钻井工程2-岩石力学与破岩原理

1、Chapter 2 ： Rock Mechanics and Bits,第二章 岩石力学与破岩原理,第一节 岩石的力学性质 第二节 岩石的研磨性与可钻性 第三节 钻头破岩方式与钻头分类 第四节 刮刀钻头及其破岩原理 第五节 牙轮钻头及其破岩原理 第六节 金刚石钻头及其破岩原理,岩石就是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的集合体。岩石力学就是研究岩石在载荷作用下的应力、变形和破坏规律以及工程稳定性等问题。 油气钻井的目的就是破碎岩石形成井眼，获取地层地质资料，并将油气引导出来。 破岩工具作用下的岩体内部处于多向应力状态，欲达到破碎岩石获得进尺的目的，就必须：一是选择高质量的破岩工具，二是使钻

2、头施加于岩石的外力超过其极限值。 显然，研究岩石在各种应力状态下的力学性质和机械性质是基础，选择合适的钻头类型则是其主要目的。,引 子,第一节 岩石的力学性质,1 Mechanical Properties of Rock,岩石的力学性质通常包括两个方面： 1、岩石的变形特征 2、岩石的强度特征。 岩石的变形特征： 是指岩石在各种载荷作用下的变形规律（包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律）。 岩石的强度特征： 是指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。,一、岩石的应力应变曲线,岩石的变形特征和强度特征，由岩石

3、试件在单轴或三轴试验机上所得到的应力一应变曲线来描述。 图2-1是采用刚性试验机， 对圆形岩样进行轴向压缩试验，在加载速度充分适应于试件变形速度的条件下，所得到的岩石典型应力应变曲线。,OA：岩石裂隙逐渐被压实 AB：斜率为岩石的 E B点-屈服点 BC：裂隙不稳定发展，先行破坏 CD：裂隙不稳定传播，岩石解体,岩石的强度与应变形式有很大关系，只有在压缩情况下，岩石才呈现出很大的强度。 岩石的规律是:抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度 岩石结构的多变性且岩石的微观或宏观的结构特征都会对岩石的强度产生影 响，因此一般在实 际应用时，必须对 具体的岩石进行必 要的强度试验，以 获取比较准确可靠 的数

4、据。,二、简单应力条件下岩石的强度,单轴抗拉伸强度试验,单轴抗压缩强度试验,岩心柱 直径2.5-5.0cm 高径比2.5-3.0,岩石的抗剪强度可用粘结力和岩石的内摩擦角表示。 粘结力是指由分子引力引起的物体中相同组成的各部分倾向于粘结在一起的一种力。岩石的内摩擦角是指岩石破坏时极限平衡剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正应力之间的夹角。,内摩擦角概念,直接剪切试验,旋转组合,测力计,1.常规应力三轴试验方法 试件有四种：圆柱、圆筒、长方体、正方体。常规三轴应力试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形的岩样置于一个高压容器中， 首先用液压 P使其四周处于三 向均匀压缩的应力状态

5、下，然 后保持此压力不变，对岩样施 加轴向载荷，直到使其破坏。 压缩试验施力方案： （ 1 2 = 3 = P ） 拉伸试验施力方案： （ 1 2 = 3 = P ）,三、复杂应力条件下岩石的强度,2.三轴应力下岩石的强度和变形的特点,通常，岩石的总应变量达到35时，就认为其已开始具有塑性性质或已达到了脆-塑的转变。 对于深井钻井来说，研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）具有重要的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别利用不同的破碎工具（不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎参数（钻压、转速及水力参

6、数等）的组合。 因此，确定各类岩石的脆-塑性转变的“临界压力”将为设计、选择和合理使用钻头提供科学依据。,四、岩石的弹性 岩石的弹性常数 杨氏弹性模量 泊松比 剪切弹性模量 体积弹性模量 确定岩石弹性常数的实验方法很多，主要有 1.静力法（静载压缩试验） 2.动力法（声波法）,前苏联学者史立涅尔分析了圆柱形的平底压头静压入岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石“硬度”（即抗压入强度）和塑性性质的一套方法。,“硬度”（即抗压入强度）,硬度：岩石在静止载荷下抗压入的能力。,硬度的计算公式为： H=WS 式中 H 岩石硬度，MPa； W 垂直载荷，N； S 压摸底面积，mm2。,五、岩石的抗压

