鉆井工程巖石力學(xué)與破巖原理

鉆井工程巖石力學(xué)與破巖原理第1頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖石就是經(jīng)過地質(zhì)作用而天然形成的一種或多種礦物的集合體。巖石力學(xué)就是研究巖石在載荷作用下的應(yīng)力、變形和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性等問題。油氣鉆井的目的就是破碎巖石形成井眼，獲取地層地質(zhì)資料，并將油氣引導(dǎo)出來。破巖工具作用下的巖體內(nèi)部處于多向應(yīng)力狀態(tài)，欲達到破碎巖石獲得進尺的目的，就必須：一是選擇高質(zhì)量的破巖工具，二是使鉆頭施加于巖石的外力超過其極限值。顯然，研究巖石在各種應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)和機械性質(zhì)是基礎(chǔ)，選擇合適的鉆頭類型則是其主要目的。引子第2頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)§1MechanicalPropertiesof

Rock巖石的力學(xué)性質(zhì)通常包括兩個方面：

1、巖石的變形特征2、巖石的強度特征。巖石的變形特征：是指巖石在各種載荷作用下的變形規(guī)律（包括巖石的彈性變形、塑性變形、粘性流動和破壞規(guī)律）。巖石的強度特征：是指巖石在載荷作用下開始破壞時的最大應(yīng)力（強度極限）以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。第3頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

巖石的變形特征和強度特征，由巖石試件在單軸或三軸試驗機上所得到的應(yīng)力一應(yīng)變曲線來描述。圖2-1是采用剛性試驗機，對圓形巖樣進行軸向壓縮試驗，在加載速度充分適應(yīng)于試件變形速度的條件下，所得到的巖石典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線。OA：巖石裂隙逐漸被壓實AB：斜率為巖石的EB點-屈服點BC：裂隙不穩(wěn)定發(fā)展，先行破壞CD：裂隙不穩(wěn)定傳播，巖石解體第4頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖石的強度與應(yīng)變形式有很大關(guān)系，只有在壓縮情況下，巖石才呈現(xiàn)出很大的強度。巖石的規(guī)律是:抗壓強度>抗剪強度>抗彎強度>抗拉強度巖石結(jié)構(gòu)的多變性且?guī)r石的微觀或宏觀的結(jié)構(gòu)特征都會對巖石的強度產(chǎn)生影響，因此一般在實際應(yīng)用時，必須對具體的巖石進行必要的強度試驗，以獲取比較準確可靠的數(shù)據(jù)。二、簡單應(yīng)力條件下巖石的強度

巖石鋼鋼巖石卡環(huán)單軸抗拉伸強度試驗單軸抗壓縮強度試驗巖心柱直徑2.5-5.0cm高徑比2.5-3.0第5頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月巖石粘結(jié)力(MPa)內(nèi)摩擦角(°)花崗石14-5045-60玄武巖20-6050-55石灰?guī)r10-5035-50砂巖8-4035-50頁巖3-3020-35巖石的抗剪強度可用粘結(jié)力和巖石的內(nèi)摩擦角表示。粘結(jié)力是指由分子引力引起的物體中相同組成的各部分傾向于粘結(jié)在一起的一種力。巖石的內(nèi)摩擦角是指巖石破壞時極限平衡剪切面上的正應(yīng)力和內(nèi)摩擦力形成的合力與該正應(yīng)力之間的夾角。內(nèi)摩擦角概念直接剪切試驗旋轉(zhuǎn)組合測力計第6頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月1.常規(guī)應(yīng)力三軸試驗方法試件有四種：圓柱、圓筒、長方體、正方體。常規(guī)三軸應(yīng)力試驗是最為常用的一種三軸應(yīng)力試驗方法。它是將圓柱形的巖樣置于一個高壓容器中，首先用液壓P使其四周處于三向均勻壓縮的應(yīng)力狀態(tài)下，然后保持此壓力不變，對巖樣施加軸向載荷，直到使其破壞。

壓縮試驗施力方案：（σ

1

＞σ

2

=σ

3

=P）

拉伸試驗施力方案：（σ

1

＜σ

2

=σ

3

=P

）三、復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強度321第7頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2.三軸應(yīng)力下巖石的強度和變形的特點

通常，巖石的總應(yīng)變量達到3％～5％時，就認為其已開始具有塑性性質(zhì)或已達到了脆-塑的轉(zhuǎn)變。

對于深井鉆井來說，研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點（或稱臨界壓力）具有重要的實際意義。因為脆性破壞和塑性破壞是兩種具有本質(zhì)差別的破壞形式，需分別利用不同的破碎工具（不同結(jié)構(gòu)的鉆頭類型），采用不同的破碎方式（沖擊、壓碎、擠壓、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速及水力參數(shù)等）的組合。因此，確定各類巖石的脆-塑性轉(zhuǎn)變的“臨界壓力”將為設(shè)計、選擇和合理使用鉆頭提供科學(xué)依據(jù)。

VonKarman應(yīng)力-應(yīng)變曲線圍壓對巖石強度的影響（24℃）Homdin-Hager第8頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月四、巖石的彈性巖石的彈性常數(shù)楊氏彈性模量泊松比剪切彈性模量體積彈性模量

