第二章-钻进工具--钻头(sxc)

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）3-3/4，4-1/4，4-1/8，4-3/4，5-5/8，5-7/8，6，6-1/8，6-1/4，6-1/2，6-3/4，7-1/2，7-7/8，8-3/8，8-1/2，8-5/8，8-3/4，9-1/2，9-5/8，9-7/8，10-5/8，11，12-1/4，14-3/4，17-1/2，20，24，26，36HttCCCtrbpm)(（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（RollerBit）a—单锥；b、c—复锥；1—主锥；2—副锥；3—背锥abc（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（RollerBit）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（RollerBit）◆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（BearingofBit）◆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（RollerBit）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3~4个喷嘴，直径7~14mm。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110~140mm●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（RollerBit）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（RollerBit）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（RollerBit）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（RollerBit）（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：①超顶和复锥引起切向（周向）滑动②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：①单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动；②井底凹凸不平二、牙轮钻头（RollerBit）c超顶距公转时自转时平衡时合速度副锥产生超顶效果c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（RollerBit）oacMO’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（RollerBit）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（RollerBit）（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（RollerBit）（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T1T2T3T4T5T6T7T8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（RollerBit）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B1B2B3B4B5B6B7B8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（RollerBit）3.直径磨损原直径：I直径磨小：O+直径磨小值（in）例如：T2—B4—IT6—B6—O1/2（三）牙轮钻头磨损与分级二、牙轮钻头（RollerBit）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1~2mm，轴1mmZ3密封失效，径2~3mm，轴2~3mm明显旷动，径向3mm，轴向2mmZ4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（RollerBit）系列代号：用数字1~8表示钻头牙齿特征及适钻地层；地层等级代号：用数字1~4表示所钻地层再分为4个等级；钻头结构特征代号：用数字1~9表示钻头结构特征，其中1~7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（RollerBit）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1.36~2.7吨/英寸范围内，钻速与所加钻压成正比。一般常用最佳范围：1.82~2.27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：55rpm~110rpm。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（RollerBit）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TSPPDCimpregnated1.切削齿种类三、金刚石钻头（DiamondBit）（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（DiamondBit）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50~60°外锥角50~100°中到中硬地层内锥角60~70°外锥角40~60°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（DiamondBit）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（DiamondBit）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5000~10000MPa1000~2000℃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（DiamondBit）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：3~4粒/克拉，粒径约3.6mm左右中硬到硬地层：5~8粒/克拉，粒径约2.5~2.9mm硬到坚硬地层：10~15粒/克拉，粒径约2.0mm左右孕镶钻头，60~400粒/克拉，粒径1.2~0.6mm，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：1/3~1/5金刚石粒径硬地层：1/5~1/6金刚石粒径坚硬地层：1/6~1/10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（DiamondBit）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（DiamondBit）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：60~100mm（二）金刚石钻头结构与设计三、金刚石钻头（DiamondBit）（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：①脆性大，受冲击载荷易碎裂；②具有热敏性，在空气中约在455~860℃出现石墨化。但在碳化钨或石墨中烧结时氧化速度可降低50~90%。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（DiamondBit）◆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2~4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，