钻头基本知识和选型(技术员培训).ppt

1、中原西南钻井分公司技术发展中心 Technology Development Centre ( EOTDC).Southwest.Drilling company of Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd Sinopec,钻头基本知识和选型,三牙轮钻头 1.1. 三牙轮钻头图片,石油钻井钻头的分类,三牙轮钻头 1.2. 三牙轮钻头工作原理,1.2.1牙轮钻头在井底的运动 （1）公转 牙轮随钻头一起旋转。 （2）自转 牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。 （3）滑动 牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。 （4）纵向振动 牙轮在滚

2、动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。,一、石油钻井钻头的分类,三牙轮钻头 1.2. 2三牙轮钻头工作原理 三牙轮钻头破岩机理利用了 两种破岩方式的联合作用： 一是轴向冲击破岩， 二是回转刮削剪切破岩。,1.2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。,2、单牙轮钻头 单牙轮钻头比三牙轮钻头更适用 于强度和塑性同时都大的地层， 同

3、时又能适用于PDC钻头难于对付 的硬夹层和其他复杂地层，且结 构简单，轴承空间大，使用安全 可靠，钻头尺寸容易小型化， 现场使用效果良好。 单牙轮钻头可应用于增斜钻进，更适合稳斜钻进，更适 用于小井眼钻井。,3. 刮刀钻头 2.1. 刮刀钻头图片,2. 刮刀钻头 2.2. 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。,2. 刮刀钻头 2.3. 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

4、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； 刮刀钻头目前很大程度上被PDC钻头取代。,一、石油钻井钻头的分类,3. 金刚石钻头 3.1. 天然金刚石钻头,3. 金刚石钻头 3.2. 天然金刚石钻头的破岩机理,天然金刚石钻头以磨削（研磨）方式破碎岩石，类似于砂轮磨削金属的过程。 (1)在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性； (2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层)，使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动。 (3)在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力

5、形式破碎岩石。 (4)在坚硬岩石(如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等)中，是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。,3. 金刚石钻头 3.3. 热稳定聚晶金刚石钻头（Ballaset bit）,3. 金刚石钻头 3.4. 热稳定聚晶金刚石钻头的破岩机理,Ballaset钻头以切削和磨削（研磨）方式破碎岩石。 (1)在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与聚晶金刚石接触的岩石处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性； (2)在塑性地层(或岩石在应力作用下呈塑性的地层)，使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动。 (3)在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即

6、属于以剪力和张力形式破碎岩石。 (4)由于聚晶金刚石属于硬脆性，在工作过程中也易崩损，崩损后的聚晶金刚石工作模式将与天然金刚石工作模式相似。 (5)在坚硬岩石(如隧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等)中，是要靠聚晶金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。,3. 金刚石钻头 3.5. 孕镶钻头（Impregnated bit） 用于高研磨性地层,3. 金刚石钻头 3.6. PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit）,3. 金刚石钻头 3.6. PDC钻头破岩机理,1946年首次诞生了金刚石取心钻头 1952生产出了全面钻进的金刚石钻头 1960年开发出烧

7、结式的孕镶式钻头 1976年PDC钻头 1979年偏心金刚石钻头 1981年巴拉斯钻头 1986年正式在中国建立合资公司生产金刚石钻头,金刚石钻头产品分类,钻头命名-后缀,PDC钻头命名方式(以BEST钻头为例）,百施特公司钻头命名方式,百施特公司钻头命名方式,江汉牙轮钻头型号表示方法 1 三牙轮钻头型号表示方法 1.1 型号的组成 三牙轮钻头型号由钻头直径代号、系列代号、IADC分类号和附加结构特征代号四部分组成。 示例： 8 1/2 HJ 537 Y 直径代号 附加结构特征代号 系列代号 IADC分类号 1.2 钻头直径代号钻头直径代号用数字（整数或分数）表示，代表钻头直径英寸数，各种规格

