石油鉆井設(shè)備與工具王鎮(zhèn)全第七節(jié)鉆頭選型

第二節(jié)鉆頭選型前言1、目的意義鉆頭種類較多，各有特點(diǎn);同一種鉆頭，結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，適應(yīng)性不同;同一種型號，廠家不同，鉆頭性能不同。選擇哪一種類型的鉆頭，同種鉆頭選擇哪一種型號的鉆頭，同一種型號選擇哪一個廠家的鉆頭，直接關(guān)系到鉆井成本。因此鉆頭優(yōu)選對于提高鉆井速度降低鉆井成本具有重要意義。2、鉆頭優(yōu)選的原則鉆頭優(yōu)選的原則是使鉆頭的每米成本最低。目標(biāo)函數(shù)：單位進(jìn)尺成本。鉆頭單位進(jìn)尺成本:式中Cpm—單位進(jìn)尺成本，元/每米Cb—鉆頭成本，元；Cr—鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)，元/每小時；t—鉆頭鉆進(jìn)時間，tt—起下鉆及接單根時間，H—鉆頭進(jìn)尺。

例題：

某一型號PDC成本10萬元，鉆頭鉆進(jìn)1500米后報廢，此鉆頭純鉆時間100小時，輔助鉆進(jìn)時間100小時，鉆機(jī)日費(fèi)2.4萬元，計算該鉆頭的平均機(jī)械鉆速和每米成本？解：鉆頭平均機(jī)械鉆速：鉆頭單位進(jìn)尺成本：一、影響鉆頭使用效果的因素1、地層因素所鉆地層巖石的機(jī)械力學(xué)特性；地層條件：地層的均質(zhì)性、地層的完整性，地層造斜特性、井深、地層溫度等。2、鉆井方式旋轉(zhuǎn)鉆井動力鉆具復(fù)合鉆井3、軌跡控制造斜、穩(wěn)斜4、井眼尺寸5、地質(zhì)設(shè)計要求如巖屑錄井、取芯等。二、鉆頭類型的優(yōu)選一）各種鉆頭特性對比各種鉆頭特點(diǎn)比較鉆頭特性牙輪鉆頭PDC鉆頭TSP鉆頭單晶金剛石鉆頭切削齒材料及性能硬質(zhì)合金齒，強(qiáng)度高、抗沖擊，耐磨性較差。聚晶金剛石與硬質(zhì)合金復(fù)合而成，耐磨、能自銳，抗沖擊性能較差，熱穩(wěn)定性較差。熱穩(wěn)定性聚晶金剛石，耐磨，抗沖擊性能較差，熱穩(wěn)定性較高，形狀多樣但尺寸較小。單晶金剛石，耐磨，顆粒小，熱穩(wěn)定性較差。破巖方式?jīng)_擊與剪切剪切犁切微剪切或磨削破巖效率較高高較高低鉆頭壽命短長較長長地層適應(yīng)性各類地層軟至中硬均質(zhì)地層較硬至硬均質(zhì)地層硬至極硬地層鉆井參數(shù)大鉆壓，低轉(zhuǎn)速小鉆壓，中轉(zhuǎn)速小鉆壓，高轉(zhuǎn)速中鉆壓，高轉(zhuǎn)速鉆井方式適應(yīng)性轉(zhuǎn)盤，動力鉆具轉(zhuǎn)盤，動力鉆具及復(fù)合鉆井復(fù)合鉆井復(fù)合鉆井定向性能較好最好好井眼尺寸較大井眼無限制無限制無限制事故率高低低低錄井限制無有有有各種種類類型型鉆鉆頭頭的的使使用用范范圍圍123456789101112地層硬度級別牙輪鉆頭PDC鉆頭TSP鉆頭單晶金剛石鉆頭二））鉆鉆頭頭類類型型選選擇擇方方法法1、、根根據(jù)據(jù)地地層層條條件件、、鉆鉆井井方方式式、、井井眼眼軌軌跡跡控控制制要要求求、、井井眼眼尺尺寸寸以以及及地地質(zhì)質(zhì)要要求求選選擇擇合合適適的的鉆鉆頭頭類類型型。。2、、在在多多種種類類型型鉆鉆頭頭都都適適宜宜的的情情況況下下，，要要選選擇擇機(jī)機(jī)械械鉆鉆速速高高、、壽壽命命長長、、安安全全性性好好的的鉆鉆頭頭。。3、選用用的鉆頭頭對所要要鉆的地地層是否否適合，，要通過過實踐的的檢驗才才能下結(jié)結(jié)論。對對于同一一地層使使用過的的幾種類類型的鉆鉆頭，在在保證井井身質(zhì)量量的前提提下，一一般以““每米成成本”作作為評價價鉆頭選選型是否否合理的的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)論：以以鉆頭每每米成本本最低為為原則。。舉例：在軟至中中硬地層層，PDC鉆頭頭和牙輪輪鉆頭都都可選用用；如果地層層均質(zhì)，，應(yīng)盡量量選用PDC鉆鉆頭。