第一章 钻头

钻井工程基础知识第一章钻头第一节牙轮钻头(Roller-conebit或Rockbit)在石油钻井中，到目前为止使用最多的、能适应各种地层的钻头是牙轮钻头。为了适应钻井发展的需要，早在1909年就出现了第一个牙轮钻头。在这以后的几十里，牙轮钻头有了很大的发展，无论是钻头的材质、切削部分、钻头轴承、清洗装置等都有很大的改进。1925年，为了解决钻进软硬交错地层而避免频繁地更换刮刀钻头和牙轮钻头的起下钻问题，出现了自洁式牙轮钻头（self-clearingbit）,它解决了软地层钻头牙齿间积存岩屑（cuttings）而易产生泥包（bollingup）的问题。1933年出现了滚动轴承的三牙轮钻头。1935年经进一步改进，出现了移轴（coneoffset）三牙轮头。早期的移轴三牙轮钻头使钻速提高了30%。在盐层、红层、石膏层和灰岩中，钻头指标都有所增加。在1930年到1948年期间，三牙轮钻头（tri-conebit）设计的基本原理未变，但在切削部分的结构方面有很多改进，以适应不同岩性的地层。在材质冶金和制造工艺上也有所改进。但钻头还是采用普通水眼（waterhole）。这种钻头的洗井液是先冲到牙轮上，然后再清洗井底。1949年开始发展喷射钻井（jetdrilling）。起先是用于刮刀钻头，但很快就用在牙轮钻头上，使高速液流直接喷射到井底。早期的喷射钻头（jetbit）通过现场实验证明，钻速可以提高到50%。由于喷射式钻头的效果显著，所以很快得到推广。1957年喷射式钻头的使用量占钻头总数的33%，到1968年，上升到65%，现在国内所生产的钻头绝大部分是喷射式的。喷射式牙轮钻头的出现是牙轮钻头发展上的一次重大的改革。为了解决研磨性强的硬地层的钻井问题，1951年成功地使用了镶硬质合金齿的钻头（球齿）（tungsten-carbideinsertbit）,这使得在极硬的研磨性燧石层中，钻头的进尺由1米到10米多。在一般硬地层中采用硬质合金球齿钻头可以使钻头进尺提高到15-30米，工作时间为25-40小时。但是由于轴承提前损坏，使钻头的寿命受到很大限制，这就要提高钻头轴承寿命以适应切削部分的要求。1960年试制成功了密封润滑轴承（Sealedandlubricatedrockbitbearing）,使钻头工作时间达到40-60小时，钻头进尺提高50%。由于硬质合金齿比铣齿（milledtooth）寿命长，所以除用在极硬的研磨性地层外，并研制了不同齿形的硬质合金齿以供在硬、中硬地层和在软地层中选用，这些都大大提高了切削部分的寿命，但又对轴承寿命提出了更高的要求与之相适应。密封润滑轴承的试制成功对于使用滑动轴承创造了有利条件。在1968年研究成功了密封润滑滑动轴承（frictionbearing）钻头，它使钻头工作时间提高了一倍以上，达到80-120小时，从而加快了钻速，降低了成本。现在，喷射密封润滑（滚动或滑动）轴承镶硬质合金齿钻头（简称三合一或四合一钻头）的优越性已在实践中显示出来，它的技术经济指标大大超过了普通牙轮钻头。硬质合金齿、密封轴承和滑动轴承的使用是牙轮钻头发展史上继喷射式水眼之后的几次重大改革。一、三牙轮钻头在井底的运动及工作原理（一）牙轮钻头在井底工作的复合运动1．基本假设由于同一钻头各牙轮上牙齿的分布和排列不一致，井底形状也不相同。所以运动情况是十分复杂的，并且是随时间及钻井措施的变更而变化，我们只能从理论上分析牙轮钻头在井底运动的一般规律。为了研究方便起见，首先作以下假设：（1）井底是平整刚性的（牙齿不吃入岩石）；（2）整个钻头也是刚性的；（3）在沿牙轮与井底接触面的母线上，压力是均匀分布的；（4）钻头及牙轮作等角速度旋转。2．钻头的复合运动从三牙轮钻头一般的情况出发，研究它运动的共性，如图2-10所示。设bbRD.--------钻头直径与半径，毫米；ccRD.---------牙轮最大直径与半径，毫米。