8、的钻头直径应符合SY/T5164的规定。特殊情况下，用户定制的非标尺寸钻头可以直接用公制尺寸表示。 示例：直径代号为8 1/2，表示钻头直径为8 1/2in、公制尺寸215.9mm。,1.3 钻头系列代号 钻头系列及代号见表1。 系列代号由一至三个字母组成。对于H、HA、HJ、FA、FJ、GA、GJ、W等系列，其含义如下： 第1个字母表示轴承结构特征。现有3种轴承结构： -H-滑动轴承； -G-滚动轴承； -F-浮动轴承； ：W系列-非密封滚动轴承。 第2个字母表示密封结构。现有3种密封结构，其中W系列无第2个字母，表示为非密封。 -A-橡胶密封； -J-金属密封； 第3个字母表示特殊结构。现

9、主要有2种特殊结构： -T-特别保径； -S-副齿。 对于MD、HF、SWT、Q等系列钻头，其组合字母含义分别为： -MD-高速马达钻头系列，适用定向井、水平井、高温深井钻井； -HF-硬地层钻头系列，适用深井硬地层，如：火成岩、花岗岩； -SWT-高效钢齿钻头系列，适合高转速，软或中软地层钻进； -Q-气体钻井牙轮钻头系列，适用以气体作为循环介质的欠平衡钻井。,1.4 钻头分类号 钻头分类号采用SY/T5164的分类规定，用一组3位数字组成，首位数表示钻头切削结构类别及地层系列号，第2位数为地层分级号，末位数为钻头结构特征代号。钻头分类号见表2。 示例：适用于低抗压强度高可钻性的软第1级地层

10、，密封滑动轴承非保径钢齿钻头的分类号为“116”。 1.5 钻头附加结构特征 钻头附加结构特征是钻头系列、分类不能表示出来的但又影响钻头成本、性能的特征。采用在分类号后用一个大写英文字母表示一种附加结构特征。型号中可用多个字母表示附加结构特征，这时应以字母先后顺序排列附加结构特征。与SY/T5164相同的附加结构特征采用相同的字母代号，公司专有技术代号自定。附加结构特征及其代号见表3。 1.6 钻头型号示例 示例：8 1/2 HJT 537 GL钻头 -8 1/2：钻头直径为8.5in、公制尺寸215.9mm； -HJT：滑动轴承金属密封、特别保径； -537：低抗压强度、软到中硬地层镶齿钻头

11、； -G：掌背强化； -L：掌背扶正块。2 单牙轮钻头型号表示方法,单牙轮钻头型号由钻头直径代号、单牙轮钻头代号、设计编号及钻头分类号四部分组成。 单牙轮钻头直径代号、钻头分类号、附加结构特征代号与三牙轮钻头代号的意义相同。 单牙轮钻头代号以“Y”表示，意指一个牙轮，设计编号表示不同的钻头设计特征，设计编号按字母顺序取用。 示例： 4 5/8 YC437 表示直径为4 5/8in、C次设计的、适用于低抗压强度高可钻性的极软第3级地层，密封滑动保径的单牙轮钻头。,钻头的基本选型通常包括： 1、钻头类型 2、确定刀翼数 3、确定复合片大小 4、确定布齿密度 5、选择冠型 6、保径长度 7、保径类型

12、 8、防碰节的需求 9、后排齿布置的要求,五、钻头的基本选型,钻头选型所需资料,地质资料 岩性分析 地质分层 测井资料 井深 声波时差（DT） 伽玛（GAPI） 密度 钻井工程数据 井身结构 井眼轨迹 泥浆性能 钻具组合 钻井参数 邻井钻头使用资料,钻头的基本选型,岩石力学分析及应用,常用测井方式、代码和单位,岩石力学分析在钻头选型中的应用,岩石抗压强度在PDC钻头选型中的应用,内摩擦角在PDC钻头选型中的应用,岩石力学分析在钻头选型中的应用,空隙度与机械钻速的关系,机械钻速，FT/HR,声波孔隙度，%,分析方法： 孔隙度低于8%，对机械钻速影响不大。孔隙度大于15%时，对机械钻速有较大影响。

13、,从PDC钻头的发展过程来看，影响PDC钻头使用的主要因素有两个方面： 一是PDC切削齿性能不能满足造成钻头进尺少，速度慢；（内部原因） 二是地层的复杂性，导致钻头选型困难。（外部原因） 解决PDC 钻头的内因问题就是要解决钻头选型、设计、制造工艺和材料质量的问题。,使用环境因素对钻头性能的影响,使用环境因素对钻头性能的影响,影响PDC钻头机械钻速的因素： 钻头本身的因素和使用环境因素 钻头本身因素（或内因）包括： 钻头选型 PDC钻头对地层相对比较敏感，根据地层情况选择合适的钻头型号或根据地层情况进行针对性的设计钻头，是非常重要的，也是PDC 钻头能否取得较好经济指标的前提和关键。 钻头设计

