第二章钻进工具--钻头(sxc).ppt

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,*,第二章 钻进工具,本章主要内容：,第一节 钻头,第二节 钻柱,钻头的类型及工作原理,钻柱的组成及功用,钻头的选型及分类方法,钻柱的工作状态及受力分析,钻头的合理使用,钻柱设计,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,（一）钻头分类,1.,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,2.,按功用分,全面钻进钻头,取心钻头,扩眼钻头,一、概 述,（二）,钻头尺寸系列（,API,标准）,3-3/4,，,4-1/4,，,4-1/8,，,4-3/4,，,5-5/8,，,5-7/8,，,6,，,6-1/8,，,6-1/4,，,6-1/2,，,6-3/4,，,7-1/2,，,7-7/8,，,8-3/8,，,8-1/2,，,8-5/8,，,8-3/4,，,9-1/2,，,9-5/8,，,9-7/8,，,10-5/8,，,11,，,12-1/4,，,14-3/4,，,17-1/2,，,20,，,24,，,26,，,36,（三）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,go,（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（,Roller Bit,）,a,单锥；,b,、,c,复锥；,1,主锥；,2,副锥；,3,背锥,a,b,c,（,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（,Roller Bit,）,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,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,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。,（,一）牙轮钻头结构,2.,轴 承（,Bearing of Bit,）,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（,Roller Bit,）,3,储油润滑密封系统,储油润滑补偿系统,密封系统,：,橡胶密封圈、金属密封圈,工作原理：,储油压力补偿系统（传压孔、压力补偿膜、油杯等）保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低，储油杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内；当轴承腔内的油压升高，则流入储油杯。其中，,有效密封是关键,。,（,一）牙轮钻头结构,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,空化喷嘴,脉冲喷嘴,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,5,牙轮的布置,（,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（,Roller Bit,）,5,牙轮的布置,（,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（,Roller Bit,）,5,牙轮的布置,（,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（,Roller Bit,）,（二）牙轮钻头工作原理,1,牙轮钻头在井底的运动,公转：,牙轮随钻头一起旋转,顺时针,。,自转,：,牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转,逆时针,。,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。,引起滑动的原因：,超顶和复锥引起切向（周向）滑动,移轴引起径向（轴向）滑动,纵向振动：,牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。,引起纵向振动的原因：,单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；,井底凹凸不平,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,超顶距,公转时,自转时,平衡时,合速度,副锥产生超顶效果,超顶和副锥引起周向滑动,（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（,Roller Bit,）,o,a,c,M,O,a,a,O,a,O,移轴引起径向滑动,（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（,Roller Bit,）,单、双齿交替着地引起纵向振动,（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（,Roller Bit,）,（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（,Roller Bit,）,（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。,牙齿磨损代号,铣 齿,镶 齿,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,T,7,T,8,齿高磨掉,1/8,齿高磨掉,2/8,齿高磨掉,3/8,齿高磨掉,4/8,齿高磨掉,5/8,齿高磨掉,6/8,齿高磨掉,7/8,齿高全磨光,1/8,的齿甭碎或掉落,2/8,的齿甭碎或掉落,3/8,的齿甭碎或掉落,4/8,的齿甭碎或掉落,5/8,的齿甭碎或掉落,6/8,的齿甭碎或掉落,7/8,的齿甭碎或掉落,所有齿全甭碎或掉落,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,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。,轴承磨损代号,磨损情况,B,1,B,2,B,3,B,4,B,5,B,6,B,7,B,8,轴承寿命已用掉,1/8,轴承寿命已用掉,2/8,（轻度磨损）,轴承寿命已用掉,3/8,轴承寿命已用掉,4/8,（中等磨损）,轴承寿命已用掉,5/8,轴承寿命已用掉,6/8,（轴承晃动）,轴承寿命已用掉,7/8,轴承寿命已用完（轴承卡死或弹子掉落）,（三）牙轮钻头磨损与分级,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,3.,直径磨损,原直径：,I,直径磨小：,O+,直径磨小值（,in,）,例如：,T,2,B,4,I,T,6,B,6,O 1/2,（三）牙轮钻头磨损与分级,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,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,2mm,Z4,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。,（三）牙轮钻头磨损与分级,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,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。