技術(shù)員講義 鉆頭方案

1、d:My Documents動畫與圖片鉆頭鉆進圖.swf d:My Documents動畫與圖片鉆頭振動圖.swf d:My Documents 動畫與圖片鉆進鉆柱彎曲示意圖 .swf 內(nèi)容 ?牙輪鉆頭及其破巖原理牙輪鉆頭及其破巖原理 ?金剛石鉆頭及其破巖原理金剛石鉆頭及其破巖原理 ?鉆頭的正確使用鉆頭的正確使用 牙輪鉆頭及其破巖原理牙輪鉆頭及其破巖原理 (1) (1)用途用途 牙輪鉆頭是使用最廣泛的鉆頭，適牙輪鉆頭是使用最廣泛的鉆頭，適用于從軟到硬的各種地層。牙輪鉆頭破巖用于從軟到硬的各種地層。牙輪鉆頭破巖時扭矩小，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，對鉆具及地面設(shè)備時扭矩小，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，對鉆具及地面設(shè)備的危害?。还ぷ?/p>

2、刃較刮刀鉆頭長，減少了的危害?。还ぷ魅休^刮刀鉆頭長，減少了磨損，延長了使用壽命。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，磨損，延長了使用壽命。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造較刮刀鉆頭困難，成本較高。制造較刮刀鉆頭困難，成本較高。 (2)(2)牙輪鉆頭的分類牙輪鉆頭的分類 牙輪鉆頭有單牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭、牙輪鉆頭有單牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭、多牙輪鉆頭等。其中使用最三牙輪鉆頭、多牙輪鉆頭等。其中使用最多的是三牙輪鉆頭，它的三個牙輪錐體按多的是三牙輪鉆頭，它的三個牙輪錐體按o o120120 夾角對稱分布。牙輪鉆頭還可分為全夾角對稱分布。牙輪鉆頭還可分為全面鉆進牙輪鉆頭、取心牙輪鉆頭、銑齒牙面鉆進牙輪鉆頭、取心牙輪鉆頭、銑齒

3、牙輪鉆頭、鑲齒牙輪鉆頭、滾動軸承牙輪鉆輪鉆頭、鑲齒牙輪鉆頭、滾動軸承牙輪鉆頭、滑動軸承牙輪鉆頭等。頭、滑動軸承牙輪鉆頭等。 (3)(3)結(jié)構(gòu)及組成結(jié)構(gòu)及組成 牙輪鉆頭的基本組成是鉆頭體。巴掌牙輪鉆頭的基本組成是鉆頭體。巴掌（牙爪）、牙輪、軸承、水眼（噴嘴）、儲（牙爪）、牙輪、軸承、水眼（噴嘴）、儲油密封潤滑系統(tǒng)。油密封潤滑系統(tǒng)。 三牙輪鉆頭三牙輪鉆頭 a.a.鉆頭體與巴掌鉆頭體與巴掌 鉆頭體上部車有螺紋與鉆具相連，下鉆頭體上部車有螺紋與鉆具相連，下部帶有三個巴掌與牙輪的軸頸相連，起支部帶有三個巴掌與牙輪的軸頸相連，起支撐牙輪的作用。鉆頭體的底端中部鑲焊水撐牙輪的作用。鉆頭體的底端中部鑲焊水眼板

4、或安裝噴嘴。根據(jù)鉆頭體與巴掌的連眼板或安裝噴嘴。根據(jù)鉆頭體與巴掌的連接情況可將其分為有體式和無體式鉆頭。接情況可將其分為有體式和無體式鉆頭。 有體式鉆頭是鉆頭體與巴掌分別制有體式鉆頭是鉆頭體與巴掌分別制造，然后將巴掌焊接在鉆頭體下側(cè)的鉆頭。造，然后將巴掌焊接在鉆頭體下側(cè)的鉆頭。該種鉆頭直徑一般在該種鉆頭直徑一般在 346mm 346mm以上，其上部以上，其上部螺紋絕大多數(shù)為內(nèi)螺紋。無體式鉆頭是巴螺紋絕大多數(shù)為內(nèi)螺紋。無體式鉆頭是巴掌與三分之一鉆頭體做成一體，然后將加掌與三分之一鉆頭體做成一體，然后將加工好并裝接上牙輪的三部分合焊起來的鉆工好并裝接上牙輪的三部分合焊起來的鉆頭。該鉆頭直徑一般在頭