14、参数和制造工艺； 切削齿性能及质量；,使用环境因素包括： 地层岩性和压实强度； 使用的钻井参数；包括钻压、转速和排量等。 PDC的刚脆性要求钻头旋转要平稳、减少振动，钻具组合时最好加上减振器，减少振动，防止跳钻和溜钻； PDC的热敏性要求选择合适的排量，以达到清洗和冷却切屑齿。通过水力参数计算，一般选择的排量要求钻头喷嘴的射流冲击力要达到40米/秒以上，钻头比水马力要达到1.5马力/in2以上，以满足清洗岩屑和冷却PDC的要求，泥浆环空最低返速达到0.6-1米/秒。 泥浆性能。,使用环境因素对钻头性能的影响,增加,机械钻速,泥浆参数对机械钻速速的影响,IADC代码说明,当量齿数计算,式中： D

15、钻头直径 n钻头上切削齿尺寸种类数 Zi，di分别代表第i种尺寸的齿的数量和直径（不包括保径上的PDC齿） 上表中的“当量齿数”是以8-1/2“钻头、13.44mm直径的切屑齿为基准。,IADC代码说明,（1） PDC 齿 烧 损； （2） PDC 齿 碎 裂； （3） PDC 齿 掉 片； （4） PDC 齿 冲 蚀； （5） PDC 齿 崩 碎；,（6） PDC 齿面裂纹； （7） PDC 钻头出环； （8） PDC 齿 脱 片； （9） PDC 钻头保径磨小； （10） PDC 钻头断刀翼。,PDC钻头的典型磨损分析,可能产生的原因： （1）排量过低； （2）转速过快； （3）钻压过高；

16、 （4）过度划眼。,IADC描述：HC (Heat Check),PDC齿烧损,PDC 齿 碎 裂,可能产生的原因： （1）由于钻头回旋产生冲击载荷； （2）地层变化，扭矩增大； （3）砾石地层； （4）井底有落物。,IADC描述：CC ( Chipped Cutter ),PDC 齿 掉 片,可能产生的原因： （1）PDC齿过热，使金刚石层掉片。,IADC描述：BF ( Bond Failure ),PDC 齿 冲 蚀,可能产生的原因： （1）泥浆排量过大； （2）泥浆性能差，密度过大或固 相含量过高； (3) 喷嘴方位不合理。,IADC描述：ER ( Erosion ),PDC 齿 崩 碎

17、,IADC描述：BC (Broken Cutter),可能产生的原因： （1） PDC 齿受到剧烈冲击； （2） 钻遇砾石地层； （3）井底有落物。,PDC 齿面裂纹,IADC描述：CDL (Cracked Diamond Cutter),可能产生的原因： （1） PDC 齿过热； （2）冲击破坏。,PDC 钻头出环槽,IADC描述：RO (Ring out),可能产生的原因： （1）井底落物； （2）掉齿；,PDC 齿 脱 片,IADC描述：BC (Broken Cutter),可能产生的原因： （1）冲击载荷。,PDC 钻头保径磨小,IADC描述：RG (Rounded Gage),可能产

18、生的原因： （1）钻头划眼时间过长； （2）掉齿； （3）保径不强。,PDC 钻头断刀翼,IADC描述：BB (Broken Blade),可能产生的原因： （1）冲击载荷过大； （2）扭矩过大： （3）制造质量。,适当降低钻头心部布齿密度，将刀翼排列由3长3短改为2长4短，钻头心部更加宽敞，有利于排屑及防泥包，同时增加钻头攻击性,钻头心部刀翼适当减薄,新设计,老设计,钻头改进思路分析,PDC钻头改进案例,浅内锥设计，有利于提高钻头定向时稳定性及造斜能力,新设计,老设计,后角进一步优化，考虑抗冲击同时，提高攻击性。,钻头改进思路分析,冠型设计考虑钻头造斜能力及稳定性，因此冠型设计以老设计为基础