,（四）,牙轮钻头类型及选择,IADC,编码,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,国产牙轮钻头分类方法,祥见书,P66-67.,（,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。,二、牙轮钻头（,Roller Bit,）,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,（一）金刚石钻头分类,（二）金刚石钻头结构与设计,（三）金刚石的物理机械性质,（四）金刚石钻头的破岩机理,（五）金刚石钻头的合理使用,三、金刚石钻头,（一）金刚石钻头分类,2.,切削齿镶装方式,天然金刚石,TSP,PDC,impregnated,1.,切削齿种类,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,（二）金刚石钻头结构与设计,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。,金刚石,水眼,水槽,冠部,保径,钢体,排屑槽,胎体,钢体,接头,金刚石,胎体,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,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,（二）金刚石钻头结构与设计,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,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,（二）金刚石钻头结构与设计,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,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。,石墨,500010000MPa,10002000,金刚石单晶,金刚石聚晶,高温高压下,金属触媒,（,2,）人造金刚石聚晶,（二）金刚石钻头结构与设计,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,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。,（,4,）出露高度,软地层：,1/3,金刚石粒径,中硬地层：,1/31/5,金刚石粒径,硬地层：,1/51/6,金刚石粒径,坚硬地层：,1/61/10,金刚石粒径,（二）金刚石钻头结构与设计,软地层,硬地层,坚硬地层,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,3.,金刚石及布置,（,5,）金刚石布置,（二）金刚石钻头结构与设计,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,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,（二）金刚石钻头结构与设计,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,（三）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。,（四）金刚石钻头的破岩机理,三、金刚石钻头（,Diamond Bit,）,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，金刚石以压碎方式破碎岩石，形成体,积破碎坑，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。,（五）金刚石钻头的正确使用,（,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。,第一节 钻 头,一、概 述,二、牙轮钻头,三、金刚石钻头,四、,PDC,钻头,四,、,PDC,钻头,（,一）聚晶金刚石复合片（,PDC,）,1.,结构及尺寸,直径（,mm),适用地层,24,极软,19,软,16,中,13,中硬,8,硬,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,（,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,（二）,PDC,钻头结构与设计,四,、,PDC,钻头,1.,钻头剖面形状,（,3,）外锥或侧翼（,Taper or Flank,）,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,（二）,PDC,钻头结构与设计,内锥,冠顶,外锥,肩部,保径,1.,钻头剖面形状,特点,内外锥有利于钻头稳定；,外锥较长，可多布齿，使磨损均匀；,钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。,适合中等均质地层。,特点,钻头表面积较小，水力集中，清洗效果好；,载荷分布较均匀；,用于钻石灰岩、白云岩等较硬地层。,特点,侧向推力指向钻头中心，有利于防斜；,钻头外部表面积大，可布置较多切削齿，利于提高寿命。,用于软地层,。,特点,冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均匀。,外侧采用圆弧，布齿面积较大。,用于硬地层。,双锥形,浅锥形,抛物线形,B 形,四,、,PDC,钻头,（二）,PDC,钻头结构与设计,四,、,PDC,钻头,（二）,PDC,钻头结构与设计,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。,（,1,）布齿方式,2.,布齿设计,（,2,）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,钻头结构与设计,2.,布齿设计,四,、,PDC,钻头,（,3,）布齿设计方法,等磨损布齿,同轨布齿,变密度布齿,轨道布齿的井底剖面,（二）,PDC,钻头结构与设计,四,、,PDC,钻头,3.,切削齿工作角设计,后倾角：,1025,侧转角：,015,（二）,PDC,钻头结构与设计,后倾角,：,起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值,0-20,，,软地层小一些，硬地层大一些。,侧倾角,：,钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，,有利于向外排除岩屑。,=15,左右。,四,、,PDC,钻头,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。,喷嘴,开放式水槽结构,（二）,PDC,钻头结构与设计,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,（六）,PDC,钻头的使用,1.PDC,钻头适用于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬交,错地层和砾石层。,2.,与牙轮钻头相比，,PDC,钻头宜采用低钻压、高转速钻进。,3.,钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。新钻头钻进时，先,用小钻压和低转速磨合井底，完成井底造型。,4.PDC,钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合高转速的,涡轮钻井。,