7、入破碎强度,石油钻井中： 粘土、软泥岩 多属12级 泥岩、砂质泥岩 多属34级 泥灰岩、粉砂岩、泥质砂岩等 多属36级 石灰岩、砂岩 多为48级 石英岩、花岗岩、燧石等 9级以上,根据我国各油田石油钻井中常遇到的地层，通过对大量岩样进行测定，可将岩石的硬度分为十级。,岩石的硬度和塑性系数通常用压入试验来确定。图2-6给出了岩石的压入试验曲线的三种典型形状。其纵坐标为压头上所加载荷，横坐标为吃入深度（压入深度）。,岩石产生塑性变形的原因是由于岩石内部矿物及胶结物颗粒间的接触面在外力作用下发生相对滑移所致。用塑性系数K表示.,一、岩石的研磨性 岩石磨损破岩工具的能力称为岩石的研磨性。,第二节 岩石

8、的研磨性与可钻性 2 Abrasive property and drill ability of rock,研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削、刻划、擦痕等所造成的，属表面磨损。 这种研磨性磨损除了与摩擦副材料的性质（如化学组成和结构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介质等因素。显然，这是个十分复杂的问题。 研究方法：钻磨法、磨削法、微钻头钻进法、摩擦磨损法。,史立涅尔等人用摩擦磨损法对各种岩石的研磨性进行了比较详尽的研究，得出了一些有实际应用价值的结果。 摩擦磨损法即是确定一个转动的金属圆环在岩石表面上相互摩擦时的磨损量

9、， 以此作为度量岩石研磨性的指 标。研磨性系数：,单位：cm3/mN,史立涅尔法,史立涅尔等分别以淬火钢、硬质合金为金属摩擦介质，对各种岩石进行了试验。试验结果表明： 盐岩、泥岩和一些碳酸盐岩属于研磨性最小的岩石； 其次应为石灰岩和白云岩等属低研磨性的岩石； 火成岩的研磨性一般属于中等或较高，要看这些岩石中所含长石和石英成分的多少以及颗粒粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物间的硬度差小的，研磨性也小些，反之则研磨性较高； 含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石； 沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其胶结强度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越大的岩

10、石，其研磨性越高；反之，如果岩石中石英颗粒的含量少，颗粒细，胶结强度低，其研磨性则较低。,二、岩石的可钻性 现代岩石可钻性的概念： 在一定技术条件下钻进岩石的难易程度 钻进过程中抗破碎的强度 都涉及钻碎的对象、使用的工具、钻碎的难易性 油气钻井工程中，可钻性一般理解为地层岩石破碎的难易性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。 在有些情况下，可钻性可以确定岩石在井底抵抗钻头破碎的能力。 （受深度、温度、压力、流体等影响）,岩石的可钻性是个多变量的函数，这些变量包含有天然的、工艺的和技术性的因素。因此，到目前为止，适合于油气钻井条件的岩石可钻性问题仍是个尚未彻底解决的问题。但对岩石可钻性的正确评价又是确

11、定最优钻井参数、选择钻头类型、预测钻井效果以及规定钻井工作定额时所必需的。 可钻性直接与岩石的硬度有关，它可用岩石的硬度来表示。我国油田的地层相应于牙轮钻头将岩石硬度分为七类：极软 JR，软R，中软 ZR，中等 Z，中硬 ZY，硬 Y，极硬 JY。 极软 JR和R地层 也可用刮刀钻头钻进 极硬JY地层 也可用金刚石钻头钻进 牙轮钻头可用于这七种类型，对应地层选择使用,可钻性极值：Kd=log2td,一、钻头破碎岩石方式 目前钻井所使用的钻头类型很多，其破碎岩石的工作原理与方式有以下三种： 1）切削 利用轴向压力使破碎工具吃入岩石， 随着钻头的旋转，岩石在挤压下破碎，而后进行切削，其方式类似金属