確定巖石彈性常數(shù)的實驗方法很多，主要有1.靜力法（靜載壓縮試驗）2.動力法（聲波法）第9頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

前蘇聯(lián)學(xué)者史立涅爾分析了圓柱形的平底壓頭靜壓入巖石時在巖石中產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)并提出了確定巖石“硬度”（即抗壓入強度）和塑性性質(zhì)的一套方法。

底徑1-2mm>50×50×50mm壓力機上下要平整光滑“硬度”（即抗壓入強度）硬度：巖石在靜止載荷下抗壓入的能力。硬度的計算公式為：

H=W／S式中H——巖石硬度，MPa；

W——垂直載荷，N；

S——壓摸底面積，mm2。

五、巖石的抗壓入破碎強度第10頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月石油鉆井中：粘土、軟泥巖多屬1～2級泥巖、砂質(zhì)泥巖

多屬3～4級泥灰?guī)r、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等多屬3～6級石灰?guī)r、砂巖多為4～8級石英巖、花崗巖、燧石等9級以上

根據(jù)我國各油田石油鉆井中常遇到的地層，通過對大量巖樣進行測定，可將巖石的硬度分為十級。第11頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖石的硬度和塑性系數(shù)通常用壓入試驗來確定。圖2-6給出了巖石的壓入試驗曲線的三種典型形狀。其縱坐標為壓頭上所加載荷，橫坐標為吃入深度（壓入深度）。

巖石產(chǎn)生塑性變形的原因是由于巖石內(nèi)部礦物及膠結(jié)物顆粒間的接觸面在外力作用下發(fā)生相對滑移所致。用塑性系數(shù)K表示.石英巖、花崗巖等大理巖等塑性泥巖、多孔砂巖等K＞6塑性巖石第12頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月一、巖石的研磨性巖石磨損破巖工具的能力稱為巖石的研磨性。

第二節(jié)巖石的研磨性與可鉆性§2Abrasivepropertyanddrillabilityofrock

研磨性磨損是由鉆頭工作刃與巖石相摩擦的過程中產(chǎn)生微切削、刻劃、擦痕等所造成的，屬表面磨損。這種研磨性磨損除了與摩擦副材料的性質(zhì)（如化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)）有關(guān)外，還取決于摩擦的類型和特點、摩擦表面的形狀和尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介質(zhì)等因素。顯然，這是個十分復(fù)雜的問題。研究方法：鉆磨法、磨削法、微鉆頭鉆進法、摩擦磨損法。第13頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

史立涅爾等人用摩擦磨損法對各種巖石的研磨性進行了比較詳盡的研究，得出了一些有實際應(yīng)用價值的結(jié)果。

摩擦磨損法即是確定一個轉(zhuǎn)動的金屬圓環(huán)在巖石表面上相互摩擦?xí)r的磨損量，以此作為度量巖石研磨性的指標。研磨性系數(shù)：

單位：cm3/m·N

史立涅爾法第14頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

史立涅爾等分別以淬火鋼、硬質(zhì)合金為金屬摩擦介質(zhì)，對各種巖石進行了試驗。試驗結(jié)果表明：

鹽巖、泥巖和一些碳酸鹽巖屬于研磨性最小的巖石；

其次應(yīng)為石灰?guī)r和白云巖等屬低研磨性的巖石；

火成巖的研磨性一般屬于中等或較高，要看這些巖石中所含長石和石英成分的多少以及顆粒粒度和多晶礦物間的硬度差而定。含長石及石英成分少，粒度細，礦物間的硬度差小的，研磨性也小些，反之則研磨性較高；含有剛玉礦物成分的巖石應(yīng)屬于高研磨性的巖石；

沉積碎屑巖的研磨性主要視其石英顆粒的含量及其膠結(jié)強度而定，石英顆粒含量越多，粒度越粗，膠結(jié)強度越大的巖石，其研磨性越高；反之，如果巖石中石英顆粒的含量少，顆粒細，膠結(jié)強度低，其研磨性則較低。第15頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、巖石的可鉆性現(xiàn)代巖石可鉆性的概念：

－－在一定技術(shù)條件下鉆進巖石的難易程度－－鉆進過程中抗破碎的強度都涉及鉆碎的對象、使用的工具、鉆碎的難易性油氣鉆井工程中，可鉆性一般理解為地層巖石破碎的難易性，由此把巖石分為難鉆的和易鉆的。在有些情況下，可鉆性可以確定巖石在井底抵抗鉆頭破碎的能力。

（受深度、溫度、壓力、流體等影響）第16頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖石的可鉆性是個多變量的函數(shù)，這些變量包含有天然的、工藝的和技術(shù)性的因素。因此，到目前為止，適合于油氣鉆井條件的巖石可鉆性問題仍是個尚未徹底解決的問題。但對巖石可鉆性的正確評價又是確定最優(yōu)鉆井參數(shù)、選擇鉆頭類型、預(yù)測鉆井效果以及規(guī)定鉆井工作定額時所必需的?？摄@性直接與巖石的硬度有關(guān)，它可用巖石的硬度來表示。我國油田的地層相應(yīng)于牙輪鉆頭將巖石硬度分為七類：極軟JR，軟R，中軟ZR，中等Z，中硬ZY，硬Y，極硬JY。

