、牙轮钻头（RollerBit）,（二）牙轮钻头工作原理,2.牙轮钻头的破岩机理,（1）冲击、压碎作用牙轮钻头工作时，牙轮滚动，单齿与双齿交替接触井底，使钻头产生纵向振动。钻头纵向振动产生的冲击载荷和钻压通过牙齿作用在岩石上，对井底岩石产生冲击压碎作用，形成体积破碎坑穴。（2）滑动剪切作用牙轮钻头的超顶、复锥和移轴结构，使牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动，剪切齿间岩石。,二、牙轮钻头（RollerBit）,（三）牙轮钻头磨损与分级,1.牙齿磨损铣齿：根据齿的磨损高度与原齿高之比划分磨损等级。镶齿：根据甭碎和掉落的齿数与原有齿数之比划分磨损等级。,二、牙轮钻头（RollerBit）,2.轴承磨损轴承磨损以钻头使用时间与轴承寿命（小时）之比分级。轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到。,（三）牙轮钻头磨损与分级,二、牙轮钻头（RollerBit）,3.直径磨损原直径：I直径磨小：O+直径磨小值（in）,例如：T2B4IT6B6O1/2,（三）牙轮钻头磨损与分级,4.我国石油行业标准,（1）牙齿磨损四级：Y1、Y2、Y3、Y4铣齿：磨掉高度与新齿高度之比镶齿：断、掉齿数与总齿数之比,（2）轴承磨损级别密封轴承普通轴承Z1密封完好，用手不易转动转动灵活，轴承不旷Z2密封尚好，用手容易转动转动灵活但旷，径12mm，轴3mm，轴向2mmZ4牙轮掉或快要掉落牙轮卡死，轴承完全不能用,（3）直径磨损代号“J”，在右下角用数字表示直径磨损的毫米数。,二、牙轮钻头（RollerBit）,（三）牙轮钻头磨损与分级,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硬地层、4级、非密封滚动轴承、标准铣齿钻头。537C表示适用于低抗压强度的软到中硬、3级地层、滑动密封轴承保径、带中心喷嘴钻头。,二、牙轮钻头（RollerBit）,（四）牙轮钻头类型及选择,IADC编码,二、牙轮钻头（RollerBit）,（五）牙轮钻头合理使用,1.从软到硬各种地层，都有相应钻头类型与之对应。使用时，应根据所钻地层性质合理选择钻头类型。2.钻压在1.362.7吨/英寸范围内，钻速与所加钻压成正比。一般常用最佳范围：1.822.27吨/英寸。3.增加转速，可提高钻速，但轴承和牙齿磨损加快。常用转速范围：55rpm110rpm。4.在排量满足携带岩屑要求的前提下，尽可能提高泵压，以充分利用高压水射流的破岩作用，提高钻速。,第一节钻头,一、概述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、PDC钻头,三、金刚石钻头（DiamondBit）,孕镶式,表镶式,三、金刚石钻头（DiamondBit）,（一）金刚石的物理机械性质,正四面体晶体结构,优点：极高的硬度（莫氏硬度10）极高抗压强度（8800MPa）极高的耐磨性(钢的9000倍）缺点：脆性大，受冲击载荷易碎裂；具有热敏性，在空气中约在455860出现石墨化。但在碳化钨或石墨中烧结时氧化速度可降低5090%,典型晶形,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，碳原子位于四面体顶角及中心。每个碳原子与邻近四个碳原子形成四个共价键，结合力极强。,三、金刚石钻头（DiamondBit）,（二）金刚石钻头结构,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。,三、金刚石钻头（DiamondBit）,（二）金刚石钻头结构,1.钻头冠部形状,a双锥阶梯形；b双锥形；c“B”形；d脊圈式“B”形,软到中硬地层内锥角5060外锥角50100,中到中硬地层内锥角6070外锥角4060,硬地层内锥角90,硬坚硬地层内锥角90,三、金刚石钻头（DiamondBit）,（二）金刚石钻头结构,2.水力结构,常用水槽结构：逼压式辐射型辐射逼压式螺旋形,三、金刚石钻头（DiamondBit）,（二）金刚石钻头结构,3.金刚石及布置,（1）天然金刚石卡邦（Carbon）黑色金刚石，巴西及非洲，性能最好，最贵巴拉斯（Ballas）多晶金刚石，非洲产，性能及价格次于卡邦包尔兹（Boartz）硬度很高，但解理性强，有内裂纹和应力刚果金刚石硬度次于包尔兹，但产量高（60%），价格便宜,目前使用最广泛的产品：热稳定聚晶，耐温1200，有圆片、圆柱、立方体、三角聚晶等多种形状。,三、金刚石钻头（DiamondBit）,（二）金刚石钻头结构及设计,3.金刚石及布置,（3）金刚石粒度软地层：2粒/克拉，粒径约4mm左右中硬地层：34粒/克拉，粒径约3.6mm左右中硬到硬地层：58粒/克拉，粒径约2.52.9mm硬到坚硬地层：1015粒/克拉，粒径约2.0mm左右孕镶钻头，60400粒/克拉，粒径1.20.6mm，硬至坚硬地层。,软地层,硬地层,坚硬地层,三、金刚石钻头（DiamondBit）,（二）金刚石钻头结构及设计,3.