第4章 岩石与钻头.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/10/8,#,第,4,章 岩石与钻头,4.1,岩石的机械性质,4.2,钻头,钻井,的对象是,岩石，其,性质尤其是机械性质与钻井的关系,很大，研究,岩石的机械性质具有重要意义。,一、岩石按其成因的,分类：,分为：,火成岩,、沉积岩、变质岩,沉积岩,又,分为,：,泥岩,(,颗粒,直径,1,毫米,),石灰岩,(,炭酸岩,),4.1,岩石的机械性质,砂岩按粒径大小又,可,分为：,粗砂岩,(,颗粒直径：,0.5,1,毫米,),中砂岩,(,颗粒直径：,0.25,0.5,毫米,),细砂岩,(,颗粒直径：,0.1,0.25,毫米,),粉砂岩,(,颗粒直径：,10,微米,100,微米,),4.1,岩石的机械性质,二、岩石的机械力学性能,钻井,的重要工作实际上就是破碎,岩石，因此,关心的主要是岩石的,力学性能,(,机械性能,),，是,钻头选型的重要依据。,机械性能,：,岩石,在外力作用,下，由,变形到破碎过程中表现出来的性质。,取决于组成矿物的性及质,胶结,情况。包括：,强度、硬度、脆性和塑性、研磨性、可钻性。,4.1,岩石的机械性质,强度：,抵抗,外力破坏的能力。,孔隙度,大,颗粒,接触面积,小,强度低,(,容易破坏,),胶结物,不同强度不同：硅,质、石灰质、铁质、泥质,胶结物,(,强度,逐渐,减小,),分为：,抗拉强度,(,抗,拉伸破坏,能力,),最高,抗剪强度,(,抗,剪切破坏,能力,),居中,抗压强度,(,抗,压缩破坏,能力,),最低,如：,4.1,岩石的机械性质,抗压,抗剪,抗拉,砂 岩,100,10,12,2,5,石灰岩,100,15,4,10,硬度：,抵抗,其他物体压入的能力。,莫氏硬度,(,定性,),：,根据,一种矿物刻划另一种矿物的经验办法区分矿物的软硬性质。,滑石硬度,最小，定,为,1,；金刚石最高，定,为,10,。,硬度,计测量的,硬度,(,定量,),4.1,岩石的机械性质,金刚石,刚玉,黄玉,石英,长石,磷灰石,萤石,方解石,石膏,滑石,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,脆性,和,塑性：,破碎,前只发生,弹性,变形,，为脆性岩石；受,力后即,发生,永久变形,(,塑性,),，破碎,点不,明显，为塑性岩石；介于,两者之间为塑脆性岩石。,与受力,状态，温度，加载,速度有关。,研磨性：,磨损,钻头的能力为岩石的研磨性。,可,钻,性：,被钻头破碎,的,能力，一般,用机械钻速,表示，与,许多因素有关。可用岩石可钻性测定仪,测定,(,微,钻头,实验,),。,4.1,岩石的机械性质,三、岩石硬度与塑性的测定,用,圆柱压入法测定岩石硬度与,塑性系数,(,苏联,、,史立涅尔,),，接近,钻井实际情况。,硬度计,10kN,油压机：油压,产生压力,P,压,模吃入,岩石,P,与吃深,h,有关，即,变形,曲线。,按,P,h,曲线形状可,分为：脆性,、塑脆性、塑性岩石。,4.1,岩石的机械性质,硬度,(,硬度,计测得,的,),1),脆性岩石,(,如,石英,石,),P,y,硬度,(Pa),P,脆性,破坏时,载荷,(N),S,压,模型,面积,(m,2,),4.1,岩石的机械性质,2),塑,脆性岩石,计算法同上,3),塑性岩石,(,如,软泥,岩,),只发生变形不发生脆性,破坏,P,0,发生,屈服时的载荷,4.1,岩石的机械性质,塑性系数,K,K,面积,OABCEO/,面积,OADEO,面积,OABCEO,岩石破碎,前耗总功,面积,OADEO,弹性变形功,(,包含,弹性区和塑性区中的弹性,变形功,),K,越,大，塑性,越,大：塑性岩石,K,，脆性岩石,K,1,4.1,岩石的机械性质,四、岩石按力学性能分类,按,硬度分类,4.1,岩石的机械性质,类别,软,中,软,中,硬,硬,坚,硬,极,硬,级别,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,kg/mm,3,10,10,25,25,50,50,100,100,150,150,200,200,300,300,400,400,500,500,600,600,700,700,按塑性系数,k,分类,4.1,岩石的机械性质,脆性,塑脆性,塑性,低,塑性,高,塑性,级别,1,2,3,4,5,6,K,1,1,2,2,3,3,4,4,6,6,直接,破碎岩石的,工具，按,破岩原理分为三,类：,1.,切削型,2.,冲击压碎剪切型,3.,研磨性,4.2,钻头,一,、刮刀钻头,分类：,两,翼型，三翼型，四翼型，正反阶梯型。,4.2,钻头,刮刀钻头,主要,参数是刀翼的结构,角,刃,尖角,；切削角,4.2,钻头,4.2,钻头,破,岩,原理：,主要,是,切削,脆,和塑,脆性岩石与塑性岩石,的破岩,过程少有区别,脆,和塑脆,岩石：,碰撞,挤压压碎,(,小剪切,),大,剪切,。