極軟JR和R地層也可用刮刀鉆頭鉆進

極硬JY地層也可用金剛石鉆頭鉆進牙輪鉆頭可用于這七種類型，對應(yīng)地層選擇使用可鉆性極值：Kd=log2td第17頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月一、鉆頭破碎巖石方式

目前鉆井所使用的鉆頭類型很多，其破碎巖石的工作原理與方式有以下三種：1）切削利用軸向壓力使破碎工具吃入巖石，隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，巖石在擠壓下破碎，而后進行切削，其方式類似金屬切削。2）沖壓利用軸向載荷使巖石在沖擊和擠壓作用下達到破碎。3）研磨利用抗磨性好的材料，在一定壓力和適當?shù)霓D(zhuǎn)速下，對巖石進行研磨破碎。

第三節(jié)鉆頭破巖方式與鉆頭分類

§3Classificationofbits此外還有水射流破巖方式第18頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

其實，這三種破巖方式中，對巖石的作用形式主要是壓擠和切削。實際上鉆頭在井內(nèi)破碎巖石鉆進時，這三種破巖方式都有，只是根據(jù)巖石的強度和鉆頭類型以某種破碎方式為主而已。

1）塑性巖石一般強度較小，鉆頭以切削破碎為主。

2）塑脆性和脆性巖石一般強度較高，以沖擊和壓擠破碎為主。

3）對強度和硬度都很大的巖石，則以研磨破碎為主。第19頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

鉆頭是鉆進破碎巖石的基本工具，鉆頭鉆進效果的好壞，直接影響能否多快好省地鉆成油氣井。鉆頭破碎巖石效果的高低，主要用單只鉆頭的機械鉆速和進尺兩個指標來衡量。

機械鉆速－－純鉆進單位時間內(nèi)的進尺。

鉆頭進尺－－鉆頭在井底工作從全新到完全磨損不能再用的全部時間內(nèi)所取得的進尺。機械鉆速、鉆頭進尺之間的關(guān)系如下:

Vm=H/tm/h式中：Vm－－一只鉆頭的平均機械鉆速，m/h；

H－－一只鉆頭的鉆頭進尺，m；

t－－一只鉆頭的工作時間，h。

機械鉆速反映鉆頭破碎巖的效率，鉆頭進尺反映鉆頭使用的耐久性。

要求：鉆頭鉆速高、進尺多，也就是鉆井速度快，鉆井時間短，這樣也就降低了鉆井的成本。第20頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、鉆頭破巖方式與鉆頭分類破巖方式適應(yīng)巖石鉆頭類型切削塑性巖層刮刀鉆頭PDC鉆頭壓碎脆性巖層牙輪鉆頭研磨硬巖層金剛石鉆頭水射流松軟巖層射流功率強的鉆頭第21頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)刮刀鉆頭及其破巖原理§4Dragbit

刮刀鉆頭為切削型鉆頭，適用于軟塑性巖層。這種鉆頭體上鑲焊有幾個刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐磨的硬質(zhì)合金材料，根據(jù)塑性巖石軟硬的特點，刮刀鉆頭有兩翼的（魚尾鉆頭）、三翼的和四翼的，最常用的為三翼刮刀鉆頭。

三翼刮刀鉆頭第22頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

刮刀鉆頭是旋轉(zhuǎn)鉆井中最早使用的一種鉆頭。它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低廉，在泥巖和頁巖等松軟地層中使用可以得到很高的機械鉆速和鉆頭進尺。刮刀鉆頭因其承壓面積大，鉆頭刀刃磨損快，主要應(yīng)用在第四紀和第三紀軟塑性地層，遇硬地層或軟硬交錯地層，鉆頭刀刃吃入巖石困難，急劇磨損，鉆進效率很低。我國在刮刀鉆頭的研制和使用上取得了突出的成果：－－六十年代初期出現(xiàn)了千米刮刀鉆頭－－七十年代初期在不少油田創(chuàng)造了兩千米刮刀鉆頭－－八十年代勝利油田用金剛石刮刀鉆頭單只鉆頭進尺達到3135．87m，創(chuàng)造了國內(nèi)外刮刀鉆頭進尺的最高記錄。第23頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月一、刮刀鉆頭刀翼的幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)1.刀翼結(jié)構(gòu)角刀翼的結(jié)構(gòu)角包括：刃尖角β、切削角α、刃前角和刃后角ψ，如圖2—7所示。

刃尖角β：是刀翼尖端前后刃之間的夾角，它表示刀翼的尖銳程度。從吃入巖石和提高鉆速方面來考慮，β角應(yīng)越小越好，但因β角過小時刀翼強度難以保證，所以確定β角的原則一般是在保證刀翼有足夠強度的條件下，盡可能減小β角。

β角的確定原則：一般巖石軟時，β角可以稍小，平均β角為10°左右，甚至可小到8°～9°；巖石較硬，

β角要適當增大，平均β角為12°～15°；

夾層多，井又較深時，β角應(yīng)適當增大。圖2-7刀翼結(jié)構(gòu)角b第24頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月切削角α：是刀翼前刃和水平面之間的夾角。