12、切削。 2）冲压 利用轴向载荷使岩石在冲击和挤压作用下达到破碎。 3）研磨 利用抗磨性好的材料，在一定压力和适当的转速下，对岩石进行研磨破碎。,第三节 钻头破岩方式与钻头分类 3 Classification of bits,其实，这三种破岩方式中，对岩石的作用形式主要是压挤和切削。 实际上钻头在井内破碎岩石钻进时，这三种破岩方式都有，只是根据岩石的强度和钻头类型以某种破碎方式为主而已。 1）塑性岩石一般强度较小，钻头以切削破碎为主。 2）塑脆性和脆性岩石一般强度较高，以冲击和压挤破碎为主。 3）对强度和硬度都很大的岩石，则以研磨破碎为主。,钻头是钻进破碎岩石的基本工具，钻头钻进效果的好坏，直

13、接影响能否多快好省地钻成油气井。钻头破碎岩石效果的高低，主要用单只钻头的机械钻速和进尺两个指标来衡量。 机械钻速纯钻进单位时间内的进尺。 钻头进尺钻头在井底工作从全新到完全磨损不能再用的全部时间内所取得的进尺。 机械钻速、钻头进尺之间的关系如下: Vm=H/t m/h 式中： Vm 一只钻头的平均机械钻速，m/h； H 一只钻头的钻头进尺，m； t 一只钻头的工作时间，h。 机械钻速反映钻头破碎岩的效率，钻头进尺反映钻头使用的耐久性。 要求：钻头钻速高、进尺多，也就是钻井速度快，钻井时间短，这样也就降低了钻井的成本。,二、钻头破岩方式与钻头分类,第四节 刮刀钻头及其破岩原理 4 Drag bi

14、t,刮刀钻头为切削型钻头，适用于软塑性岩层。这种钻头体上镶焊有几个刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐磨的硬质合金材料，根据塑性岩石软硬的特点，刮刀钻头有两翼的（鱼尾钻头）、三翼的和四翼的，最常用的为三翼刮刀钻头。,三翼刮刀钻头,刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。它结构简单，制造方便，成本低廉，在泥岩和页岩等松软地层中使用可以得到很高的机械钻速和钻头进尺。 刮刀钻头因其承压面积大，钻头刀刃磨损快，主要应用在第四纪和第三纪软塑性地层，遇硬地层或软硬交错地层，钻头刀刃吃入岩石困难，急剧磨损，钻进效率很低。 我国在刮刀钻头的研制和使用上取得了突出的成果： 六十年代初期出现了千米刮刀钻头 七十年代初期在不

15、少油田创造了两千米刮刀钻头 八十年代胜利油田用金刚石刮刀钻头单只钻头进尺达到313587m，创造了国内外刮刀钻头进尺的最高记录。,一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数 1.刀翼结构角 刀翼的结构角包括：刃尖角、切削角 、刃前角 和刃后角 ，如图27所示。,刃尖角：是刀翼尖端前后刃之间的夹角，它表示刀翼的尖锐程度。 从吃入岩石和提高钻速方面来考虑，角应越小越好，但因角过小时刀翼强度难以保证，所以确定角的原则一般是在保证刀翼有足够强度的条件下，尽可能减小角。 角的确定原则：一般岩石软时， 角可以稍小，平均角为10左右，甚至可小到89；岩石较硬， 角要适当增大，平均角为1215； 夹层多，井又较深时

16、， 角应适当增大。,切削角：是刀翼前刃和水平面之间的夹角。 其它条件一定时， 角越大，吃人深度越深，但若 角过大，刃前岩石剪切破碎困难，钻进时的蹩劲大。 角的大小应根据岩石性质来确定，一般软地层角取小一些，硬地层角取大一些。 根据不同岩性， 角所取数值为： 松软地层 = 70o 软地层 70o80o 中硬地层 80o85o 刃前角、刃后角 刃前角 90 刃后角 - 刃后角必须大于井底角（和井眼轴线垂直的 平面与实际井底平面间的夹角 ），如果刃后 角小于井底角， 刀翼以正螺旋面吃入和切削地 层， 刀翼背部将直接和井底接触，这将增加刀 翼承压面，影响钻速。,2.刀翼几何形状 刀翼背部的合理几何形状

