石油钻井设备与工具-王镇全第四节聚晶金刚石钻头

第四节聚晶金刚石钻头以金刚石类材料为切削齿的钻头统称为金刚石钻头。按照金刚石种类的不同，将金刚石钻头分为四类：1、聚晶金刚石复合片（PDC）钻头2、热稳定聚晶金刚石钻头（TSP）3、表镶金刚石钻头4、孕镶金刚石钻头聚晶金刚石复合片钻头表镶金刚石钻头孕镶金刚石钻头一、金刚石类材料简介1、切削齿对材料性能的要求1）良好的机械力学性能。破岩需要良好的硬度、强度、韧性。2）耐磨性。抵御岩石的磨损。满足以上要求的材料有金属陶瓷、金刚石，统称为超硬材料。比如:硬质合金、单晶和聚晶金刚石等。金刚石是人类目前所知材料中最硬、抗压强度最强、抗磨损能力最高的材料，因此它是作为钻头切削刃最理想的材料。天然单晶金刚石2、金刚石的种类金刚石按其成因可分为两大类：天然金刚石：单晶金刚石;人造金刚石：单晶或聚晶金刚石、聚晶金刚石复合材料。人造单晶金刚石聚晶金刚石聚晶金刚石复合材料——复合片图1爪型复合片图2常规复合片聚晶金刚石层硬质合金3、金刚石材料简介1）性能硬度弹性模量冲击韧性热胀系数热传导系数抗压强度2）金刚石的结构石墨金刚石金刚石为石墨的同素异形体。金刚石的晶体类型：3、合成金刚石机理与工艺碳的相图人造金刚石的是用石墨在某些金属触媒的作用下，在5～10MPa压力及1000°C～2000°C高温条件下制成单晶金刚石。目前已能合成直径3mm或更大的大颗粒单晶金刚石，但成本较高。目前我国人造单晶金刚石的产量已居世界第一位。合成金刚石的方法很多，主要有高压法:–静压法–动压法低压法:–CVD法两面顶压机合成金刚石原理图六面顶压机结构原理4、金刚石材料的特点优点：硬、耐磨缺点：①脆性较大，遇到冲击载荷会引起破裂。②热稳定性较差，在高温下金刚石会燃烧变为二氧化碳和一氧化碳；在空气中，约在455～860℃之间，金刚石就要出现氧化燃烧；在惰性或还原性气体中不会氧化燃烧，但约在1430°C时，金刚石晶体出现同素异形转换变成石墨。对于聚晶金刚石复合片由于内部含有部分金属，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。因而，金刚石钻头的设计、制造和使用中必须避免金刚石材料经受高的冲击载荷并保证金刚石切削齿的及时冷却。5、金刚石切削齿1）单晶金刚石种类：天然、人造特点：颗粒小。2）聚晶金刚石聚晶金刚石是将直径约1～100um之间的人造金刚石单晶微粉，加入一定配比的粘结金属或其他材料在高温高压下聚合而成的大颗粒的多晶金刚石材料。有PDC和TSP两类。①聚晶金刚石复合片结构：复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于3mm，切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用。特点：A、金刚石和硬质合金两种材料的有机结合，使PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金材料的强度和抗冲击能力。图1爪型复合片图2常规复合片聚晶金刚石层硬质合金B、自锐性由于金刚石的耐磨性是硬质合金的300倍以上，在钻进过程中硬质合金磨损量大于金刚石层，使得金刚石层始终保持一定的出露量，整个复合片齿始终保持良好的锋利性。C、热稳定性差聚晶金刚石复合片内部含有部分金属触媒，由于金属材料的热膨胀系数远大于金刚石的热膨胀系数，急剧受热容易引起热裂。同时由于金刚石层与硬质合金的热胀系数存在差异，受热也会造成金刚石的脱层。其耐热温度﹤700°。D、脆性大，抗冲击韧性差金刚石本身脆性大；硬质合金层与金刚石的弹性模量不同，冲击响应频率不同，受冲击载荷作用时，金刚石层受到的冲击不能完全由硬质合金层吸收，容易造成金刚石层发生崩裂，因次适应地层受到限制。为提高硬质合金层与金刚石层之间的结合强度，增强复合片的耐冲击韧性，对硬质合金层与金刚石层的结合方式进行了不同的处理，出现了多种结构的复合片。3、种类常用的PDC直径为13.4mm、16mm、19mm和8mm。