其它條件一定時，α角越大，吃人深度越深，但若α角過大，刃前巖石剪切破碎困難，鉆進時的蹩勁大。

α角的大小應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)來確定，一般軟地層α角取小一些，硬地層α角取大一些。根據(jù)不同巖性，α角所取數(shù)值為：－－松軟地層α=70o

－－軟地層α＝70o～80o

－－中硬地層α＝80o～85o刃前角、刃后角

刃前角＝90°–α

刃后角ψ＝α-β

刃后角必須大于井底角（和井眼軸線垂直的平面與實際井底平面間的夾角θ

），如果刃后角小于井底角，刀翼以正螺旋面吃入和切削地層，刀翼背部將直接和井底接觸，這將增加刀翼承壓面，影響鉆速。圖2-7刀翼結(jié)構(gòu)角b第25頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2.刀翼幾何形狀

刀翼背部的合理幾何形狀應(yīng)滿足等強度條件。鉆頭工作時，刀翼受力類似一懸臂梁。根據(jù)理論分析，刀翼背部應(yīng)做成拋物線形狀，即刀翼的寬度一定(為鉆頭直徑的一半)，刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加應(yīng)逐漸增厚，呈拋物線形。

a、刀翼背部圖2-7刀翼結(jié)構(gòu)角b第26頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月刀翼底部形狀：平底、正階梯、反階梯、反錐形。

平底刮刀鉆頭形成的井底只有一個裸露自由面，而階梯刮刀鉆頭（階梯數(shù)一般取兩階梯和三階梯）形成井底的自由面較多。因此，在功率一定的情況下，階梯刮刀鉆頭機械鉆速比平底刮刀鉆頭要快。b、刀翼底部第27頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

就階梯形刮刀鉆頭而言，正、反階梯刮刀鉆頭的實際鉆進效果也是不同的。

正階梯外緣的線速度大，易磨成錐形，鉆頭效率降低并引起鉆頭縮徑，容易造成卡鉆、蹩泵和井斜，重新下鉆時必須進行劃眼，不利于提高鉆速。

反階梯該刮刀鉆頭雖然在一定程度上能夠解決縮徑問題，但蹩鉆嚴重，有時甚至把“外階”蹩斷。

反錐形刮刀鉆頭是根據(jù)反階梯的優(yōu)點設(shè)計的，不僅能較好地保持鉆頭直徑，而且由于錐形井底對鉆頭的扶正而具有防斜作用。第28頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

刀翼底刃的厚度b（圖2－7）要適當，過薄，刃尖易折斷；過厚，增加承壓面積，影響吃人深度。從等磨損觀點考慮，底刃一般做成內(nèi)薄外厚。

刀翼長度不要過長，加長刀翼固然可以增加刀翼的可磨損量，從而增加鉆頭進尺，但刀翼過長，水眼至井底的距離增大，使射流對井底的沖擊力減小，不利于清潔井底和破碎地層。目前國內(nèi)各油田刀翼的磨損長度一般設(shè)計為50-70mm，如果正常磨損，可不必設(shè)計這么長。

c、刀翼底刃厚度、長度圖2-7刀翼結(jié)構(gòu)角b第29頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

為提高刮刀鉆頭的耐磨性能，要在刀翼上焊硬質(zhì)合金材料，常用的硬質(zhì)合金是鎢鋼硬質(zhì)合金塊（俗稱鎢鋼塊）和碳化鎢粉（俗稱鎢鋼粉）。方法：在刀片的正面表鑲矩形硬質(zhì)合金塊再堆焊碳化鎢粉，形成硬表層以提高耐磨性；也可采用刨槽或鉆孔嵌鑲硬質(zhì)合金塊的方法，這種方法優(yōu)點是容易焊牢硬合金塊，缺點是使刀片增厚變鈍。設(shè)計和制造刮刀鉆頭時，既要考慮到鉆頭有高的破碎效率，提高機械鉆速，又要考慮鉆頭具有一定的耐磨性，使鉆頭獲得較高的進尺。因此，保證鉆頭在工作過程中各部分均勻磨損是一個十分重要的問題。目前國內(nèi)一般選擇高強度材質(zhì)作為刀翼材料，在刀翼側(cè)面、刀翼正面鑲裝或平鋪硬質(zhì)合金及孕鑲金剛石（或人造金剛石）塊等方法來提高刮刀鉆頭的耐磨性。第30頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、刮刀鉆頭破碎巖石的基本原理

刮刀鉆頭刀翼在鉆壓W和扭轉(zhuǎn)力T的作用下，以正螺旋面吃人切削地層，井底平面與水平面成θ角。設(shè)W力和T力的合力為R，R可分解為與剪切面垂直的分力N和與剪切面平行的分力F，根據(jù)摩爾強度理論，如果忽略摩擦力，當F力等于或大于剪切面積與巖石抗剪極限強度乘積時，巖石沿剪切面破碎如圖2－8所示。刮刀鉆頭破碎塑性和塑脆性巖石時破碎特點是不同的。第31頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月1.塑性巖石