,(,图,3-7),4.2,钻头,(2),塑性岩石：,切削,(,连续的,塑性,流动,),。,图,3,8,4.2,钻头,特点：,结构简单，成本低，但,扭矩,大,(,钻,柱易,损坏,),适用于,软、中软地层,二、牙轮钻头,是,目前使用最为广泛的钻头。有单牙轮、双牙轮、三牙轮、四牙轮钻头。三牙轮钻头最为普遍。,(,一,),结构：,钻头体,、巴掌、牙轮轴、牙轮、轴承、密封件、水眼等部分组成。,4.2,钻头,三牙轮钻头,牙轮,用,合金钢经过模锻而成的,锥体，牙轮,锥面或铣,出,牙齿,(,铣,齿,钻头,),或,镶装硬质合金,齿,(,镶齿钻头,),，牙轮,内部有轴承跑道及台,肩。,按,牙齿材料,不同,分为：铣,齿钻头和镶齿钻头,4.2,钻头,镶齿,钻头,铣齿钻头,(2),铣,齿,牙齿,是,由,牙轮,毛坯径铣削加工而,成，主要,是楔形齿。不同的地层齿的结构,参数,(,齿高,、齿宽、,齿距,),不同,。,4.2,钻头,(2),镶,齿,在牙轮表面钻出孔,后，将,硬质材料制成的齿镶入孔中。可以制成不同形状的,齿，以,适应不同的地层。,4.2,钻头,(,二,),工作,原理,牙轮的,自转和公转,钻头,的纵向振动及对地层的冲击、压碎,作用,牙齿,对地层的剪切,作用,(,超,顶与移轴引起齿的,滑动,),牙轮钻头,的自,洗,(,齿,圈相互,啮合,),4.2,钻头,牙轮布置方案,三、金刚石钻头,用,金刚石作切削,刃,可,钻极硬岩,石，研磨性钻头，分为,两,类：,表,镶,式,(,外露,1/3,，,0.6,1.2mm),，价格,高,孕,镶,式,(,细小,颗粒与胎体材料一起,烧结,),，价格,低。,适用地层：,硬地层,(,高转速，趋于,与涡轮钻配合,使用,),。,4.2,钻头,金刚石钻头,四、,PDC,钻头,人造聚晶金刚石复合片钻头,Polycrystaline Diamond Compact,Bit,PDC,钻头是用人造聚晶金刚石切削块嵌于钻头钢,体,(,或,焊于钻头胎,体,),而,成的一种新型切削型,钻头，它,以锋利、高耐磨、能够自锐的金刚石切削块作为切削刃。从而能够在低钻压,下,(4,吨,左右,),取得,高,进尺,(,为,牙轮钻头的,4,6,倍,),和,高,转速,(,高于,牙轮钻头,2,倍,以上,),，这种,钻头,适用与钻进软到中,硬地层，目前,还不适用于硬及研磨性地层,。,4.2,钻头,4.2,钻头,PDC,钻头,PDC,钻头分两大,类：,钢,体,PDC,钻头与碳化钨胎体,PDC,钻头,。,4.2,钻头,钢,体,PDC,钻头,是将优质,NiCrMo,钢车制,成形，在,钻头冠部及规径部分,钻孔，热处理，然后,将焊有,PDC,切削块的碳化钨柱块以紧配合压入孔内,。,12-1/4,YFS1905,（钢体式,PDC,钻头）,胎体钻头,用碳化钨粉末烧结而成，用人造聚晶金刚石复合片钎焊在碳化钨胎体上，用天然金刚石保径。碳化钨胎体耐冲蚀、耐磨、强度高、保径效果,好。,4.2,钻头,钢,体,PDC,钻头制造比较,简便，主要,靠机,加工，但,钻头表面不耐,冲蚀,(,尽管,有些钢体钻头表面有抗磨敷,层,),，规,经易于磨小,。,胎,体钻头因一个钻头一套,模具，故,可灵活改变,设计，做出,比较复杂的结构,外形，胎,体钻头除表面耐冲蚀,外，还,在规经部位烧结天然金刚石以保持钻头直径尺寸。,4.2,钻头,钻头,外形影响钻头的稳定性及,井斜控制，也,影响井底,清洗，目前,主要,有,长抛物线,型、中等,抛物线,型、短,抛物线,型三种（代号,1,9,）。,4.2,钻头,岩石硬度,抗压强度,(psi),冠部形状,冠部形状,代码,很低硬度,0,8000,长抛物线,1,3,中等硬度,8000,16000,中等抛物线,4,6,高硬度,16000,32000,短抛物线,7,9,钻头冠部形状确定原则,4.2,钻头,岩石硬度,抗压强度,(psi),切屑齿尺寸,很低硬度,0,8000,19,24mm,中等硬度,8000,16000,16,19mm,高硬度,16000,32000,13,16mm,极高硬度,32000,50000,8,13mm,（超强齿,),切削齿尺寸选择原则：,岩石硬度,抗压强度,(psi),布齿密度,很低硬度,0,8000,低布齿密度,中等硬度,8000,16000,中等布齿密度,高硬度,16000,32000,高布齿密度,极高硬度,32000,50000,高布齿密度,(,超强齿,),布齿密度原则,：,4.2,钻头,要,表达,出一下四个特征：,M=,胎,体,PDC,钻头；,S=,刚体,PDC,钻头,切削,齿,尺寸,:,刀翼,数,:,冠部,形状,:,如,PDC,钻头,M1963,：,胎,体、,切削齿,尺寸,19mm,、,6,刀翼、,冠部,形状为长抛物线型,PDC,钻头命名：,4.1,岩石的机械性质,返 回,返 回,1,