目前PDC正朝着大直径方向发展，最大的直径可达50.8mm，而且金刚石层也有加厚的趋势，已有厚度达2.5mm的PDC齿。②热稳定性聚晶金刚石（ThermallyStablePolycrystalline(TSP)Diamond）与PDC的主要区别：将聚晶金刚石中的金属粘结剂用酸去除，使聚晶金刚石的耐温性大大提高。耐热温度达到1150°。特点：颗粒较大，有一定的耐温性。热稳定聚晶金刚石二、PDC钻头PDC钻头（PolycrystallineDiamondCompactBit，即聚晶金刚石复合片钻头）是随着PDC复合材料的发展而发展起来的一类新型钻井工具。它是美国石油钻井工业20世纪80年代的一项重大技术成就。PDC钻头在石油钻井中的应用使于70年代中期。以锋利、耐磨、能够自锐的聚晶金刚石复合片切削齿剪切破碎岩石。由于这种钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，大大降低了钻井成本，所以PDC钻头广泛应用于软到中硬地层的油井的钻进。目前，PDC钻头的用量和在钻井中总进尺的比例逐年上升，迄今已达到45%左右。一)钻头结构1、结构2、PDC钻头分类按钻头体材料分类：钢体、胎体；按刀翼数量分类：3-12刮刀。钢体PDC钻头胎体PDC钻头钻头结构参数切削结构水力结构3、PDC钻头结构参数切削结构基本参数切削结构冠部形状刀翼的数量及结构切削齿的分布切削齿的空间位置保径结构水力结构流道的结构喷嘴及空间结构水力结构基本参数：二）切削结构及参数1、冠部形状钻头冠部形状是指钻头切削齿外部轮廓的包络线。由内锥、外锥和鼻部组成（见图）。钻头冠部形状短抛物线长抛物线钻头的冠部形状决定了钻头切削形成的井底形状，使得切削齿接触井底的先后次序发生变化。由于最前端的切削齿（鼻部齿）在半无限体状态下破碎岩石，所受的单位面积的切削力最大，而后序切削齿由于自由面形成，所受的单位面积的切削力逐次降低。因此钻头冠部形状对切削齿的受力有较大的影响。同时内锥影响钻头的稳定性，外锥影响钻头的布齿数量和布齿密度；内外锥结构对流道形状也有较大的影响。①冠部形状参数：对于通常采用的圆弧形冠部，其形状可由内锥角和外锥圆弧半径r两个参数确定（图）。②冠部形状参数确定方法冠部内锥角的大小影响钻头的稳定性，内锥角越小钻头越稳定。随着地层硬度的增加，内锥角逐渐减小、内锥高度增加，以保持钻头的稳定性。内锥深度与内锥角有关，按内锥角的大小将内锥深度分为浅锥和深锥两种，对应关系为：内锥角﹥130°——浅锥内锥角≦130°——深锥一般根据地层软硬变化取值范围为120°—170°。钻头的外锥弧半径决定了摆放切削齿的总数量、切削齿的切削体积和流道的形状，因此外锥圆弧半径与钻头齿的磨损和携岩效果密切相关。圆弧半径的确定原则为：在保持携岩流道畅通的前提下，尽量减小圆弧半径。同时要考虑钻头转速，一般转速越快外锥部位磨损越严重，需要增加圆弧长度以增加切削齿的数量。常规钻头外锥圆弧半径由冠部高度系数确定：冠部高度系数定义为：冠部高度即为钻头圆弧部位的总高度。按照冠部高度系数将冠部圆弧半径大小分为四级（如图），具体分级描述如下：冠部圆弧半径大小分级冠部高度系数与适用条件的对应关系为：2、布齿密度与布齿间距布齿密度定义为单位长度内切削齿的总面积，也可用两个切削齿之间的切削弧长表示（如图）。布齿密度的大小由冠部形状、刀翼数量和布齿间距决定。在冠部形状、刀翼数量确定的条件下，布齿密度取决于布齿间距的大小。布齿间距定义为刮刀上相邻两切削齿之间的间隙宽度（图）。为使切削齿准确定位，切削齿之间不能接触，因此需要一定的布齿间距。布齿间距由冠部圆弧半径、切削齿长度、切削齿直径、齿前角、切削齿后部距离决定（如图）。3、切削齿空间结构参数PDC钻头切削齿空间结构由四个基本参数确定：齿前角、侧转角、装配角和位置角（如图）。①齿前角金刚石复合片绕水平直径线旋转一个角度，切削齿切削平面和切削齿轴线所成的角称作齿前角。研究表明，齿前角的大小与破岩效果密切相关，齿前角绝对值越大，下部的岩石多向压缩应力增加，压碎的岩石比例增大，不易形成较大体积的剪切破碎，破岩效率降低；而齿前角变小，一方面复合片后部趋于平缓，切削齿不易深度吃入地层，另一方面由于切削齿受拉、弯应力相对增加，易造成复合片崩裂。