精品課程石油工程2.ppt

1、,2005 版權(quán)所有Copyright-DQPI,石油工程電子教案,第二章,巖石與鉆頭,Daqing Petroleum Institute,2.1 巖石的力學(xué)性質(zhì),2.2巖石的研磨性與可鉆性,2.3刮刀鉆頭及其破巖原理,2.4牙輪鉆頭及其破巖原理,2.5金剛石鉆頭及其破巖原理,第二章 巖石與鉆頭,巖石的力學(xué)性質(zhì),變形特征 強(qiáng)度特征,2.1 巖石的力學(xué)性質(zhì),一、應(yīng)力應(yīng)變曲線,二、強(qiáng)度(簡單應(yīng)力),主要內(nèi)容,三、強(qiáng)度(復(fù)雜應(yīng)力),四、彈性,一、應(yīng)力應(yīng)變曲線,一、應(yīng)力應(yīng)變曲線,BC段：隨著荷載的繼續(xù)增大，變形和荷載呈非線性關(guān)系，裂隙進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這是破壞的先行階段。這一段應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率

2、隨著應(yīng)力的增加逐漸減小到零，曲線向下凹，在巖石中引起不可逆變化。塑性變形階段。,CD段：曲線下降，是由于裂縫發(fā)生了不穩(wěn)定傳播，新的裂隙分叉發(fā)展，使巖石開始解體。CD段以脆性形態(tài)為其特征。,點B：發(fā)生彈性到塑性行為過渡點，稱為屈服點，S稱為屈服應(yīng)力。,二、簡單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度,巖石的強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度 抗彎曲強(qiáng)度,通常情況下： 抗壓抗剪抗彎抗拉強(qiáng)度,強(qiáng)度獲取方法：對具體的巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗,巖石抗壓縮強(qiáng)度,指巖石抵抗外力壓縮的能力其大小等于在巖樣上施加軸向壓縮載荷直至破壞時單位面積上的載荷，可通過單軸抗壓縮強(qiáng)度試驗來獲得。,巖石抗拉伸強(qiáng)度,*設(shè)計恰當(dāng)?shù)膴A緊機(jī)構(gòu)； *制備一定形狀

3、的巖樣； *確保加載方向嚴(yán)格平行于巖樣軸線。,實驗要求,測量方法,間接抗拉伸強(qiáng)度試驗,直接抗拉伸強(qiáng)度試驗,破裂從圓的中心開始,沿加載直徑向上下擴(kuò)展。 巖石的抗張強(qiáng)度可按下式計算：,巴西劈裂實驗,三、復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖石強(qiáng)度,1. 常規(guī)三軸試驗,(a)液壓作用下的壓（拉）試驗（常規(guī)三軸試驗）,1,2 = 3,(c)液壓作用下的壓扭試驗,(b)三個液缸的柱塞進(jìn)行三面壓縮試驗（真三軸試驗）,1,2,3,(d)液壓作用下的兩面柱塞壓縮試驗,1,P=2 = 3,3,P=1 = 2,（a）壓縮試驗,（b）拉伸試驗,四、三軸應(yīng)力作用下巖石機(jī)械性質(zhì)的變化,兩方面顯著變化,一：隨著圍壓的增大，巖石強(qiáng)度極限增大。

4、 （）不同類型的巖石，增大幅度和倍數(shù)是不一樣的； （）圍壓對巖石強(qiáng)度的影響程度，并不是在所有壓力范圍內(nèi)都相同。,二：隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破碎前所呈現(xiàn)的塑性也越大。,巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點（或稱臨界壓力）對深井鉆井的重要意義：,脆性破壞,塑性破壞,本質(zhì)差別,不同的破碎工具,不同的破碎方式,不同的破碎參數(shù),因此，確定巖石的脆塑性轉(zhuǎn)變的“臨界壓力”將為設(shè)計和合理選擇使用鉆頭提供科學(xué)依據(jù)。,巖石的硬度（即抗壓入強(qiáng)度）：巖石抵抗外力壓入的能力。 平底圓柱壓模壓入巖石時，在壓頭下的巖體中發(fā)展了軸對稱分布的三向應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)使壓頭下巖石的強(qiáng)度會急劇增大，同