17、应满足等强度条件。 钻头工作时，刀翼受力类似一悬臂梁。根据理论分析，刀翼背部应做成抛物线形状，即刀翼的宽度一定(为钻头直径的一半)，刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应逐渐增厚，呈抛物线形。,刀翼底部形状：平底、正阶梯、反阶梯、反锥形。 平底刮刀钻头形成的井底只有一个裸露自由面，而阶梯刮刀钻头（阶梯数一般取两阶梯和三阶梯）形成井底的自由面较多。因此，在功率一定的情况下，阶梯刮刀钻头机械钻速比平底刮刀钻头要快。,就阶梯形刮刀钻头而言，正、反阶梯刮刀钻头的实际钻进效果也是不同的。 正阶梯 外缘的线速度大，易磨成锥形，钻头效率降低并引起钻头缩径，容易造成卡钻、蹩泵和井斜，重新下钻时必须进行划眼，不利于提高

18、钻速。 反阶梯 该刮刀钻头虽然在一定程度上能够解决缩径问题，但蹩钻严重，有时甚至把“外阶”蹩断。 反锥形刮刀钻头 是根据反阶梯的优点设计的，不仅能较好地保持钻头直径，而且由于锥形井底对钻头的扶正而具有防斜作用。,刀翼底刃的厚度b（图27）要适当，过薄，刃尖易折断；过厚，增加承压面积，影响吃人深度。从等磨损观点考虑，底刃一般做成内薄外厚。 刀翼长度不要过长，加长刀翼 固然可以增加刀翼的可磨损量，从 而增加钻头进尺，但刀翼过长，水 眼至井底的距离增大，使射流对井 底的冲击力减小，不利于清洁井底 和破碎地层。目前国内各油田刀翼 的磨损长度一般设计为50-70mm， 如果正常磨损，可不必设计这么长。,

19、为提高刮刀钻头的耐磨性能，要在刀翼上焊硬质合金材料，常用的硬质合金是钨钢硬质合金块（俗称钨钢块）和碳化钨粉（俗称钨钢粉）。方法：在刀片的正面表镶矩形硬质合金块再堆焊碳化钨粉，形成硬表层以提高耐磨性；也可采用刨槽或钻孔嵌镶硬质合金块的方法，这种方法优点是容易焊牢硬合金块，缺点是使刀片增厚变钝。 设计和制造刮刀钻头时，既要考虑到钻头有高的破碎效率，提高机械钻速，又要考虑钻头具有一定的耐磨性，使钻头获得较高的进尺。因此，保证钻头在工作过程中各部分均匀磨损是一个十分重要的问题。目前国内一般选择高强度 材质作为刀翼材料，在刀翼侧面、刀翼正面镶装 或平铺硬质合金及孕镶金刚石（或人造金刚石） 块等方法来提高

20、刮刀钻头的耐磨性。,二、刮刀钻头破碎岩石的基本原理 刮刀钻头刀翼在钻压W和扭转力T的作用下，以正螺旋面吃人切削地层，井底平面与水平面成角。 设W力和T力的合力为R，R可分解为与剪切面垂直的分力N和与剪切面平行的分力 F，根据摩尔强度理论，如果忽略摩擦力，当 F力等于或大于剪切面 积与岩石抗剪极限强度乘积时，岩石 沿剪切面破碎如图28所示。,刮刀钻头破碎塑性和塑脆性岩石时破碎特点是不同的。,1.塑性岩石 塑性岩石硬度小，刮刀钻头在钻压W的作用下容易吃入地层，刃前岩石在扭转力 T作用下不断产生塑性流动，如图2-9 所示。由于破碎岩石是在力 W 和T的同时作用下，因此吃入深度要比力W单独作用时深得多

21、。,图2-9 破碎塑性岩石过程,2.塑脆性岩石 在力W和T的同时作用下，垂直压强不必大于岩石硬度（大约为硬度的1/61/14即可）刀翼即可沿角切入岩石，使其产生体积破碎。 这主要是因为，此时刃前岩石 的应力状态不同于刃底岩石的 应力状态，刀翼吃入深度与岩 石性质及力 R的大小有关。,塑脆性岩石的破碎大体可分为碰撞、压碎及小剪切、大剪切三个过程。 a.刃前岩石沿剪切面破碎后，T减小，刀翼向前推进，碰撞刃前岩石，图210（a）所示。 b.刀翼在扭力T作用下压碎刃前的岩石，使其产生小剪切破碎，旋转力增大，图210（b）所示。 C.刀翼继续挤压刃前的岩石（部分被压成粉状），当扭力 T增大到极限值时，岩

