第4章钻头

23第四章钻头（Bit）钻头是钻井中直接与地层交锋的重要工具，没有钻头就无法钻进，钻头的质量好坏直接影响到钻井的速度。地下岩石性质变化极大，因而就需要各种不同类型的钻头来对付不同的地层。钻头的类型：1、按切削原理分类：切削型钻头（刮刀钻头、ＰＤＣ钻头）冲击压碎剪切型钻头（牙轮钻头）研磨型钻头（金刚石钻头）2、按功用分类：全面钻进钻头环形钻进钻头（取心钻头）特种钻头（扩眼、偏心）第一节刮刀钻头(DragBit)刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的钻头。一、刮刀钻头破碎岩石的基本原理以刮挤和剪切作用来破碎地层以正螺旋面吃入切削地层刀翼受力：钻压Ｐ→Ｒ→与剪切面垂直分力Ｎ扭力Ｔ→与剪切面平行分力Ｆ摩尔强度理论：Ｆ≥剪切面积×岩石抗剪极限强度→岩石沿剪切面破碎(1)塑性岩石岩石硬度小，容易吃入→塑性流动(2)塑脆性岩石：体积破碎a.小剪切破碎b.大剪切破碎PTFRN24二、刀翼的几何形状和结构参数1、结构：刀翼（切削刃）组合平底翼正阶梯反阶梯反锥形几个名词和概念：钻头体、翼（切削刃）、平底、阶梯底、堆焊、刃尖角、切削角、底刃厚度b、刃前角、刃后角。2、特点：结构简单、成本低；钻头承压面积大，钻进时扭矩较大；适用于软地层、中软地层钻进。三、提高刮刀钻头的耐磨性(1)刀翼材料(2)镶装和平铺硬质合金第二节牙轮钻头因能适用于各种软硬不同的地层，是目前广为应用的一种钻头类型。1909年，第一只牙轮钻头1925年，自洁式牙轮钻头1935年，移轴式牙轮钻头1949年，喷射式牙轮钻头1951年，镶硬质合金齿25～40小时1960年，密封润滑轴承40～60小时喷射密封润滑轴承镶硬质合金齿钻头→三合一或四合一钻头b25一、牙轮钻头在井底的运动及破岩原理（三大破岩原理）牙轮钻头的外型结构（看模型）(1)钻头体：钻头主体（有体式、无体式）。(2)巴掌：连接在钻头体上，装有牙轮轴，起支撑和固定牙轮的作用。(3)牙轮：有牙齿的圆锥体，可转动，用于破碎岩石。(一)牙轮钻头在井底的复合运动基本假设(P51页)(1)井底刚性、平整(2)钻头刚性(3)牙轮与井底接触母线上压力均匀分布(4)钻头及牙轮做等角速旋转1、钻头的复合运动(1)钻头公转（引起的牵连速度）(2)牙轮转动（引起相对速度）(3)滑动（绝对速度）(4)纵向振动（二）钻头的冲击压碎作用1、纵振的频率和周期要求：纵振周期大于岩石破碎需要的时间。2、纵向位移（振幅）与牙轮半径成正比、与牙齿数成反比。3、纵振速度牙轮半径越大、牙齿数越小、转速越高，则冲击速度越大。4、冲击载荷冲击载荷由钻头纵振引起，有利于破碎岩石，但也会使钻头轴承过早损坏，使钻柱处于不利工作条件。（三）牙齿对地层的剪切作用剪切作用是通过牙轮的滑动来实现的；滑动：利用牙轮结构和安装位置上的变化来增加其对地层的剪切作用。261、超顶：牙轮锥顶超过钻头轴心（碾子）引起切向滑动，其大小与超顶距c成正比。切向滑动→剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。2、移轴：牙轮轴线偏离钻头轴心引起轴向滑动，其大小与偏移值s成正比。轴向滑动→剪切掉齿圈之间的岩石；3、复锥：牙轮母线有两个不同的锥度总结：(1)压碎作用：钻压引起钻压↑→破岩效果↑(2)冲击作用：钻头纵向振动引起牙轮半径↑、转速↑、齿数↓→冲击速度↑(3)剪切作用：牙轮相对于井底的滑动引起二、牙轮钻头的结构和类型（一）牙轮钻头的基本参数1、钻头直径2、牙轮轴线偏移值3、牙轮轴线与钻头轴线的夹角（二）牙轮钻头的牙齿1、铣齿：在牙轮本体上直接铣齿，齿面焊硬质合金粉。