塑性巖石硬度小，刮刀鉆頭在鉆壓W的作用下容易吃入地層，刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力T作用下不斷產(chǎn)生塑性流動，如圖2-9所示。由于破碎巖石是在力W和T的同時作用下，因此吃入深度要比力W單獨作用時深得多。WT圖2-9破碎塑性巖石過程第32頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2.塑脆性巖石

在力W和T的同時作用下，垂直壓強不必大于巖石硬度（大約為硬度的1/6～1/14即可）刀翼即可沿θ角切入巖石，使其產(chǎn)生體積破碎。這主要是因為，此時刃前巖石的應(yīng)力狀態(tài)不同于刃底巖石的應(yīng)力狀態(tài)，刀翼吃入深度與巖石性質(zhì)及力R的大小有關(guān)。第33頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

塑脆性巖石的破碎大體可分為碰撞、壓碎及小剪切、大剪切三個過程。

a.刃前巖石沿剪切面破碎后，T減小，刀翼向前推進，碰撞刃前巖石，圖2－10（a）所示。

b.刀翼在扭力T作用下壓碎刃前的巖石，使其產(chǎn)生小剪切破碎，旋轉(zhuǎn)力增大，圖2－10（b）所示。

C.刀翼繼續(xù)擠壓刃前的巖石（部分被壓成粉狀），當扭力T增大到極限值時，巖石沿剪切面產(chǎn)生大剪切破碎，然后扭力又突然變小，圖2－10（C）所示。粉第34頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)牙輪鉆頭及其破巖原理§5Conebit

牙輪鉆頭是石油鉆井中使用最多、適應(yīng)性最強的鉆頭。按鉆頭上牙輪的個數(shù)可將牙輪鉆頭分為單牙輪鉆頭、兩牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭和四牙輪鉆頭，其中使用最多的是三牙輪鉆頭。牙輪——是一個其上裝有牙齒的錐體。第35頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

牙輪鉆頭在井底工作時的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當復(fù)雜的。

三牙輪鉆頭在井底的運動，決定牙輪與牙齒的運動，也就直接決定牙齒對地層巖石的破碎作用。因此，在了解鉆頭破碎巖石的工作原理之前，首先應(yīng)了解鉆頭在井底的運動。

一、三牙輪鉆頭在井底的運動公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)縱振滑動第36頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月1、鉆頭的公轉(zhuǎn)鉆頭繞自身軸線作順時針方向旋轉(zhuǎn)的運動叫公轉(zhuǎn)。鉆頭公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速就是轉(zhuǎn)盤或井下動力鉆具的旋轉(zhuǎn)速度。鉆頭公轉(zhuǎn)時，牙輪也繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)，牙輪上各排牙齒繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的線速度不同，外排齒的線速度最大。

2、鉆頭的自轉(zhuǎn)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，牙輪繞牙掌軸線作反時針方向的旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。牙輪的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速決定于公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，并與牙齒對井底的作用有關(guān)。在理想的純滾動條件下，即牙齒與巖石間無滑動時，牙輪自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速比鉆頭公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速快得多（大約是1.5倍左右）。牙輪的轉(zhuǎn)動是巖石對牙齒的吃人破碎作用產(chǎn)生阻力作用的結(jié)果。第37頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3、鉆頭的縱振（軸向振動）

鉆頭工作時，牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交替進行地。單齒著地時，牙輪的輪心處于最高位置，雙齒著地時則輪心下降。牙輪在轉(zhuǎn)動過程中，輪心位置不斷上下變換，使鉆頭沿軸向作上下往復(fù)運動，即為鉆頭的軸向振動.4、牙輪的滑動破碎不同類型巖石，對鉆頭要求不同的滑動量，可通過設(shè)計鉆頭時采用不同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)獲得。一般情況下，軟地層鉆頭應(yīng)具有較大的滑動量，硬地層鉆頭應(yīng)盡量減少或不產(chǎn)生滑動，避免牙齒早期損壞。但是，由于鉆頭工作時，牙輪與牙掌軸頸的相對運動總是存在摩擦阻力等原因，即使設(shè)計的是純滾動鉆頭，實際鉆進中仍然存在著滑動。第38頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、

三牙輪鉆頭破碎巖石的基本原理

牙輪鉆頭在井底對巖石的破碎作用是與其運動規(guī)律緊密相關(guān)的，因此要研究牙輪鉆頭的破巖原理就必須從分析其運動規(guī)律入手。

1.鉆頭的復(fù)合運動鉆頭的自轉(zhuǎn)鉆頭的公轉(zhuǎn)鉆頭的縱振牙輪的滑動整個鉆頭向下的運動第39頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鉆頭的沖擊和壓碎作用

鉆進時，鉆頭上承受的鉆壓經(jīng)牙輪作用在巖石上。除此靜載以外還有一沖擊載荷，這是由于鉆頭的縱向振動產(chǎn)生的。第40頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3.牙齒對地層的剪切作用

為了提高牙輪鉆頭對中硬和軟巖層的破碎效率，除了要求牙齒對井底巖石有壓碎、沖擊作用外，還要求有一定的剪切作用。剪切作用主要是通過牙輪在井底滾動的同時還產(chǎn)生輪齒對井底巖石的滑動來實現(xiàn)的。產(chǎn)生滑動的主要因素有三個，即超頂、復(fù)錐和移軸。當牙輪錐頂不與鉆頭軸線重合時就有滑動產(chǎn)生。

