第4章钻头.doc

第四章 钻头（Bit） 钻头是钻井中直接与地层交锋的重要工具，没有钻头就无法钻进，钻头的质量好坏直接影响到钻井的速度。地下岩石性质变化极大，因而就需要各种不同类型的钻头来对付不同的地层。 钻头的类型 1、按切削原理分类切削型钻头（刮刀钻头、ＰＤＣ钻头） 冲击压碎剪切型钻头（牙轮钻头） 研磨型钻头（金刚石钻头） 2、按功用分类全面钻进钻头 环形钻进钻头（取心钻头） 特种钻头（扩眼、偏心） 第一节 刮刀钻头Drag Bit 刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的钻头。 一、 刮刀钻头破碎岩石的基本原理 以刮挤和剪切作用来破碎地层 以正螺旋面吃入切削地层 刀翼受力 钻压Ｐ→Ｒ→与剪切面垂直分力Ｎ 扭力Ｔ → 与剪切面平行分力Ｆ 摩尔强度理论 Ｆ≥剪切面积岩石抗剪极限强度→岩石沿剪切面破碎 1 塑性岩石 岩石硬度小，容易吃入→塑性流动 2 塑脆性岩石体积破碎 a. 小剪切破碎 b. 大剪切破碎 二、刀翼的几何形状和结构参数 1、结构刀翼（切削刃）组合 几个名词和概念钻头体、翼（切削刃）、平底、阶梯底、堆焊、刃尖角b、切削角a、底刃厚度b、刃前角j、刃后角y。 2、特点结构简单、成本低； 钻头承压面积大，钻进时扭矩较大； 适用于软地层、中软地层钻进。 三、提高刮刀钻头的耐磨性 1 刀翼材料 2 镶装和平铺硬质合金 第二节 牙轮钻头 因能适用于各种软硬不同的地层，是目前广为应用的一种钻头类型。 1909年，第一只牙轮钻头 1925年，自洁式牙轮钻头 1935年，移轴式牙轮钻头 1949年，喷射式牙轮钻头 1951年，镶硬质合金齿 25～40小时 1960年，密封润滑轴承 40～60小时 喷射密封润滑轴承镶硬质合金齿钻头→三合一或四合一钻头 一、 牙轮钻头在井底的运动及破岩原理（三大破岩原理） 牙轮钻头的外型结构（看模型） 1 钻头体钻头主体（有体式、无体式）。 2 巴掌连接在钻头体上，装有牙轮轴，起支撑和固定牙轮的作用。 3 牙轮有牙齿的圆锥体，可转动，用于破碎岩石。 一 牙轮钻头在井底的复合运动 基本假设 P51页 1 井底刚性、平整 2 钻头刚性 3 牙轮与井底接触母线上压力均匀分布 4钻头及牙轮做等角速旋转 1、钻头的复合运动 1 钻头公转（引起的牵连速度） 2 牙轮转动（引起相对速度） 3 滑动（绝对速度） 4 纵向振动 （二）钻头的冲击压碎作用 1、纵振的频率和周期 要求纵振周期大于岩石破碎需要的时间。 2、纵向位移（振幅） 与牙轮半径成正比、与牙齿数成反比。 3、纵振速度 牙轮半径越大、牙齿数越小、转速越高，则冲击速度越大。 4、冲击载荷 冲击载荷由钻头纵振引起，有利于破碎岩石，但也会使钻头轴承过早损坏，使钻柱处于不利工作条件。 （三）牙齿对地层的剪切作用 剪切作用是通过牙轮的滑动来实现的； 滑动利用牙轮结构和安装位置上的变化来增加其对地层的剪切作用。 1、超顶牙轮锥顶超过钻头轴心（碾子） 引起切向滑动，其大小与超顶距c成正比。 切向滑动→剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。 2、移轴牙轮轴线偏离钻头轴心 引起轴向滑动，其大小与偏移值s 成正比。 轴向滑动→剪切掉齿圈之间的岩石； 3、复锥牙轮母线有两个不同的锥度 总结 1 压碎作用钻压引起 钻压↑→破岩效果↑ 2 冲击作用钻头纵向振动引起 牙轮半径↑、转速↑、齿数↓→冲击速度↑ 3 剪切作用牙轮相对于井底的滑动引起 二、牙轮钻头的结构和类型 （一）牙轮钻头的基本参数 1、钻头直径 2、牙轮轴线偏移值 3、牙轮轴线与钻头轴线的夹角 （二）牙轮钻头的牙齿 1、铣齿在牙轮本体上直接铣齿，齿面焊硬质合金粉。 