5、時多數(shù)巖石具有塑性性質(zhì)。,五、巖石的抗壓入破碎強(qiáng)度,z,z,r = ,z0,p,z,z,r,z,r = ,a,a,a,p,圓柱壓模壓入巖石的應(yīng)力狀態(tài)及分布,P-巖石平均壓強(qiáng) a-壓頭底面的半徑 z-距巖石表面的深度-巖石泊松比,W0,O,C,E,D,W,載荷 W/N,W0,載荷 W/N,吃入深度/m,(b)塑脆性巖石,E,D,W,吃入深度/m,載荷 W/N,吃入深度/m,(a)脆性巖石,(c)塑性巖石,O,O,B,A,壓入實驗確定巖石的硬度和塑性系數(shù),硬度,屈服極限,塑性系數(shù),2.2 巖石的研磨性與可鉆性,鉆井過程中，鉆井工具和巖石產(chǎn)生接觸和摩擦，從而在破碎巖石的同時，工具本身也受到巖石的磨損

6、而逐漸變鈍甚至損壞。巖石磨損這些材料的能力稱為巖石的研磨性。,一、巖石的研磨性,測定巖石研磨性的方法,鉆磨法,磨削法,微鉆頭鉆進(jìn)法,摩擦磨損法,各種巖石的研磨性,二、巖石的可鉆性,巖石破碎的難易性稱為巖石的可鉆性，由此把巖石分為難鉆的和易鉆的。,研究可鉆性方法,生產(chǎn)工藝的指標(biāo),巖石機(jī)械性質(zhì),可鉆性的單位采用在確定條 件下的鉆頭進(jìn)尺或者機(jī)械鉆速,可用抗壓強(qiáng)度，d指數(shù)、壓 痕指數(shù)、縱波速度、抗鉆強(qiáng)度、 實鉆速度、楊氏鉆速模式中的地 層可鉆性系數(shù)等幾十種評價方法,2.3 刮刀鉆頭及其破巖原理,刮刀鉆頭特點,結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。,在軟地層中，可以得到高的機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。,在較硬地層中，鉆頭吃入困難

7、，鉆井效率低。,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,刀翼結(jié)構(gòu)角,刃尖角,切削角,刃前角,刃后角,刀翼尖端前后刃之間的夾角，它表示刀翼的尖銳程度。,刀翼前刃和水平面之間的夾角。,刃前角與切削角互為補(bǔ)角,刃后角=-,2. 刀翼幾何形狀,背部幾何形狀,拋物線型,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。,刀翼底部形狀,平底,正階梯,反階梯,反錐,二、刮刀鉆頭破碎巖石的基本原理,根據(jù)摩爾 強(qiáng)度理論，如 果忽略摩擦力， 當(dāng)F力等于或 大于剪切面積 與巖石抗剪極 限強(qiáng)度乘積時， 巖石沿剪切面 破碎。,1.塑性巖石,塑性巖石硬度小，在鉆壓W的作用下容易吃入地層，刃前巖石在 扭轉(zhuǎn)

8、力T作用下不斷產(chǎn)生塑性流動。因此，吃入深度要比力W單獨(dú)作用 時深得多。,2.塑脆性巖石,塑脆性巖石的破碎過程,碰撞,壓碎及小剪切,大剪切,2.4 牙輪鉆頭及其破巖原理,牙輪鉆頭分類,單牙輪鉆頭,兩牙輪鉆頭,三牙輪鉆頭,四牙輪鉆頭,一、三牙輪鉆頭破碎巖石的基本原理,1、鉆頭的復(fù)合運(yùn)動,絕對速度,牽連速度,2.鉆頭的沖擊和壓碎作用,由于牙輪鉆頭的縱向振動，鉆頭對巖石產(chǎn)生沖擊和壓碎，單雙齒著地的頻率為：,3.牙輪對地層的剪切作用,二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和類型,鉆頭直徑,牙輪軸線偏移值,牙輪軸線與鉆頭軸線夾角,牙輪的形狀與布置,牙輪上牙齒的布置,.牙輪鉆頭的基本參數(shù),2.牙輪鉆頭的牙齒,3.牙輪鉆頭的軸承