從破碎巖石角度考慮，硬地層用單錐牙輪，使牙輪在井底為純滾動而無滑動；軟到中硬地層用復(fù)錐牙輪，使牙輪產(chǎn)生切向滑動以利破碎巖石。復(fù)錐牙輪還可增大牙輪的體積，有時為了加大軸承尺寸也使用復(fù)錐牙輪。第41頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

復(fù)錐：牙輪由兩個或兩上以上不同錐度的錐體組成，不同錐體錐頂不一致，造成滑動。

超項：牙輪的錐頂超過了鉆頭中心線叫做超頂，錐頂超過鉆頭中心線愈大，滑動量愈大。移軸：移軸是將牙輪軸線方向水平移一定距離，牙輪軸線不與鉆頭中心相交于一點，而三個牙輪軸線在鉆頭中央相交成一個三角形。三角形愈大，移軸愈大，滑動愈大。abc牙輪布置方案軸；第42頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)組成鉆頭體牙掌牙輪軸承鎖緊元件儲油密封噴嘴三、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和類型牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖第43頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.牙輪鉆頭的基本參數(shù)對于不同巖性的地層，鉆頭應(yīng)能夠以最適合的破碎方式鉆進，在設(shè)計制造鉆頭時要選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（1）鉆頭直徑三牙輪鉆頭直徑的確定應(yīng)從鉆井工作的發(fā)展及油田實際情況出發(fā)，以最小的尺寸系列來滿足鉆井工作需要。鉆頭尺寸與井身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，所以它應(yīng)與套管的尺寸系列相互適應(yīng)。

（2）牙輪軸線偏移值

為了使牙輪產(chǎn)生滑動，常使牙輪軸線沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平移一段距離或使牙輪軸相對于鉆頭徑向偏轉(zhuǎn)一個角度。

牙輪軸線的偏移值應(yīng)據(jù)巖層的特性來定。一般來說，對低硬度、高塑性的巖層，偏移值要大；對高硬度低塑性的巖層，偏移值則要??；對于研磨性的硬地層和極硬地層，鉆頭偏移值應(yīng)為零。牙輪偏移純滾動牙輪第44頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）牙輪軸線與鉆頭軸線夾角

牙輪軸線與鉆頭軸線夾角β如圖2－15所示。β角的大小影響到給予牙輪的空間體積大小和軸承受力狀況。β角增大時，相鄰兩牙輪的夾角也增加，因而牙輪體積可加大；β角減小則相反.一般β角為51o～59o，軟地層鉆頭β角較大，硬地層鉆頭β角較小。第45頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）牙輪的形狀與布置

牙輪的幾何形狀應(yīng)能在有限的空間內(nèi)盡量加大牙輪的體積，加大軸承的尺寸，使軸承有較大的工作能力，并保證輪殼有足夠的厚度以免斷裂。同時在牙輪的外表面也可以布置更多的牙齒，以延長切削部分的使用壽命。牙輪的幾何形狀尺寸：見圖決定牙輪布置的主要參數(shù)：偏移值s、超頂距c、β角和2γ角。(主錐角)(副錐角)(背錐角)(牙輪最大外徑)(牙輪總高)第46頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月1）牙輪軸線、主錐母線交于鉆頭中心線，主錐不超頂牙輪在井底的運動屬于純滾動，無滑動，牙輪的齒圈不與相鄰牙輪齒圈相嚙合，確定齒寬時不受相鄰牙輪齒圈的限制，但各牙輪間要保持一定的間隙，牙輪的尺寸必須適當縮小，因而牙輪體積較小，這種布置方案適合于硬地層鉆頭。純滾動牙輪牙輪布置方案一第47頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）牙輪軸線交于鉆頭軸線，但主錐超頂。

由于超頂可使各牙輪牙齒互相嚙合，因而牙輪可以自洗，它有助于消除泥包現(xiàn)象。這種布置的牙輪在井底有滑動（切向滑動）時，由于相鄰牙輪齒圈之間有間隙，所以會形成井底環(huán)狀突起，但在鉆進軟地層時影響不大。這種布置方案適于軟及中硬地層鉆頭。牙輪布置方案二第48頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3）牙輪軸線偏移，牙輪可自洗。

由于移軸可使牙輪產(chǎn)生軸向滑動，使井底不留環(huán)狀突起，故可以消除方案二的缺點，它適合于軟及中硬地層的鉆頭。牙輪布置方案三第49頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）牙輪上牙齒的布置

牙齒在牙輪上的排列布置直接影響鉆頭的鉆進效率，因此是非常重要的。布齒原則：

l）在鉆頭每轉(zhuǎn)一周中，牙齒應(yīng)全部破碎井底。

2）牙輪在重復(fù)滾動時應(yīng)使牙齒不致落入別的齒已破碎的舊坑內(nèi)。

3）各牙輪齒圈上的牙齒數(shù)應(yīng)使每齒均勻地承擔破碎井底巖石的任務(wù)，因此外圈齒數(shù)應(yīng)多些，內(nèi)圈齒數(shù)可少些。第50頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2.牙輪鉆頭的牙齒