齿形楔形 参数齿高、齿距、齿尖角 特点耐磨性差，用于钻切较软的地层 2、镶齿牙轮本体上钻孔镶嵌碳化钨硬质合金齿； 齿形楔形、锥型、三棱形、球形、抛射体形、平顶形； 3、自洗同一钻头上的三个牙轮利用齿的交错排列互相清除钻屑，适用于软地层。 4、牙齿的布置 1 钻头每转一周，牙齿应全部破碎井底； 遮盖系数η＝各轮圈齿宽总和／井底接触母线长度 井底击碎图 2 牙齿不落入旧坑 3 每齿均匀承担破岩任务→各齿圈齿数 （三） 牙轮钻头的轴承 牙轮转动的心轴（轴承的改进过程）。 1、滚动（有滚动元件，滚珠----点接触，滚柱----线接触） 2、滑动（轴承无滚动元件，面接触） 优点总承压面积大，载荷分布均匀，吸收震动好，可增大轴颈直径或增大轮壳厚度。 3、密封、储油润滑 （四）水眼（喷嘴） 洗井液循环的通道、水射流的换能器，水眼的演变与喷射钻井。 （五）钻头类型 1、国产牙轮钻头系列（P71，表2－6、2-5） 型式代号（7级），按表2-6。 系列名称代号（8类），按表2-5。 （除普通钻头用Y表示，其余用拼音法记忆。） 钻头直径，用数字表示（英寸或毫米）。 2、IADC钻头编码International Association of Drilling Contractors 钻头结构特征（11级）。 钻头特征（7级）。 地层类别（4级）。 牙齿类别及适用地层（8级）。 第三节 金刚石钻头 金刚石钻头最初只是用于硬地层和研磨性较大的地层，但由于近年来对金刚石钻头的不断改进，吸取了刮刀钻头的特点，使它现在不仅能适用于硬地层而同样也适用于软地层。 一、 金刚石的物理机械性能 碳元素组成的结晶体。 特点硬度大、抗磨损能力为钢的9000倍, 脆性、怕高温（455～860℃）。 二、金刚石钻头破碎岩石机理（“犁”的作用） 1 静压入→塑性变形 2 静压入，Ｐ↑→圆形破碎坑 3 压入＋旋转→破碎沟 岩屑尺寸／金刚石凸出部分＝2～4 三、钻头类型和结构特点 类型按功用分－－取心钻头，全面钻进钻头； 按镶嵌方式分－－表镶，孕镶； 按材料分－－天然，人造，聚晶ＰＤＣ。 （一） 钻头外形（P81） 1、金刚石钻头工作剖面的几何形状 双锥阶梯剖面， 软－中硬地层 双锥型剖面 ， 硬地层 “Ｂ”型剖面， 硬地层 带波纹的“Ｂ”型剖面，坚硬地层 2、金刚石钻头中心圆窝结构 1 扶正钻头 2 特殊斜面来破岩 3 个别镶金刚石的瓣超过钻头中心轴线 （二） 金刚石的出刃和排列 1、粒度和出刃 粒度软～中软地层 0.5～2 粒／可拉 中硬地层 3～6 粒／可拉 硬地层 8～12 粒／可拉 坚硬地层 12～15 粒／可拉 出刃（1／3）直径（0.6～1.2 mm） 吃入（1／10～1／100）出刃 2、排列 交错排列，圆圈排列，脊圈排列 （三）保径 （四）水槽结构 逼压式水槽 辐射型水槽 辐射型逼压式水槽 螺旋形水槽 四、人造金刚石PDC钻头 （一）人造金刚石的生产过程及机械性能 粘结金属 高压5000～10000KPa HT,HP聚合 高温1000～2000℃ 石墨 → 金刚石粉 → 聚晶金刚石 圆柱状Φ610，Φ66，Φ46，Φ3.55，Φ24 （二）PDC钻头Polycrystalline Diamond Compact bit 聚晶金刚石层＋碳化钨底层＋柱状体部→切削元件（块） 切削机理以切削方式破岩 第四章作业 1、钻头有哪几种类型它们各自的破岩方式是什么 2、简述牙轮钻头的破岩原理。移轴和超顶的作用是什么 3、简述国产牙轮钻头代号各部分的含义。 30