22、石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭力又突然变小，图210（C）所示。,粉,第五节 牙轮钻头及其破岩原理 5 Cone bit,牙轮钻头是石油钻井中使用最多、适应性最强的钻头。按钻头上牙轮的个数可将牙轮钻头分为单牙轮钻头、两牙轮钻头、三牙轮钻头和四牙轮钻头，其中使用最多的是三牙轮钻头。,牙轮是一个其上装有牙齿的锥体。,牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是相当复杂的。 三牙轮钻头在井底的运动，决定牙轮与牙齿的运动，也就直接决定牙齿对地层岩石的破碎作用。因此，在了解钻头破碎岩石的工作原理 之前，首先应了解钻头在井底的运动。,1、钻头的公转 钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转的运动叫公转。 钻头公转的

23、转速就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。钻头公转时，牙轮也绕钻头轴线旋转，牙轮上各排牙齿绕钻头轴线旋转的线速度不同，外排齿的线速度最大。,2、钻头的自转 钻头旋转时，牙轮绕牙掌轴线作反时针方向的旋转称自转。 牙轮的自转转速决定于公转的转速，并与牙齿对井底的作用有关。在理想的纯滚动条件下， 即牙齿与岩石间无滑动时， 牙轮自转的转速比钻头公转的转速快得多（大约是 1.5倍左右）。 牙轮的转动是岩石对牙齿的吃人破碎作用产生阻力作用的结果。,3、钻头的纵振（轴向振动） 钻头工作时，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交替进行地。单齿着地时，牙轮的轮心处于最高位置，双齿着地时则轮心下降。牙轮在转动过程中，轮心位置

24、不断上下变换，使钻头沿轴向作上下往复运动，即为钻头的轴向振动.,4、牙轮的滑动 破碎不同类型岩石，对钻头要求不同的滑动量，可通过设计钻头时采用不同的结构及参数获得。 一般情况下，软地层钻头应具有较大的滑动量，硬地层钻头应尽量减少或不产生滑动，避免牙齿早期损坏。 但是，由于钻头工作时，牙轮与牙掌轴颈的相对运动总是存在摩擦阻力等原因，即使设计的是纯滚动钻头，实际钻进中仍然存在着滑动。,钻头的自转 钻头的公转 钻头的纵振 牙轮的滑动 整个钻头向下的运动,2.钻头的冲击和压碎作用 钻进时，钻头上承受的钻压经牙轮作用在岩石上。除此静载以外还有一冲击载荷，这是由于钻头的纵向振动产生的。,3.牙齿对地层的剪

25、切作用 为了提高牙轮钻头对中硬和软岩层的破碎效率，除了要求牙齿对井底岩石有压碎、冲击作用外，还要求有一定的剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生轮齿对井底岩石的滑动来实现的。 产生滑动的主要因素有三个，即超顶、复锥和移轴。当牙轮锥顶不与钻头轴线重合时就有滑动产生。,从破碎岩石角度考虑，硬地层用单锥牙轮，使牙轮在井底为纯滚动而无滑动；软到中硬地层用复锥牙轮，使牙轮产生切向滑动以利破碎岩石。复锥牙轮还可增大牙轮的体积，有时为了加大轴承尺寸也使用复锥牙轮。,复锥：牙轮由两个或两 上以上不同锥度的锥体组 成，不同锥体锥顶不一致， 造成滑动。 超项：牙轮的锥顶超过了钻头中心线叫做超顶，锥

26、顶超过钻头中心线愈大，滑动量愈大。 移轴：移轴是将牙轮轴线方向水平移一定距离，牙轮轴线不与钻头中心相交于一点，而三个牙轮轴线在钻头中央相交成一个三角形。三角形愈大，移轴愈大，滑动愈大。,牙轮钻头结构组成 钻头体 牙掌 牙轮 轴承 锁紧元件 储油密封 喷嘴,牙轮钻头结构示意图,1.牙轮钻头的基本参数 对于不同岩性的地层，钻头应能够以最适合的破碎方式钻进，在设计制造钻头时要选择相应的结构参数。 （1）钻头直径 三牙轮钻头直径的确定应从钻井工作的发展及油田实际情况出发，以最小的尺寸系列来满足钻井工作需要。钻头尺寸与井身结构密切相关，所以它应与套管的尺寸系列相互适应。,（2）牙轮轴线偏移值 为了使牙轮