牙齒是牙輪鉆頭破碎巖石的主要元件，對于牙齒的基本要求是破巖效率高，壽命長。要滿足這兩點，必須從兩方面著手：

1）、牙齒的幾何形狀要合理。

2）、齒的材料要耐磨并有足夠的強度。目前牙輪鉆頭的牙齒有銑齒（也稱鋼齒）和硬質(zhì)合金齒（簡稱鑲齒）兩大類。第51頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月牙輪鉆頭牙齒磨損分級：①鋼齒的磨損分級。以齒磨去的高度與新齒高度之比作為定級標準，共分四級：②鑲齒的磨損分級。用牙輪上斷、掉的齒數(shù)與該牙輪總齒數(shù)之比作為評定鉆頭的磨損標準。代號Y1Y2Y3Y4磨去高度/新齒高度1/42/43/4齒全磨光第52頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月3.牙輪鉆頭的軸承牙輪鉆頭的軸承有：滾動軸承和滑動軸承兩種。a.滑動-滾珠-滑動b.滑動-滑動-滑動a.滾柱-滾珠-滑動b.滾柱-滾珠-滾柱第53頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.鉆頭水眼

鉆頭水眼是在鉆頭體的適當位置開出的孔道，與鉆頭體內(nèi)腔流道相連通，構(gòu)成了鉆井液由鉆桿內(nèi)部進入井底的通路。普通（非噴射式）鉆頭的水眼，僅是在鉆頭體的適當位置開孔并焊上水眼套。適合噴射鉆井需要的鉆頭則在水眼處安裝硬質(zhì)合金噴嘴，且對水眼有關(guān)的鉆頭結(jié)構(gòu)有特殊的要求，即：

a.鉆頭體內(nèi)腔流道應(yīng)使鉆井液流動時阻力最小.b.噴嘴形狀應(yīng)有較好的射流特性(流量系數(shù)大、等速核長).c.可以根據(jù)水力設(shè)計要求，方便地選用和更換噴嘴.d.水眼的布置（噴射方向、水眼位置的高低、數(shù)量等）要有利于清除巖屑。噴嘴結(jié)構(gòu)主要包括噴嘴的流道形狀、噴嘴高度和噴嘴直徑。橢圓形圓弧形雙圓弧形錐形流線形等變速形第54頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

噴嘴進口形狀不同，其流量系數(shù)C也是不一樣的。為了提高射流的沖擊效果，要求α小、L0長、C值大。顯然，流線形和等變速型噴嘴為最好。第55頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的噴嘴外形結(jié)構(gòu)有標準型和保護蓋型兩種。

標準噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。沒有凸臺保護鎖緊擋圈，裝卸使用方便。常用于低研磨性軟地層鋼齒鉆頭。

保護蓋型噴嘴頂部有凸臺保護，可減少鉆井液中研磨性物質(zhì)對鎖緊擋圈的沖蝕作用。所有滑動軸承鉆頭均采用保護蓋噴嘴，它可在井下高壓噴射的條件下長時間工作，安全可靠。標準型保護蓋型第56頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）長噴嘴：普通噴嘴安裝在牙掌體的水孔座上，其出口離井底一般為110～140mm。液體射流離井底越近，沖擊力越大。

長噴嘴可使液流出口接近井底，達到最大沖擊力?，F(xiàn)場使用效果表明：采用長噴嘴鉆頭機械鉆速可提高30%～50%。常用噴嘴簡介長噴嘴第57頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）中長噴嘴：

中長噴嘴又稱半加長或微加長噴嘴。它比常規(guī)噴嘴加長了約38mm。這種噴嘴較之長噴嘴，制造工藝簡單，易于實現(xiàn)。中長噴嘴常用噴嘴簡介第58頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）中心噴嘴：在長噴嘴鉆頭中心增加一個擴散型中心水眼以清洗牙輪牙齒，防止鉆頭泥包，可以提高機械鉆速。

中心單噴嘴水眼鉆頭只在鉆頭中心設(shè)置一個噴嘴，并離井底很近。射流沖擊井底中心后，向四周散射然后上返，上、下液流互不干擾，避免了由三個噴嘴產(chǎn)生的三股向下沖刺的液流與井底上返的液流互相干擾，造成井底流場紊亂，巖石難于順利上返的局面，而有效的提高機械鉆速。中心噴嘴常用噴嘴簡介第59頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）反噴嘴：其主要特點是三個噴嘴中的兩個噴嘴加長并向下，第三個則反向朝上，稱反噴嘴。常用噴嘴簡介第60頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

近年來，隨著高效能噴嘴的開發(fā)和應(yīng)用，為提高鉆井速度帶來了明顯的效果。如“加長噴嘴”加強了等速核對井底的有效作用，“空化射流噴嘴”通過產(chǎn)生脈沖射流提高射流破巖能力等。

加長噴嘴振蕩脈沖射流噴嘴第61頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月四、牙輪鉆頭使用過程中的常見事故1、牙輪卡死2、掉牙輪和斷巴掌3、鉆頭牙齒磨光4、軸承嚴重磨損或松動5、鉆頭“泥包”6、巖性變化造成蹩跳鉆7、鉆頭牙齒的不正常磨損1、牙輪卡死2、掉牙輪和斷巴掌3、鉆頭牙齒磨光脫落4、軸承嚴重磨損或松動5、鉆頭“泥包”6、巖性變化造成蹩跳鉆7、鉆頭牙齒的不正常磨損第62頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第63頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)金剛石鉆頭及其破巖原理§6、Diamondbit