9、,4.鉆頭水眼,銑齒(也稱鋼齒),硬質(zhì)合金齒(簡稱鑲齒),滾動軸承,滑動軸承,普通鉆頭水眼，在鉆頭適當(dāng)部位開孔焊。,噴射式鉆頭在水眼處安裝硬質(zhì)合金噴嘴，且對水眼有關(guān)的鉆頭結(jié)構(gòu)有特殊要求。,2.5 金剛石鉆頭及其破巖原理,類型,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，在鉆低鉆壓下即可獲得較高的鉆速和鉆頭進(jìn)尺，是石油鉆井中廣 泛使用的一種高效鉆頭。,按來源分,按功用分,按鑲嵌方式分,按鉆井方式分,天然金剛石鉆頭人造金剛石鉆頭,全面鉆進(jìn)鉆頭,表鑲,孕鑲,轉(zhuǎn)盤鉆井,渦輪鉆井,取心鉆頭,一、金剛石鉆頭,1、金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu),鋼體,胎體,切削刃,水眼與水槽,(1) 鋼體,雙錐

10、階梯形剖面,軟到中硬地層,帶波紋的“B”型剖面,堅硬地層,上部螺紋連接鉆具，下部與胎體燒結(jié)。,(2) 胎體,鑲嵌金剛石顆粒的基體胎體形狀，主要指工作面的幾何形狀和工作面積的大小，根據(jù)巖性設(shè)計的。,(3) 切削刃,切削刃,表鑲式,孕鑲式,表孕鑲式,(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。,水眼和水槽的布置原則,使金剛石鉆頭在鉆進(jìn)時，保證供給鉆頭工作面有足夠的水力能量。,用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于工作小，金剛石顆粒粗而稀，鉆進(jìn)時鉆速快，巖屑多而粗，因此水槽應(yīng)寬而少。,對于硬和堅硬地層，鉆頭工作面大、金剛石顆粒細(xì)而密，且出刃低，鉆壓大，水槽應(yīng)多、密、窄。,2.金剛石

11、鉆頭破巖原理,當(dāng)鉆某些硬地層時，鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓入巖石使 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入巖石的位移體積。,二、 PDC鉆頭,PDC鉆頭為一整體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動零部件，結(jié)構(gòu)比較簡單，大致由鉆頭基體、鉆頭切削齒、噴嘴及排屑槽等幾部分組成。,1. PDC鉆頭結(jié)構(gòu),（1）鉆頭基體,PDC鉆頭基體冠部外形,魚尾形,淺錐形,短拋物線形,拋物線形,特點：鉆頭的磨損更為平衡。,特點：鉆頭的磨損更為平衡。,特點：快速鉆進(jìn)中，能保持方位和井斜。,特點：較長的壽命；要求較高的水力能量，鉆頭鼻部在夾層時易損壞。,標(biāo)準(zhǔn)切削齒,牙嵌式切削齒,增加金剛石薄層厚度、金剛石層與碳化鎢基片的接觸面積，提高研磨性和強(qiáng)度。,環(huán)嵌式切削齒,嵌牙外緣增加一周聚晶金剛石環(huán)，提高耐磨、沖擊強(qiáng)度。,（2） 鉆頭切削齒,鑿形切削齒,倒角切削齒,凸圓形切削齒,齒狀碳化鎢基柱,（3）切削齒的排列方向,PDC鉆頭設(shè)計中用負(fù)前角、側(cè)偏角和切削齒出露高度規(guī)定排列方向。,負(fù)前角又稱后傾角,側(cè)偏角,切削齒的出露高度,復(fù)合片層面與巖石工作面垂線