（1）钻头公转速度为bn,在钻头外缘a点产生的线速度baV为秒毫米/60bbbanDV（２－３）而在钻头与井底接触母线上任意点x或相当于钻头直径bxD处的线速度bxV为秒毫米/60bbxbxnDV（２－４）钻头线速度bxV与成正比。它的分布规律如图2-10（a）中下方三角形所示。这一线速度就是钻头与井底接触点的牵连速度。（2）由于钻头在运动过程中受到井底岩石对钻头牙齿的摩阻力，牙轮向钻头前进相反的方向旋转，得到了牙轮绕牙轮轴自转的转度cn,牙轮外缘点a产生的线速度caV为秒毫米/60cccanDV（２－５）牙轮与井底接触线上任意点X即相当于牙轮直径cxD处的线速度cxV为秒毫米/60cxccxnDV（２－６）可见牙轮线速度cxV与牙轮直径cxD正成比例变化。它的分布规律如图2-10（a）中的三角形所示。这一线速度就是牙轮与井底接触点相对于钻头的相对速度。在井底无滑动存在的情况下，bacaVV牙轮与钻头转速比为5.1cbbcDDnni（2—7）(3)在一般情况下ccbbxnDnD,所以cxbxVV这样就产生轮齿相对于岩石的滑动切削速度sVscbSVVVsxV沿轮齿与井底接触母线的分布规律取决于bxV与cxV的分布规律。由于bV可能不是切线方向的，所以Vs也可能不是切线方向的。此线速度sV就是轮齿对于岩石的绝对速度。以上三个运动都是发生在井底平面上的圆周运动。（4）纵向振动纵向振动的方向是垂直于井底平面的。当钻头轮齿双齿接触井底时，轮轴心在最低位置；当轮齿滚动转移到单齿接触井底时，轴心升到最高位置。这样，轮轴和整个钻头随着牙轮滚动过程就产生了纵向振动，它构成了轮齿的动压入作用。以上四种运动是复合在一起同时产生的。在实际钻进时，还有整个钻头的向下运动即钻进。（二）钻头的冲击、压碎作用钻进时，钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上。除此静载以外还有一冲击载荷，这是由于钻头的纵向振动产生的。在牙轮滚动过程中，以单齿和双齿交替与井底相接触如图2-11所示。当单齿着地时，轮子轴心在O点，滚至双齿着地时，轮轴心降至O1,，然后又滚向单齿着地，如此交替进行，钻头便随牙轮轴心高低的位移而产生往复运动。1.纵振频率m设钻头牙轮外排齿圈数为Z，则分次/Znmc（2－8）由cbbcDDnn可得秒次/,60ZDnDmcbb（2－９）而纵振周期秒,601ZnDDmTbbc（2－10）钻头上下往复一次为一周期，由单齿着地和双齿着地之间所耗费的时间为T/2秒。T为牙齿与岩石接触的时间，见表2-2，它必须大于破碎岩石所需要的时间才能提高破碎效率。表2-2牙齿与岩石的接触时间钻头类型8L8M8C9L10L10M10C外排齿与岩石接触时间（10-3秒）（当n=290转/分时）11．88．47．09．48．86．86．02.纵向位移h设牙轮轴线与水平面的夹角为，以单齿着地时（轴心在O点）为研究的起点（t=0）,经过时间t,当牙轮转过tc角后（c为牙轮的角速度），轮心移到O′点，此时钻头的纵向位移为cos)2(sin2cos)cos1(cos)cos(cos'2tRtRtRROChccccccc(2－11)当0tc时，h=0当Ztc/时，h达到最大值（轮心在O1点）cos)2(sin22maxZRhc(2－12)最大纵向位移即振幅与牙轮半径cR成正比，与齿数成反比。3．纵振速度VVcos)cos(tRRdtddtdhVcccVcossintRccc(2－13)当2tc时（即当两齿着地时）VV最大coscossinmaxZRZRVcccc（2－14）由上式可知，牙轮的半径越大，转速越高，齿数越大，则冲击速度越大。4．冲击载荷Pi牙轮钻头的牙齿破碎岩石时，不仅依靠静钻压Ps,还依靠钻头纵向振动而使牙齿以最大速度maxV冲向岩石时所产生的冲击载荷Pi当钻头牙齿与岩石接触时，最大载荷maxP为isPPPmax(2－15_)依据动量第二定律0maxtMVPi0maxtMV(2－16)式中iP――冲击载荷M――参与纵向振动的钻具质量；0t――牙齿冲击岩石的时间（即岩石破碎的时间），根据实侧，在转盘转速范围内，除个别塑性大的岩石外，一般均小于纵振周期Ｔ。