金刚石及布置,（5）金刚石布置,三、金刚石钻头（DiamondBit）,（二）金刚石钻头结构及设计,4.保径设计,常用保径方式：拉槽式、平镶式、组合式保径齿材料：天然金刚石保径部分长度：60100mm,（三）金刚石钻头的破岩机理,三、金刚石钻头（DiamondBit）,在塑性地层中，如泥岩、泥质砂岩、石膏等，以切削作用破碎岩石，类似于金属的切削过程。在脆性地层中，如石英砂岩等，金刚石破碎岩石的特点主要表现为脆性体积破碎，岩屑尺寸约为金刚石出露部分的24倍，破岩效率很高。在坚硬岩石中，如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等，一般用孕镶钻头钻进，金刚石以微切削、刻划方式破碎岩石，类似于砂轮磨。,（1）适用于硬的、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井、取心作业；（2）钻头下井前，井底打捞干净，无金属等硬材料；（3）开始钻进时，先用小钻压、低转速跑合，完成井底造型；（4）钻进参数优选：合适钻压、高转速、大排量。,（四）金刚石钻头的正确使用,三、金刚石钻头（DiamondBit）,第一节钻头,一、概述二、牙轮钻头三、金刚石钻头四、PDC钻头,胎体PDC钻头,钢体PDC钻头,四、PDC钻头,PolycrystallineDiamondCompactBit,四、PDC钻头,（一）聚晶金刚石复合片（PDC）,1.结构及尺寸,四、PDC钻头,（一）聚晶金刚石复合片（PDC）,2.物理机械性质,（1）极高的硬度（钢的914倍，硬质合金的35倍）；（2）较高的抗压强度（钢的34倍）；（3）良好的自锐性（碳化钨基体比聚晶层磨损速度快）；（4）抗冲击韧性比天然金刚石好，比硬质合金差。聚晶层经受冲击载荷作用易碎裂。尤其是新复合片刚开始接触岩石，锋锐边刃很容易碎裂。（5）对温度较敏感。350左右，磨损速度显著加快；700左右，强度失效。,四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,刮刀式在软地层中，吃入性能好，排屑能力强，清洗冷却效果好，不易泥包。,单齿式（散布式）布齿区域大，布齿密度高，但排屑能力较差，容易泥包。适合于较硬地层。,组合式（混合式）清洗、冷却和排屑能力较好，布齿密度较高，吃入性能较好。适合于中到中硬地层。,四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,（1）内锥（Cone）内锥的主要作用是抵抗钻头横向力，防止钻头横移，维持钻头稳定旋转。一般地，软地层，内锥深一些；硬地层，内锥浅一些。,（2）冠顶（Nose）冠顶是钻头最先吃入地层的部位，而且总是最先接触地层的变化。一般地，软地层，冠顶半径小一些，以提高钻头吃入地层的能力；而硬地层或软硬交错地层，冠顶半径大一些，以使切削齿受力较均匀，避免单齿受力过大而先期损坏。,1.钻头剖面形状,四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,1.钻头剖面形状,（3）外锥或侧翼（TaperorFlank）分直线和曲线两种。较硬地层，需要较多切削齿，外锥应长一些；较软地层，外锥可短一些。,（4）肩部（Shoulder）肩部是从侧翼向保径过渡的部位。它是钻头冠部旋转半径最大的部位，磨损也就最严重，受冲击载荷最大。,（5）保径（Gauge）：60100mm，金刚石、PDC,PDC钻头剖面形状的IADC分类,四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,（1）布齿设计原则,井底覆盖良好；内疏外密，各切削齿磨损均匀；布齿密度随地层硬度增大而增大；同一刀翼上各切削齿的安装互不干涉；切削齿的布置和刀翼分布和有利于提高钻头的稳定性；切削齿和刀翼的布置有利于提高水力清洗和冷却效果。,2.布齿设计,四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,2.布齿设计,四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,（2）布齿设计方法,轨道布齿的井底剖面,四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,3.切削齿工作角设计,后倾角：1025,侧转角：015,后倾角较小，钻头吃入性能较好；后倾角较大，钻头承受冲击载荷的能力较强；目前多采用变后倾角设计；对刀翼式钻头，侧转角没有太大意义。,四、PDC钻头,（二）PDC钻头结构设计,4.水力设计,（1）水力结构设计喷嘴数量、位置、倾斜角度及方位、流道形状等。（2）水力参数优化设计喷嘴直径、钻井泵工作参数、钻头水力参数。目前仍处于经验设计阶段。,喷嘴开放式水槽结构,四、PDC钻头,（三）PDC钻头破岩机理,切削（剪切）破碎岩石。软的塑性地层破碎过程：连续切削，类似车刀切削金属的过程。硬的脆性地层破碎过程：碰撞压碎及小剪切大剪切。,四、PDC钻头,（四）PDC钻头分类,切削齿磨损等级,四、PDC钻头,（五）PDC钻头磨损