齿形：楔形c自转超顶滑动公转移轴滑动27参数：齿高、齿距、齿尖角特点：耐磨性差，用于钻切较软的地层2、镶齿：牙轮本体上钻孔镶嵌碳化钨硬质合金齿；齿形：楔形、锥型、三棱形、球形、抛射体形、平顶形；3、自洗：同一钻头上的三个牙轮利用齿的交错排列互相清除钻屑，适用于软地层。4、牙齿的布置(1)钻头每转一周，牙齿应全部破碎井底；遮盖系数η＝各轮圈齿宽总和／井底接触母线长度井底击碎图(2)牙齿不落入旧坑(3)每齿均匀承担破岩任务→各齿圈齿数（三）牙轮钻头的轴承牙轮转动的心轴（轴承的改进过程）。1、滚动（有滚动元件，滚珠----点接触，滚柱----线接触）2、滑动（轴承无滚动元件，面接触）优点：总承压面积大，载荷分布均匀，吸收震动好，可增大轴颈直径或增大轮壳厚度。3、密封、储油润滑（四）水眼（喷嘴）洗井液循环的通道、水射流的换能器，水眼的演变与喷射钻井。（五）钻头类型1、国产牙轮钻头系列（P71，表2－6、2-5）型式代号（7级），按表2-6。系列名称代号（8类），按表2-5。（除普通钻头用Y表示，其余用拼音法记忆。）钻头直径，用数字表示（英寸或毫米）。282、IADC钻头编码(InternationalAssociationofDrillingContractors)钻头结构特征（11级）。钻头特征（7级）。地层类别（4级）。牙齿类别及适用地层（8级）。第三节金刚石钻头金刚石钻头最初只是用于硬地层和研磨性较大的地层，但由于近年来对金刚石钻头的不断改进，吸取了刮刀钻头的特点，使它现在不仅能适用于硬地层而同样也适用于软地层。一、金刚石的物理机械性能碳元素组成的结晶体。特点：硬度大、抗磨损能力为钢的9000倍,脆性、怕高温（455～860℃）。二、金刚石钻头破碎岩石机理（“犁”的作用）PPP+PP+PVV(1)静压入→塑性变形(2)静压入，Ｐ↑→圆形破碎坑(3)压入＋旋转→破碎沟岩屑尺寸／金刚石凸出部分＝2～429三、钻头类型和结构特点类型：按功用分－－取心钻头，全面钻进钻头；按镶嵌方式分－－表镶，孕镶；按材料分－－天然，人造，聚晶ＰＤＣ。（一）钻头外形（P81）1、金刚石钻头工作剖面的几何形状双锥阶梯剖面，软－中硬地层双锥型剖面，硬地层“Ｂ”型剖面，硬地层带波纹的“Ｂ”型剖面，坚硬地层2、金刚石钻头中心圆窝结构(1)扶正钻头(2)特殊斜面来破岩(3)个别镶金刚石的瓣超过钻头中心轴线（二）金刚石的出刃和排列1、粒度和出刃粒度：软～中软地层0.5～2粒／可拉中硬地层3～6粒／可拉硬地层8～12粒／可拉坚硬地层12～15粒／可拉出刃：（1／3）·直径（0.6～1.2mm）吃入：（1／10～1／100）·出刃2、排列交错排列，圆圈排列，脊圈排列（三）保径（四）水槽结构逼压式水槽辐射型水槽辐射型逼压式水槽螺旋形水槽30四、人造金刚石PDC钻头（一）人造金刚石的生产过程及机械性能石墨→金刚石粉→聚晶金刚石圆柱状Φ6×10，Φ6×6，Φ4×6，Φ3.5×5，Φ2×4（二）PDC钻头(PolycrystallineDiamondCompactbit)聚晶金刚石层＋碳化钨底层＋柱状体部→切削元件（块）切削机理：以切削方式破岩第四章作业：1、钻头有哪几种类型？它们各自的破岩方式是什么？2、简述牙轮钻头的破岩原理。移轴和超顶的作用是什么？3、简述国产牙轮钻头代号各部分的含义。高压5000～10000KPa高温1000～2000℃粘结金属HT,HP聚合