5、。該鉆頭直徑一般在311mm311mm以下，其上以下，其上部絕大多數(shù)為外螺紋。部絕大多數(shù)為外螺紋。 牙輪在牙爪軸頸上的固定是在牙輪牙輪在牙爪軸頸上的固定是在牙輪與軸頸組裝好后，通過牙爪下側(cè)背部的與軸頸組裝好后，通過牙爪下側(cè)背部的斜孔投入滾珠來完成的，最后插人銷子斜孔投入滾珠來完成的，最后插人銷子并焊死。并焊死。 b.b.牙輪牙輪 牙輪是一個外面帶有牙齒，內(nèi)腔加工成牙輪是一個外面帶有牙齒，內(nèi)腔加工成與軸頸相對應(yīng)的滾動體跑道或滑動摩擦面的與軸頸相對應(yīng)的滾動體跑道或滑動摩擦面的錐體。分單錐與多錐兩種結(jié)構(gòu)。單錐牙輪是錐體。分單錐與多錐兩種結(jié)構(gòu)。單錐牙輪是指僅有主錐和背錐兩個不同錐度的牙輪。該指僅有主錐

6、和背錐兩個不同錐度的牙輪。該牙輪適用于硬及研磨性較高的地層。復(fù)錐牙牙輪適用于硬及研磨性較高的地層。復(fù)錐牙輪是指除主、背錐外還有輪是指除主、背錐外還有1 12 2個副錐的牙輪。個副錐的牙輪。該牙輪適用于軟及中硬地層。該牙輪適用于軟及中硬地層。 c.c.牙齒牙齒 牙齒是鉆頭破巖的主要元件，要求其牙齒是鉆頭破巖的主要元件，要求其破巖效率高和工作壽命長。為此，牙齒既破巖效率高和工作壽命長。為此，牙齒既要耐磨，又要有足夠的強度，還要有合理要耐磨，又要有足夠的強度，還要有合理的幾何外形。牙輪鉆頭的牙齒有銑齒（鋼的幾何外形。牙輪鉆頭的牙齒有銑齒（鋼齒）、鑲齒（硬合金齒）兩種。齒）、鑲齒（硬合金齒）兩種。 (

7、a)銑齒銑齒 銑齒是由牙輪毛胚銑削加工而成的牙齒。銑齒是由牙輪毛胚銑削加工而成的牙齒。這種鉆頭叫銑齒鉆頭。銑齒斷面形狀主要是這種鉆頭叫銑齒鉆頭。銑齒斷面形狀主要是楔形。銑齒的齒形參數(shù)主要有齒尖角、齒高、楔形。銑齒的齒形參數(shù)主要有齒尖角、齒高、齒頂削平度（鈍度）和外排齒形等。齒頂削平度（鈍度）和外排齒形等。 齒尖角齒尖角 齒尖角是牙齒橫斷面上兩邊界的夾角。齒尖角是牙齒橫斷面上兩邊界的夾角。為了利于吃入地層，其值應(yīng)小些，但太小則為了利于吃入地層，其值應(yīng)小些，但太小則影響強度。一般軟地層阻力小，強度要求不影響強度。一般軟地層阻力小，強度要求不高，為了加快鉆速，齒尖角應(yīng)比硬地層小些。高，為了加快鉆速，

8、齒尖角應(yīng)比硬地層小些。o oo o齒尖角的常用范圍，軟地層為齒尖角的常用范圍，軟地層為3838 4040 ；中硬；中硬o oo oo oo o地層為地層為4040 4242 ；硬地層為；硬地層為4242 4545 。 齒高齒高 齒高是齒根到齒頁的距離。一般齒齒高是齒根到齒頁的距離。一般齒越高吃入地層越深，鉆進效率越高，但太越高吃入地層越深，鉆進效率越高，但太高易使牙齒蹩斷。因此，不同巖性地層的高易使牙齒蹩斷。因此，不同巖性地層的破巖阻力不同，齒高不同，軟地層要比硬破巖阻力不同，齒高不同，軟地層要比硬地層高些。地層高些。 齒頂削平度 齒頂削平度即齒尖的寬度。軟地層齒頂削平度即齒尖的寬度。軟地層為

9、加快鉆速，寬度要小些；硬地層為保為加快鉆速，寬度要小些；硬地層為保證強度，寬度要大些。同時，還要根據(jù)證強度，寬度要大些。同時，還要根據(jù)鉆頭大小而定，一般小鉆頭齒尖寬度為鉆頭大小而定，一般小鉆頭齒尖寬度為0 075751mm1mm；大鉆頭齒尖寬度為；大鉆頭齒尖寬度為2mm2mm。 牙齒的排布方式。牙齒在輪殼上的牙齒的排布方式。牙齒在輪殼上的排列布置方式是影響鉆進效率的重要因排列布置方式是影響鉆進效率的重要因素。布齒時首先保證鉆頭每轉(zhuǎn)一圈牙齒素。布齒時首先保證鉆頭每轉(zhuǎn)一圈牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起部分。根據(jù)巖性不同牙輪上部分。根據(jù)巖性不同牙輪上 齒圈的