因此齿前角存在最优值（如图）。最优值的大小与地层特性、切削齿的性能等因素有关。一般而言，对于较硬地层，齿前角绝对值取大值。对于软地层齿前角绝对值应较小，一般在-10°到-30°度范围内。中心部位切削齿由于回转半径很小，受力状态复杂，齿前角绝对值较大，其它部位切削齿的齿前角根据地层条件确定，其选择范围见表：②侧转角由于切削齿有一定的厚度，当其在切槽中旋转时，由于其切削刃部分集中在复合片前部（1-2mm），其后部支撑部分会在环槽内与地层产生摩擦磨损（如图），影响机械钻速，同时侧转角还对岩粉的运移产生影响。摩擦磨损的部分在角a范围内。为避免上述情况，需要将复合片沿其中心线旋转一定的角度b，此角度即为侧转角（如图）。③装配角切削齿柱轴线与钻头轴线成一角度，此角称作装配角。装配角为确定参数，由钻头的冠部形状和齿径向半径决定。④位置角切削齿位置角为切削齿在钻头圆周上所处的方位角（如图）。切削齿位置角由其所处的刀翼位置、刀翼形状确定。4、切削齿直径目前市场上常规PDC齿的直径为：13.4mm、16mm、19mm、25.4mm四种。齿直径的选择依据地层条件。大直径齿出露量大、机械钻速高、不易泥包，适合软地层。小直径齿抗冲击韧性相对较好，但出露量较小，适合硬地层。切削齿尺寸选择与地层的对应关系如下：5、刀翼数量、形状及位置角①刀翼数量对刮刀PDC钻头而言，钻头冠部形状确定后，刀翼数量决定了切削齿的布齿密度和数量。同时其位置角影响钻头的整体受力和流道的结构。地层越硬钻头磨损越严重，需要增加切削齿的数量，刀翼数量也越多。常规钻头刮刀数范围为3~9。刮刀数量与地层硬度的对应关系为：②刀翼形状刀翼形状与钻头的冠部形状、切削齿的空间结构参数有关。刀翼形状影响钻头流道结构、钻头受力和携岩效果。其基本参数由切削齿空间结构参数确定，其基本结构形式分为以下三种：直刀翼：钻头刀翼的俯视投影为直线（如图）一般其冠部圆弧较小，用于中软至硬地层钻头。常规螺旋：刀翼形状由直线段和螺旋线组成，适用于各种地层。大螺旋：刀翼形状为螺旋型，由切削齿的位置拟合得到，适用于软地层。③刀翼位置角各刀翼位置角由周向角限定。周向角即为刀翼的方位角（如图）。周向角依据结构对称原则、流道协调原则设计。结构对称是指长短刀翼的搭配力求做到在结构上对称，使任意横截面两边的切削齿数量和切削结构基本对称（如图）。流道协调原则是指流道的过流面积变化协调均匀，避免局部流道堵塞或局部狭窄，防止局部岩屑堆积（如图）。6、保径结构与形状钻头保径除保持井眼直径外，对钻头的导向性能和钻头稳定性影响较大。其结构由保径长度、保径宽度、保径形状确定。一般而言，地层研磨性越大，保径面积应加大。在保持井眼直径的前提下，考虑钻头的导向性能和稳定性。保径的形状分为直线形和螺旋形两种。保径形状与刀翼形状、地层特性以及井眼轨迹控制等因素有关。一般刀翼形状为螺旋形则保径为螺旋形。三）钻头水力结构参数确定原则钻头水力结构主要包括两部分：流道结构和喷嘴及空间分布。1、流道结构流道结构与尺寸结构设计目标是最大限度的增加流道空间，便于岩粉尽快离开井底，避免岩粉的二次破碎。一般流道深度为喷嘴的最佳喷距，也即喷嘴直径的5—7倍；流道的宽度越大越好，其由刀翼空间决定，因此一般情况下在保证刀翼强度的前提下尽量采用较窄刀翼形状。2、喷嘴及其空间结构参数①喷嘴的数量与尺寸喷嘴数量和尺寸是由水力学参数优化设计结果确定的。喷嘴的当量直径可由排量和设计钻头压降计算得到：式中：△P—设计钻头压降；Q—排量；A—钻头喷嘴过流面积；D—喷嘴当量直径；Dj—第j个喷嘴的直径；N—喷嘴个数。由排量和设计钻头压降计算得到钻头喷嘴的当量直径后，根据喷嘴个数确定每个喷嘴直径。每个喷嘴直径有不同，但差别不能太大，以使钻头表面的液流分布均匀。②喷嘴的空间结构参数喷嘴的空间结构参数主要有：中心半径、位置方位角、喷射方位角、喷射角度四个参数(如图）。这四个参数依据水力学优化设计结果确定。中心半径、位置方位角确定