第二章鉆進(jìn)工具--鉆頭

1、第二章第二章 鉆進(jìn)工具鉆進(jìn)工具第一節(jié)第一節(jié) 鉆頭鉆頭第二節(jié)第二節(jié) 鉆柱鉆柱 一、概述一、概述1. 鉆頭類型鉆頭類型v按結(jié)構(gòu)及工作原理分類 刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、PDC鉆頭、金剛石鉆頭v按功用分類 全面鉆進(jìn)鉆頭、取心鉆頭、擴(kuò)眼鉆頭2. 鉆頭尺寸系列鉆頭尺寸系列 3-3/4 36 in3. 工作指標(biāo)工作指標(biāo)鉆頭進(jìn)尺（米）鉆頭工作壽命（小時(shí)）機(jī)械鉆速（米/小時(shí)）單位進(jìn)尺成本（元/米）： 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭（頭（Drill Bit)HttCCCtrbpm)( 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭刮刀鉆頭刮刀鉆頭二、刮刀鉆頭（二、刮刀鉆頭（Drag Bit） （一）刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)（一）刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)上鉆頭體、下鉆

2、頭體（分水帽）、刀翼、水眼。圖2-1 刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)刀翼三刀翼的稱作三刮刀三刮刀鉆頭鉆頭兩刀翼的稱作兩刮刀兩刮刀鉆頭或魚(yú)尾刮刀鉆頭鉆頭或魚(yú)尾刮刀鉆頭四刀翼的稱作四刮刀四刮刀鉆頭鉆頭 v刀翼結(jié)構(gòu)：刀翼結(jié)構(gòu)：（1） 刀翼結(jié)構(gòu)角刀翼結(jié)構(gòu)角v 刃尖角刃尖角刀翼尖端前后刃之間的夾角。 它反映了刀翼的尖銳程度。 越小，刃部越尖銳，越容易吃入地層，但強(qiáng)度越低。一般地，軟地層 = 8 10 較硬地層 = 1215v 切削角切削角 刀翼前刃和水平面之間的夾角。在相同鉆壓下， 越大，刀刃越容易吃入地層，但旋轉(zhuǎn)扭矩大，剪切刃 前巖石困難。 一般地，松軟地層 70； 軟地層 7080； 中硬地層 8085。 刃后角刃后

3、角：刃后角必須大于井底角。 刃前角刃前角：90。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭刮刀鉆頭刮刀鉆頭 (4)提高刀翼的耐磨性提高刀翼的耐磨性v刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高強(qiáng)度合金鋼鍛制而成，以保證有足夠的強(qiáng)度。v一般在刀翼表面平鋪一層YG8硬質(zhì)合金塊，在外側(cè)面鑲裝YG8硬質(zhì)合金塊。v刀翼表面和外側(cè)面鑲焊人造金剛石聚晶塊。（2）刀翼背部形狀）刀翼背部形狀 刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加而增厚，呈拋物線形，以確保刀翼強(qiáng)度足以承受彎矩。（3）刀翼底部形狀：）刀翼底部形狀： 平底、正階梯正階梯、反階梯、反錐 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭刮刀鉆頭刮刀鉆頭 （二）刮刀鉆頭的工作原理（二）刮刀鉆頭的工作原理

4、刮刀鉆頭主要以切削作用破碎地層。v破碎塑性巖石過(guò)程：破碎塑性巖石過(guò)程： 在鉆壓W作用下，刀翼容易吃入地層；刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力T 的作用下不 斷產(chǎn)生塑性流動(dòng)。這和車(chē)刀切削軟金屬的過(guò)程類似。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭刮刀鉆頭刮刀鉆頭v破碎脆性巖石過(guò)程：破碎脆性巖石過(guò)程：刮刀鉆頭破碎脆性巖石的過(guò)程為：碰撞 壓碎及小剪切大剪切。（1）碰撞：刃前巖石發(fā)生剪切破碎后，刀刃在旋轉(zhuǎn)扭矩作用下向前推進(jìn)， 碰撞刃前巖石。（2）壓碎及小剪切：扭轉(zhuǎn)力增大，壓碎刃前巖石，產(chǎn)生小剪切破壞。 （3）大剪切：扭轉(zhuǎn)力繼續(xù)增大到某一極限值，刃前巖石沿剪切面破碎，而后扭轉(zhuǎn)力突然減小。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭刮刀鉆頭刮刀鉆頭（三）刮

5、刀鉆頭的應(yīng)用（三）刮刀鉆頭的應(yīng)用v刮刀鉆頭制造工藝簡(jiǎn)單，成本低；v刮刀鉆頭適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低；v刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；v刮刀鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，破壞鉆具和設(shè)備；v刮刀鉆頭目前逐漸被PDC鉆頭取代。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭刮刀鉆頭刮刀鉆頭 三、牙輪鉆頭（三、牙輪鉆頭（Roller Bit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) 牙輪鉆頭由鉆頭體、牙抓（巴掌）及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭1牙輪及牙齒牙輪及牙齒（1）牙輪）牙輪v20CrMo合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸

6、承跑道。v單錐牙輪：主錐+背錐，硬地層v復(fù)錐牙輪：主錐+副錐+背錐，軟到中硬a單錐； b、c復(fù)錐； 1主錐； 2副錐； 3背錐abc 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭 （2）牙齒）牙齒銑齒在牙輪錐面上直接銑出，楔形硬質(zhì)合金鑲齒鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭 2軸承軸承v牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封和非密封兩類。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。v滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滾柱滾珠滾柱止推 滾柱滾珠滑動(dòng)一止推v滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)滾珠滑動(dòng)止推 滑動(dòng)滑動(dòng)（

7、卡簧）滑動(dòng)止推密封圈密封圈滾柱止推臺(tái)階滑動(dòng)摩擦襯套滑動(dòng)摩擦副 為什么滑動(dòng)軸為什么滑動(dòng)軸承比滾動(dòng)軸承壽承比滾動(dòng)軸承壽命長(zhǎng)？命長(zhǎng)？ 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭 3儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)v儲(chǔ)油潤(rùn)滑補(bǔ)償系統(tǒng)v密封系統(tǒng)：橡膠密封圈、金屬 密封圈v工作原理： 儲(chǔ)油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔內(nèi)的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲(chǔ)油杯中的潤(rùn)滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲(chǔ)油杯。其中，有效密封是關(guān)鍵。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭4噴嘴噴嘴噴嘴鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)

8、生高速流動(dòng)的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。三牙輪鉆頭一般安裝 3 個(gè)噴嘴，直徑713mm。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用O形圈密封。5牙輪及牙齒的布置方式牙輪及牙齒的布置方式v布齒原則布齒原則：（1）轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起； （2）牙輪在重復(fù)滾動(dòng)時(shí)應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內(nèi)； （3）牙齒磨損均勻。v牙輪布置方案牙輪布置方案： （1）非自洗無(wú)滑動(dòng)布置：各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂，不移軸，用于 硬地層； （2）自洗不移軸布置：各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，不移軸，用于中 硬地層； （3）自洗移軸布置：各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，移軸，用于軟地層；

9、第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭牙輪及牙齒的布置 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭（二）牙輪鉆頭工作原理（二）牙輪鉆頭工作原理1牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)v公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。v自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。v滑動(dòng)：牙輪齒相對(duì)于井底的滑移，包括徑向（軸向）滑動(dòng)和切向（周向） 滑動(dòng)。 引起滑動(dòng)的原因： 超頂和副錐引起切向（周向）滑動(dòng) 移軸引起徑向（軸向）滑動(dòng)v縱向振動(dòng)：牙輪在滾動(dòng)過(guò)程，其中心上下波動(dòng)，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 引起縱向振動(dòng)的原因： 單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動(dòng)； 井底凹凸不平 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪

10、鉆頭超頂引起切向滑動(dòng)超頂引起切向滑動(dòng)副錐產(chǎn)生超頂效果副錐產(chǎn)生超頂效果移軸引起徑向滑動(dòng)移軸引起徑向滑動(dòng)單、雙齒交替接觸單、雙齒交替接觸井底引起縱向振動(dòng)井底引起縱向振動(dòng)OaOaaO2牙輪鉆頭的破巖作用牙輪鉆頭的破巖作用 （1）沖擊、壓碎作用）沖擊、壓碎作用 縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對(duì)地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。 （2）滑動(dòng)剪切作用）滑動(dòng)剪切作用 牙輪牙齒的徑向滑動(dòng)和切向滑動(dòng)對(duì)井底地層產(chǎn)生剪切作用，破碎齒間巖石。（3）射流的沖蝕作用）射流的沖蝕作用由噴嘴噴出的高速射流對(duì)井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭（三）牙輪鉆頭類型（

11、三）牙輪鉆頭類型1. 國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法（1）按結(jié)構(gòu)分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8個(gè)系列（2）按地層分類：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 1 ，2 ， 3 ，4， 5 ，6， 7 （3）型號(hào)表示方法： 類型代號(hào)：數(shù)字17，表明所適應(yīng)的地層 系列代號(hào)：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH ，表明結(jié)構(gòu)特征 鉆頭直徑：用英寸或毫米表示直徑大小v例：用于中硬地層、直徑為8in(215.9mm)的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：8HP5或215.9HP5。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭 2. IADC分類法分類法

12、系列代號(hào)系列代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字18表示鉆頭牙齒特征及適鉆地層；表示鉆頭牙齒特征及適鉆地層；地層等級(jí)代號(hào)地層等級(jí)代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字14表示所鉆地層再分為表示所鉆地層再分為4個(gè)等級(jí)個(gè)等級(jí)；鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號(hào)鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字19表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中中17表示鉆頭軸承及保徑特征；表示鉆頭軸承及保徑特征；附加結(jié)構(gòu)特征代號(hào)附加結(jié)構(gòu)特征代號(hào)用英文字母表示鉆頭附加特征。用英文字母表示鉆頭附加特征。例如：341S表示適用于中等研磨性或研磨性4級(jí)硬地層非密封滾動(dòng)軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。 537C表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的3級(jí)地層滑動(dòng)密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。 （四）牙輪鉆頭的正確使