19、，但冠型内锥变浅，增加了钻头定向能力。,钻头改进思路分析,新设计,老设计,改进钻头使用总结,1.钻头表现出相较以前钻头更强的攻击性，ROP提升20%，说明改进措施是有效的,3.钻头表现出工作扭矩平稳，这能有效保护钻具，说明钻头改进的稳定性措施是有效的,2.钻头PDC复合片没有崩损，证明了钻头在井底工作较平稳,最后思考问题： 钻头能否在此基础上,综合考虑钻头稳定性，进一步提升ROP,PDC钻头合理选择与使用注意事项,1.应基于地层岩性和地层可钻性级别选择钻头，但在使用过程中，应根据岩性剖面类型区别对待。2.应基于地层类别选择使用钻头，总体上PDC钻头适用于软至中硬地层。（1）对于塑性系数大的软地

20、层，应选择大直径PDC片，且齿的出露高度应高的钻头，以利于提高破碎岩石效率；（2）对于塑性系数小的中至中硬地层，应选择小直径PDC片，且齿出露低的钻头，以防止崩齿损坏，影响使用效果。3.应基于钻头结构特点和钻井实际地层及岩性情况，合理选定钻进技术参数，但应严格按钻头推荐使用的技术参数范围进行操作。4.应基于钻进工程设计合理选择钻井方式，应对不同井深、不同井型及不同井身结构区别对待：（1）在深部地层施工中，建议PDC钻头与井下动力钻具配套使用，以发挥其适用高转速的技术优势；（2）在中深部大尺寸井眼施工中，建议适当提高钻压、降低转速。,PDC钻头冠部外形的基本选型,根据所钻地层岩性，合理选择牙轮钻

21、头基本类型 (a)浅井段疏松地层，选用牙齿长的钻头。 (b)深井段选用进尺多的钻头。 (c)起钻后，如发现出井钻头的外排齿磨损严重，改选带有保径齿的钻头。 (d)易斜井段选用滑动量小，牙齿短的钻头。,四川盆地钻头选型推荐方案（牙轮）,普光地区一口井地质层段钻头型号选择,元坝地区地层选用钻头分析 1、 蓬莱镇组沙溪庙地层。该段地层可钻性好，使用常规PDC钻头可获得较高的机械钻速和进尺。由于井段较长，考虑用两种型号的钻头钻进，上部井段采用5刀翼钻头以提高机械钻速为目的，下部井段由于地层压实性渐强，对钻头的冲击破坏性也随之加强，采用6刀翼钻头可获得更高的寿命，保证该只钻头能完钻。 2、 下沙溪庙须家

22、河地层。该段地层胶结致密，地层硬度高，多段地层含砾，可钻性极差。使用孕镶钻头带涡轮钻具钻进能获得极佳的钻进指标。 3、 雷口坡嘉陵江地层。雷口坡组地层以白云岩和硬石膏岩为主，地层可钻性较差，钻头在该层位使用极易崩齿造成钻头进尺少，机速低。嘉陵江组地层可钻性相对较好，能获得较高的机械钻速和寿命。选用6刀翼PDC. 4、 飞仙关长兴组地层（定向井段）飞仙关组地层可钻性好，钻头选型以定向效果好，且提高机械钻速为主要目的。 选用6刀翼PDC,牙轮钻头失效分析 1、流道冲蚀、刺穿、掉喷嘴 钻头流道冲蚀、刺穿主要失效原因是： 采用双喷嘴组合； 喷嘴入口流速过高； 高密度泥浆，固相含量高； 使用脉冲喷嘴外形

23、结构与钻头不匹配。 因部分特殊的地质条件和使用的钻井工艺因素，泥浆体系中添加了铁矿粉，采用双喷嘴组合和脉冲喷嘴结构提高水力，对钻头流道的损坏很大。 重复使用旧喷嘴，或一些不符合标准的喷嘴，使喷嘴座台肩处的间隙增大，形成涡流导致喷嘴座刺穿也是重要原因之一。 钻头掉喷嘴主要是在安装喷嘴过程中，安装方式不合理，或有其它异物导致泥浆泄露，当密封圈、挡圈被冲蚀而落井后，喷嘴因失去约束而落井。,2、牙轮或轮尖落井 牙轮尖落井的失效原因是由于钻头产生偏心旋转、牙轮齿槽磨损过多后导致轮尖折断，泥浆进入轴承而失效。钻头产生偏心旋转的原因有： 地层变化或研磨性强造成钻头内排齿磨损或折断； 钻头选型不当或井底不干净