弹脆性岩石to=0.3~0.4×10-3秒；弹塑性岩石to=0.7~2.5×10-3秒；塑性岩石to2.5×10-3秒。由于实际情况复杂，冲击载荷很难进行精确计算。根据实测和观察[8],井底振动除有单双齿交替接触井底所引起的较高频率振动外还有低频率、振幅较大的振动，这是由于井底不平和有凸台所引起的。通过井下仪器测量、记录不同条件下钻头上的载荷见表２－３[7].另外，在井深１６０７米，钻进石灰岩层，平均钻压１８０千牛，转速９０转／分，井下实测的钻压正常变化为９０.８千牛，而最大钻压达到６１０千牛，即正常变动范围为５０％，而峰值为平均钻压的３.３８倍，振动的振幅达２５毫米[8]。钻头工作时所产生的冲击载荷有利于破碎岩石，但是也会使钻头轴承过早损坏，使轮齿特别是硬质合金齿崩碎，使钻柱处于不利的工作条件。因此，在钻进中，特别是钻硬岩层时要使用减震器，以减少冲击载荷的影响。表２－３实测地面与井下钻压值钻井条件（地面记录）钻压（井下记录）钻压，千牛转速，转／分平均钻压，千牛正常变化，％最大变化，％１３５２２５３１５１３５２２５３０３０３０６０６０１２６１８９２５６９９１４８２６。８０９。５３８。７８２７。２５１８。２０３５。７０４２。８０４０。４０７２。７０１００。００（三）牙齿对地层的剪切作用为了提高牙轮钻头对中硬和软岩层的破碎效率，除了要求牙齿对井底岩石有压碎、冲击作用外，还要求有一定的剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生轮齿对井底岩石的滑动来实现的。产生滑动的主要因素有三个，即超顶、复锥和移轴。当牙轮锥顶不与钻头轴线重合时就有滑动产生。以下采用定性的速度分析来说明牙轮在井底的运动情况。１．超顶引起的滑动如图２－１２所示，牙轮锥顶超过钻头中心ob，ob=c即牙轮超顶距。这样，由钻头b所决定的bV在接触母线ao一段的方向是向前，而ob一段的方向是向后。bxV作直线分布，在钻头中心处Ｖ10=0。Ｖcx也是以直线分布的，方向是在ab母线后方。在b点由于Ｄcb=0，所以0cbV,这样在bo段合成一个向后的滑动速度SXV，此时牙轮受到一滑动阻力Ｐs（其方向与滑动方向相反），因而有滑动阻力矩RPMss)(。该力矩使牙轮的角速度c减慢。由于牙轮角速度降低，则在ao段由Ｖl和降低的Ｖc合成一个向前的滑动速度Ｖs。同样在ao段也会受到一个滑动阻力矩Ｍs(+)，方向与前面的Ｍs（—）相反。Ｍs(+)平衡了Ｍs（—），使0sM。于是牙轮角速度便稳定在一个新数值（常数c）下，不再减慢。牙齿相对于岩石的滑动速度即绝对速度。由bxV和cV合成。BXCXSXVVV,如图中的Ｖs。SXV为一直线，它与ab交于Ｍ点，Ｍ点称为纯滚动点，0SMV即无滑动，只有滚动。在Ｍ点两侧的滑动方向是不同的，aM段滑动方向是向前，而bM段是向后的。超顶牙轮产生切线方向的滑动，滑动速度大小与超顶距c成正比。存在一个纯滚动点，在该点两侧的滑动方向相反。２．复锥引起的滑动复锥牙轮包括主锥（锥顶角２a1）和副锥（锥顶角２a2）,如主锥顶与钻头中心重合，则副锥顶必是超顶的。如前述，超顶会引起切线方向滑动，所以复锥同样会产生切线方向滑动。３．移轴引起的滑动图２－１３中Ｏ点为钻头轴线的水平投影。O’点为牙轮锥顶，其轴线相对钻头轴线（中心）平移一段距离s，'OOs,s称为偏移值。当牙轮作公转时，牙轮与岩石接触母线上任一点Ａ的线速度为bbAOAVbAV的方向垂直ＯＡ，它可以分解为垂直于牙轮轴的分速度'bAV和沿牙轮轴方向的分速度sAV,即sAbAbAVVV'其中bsbbbbsAOOOAOOOAOAOOVVV'''sin(2-17)bXbbbbAA