27、产生滑动，常使牙轮轴线沿钻头旋转方向平移一段距离或使牙轮轴相对于钻头径向偏转一个角度。 牙轮轴线的偏移值应据岩层的特性来定。一般来说，对低硬度、高塑性的岩层，偏移值要大；对高硬度低塑性的岩层，偏移值则要小；对于研磨性的硬地层和极硬地层，钻头偏移值应为零。,（3）牙轮轴线与钻头轴线夹角 牙轮轴线与钻头轴线夹角如图215所示。角的大小影响到给予牙轮的空间体积大小和轴承受力状况。角增大时，相邻两牙轮的夹角也增加，因而牙轮体积可加大；角减小则相反.一般角为51o59o，软地层钻头角较大，硬地层钻头角较小。,（4）牙轮的形状与布置 牙轮的几何形状应能在有限的空间内尽量加大牙轮的体积，加大轴承的尺寸，使轴

28、承有较大的工作能力，并保证轮壳有足够的厚度以免断裂。同时在牙轮的外表面也可以布置更多的牙齿，以延长切削部分的使用寿命。,牙轮的几何形状尺寸：见图 决定牙轮布置的主要参数： 偏移值 s、超顶距 c、角和 2角。,1）牙轮轴线、主锥母线交于钻头中心线，主锥不超顶 牙轮在井底的运动属于纯滚动，无滑动，牙轮的齿圈不与相邻牙轮齿圈相啮合，确定齿宽时不受相邻牙轮齿圈的限制，但各牙轮间要保持一定的间隙，牙轮的尺寸必须适当缩小，因 而牙轮体积较小，这种布置 方案适合于硬地层钻头。,纯滚动牙轮,2）牙轮轴线交于钻头轴线，但主锥超顶。 由于超顶可使各牙轮牙齿互相啮合，因而牙轮可以自洗，它有助于消除泥包现象。 这种

29、布置的牙轮在井底有滑动 （切向滑动）时，由于相邻牙轮齿 圈之间有间隙，所以会形成井底环 状突起，但在钻进软地层时影响不 大。这种布置方案适于软及中硬地 层钻头。,3）牙轮轴线偏移，牙轮可自洗。 由于移轴可使牙轮产 生轴向滑动，使井底不留 环状突起，故可以消除方 案二的缺点，它适合于软 及中硬地层的钻头。,（5）牙轮上牙齿的布置 牙齿在牙轮上的排列布置直接影响钻头的钻进效率，因此是非常重要的。布齿原则： l ）在钻头每转一周中，牙齿应全部破碎井底。 2）牙轮在重复滚动时应使牙齿不致落入别的齿已破碎的旧坑内。 3）各牙轮齿圈上的牙齿数应使每 齿均匀地承担破碎井底岩石的任务， 因此外圈齿数应多些，内

30、圈齿数可少 些。,2.牙轮钻头的牙齿 牙齿是牙轮钻头破碎岩石的主要元件，对于牙齿的基本要求是破岩效率高，寿命长。 要满足这两点，必须从两方面着手： 1）、牙齿的几何形状要合理。 2）、齿的材料要耐磨并有足够的强度。 目前牙轮钻头的牙齿有铣齿（也称钢齿）和硬质合金齿（简称镶齿）两大类。,牙轮钻头牙齿磨损分级： 钢齿的磨损分级。以齿磨去的高度与新齿高度之比作为定级标准，共分四级：,镶齿的磨损分级。用牙轮上断、掉的齿数与该牙轮总齿数之比作为评定钻头的磨损标准。,3.牙轮钻头的轴承,牙轮钻头的轴承有：滚动轴承和滑动轴承两种。,a. 滑动-滚珠-滑动 b. 滑动-滑动-滑动,a.滚柱-滚珠-滑动 b.滚