因因為PDC鉆頭頭機(jī)械鉆鉆速高，，安全可可靠。但如果地地層破碎碎，軟硬硬變換頻頻繁夾層層多，應(yīng)應(yīng)選用牙牙輪鉆頭頭。因為為在這樣樣的地層層，PDC鉆頭頭易發(fā)生生沖擊破破壞，影影響鉆頭頭使用效效果。三、牙輪輪鉆頭的的選型及及分類法法牙輪鉆頭頭的設(shè)計計參數(shù)(包括齒齒高、齒齒距、齒齒寬、移移軸距、、牙輪布布置等等等)，是是根據(jù)不不同地層層的需要要設(shè)計的的，因此此應(yīng)根據(jù)據(jù)不同的的地層選選用不同同的鉆頭頭。1、牙輪輪鉆頭選選型的原原則(1)地地層的軟軟硬程度度和研磨磨性地層的巖巖性和軟軟硬不同同，對鉆鉆頭的要要求及破破碎機(jī)理理也不同同。軟地地層應(yīng)選選擇兼有有移軸、、超頂、、復(fù)錐三三種結(jié)構(gòu)構(gòu)，牙輪輪齒形較較大、較較尖，齒齒數(shù)較少少的銑齒齒或鑲齒齒鉆頭，，以充分分發(fā)揮鉆鉆頭的剪剪切破巖巖作用；；隨著巖巖石硬度度增大，，選擇鉆鉆頭的上上述三種種結(jié)構(gòu)值值應(yīng)相應(yīng)應(yīng)減小，，牙齒也也要減短短、加密密。研磨性地地層會使使牙齒過過快磨損損，機(jī)械械鉆速迅迅速降低低，鉆頭頭進(jìn)尺少少，特別別容易磨磨損鉆頭頭的保徑徑齒、背背錐以及及牙掌的的掌尖，，使鉆頭頭直徑磨磨小，更更嚴(yán)重的的是會使使軸承外外露、軸軸承密封封失效，，加速鉆鉆頭損壞壞。因此此，鉆研研磨性地地層，應(yīng)應(yīng)該選用用有保徑徑齒的鑲鑲齒鉆頭頭。(2)井井深淺井段巖巖石一般般較軟，，同時起起下鉆所所需時間間較短，，應(yīng)選用用能獲得得較高機(jī)機(jī)械鉆速速的鉆頭頭；深井井段地層層一般較較硬，起起下鉆時時間較長長，應(yīng)選選用有較較高總進(jìn)進(jìn)尺的鉆鉆頭。(3)地地層的自自然造斜斜性能在易斜地地層鉆進(jìn)進(jìn)時，地地層因素素是造成成井斜的的客觀因因素，而而下部鉆鉆柱的彎彎曲以及及鉆頭的的選型不不當(dāng)則是是造成井井斜的技技術(shù)因素素。在易易斜地層層鉆進(jìn)，，應(yīng)選用用不移軸軸或移(4)地地層的均均質(zhì)性在軟硬交交錯地層層鉆進(jìn)時時，一般般應(yīng)按其其中較硬硬的巖石石選擇鉆鉆頭，這這樣既在在軟地層層中有較較高的機(jī)機(jī)械鉆速速，也能能順利地地鉆穿硬硬地層。。在鉆進(jìn)進(jìn)過程中中鉆井參參數(shù)要及及時調(diào)整整，在軟軟地層鉆鉆進(jìn)時，，可適當(dāng)當(dāng)降低鉆鉆壓并提提高轉(zhuǎn)速速；在硬硬地層鉆鉆進(jìn)時可可適當(dāng)提提高鉆壓壓并降低低轉(zhuǎn)速。。2、牙輪鉆頭頭國內(nèi)分分類方法法及型號號代碼例：用于于中硬地地層、直直徑為81/2″(215．9mm)的鑲齒齒滑動密密封軸承承噴射式式三牙輪輪鉆頭的的型號為為：81/2×HP5或215．．9×HP5。。3、IADC牙牙輪鉆頭頭分類方方法及編編號全世界牙牙輪鉆頭頭的生產(chǎn)產(chǎn)廠家眾眾多，類類型和結(jié)結(jié)構(gòu)繁雜雜，為廠廠便于牙牙輪鉆頭頭的選擇擇和使用用，國際際鉆井承承包商協(xié)協(xié)會(IADC——InternationalAssociationOfDrillingContractors)于1972年制訂訂了全世世界第一一個牙輪輪鉆頭的的分類標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，各各鉆頭廠廠家生產(chǎn)產(chǎn)的鉆頭頭雖有自自己的代代號，但但都標(biāo)注注了相應(yīng)應(yīng)的IADC編編號。1987年IADC將將原有分分類方法法及編號號進(jìn)行了了修改和和完善，，形成廠廠現(xiàn)在的的分類及及編號方方法。巖性級別別代號，，在第一一位數(shù)碼碼表示的的鉆頭所所適用的的地層中中再依次次從軟到到硬分為為四個等等級。