金剛石鉆頭是以鋒利、耐磨和能夠自銳的天然金剛石或人造金剛石為切削齒，在低鉆壓下即可獲得較高的鉆速和鉆頭進尺，是石油鉆井中廣泛使用的一種高效鉆頭。a.按金剛石來源天然金剛石鉆頭（ND鉆頭）人造聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（PDC鉆頭）熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（TSP鉆頭）b.按功用取心鉆頭全面鉆進鉆頭c.按鑲嵌方式表鑲鉆頭孕鑲鉆頭d.按鉆井方式轉(zhuǎn)盤鉆井鉆頭渦輪鉆井鉆頭e.按鉆頭體剛體鉆頭胎體鉆頭第64頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月金剛石鉆頭制作與應(yīng)用過程1.1、計算機輔助設(shè)計2、鉆頭加工3、過程檢驗1.2、原材料檢驗4、出廠檢驗5、現(xiàn)場使用第65頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)（1）、鋼體鋼體上部車有螺紋連接鉆具，下部與胎體燒結(jié)在一起。（2）胎體

胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的易熔金屬作粘合劑，壓制燒結(jié)面而成。雙錐階梯型雙錐型B型帶波紋B型中硬較硬硬堅硬第66頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）切削刃

金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石顆粒鑲裝在胎體上的形式有表鑲式、孕鑲式和表孕鑲式三種。

是把金剛石顆粒只鑲在胎體表面上層，其顆粒較大，一般為0.5～1.5粒／克拉，出刃高度為金剛石顆粒直徑的1／3～l／4，但棱角不宜尖銳，以免鉆進中崩裂。A、表鑲式第67頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

是把金剛石顆粒均勻分布在鉆頭工作面胎體金屬的一定厚度層內(nèi)，隨胎體的磨損，金剛石顆粒不斷露出而不斷磨削巖石，并不斷自銳，不斷磨損，直到金剛石磨完為止。孕鑲用金剛石顆粒是細顆粒，粒度為20～200粒/克拉，棱角越大越好，孕鑲層的厚度為2～12mm。

B、孕鑲式C、表孕鑲式

鑲裝方法是在表鑲式鉆頭工作面上薄弱部分的胎體內(nèi)，孕鑲一層金剛石。這種鉆頭不僅破碎效果好，而且使用壽命長。第68頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

金剛石在鉆頭工作面上排列的方式目前常見有交錯排列法、圓周排列法和脊圈排列法三種，這三種排列方式分別適應(yīng)于軟到中硬地層、硬地層和堅硬地層鉆進。第69頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月交錯排列法

以點孔方式單獨布置在不同圓上，其優(yōu)點是金剛石分布均勻，在切削齒充分覆蓋井底的前提下，能提供良好的冷卻和充分的清洗。這是目前采用最多的一種方式，用于中到中硬地層鉆井的鉆頭。第70頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月圓周排列法

是將金剛石顆粒沿不同的同心圓以點孔方式排列。這種布齒方式其切削齒的密度較高，適用于鉆進硬地層的鉆頭。第71頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月脊圈排列法

是將金剛石按不同的同心圓排列布置在一排排圓形凹槽中，燒結(jié)后形成脊圈，這種布齒方式增加了對切削齒的支撐和保護，提高了切削齒的緊固度、抗沖擊性及耐磨性，同時，這種方式還利于巖屑排除，常用于鉆進堅硬地層的鉆頭。第72頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

水眼和水槽的布置原則

1.保證供給鉆頭工作面足夠的水力能量，

2.能清除巖屑，

3.冷卻和潤滑鉆頭上的金剛石。

（4）水眼與水槽

金剛石鉆頭的水眼與水槽是構(gòu)成鉆頭水動力的通道。第73頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

金剛石鉆頭工作面上的水槽布置根據(jù)所適應(yīng)的鉆進地層及金剛石工作面來確定。

用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于其工作面小，金剛石顆粒粗而稀，鉆進時鉆速快，巖屑多而粗，因此水槽應(yīng)寬而少。

而對于硬和堅硬地層，由于鉆頭工作面大、金剛石顆粒細而密，且出刃低，鉆壓大，水槽則應(yīng)多、密、窄。第74頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

金剛石鉆頭的水槽結(jié)構(gòu)大體可分為：

憋壓式幅射形式幅射形憋壓式螺旋形式

井下動力鉆具鉆頭軟到中硬地層鉆頭硬到堅硬地層鉆頭和井下動力鉆具鉆頭第75頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

當鉆某些硬地層時，鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓人巖石使下面的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)，呈現(xiàn)塑性，同時在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下產(chǎn)生切削作用，破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃人巖石的位移體積。2.金剛石鉆頭破巖原理第76頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

如在一些脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力可使巖石沿最大剪切面產(chǎn)生裂縫，這種情況下巖石破碎的體積遠大于金剛石吃人后位