31、柱-滚珠-滚柱,4.钻头水眼 钻头水眼是在钻头体的适当位置开出的孔道，与钻头体内腔流道相连通，构成了钻井液由钻杆内部进入井底的通路。 普通（非喷射式）钻头的水眼，仅是在钻头体的适当位置开孔并焊上水眼套。 适合喷射钻井需要的钻头则在水眼处安装硬质合金喷嘴，且对水眼有关的钻头结构有特殊的要求，即： a. 钻头体内腔流道应使钻井液流动时阻力最小. b. 喷嘴形状应有较好的射流特性(流量系数大、等速核长). c. 可以根据水力设计要求，方便地选用和更换喷嘴. d. 水眼的布置（喷射方向、水眼位置的高低、数量 等）要有利于清除岩屑。,喷嘴结构主要包括喷嘴的流道形状、喷嘴高度和喷嘴直径。,喷嘴进口形状不同

32、，其流量系数C也是不一样的。为了提高射流的冲击效果，要求 小、 L0长 、C值大。显然，流线形和等变速型喷嘴为最好。,常用的喷嘴外形结构有标准型和保护盖型两种。,标准喷嘴 结构简单，制造成本较低。没有凸台保护锁紧挡圈，装卸使用方便。常用于低研磨性软地层钢齿钻头。 保护盖型喷嘴 顶部有凸台保护，可减少钻井液中研磨性物质对锁紧挡圈的冲蚀作用。所有滑动轴承钻头均采用保护盖喷嘴，它可在井下高压喷射的条件下长时间工作，安全可靠。,（1）长喷嘴： 普通喷嘴安装在牙掌体的水孔座上，其出口离井底一般为110140mm。液体射流离井底越近，冲击力越大。 长喷嘴可使液流出口接近井底，达到最大冲击力。 现场使用效果

33、表明：采用长喷嘴钻头机械钻速可提高 30%50%。,（2）中长喷嘴： 中长喷嘴又称半加长或微加长喷嘴。它比常规喷嘴加长了约 38mm。 这种喷嘴较之长喷嘴，制造工艺简单，易于实现。,（3）中心喷嘴： 在长喷嘴钻头中心增加一个扩散型中心水眼以清洗牙轮牙齿，防止钻头泥包，可以提高机械钻速。,中心单喷嘴水眼钻头 只在钻头中心设置一个喷嘴，并离井底很近。射流冲击井底中心后，向四周散射然后上返，上、下液流互不干扰，避免了由三个喷嘴产生的三股向下冲刺的液流与井底上返的液流互相干扰，造成井底流场紊乱，岩石难于顺利上返的局面，而有效的提高机械钻速。,（4）反喷嘴：其主要特点是三个喷嘴中的两个喷嘴加长并向下，第

34、三个则反向朝上，称反喷嘴。,近年来，随着高效能喷嘴的开发和应用，为提高钻井速度带来了明显的效果。 如“加长喷嘴”加强了等速核对井底的有效作用， “空化射流喷嘴”通过产生脉冲射流提高射流破岩能力等。,振荡脉冲射流喷嘴,1、牙轮卡死 2、掉牙轮和断巴掌 3、钻头牙齿磨光 4、轴承严重磨损或松动 5、钻头“泥包” 6、岩性变化造成蹩跳钻 7、钻头牙齿的不正常磨损,1、牙轮卡死 2、掉牙轮和断巴掌 3、钻头牙齿磨光脱落 4、轴承严重磨损或松动 5、钻头“泥包” 6、岩性变化造成蹩跳钻 7、钻头牙齿的不正常磨损,第六节 金刚石钻头及其破岩原理 6、Diamond bit,金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自

35、锐的天然金刚石或人造金刚石为切削齿，在低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中广泛使用的一种高效钻头。,a.按金刚石来源 天然金刚石钻头 （ND钻头） 人造聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头） 热稳定聚晶金刚石钻头（TSP钻头） b.按功用 取心钻头 全面钻进钻头 c.按镶嵌方式 表镶钻头 孕镶钻头 d.按钻井方式 转盘钻井钻头 涡轮钻井钻头 e.按钻头体 刚体钻头 胎体钻头,金刚石钻头制作与应用过程,1.1、计算机辅助设计,2、钻头加工,3、过程检验,1.2、原材料检验,4、出厂检验,5、现场使用,（1）、钢 体 钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与胎体烧结在一起。 （2）胎体 胎体是镶