24、、井眼不规则； 使用螺杆钻具复合钻进，钻头所受侧向力大。 牙轮落井的失效原因有： 轮尖折断后，起钻不及时，轴颈沿小轴磨穿锁紧槽，导致锁紧钢球脱落后牙轮落井； 使用螺杆钻具强化钻进，轴承密封失效或发生粘着磨损后导致牙轮落井； 钻头在井下工作异常。,3、断、掉齿和齿磨平 断齿的主要原因有： 井底有落物； 钻头选型不当或地层硬； 跳钻或井底不干净。 掉齿的主要原因是牙轮壳体过度磨损后，固齿力下降造成的。齿磨平主要是由于地层硬、研磨性强。 4、轴承失效 轴承局部承载过大发生粘着磨损失效的原因有： WN值过高，使用单弯螺杆，钻头所受侧向力大； 地层原因、井底有其它异物导致钻头跳钻产生冲击载荷； 钻头发生

25、偏心旋转，轴承承受偏载。 轴承密封早期失效是由于井下环境温度较高或钻头在斜井中使用，而牙轮背锥、掌背与井壁接触又产生较大的磨擦热，使橡胶密封圈受热老化造成的。,5、联接螺纹断裂、牙掌折断 发生联接螺纹断裂的钻头主要是由于上扣偏斜和扭矩过大，联接螺纹薄弱环节易产生裂纹和裂纹扩展，最后导致联接螺纹断裂。 牙掌折断是从轴颈根部应力集中部位断裂，主要原因有： 上扣的钻头盒不合适或方法不正确，使钻头的牙轮受力，且扭矩过大； 地层原因使钻头直径过度磨损，轴颈强度降低； 钻头受到异常的应力作用。,1、与偏心旋转相关的断轮尖分析,失效牙轮钻头案例,牙轮钻头齿槽磨损多出现在复合钻井、在一些硬塑性、研磨性很强的的

26、地层等。 齿槽磨损是在牙轮钻头没有牙齿保护的齿间槽磨出深槽，严重的会导致齿槽磨穿，轮尖脱落，进一步牙轮落井，造成严重的钻井事故。,齿槽严重磨损,牙轮齿槽磨穿后轮尖断落井底,锁紧槽磨穿后钢球掉落，牙轮落井,齿槽严重磨损，其中有两排齿齿柱磨出，另有些齿排齿侧磨损,取心岩样充分说明此井钻头出现了钻头偏心磨损,齿槽磨损分析,齿槽磨损主要是由于牙齿在井底的覆盖发生变化，钻头在井底每滚动一圈，每个齿圈的同心圆破碎环带的规律被打乱，导致井底破碎不充分、不均匀，留下一些凸台磨损齿槽，牙轮尖部齿槽部位壳体较薄，容易磨穿钻头失效。,齿槽磨损易发生的工况,1）、大位移井、水平井、斜井,2）、摆动钻井 井眼较大，钻头

27、在井底做行星运动距离大，牙齿让出较硬的岩石，当牙轮齿槽转到该位置过来磨齿槽。 3）、地层硬塑性较高 牙齿完全破碎井底较困难，易造成小凸台磨损齿槽。,使用带S特殊结构、T功能、掌背镶装侧切齿、带密封保护、背锥优化布齿等技术的E系列钻头，具有齿槽强化的钻头。,建议在钻井施工中，适时改变螺杆转速与转盘转速之比，以延长钻头使用寿命。,钻遇研磨性强的地层，建议使用带H特征的钻头。,若发现有齿槽磨损现象，要及时改变钻井参数，修整井底，并选用适合的钻头型号。,与钻头出芯相关的断轮尖失效,钻头中心部位的齿磨损或断落, 使井底相应地层未被切削而留下岩心。钻头轮尖断落会引起牙轮基体迅速的严重损坏，机械钻速猛降。其原因大致有： 1、岩层的研磨性超过了钻头中心齿的抗磨能力； 2、牙轮壳体被冲蚀后齿脱落； 3、井底有金属碎屑引起中心齿破裂； 4、井底形状变化大，更换新钻头后修整井底的措施不当或时间太短。