13、用（四）牙輪鉆頭的正確使用1. 根據(jù)地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類型，標(biāo)準(zhǔn)是每米鉆進(jìn)成本最低。2. 優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭牙輪鉆頭牙輪鉆頭四、金剛石鉆頭四、金剛石鉆頭 （Diamond Bit)（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu) 金剛石鉆頭為無(wú)活動(dòng)部件的整體式鉆頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭金剛石鉆頭金剛石鉆頭1. 鋼體鋼體鋼體是金剛石鉆頭的骨架。上部柱體車(chē)制絲扣和鉆柱連接，下部銑成爪形和胎體燒結(jié)在一起。2. 胎體胎體胎體是鑲嵌金剛石的基體，為硬質(zhì)合金材料，用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)在鉆頭鋼

14、體上。常用剖面形狀：3. 水眼和水槽水眼和水槽鉆井液由水眼流出，經(jīng)過(guò)水槽流過(guò)鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤(rùn)滑金剛石。常用水力結(jié)構(gòu)： a雙錐階梯形； b雙錐形； c“B”形； d脊圈式“B”形 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭金剛石鉆頭金剛石鉆頭 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭金剛石鉆頭金剛石鉆頭4. 金剛石金剛石（1）特性）特性 金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，正四面體晶體結(jié)構(gòu)。在單位晶胞中，碳原子位于四面體的頂角及中心。每個(gè)碳原子與鄰近的四個(gè)碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵。因共價(jià)鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬度（莫氏硬度10）、抗壓強(qiáng)度（8800MPa）和耐磨性鋼的9000倍）。其缺點(diǎn)是： 脆性大，受沖擊載荷易

15、碎裂； 具有熱敏性，高溫下（450以上）石墨化。（2）兩類金剛石材料）兩類金剛石材料 天然金剛石天然金剛石非洲產(chǎn)，品種有：卡邦(Carnon)、包爾茲(Boarz)、巴拉斯(Ballas)。人造金剛石單晶和聚晶人造金剛石單晶和聚晶： 石墨500010000MPa10002000金剛石單晶金剛石單晶金剛石聚晶高溫高壓下 （3）金剛石粒度、出刃和排列方式）金剛石粒度、出刃和排列方式 粒度粒度：0.515粒/克拉 出刃出刃：最大出刃量為直徑的1/3 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭金剛石鉆頭金剛石鉆頭v排列方式排列方式：a 鉆頭外形；b交錯(cuò)排列；c圓周排列；d脊圈排列 （二）金剛石鉆頭的破巖機(jī)理（二）金剛石

16、鉆頭的破巖機(jī)理 概括地講，金剛石鉆頭以磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削金屬的過(guò)程。 對(duì)塑性地層，以“犁削”作用為主；對(duì)脆性地層，以壓碎、剪切作用為主；對(duì)堅(jiān)硬地層，以刻劃、微切削作用為主。 （三）金剛石鉆頭的正確使用（三）金剛石鉆頭的正確使用 1. 適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，取心作業(yè)。壽命長(zhǎng)，進(jìn)尺高。 2. 鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒(méi)有金屬落物。 3. 開(kāi)始先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。 4. 采用大排量鉆進(jìn)。 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭金剛石鉆頭金剛石鉆頭五、五、PDC鉆頭鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact B

17、it） 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭PDC鉆頭鉆頭胎體PDC鉆頭鋼體PDC鉆頭兩類PDC切削元件（一）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（一）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1. 切削元件切削元件聚晶金剛石復(fù)合片（聚晶金剛石復(fù)合片（PDC） 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭PDC鉆頭鉆頭特特 性性 PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有碳化鎢合金的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊能力。 弱點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，350以上加速磨損?？箾_擊能力較差。13.4， 192. 工作剖面形狀工作剖面形狀 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭PDC鉆頭鉆頭特點(diǎn) 內(nèi)外錐有利于鉆頭穩(wěn)定； 外錐較長(zhǎng)，可多布齒，使磨損均勻； 鉆硬夾層，冠部齒易早期損壞。 適合中等均質(zhì)地層。特點(diǎn) 鉆頭表面積較小，水力集中，清

18、洗效果好； 載荷分布較均勻；用于鉆石灰?guī)r、白云巖等較硬地層。特點(diǎn) 側(cè)向推力指向鉆頭中心，有利于防斜； 鉆頭外部表面積大，可布置較多切削齒，利于提高壽命。 用于軟地層。特點(diǎn) 冠頂較寬且較平緩，載荷分布較均勻。 外側(cè)采用圓弧，布齒面積較大。用于硬地層。雙錐形淺錐形拋物線形B 形3. 切削齒布置切削齒布置v刮刀式布齒方式的特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地層。v單齒式布齒方式：布齒區(qū)域大、布齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。適用于硬地層。v組合式切削齒的布置，具有較好的清洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。v布齒原則：等切削體積等磨損等功率 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭PDC鉆頭鉆頭4. 切削齒工作角切削齒工作角后傾角（負(fù)前角）后傾角（負(fù)前角）：起到保護(hù)切削齒，延長(zhǎng)壽命的作用。取值020，軟地層小一