36、嵌金刚石颗粒的基体，是由一定粒度的易熔金属作粘合剂，压制烧结面而成。,（3）切削刃 金刚石钻头的切削刃根据金刚石颗粒镶装在胎体上的形式有表镶式、孕镶式和表孕镶式三种。,是把金刚石颗粒只镶在胎体表面上层，其颗粒较大，一般为0.51.5粒克拉，出刃高度为金刚石颗粒直径的 13l4，但棱 角不宜尖锐，以免 钻进中崩裂。,是把金刚石颗粒均匀分布在钻头工作面胎体金属的一定厚度层内，随胎体的磨损，金刚石颗粒不断露出而不断磨削岩石，并不断自锐，不断磨损，直到金刚石磨完为止。 孕镶用金刚石颗粒是细颗粒，粒度为20200粒/克拉，棱角越大越好，孕镶层的厚度为212 mm。,镶装方法是在表镶式钻头工作面上薄弱部分

37、的胎体内，孕镶一层金刚石。这种钻头不仅破碎效果好，而且使用寿命长。,金刚石在钻头工作面上排列的方式目前常见有交错排列法、圆周排列法和脊圈排列法三种，这三种排列方式分别适应于软到中硬地层、硬地层和坚硬地层钻进。,交错排列法,以点孔方式单独布置在不同圆上，其优点是金刚石分布均匀，在切削齿充分覆盖井底的前提下，能提供良好的冷却和充分的清洗。这是目前采用最多的一种方式，用于中到中硬地层钻井的钻头。,圆周排列法,是将金刚石颗粒沿不同的同心圆以点孔方式排列。这种布齿方式其切削齿的密度较高，适用于钻进硬地层的钻头。,脊圈排列法,是将金刚石按不同的同心圆排列布置在一排排圆形凹槽中，烧结后形成脊圈，这种布齿方式

38、增加了对切削齿的支撑和保护，提高了切削齿的紧固度、抗冲击性及耐磨性，同时，这种方式还利于岩屑排除，常用于钻进坚硬地层的钻头。,水眼和水槽的布置原则 1.保证供给钻头工作面足够的水力能量， 2.能清除岩屑， 3.冷却和润滑钻头上的金刚石。,（4）水眼与水槽 金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。,金刚石钻头工作面上的水槽布置根据所适应的钻进地层及金刚石工作面来确定。 用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于其工作面小，金刚石颗粒粗而稀，钻进时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。 而对于硬和坚硬地层，由于钻头工作面大、金刚石颗粒细而密，且出刃低，钻压大，水槽则应多、密、窄。,金刚石钻头的水槽结

39、构大体可分为： 憋压式 幅射形式 幅射形憋压式 螺旋形式,当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压人岩石使下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃人岩石的位移体积。,2.金刚石钻头破岩原理,如在一些脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩的作用下所产生的应力可使岩石沿最大剪切面产生裂缝，这种情况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃人后位移的体积，脆性较大的岩石其破碎深度可达金刚石压人深度的2-5倍。,金刚石破碎岩石的效果，除与岩石性能有关外，还与井筒和地层孔隙流体的压差的大小、钻压大小及金刚石的几何形状、粒度和出露量有关系。,3、保

40、 径 方 式,金刚石钻头常用的保径方式有： 拉槽式 平镶式 组合式,一、常规金刚石钻头 （适用于硬地层）,二、PDC钻头 （Polycrystalline diamond compact） （适用于软-中硬地层）,金刚石钻头,它是用聚晶金刚石（薄圆片状）做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上而形成的。 PDC钻头适于钻软到中硬地层，单位进尺成本低。它自70年代出现以来，已逐渐取代了金刚石钻头而广泛应用于石油钻井。,1PDC钻头结构 PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。,基体,切削齿,喷嘴,排屑槽,（1）钻头基体 按钻头体材料及制造方法，PDC钻头可分为钢体PDC钻头和碳化钨胎体PDC钻头。 钢体式PDC钻头的表面不耐冲浊，规径易于磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨损，允许使用较高的钻头压力降、含砂量较高