鉆頭牙齒特征及所適用的地層鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號鉆頭附加結(jié)構(gòu)特征代號IADC規(guī)定，，每一類類鉆頭用用四位字字碼進(jìn)行行分類及及編號，，各字碼碼的意義義如下：：第一位字字碼為系系列代號號，用數(shù)數(shù)字1～～8分別別表示八八個系列列，表示示鉆頭牙牙齒特征征及所適適用的地地層：1—銑齒齒，低抗抗壓強(qiáng)度度高可鉆鉆性的軟軟地層；；2一銑齒齒，高抗抗壓強(qiáng)度度的中到到中硬地地層；3一銑齒齒，中等等研磨性性或研磨磨性的硬硬地層；；4一鑲齒齒，低抗抗壓強(qiáng)度度高可鉆鉆性的軟軟地層；；5一鑲齒齒，低抗抗壓強(qiáng)度度的軟到到中硬地地層；6一鑲齒齒，高抗抗壓強(qiáng)度度的中硬硬地層；；7一鑲齒齒，中等等研磨性性或研磨磨性的硬硬地層；；8一鑲齒齒，高研研磨性的的極硬地地層。第二位字字碼為巖巖性級別別代號，，用數(shù)字字1—4分別表表示在第第一位數(shù)數(shù)碼表示示的鉆頭頭所適用用的地層層中再依依次從軟軟到硬分分為四個個等級。。第三位字字碼為鉆鉆頭結(jié)構(gòu)構(gòu)特征代代號，用用數(shù)字1～9計計九個數(shù)數(shù)字表示示，其中中1～7表示鉆鉆頭軸承承及保徑徑特征，，8與9留待未未來的新新結(jié)構(gòu)特特征鉆頭頭用。表表示的意意義如下下：1—非密密封滾動動軸承；；2—空氣氣清洗、、冷卻，，滾動軸軸承；3—滾動動軸承，，保徑；；4一滾動動、密封封軸承；；5一滾動動、密封封軸承，，保徑；；6—滑動動、密封封軸承；；7一滑動動、密封封軸承，，保徑。。第四位字字碼為鉆鉆頭附加加結(jié)構(gòu)特特征代號號，用以以表示前前面位數(shù)數(shù)字無法法表達(dá)的的恃征，，用英文文字母表表示，目目前，IADC已定義義了11個特征征，用下下列字母母表示:A—空氣氣冷卻;C—中心心噴嘴;D—定間間鉆井;E—加長長噴嘴;G—附加加保徑/鉆頭體體保徑;J—噴嘴嘴偏射;R—加強(qiáng)強(qiáng)焊縫：：S—標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)銑齒;X—楔形形鑲齒;R—圓錐錐形鑲齒齒；Z—其他他形狀鑲鑲齒。四、金剛剛石鉆頭頭的優(yōu)選選1、金剛剛石鉆頭頭分類方方法影響金剛剛石鉆頭頭結(jié)構(gòu)的的因素主主要是地地層條件件，因此此其結(jié)構(gòu)構(gòu)參數(shù)主主要是根根據(jù)地層層特點(diǎn)確確定。因因此其分分類方法法主要依依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)參數(shù)。。2、IADCPDC鉆頭分分類方法法IADC于1987年年制定了了一個適適于用金金剛石鉆鉆頭的““固定切切削齒鉆鉆頭分類類標(biāo)準(zhǔn)””,并于于1992年年進(jìn)行了了修訂。。這個標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)主要要根據(jù)鉆鉆頭的結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行分分類，并并沒有像像牙輪鉆鉆頭那樣樣考慮鉆鉆頭適用用的地層層。但這這個在世世界范圍圍內(nèi)的統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)對金剛剛石鉆頭頭的分類類、設(shè)計計、制造造、選型型和使用用都具有有重要意意義。鉆頭分類類號由四四個字符符組成，，第一個個字符用用英文字字母表示示鉆頭體體的材料料，第二二至第四四個字符符用阿拉拉伯?dāng)?shù)字字分別表表示鉆頭頭的布齒齒密度、、聚晶金金剛石復(fù)復(fù)合片(以下下簡稱PDC)的尺寸寸或切削削齒的類類別、鉆鉆頭的冠冠部輪廓廓形狀。。英文字母表示鉆頭體