10、排列齒圈的排列有自洗式和非自洗式。有自洗式和非自洗式。 非自潔式又稱重疊式，其特點是各牙輪非自潔式又稱重疊式，其特點是各牙輪上可任意布置齒圈，不受相鄰牙齒的影響，上可任意布置齒圈，不受相鄰牙齒的影響，故可加密齒圈。重疊式牙輪鉆頭適應(yīng)于硬及故可加密齒圈。重疊式牙輪鉆頭適應(yīng)于硬及研磨性較高的地層。研磨性較高的地層。 牙齒的加硬。鉆進中，在鉆頭破碎巖石牙齒的加硬。鉆進中，在鉆頭破碎巖石的同時牙齒逐漸被磨損，影響牙齒磨損的主的同時牙齒逐漸被磨損，影響牙齒磨損的主要因素是地層巖石的研磨性、鉆井技術(shù)參數(shù)、要因素是地層巖石的研磨性、鉆井技術(shù)參數(shù)、牙齒材料與齒形、加工工藝技術(shù)等。牙齒材料與齒形、加工工藝技術(shù)等

11、。 為了提高銑齒鉆頭的工作壽命，為了提高銑齒鉆頭的工作壽命，通常要對銑齒進行加硬，即在鉆頭牙齒通常要對銑齒進行加硬，即在鉆頭牙齒的工作面上加焊一層硬質(zhì)合金粉。兩側(cè)的工作面上加焊一層硬質(zhì)合金粉。兩側(cè)堆焊抗磨力強，適用于研磨性較高的地堆焊抗磨力強，適用于研磨性較高的地層；一側(cè)堆焊牙齒則能在不斷磨損中保層；一側(cè)堆焊牙齒則能在不斷磨損中保持自銳。持自銳。 (b)(b)鑲齒（硬合金齒）鑲齒（硬合金齒） 鑲齒鉆頭是將硬合金材料加工成一定鑲齒鉆頭是將硬合金材料加工成一定形狀的牙齒，鑲嵌并固定在輪殼的鉆頭上。形狀的牙齒，鑲嵌并固定在輪殼的鉆頭上。由于牙齒硬度高、耐磨性強，故能適應(yīng)于由于牙齒硬度高、耐磨性強，故

12、能適應(yīng)于堅硬及高研磨性地層。目前的鑲齒鉆頭已堅硬及高研磨性地層。目前的鑲齒鉆頭已適應(yīng)于從堅硬地層到軟地層的不同地層。適應(yīng)于從堅硬地層到軟地層的不同地層。鑲齒的齒形是指牙齒出露在輪殼以外部分鑲齒的齒形是指牙齒出露在輪殼以外部分的形狀與高度。鑲齒齒形一般有楔形、錐的形狀與高度。鑲齒齒形一般有楔形、錐形、球形、三棱形和拋射體形等。形、球形、三棱形和拋射體形等。 d.d.牙輪鉆頭的軸承牙輪鉆頭的軸承 決定鉆頭工作壽命最關(guān)鍵的因素是軸決定鉆頭工作壽命最關(guān)鍵的因素是軸承。通常軸承先于鉆頭牙齒及其他部分而承。通常軸承先于鉆頭牙齒及其他部分而報損（稱為軸承的先期損壞），密封潤滑報損（稱為軸承的先期損壞），密封

13、潤滑的滑動軸承鉆頭大大提高了牙輪鉆頭的使的滑動軸承鉆頭大大提高了牙輪鉆頭的使用壽命。目前普遍使用的是硬質(zhì)合金齒噴用壽命。目前普遍使用的是硬質(zhì)合金齒噴射式密封滑動軸承牙輪鉆頭。射式密封滑動軸承牙輪鉆頭。 (a)(a)普通軸承（滾動不密封軸承）普通軸承（滾動不密封軸承） 牙輪鉆頭的普通軸承由牙爪軸頸、牙牙輪鉆頭的普通軸承由牙爪軸頸、牙輪內(nèi)腔、滾動體組成。在牙輪內(nèi)腔及軸頸上輪內(nèi)腔、滾動體組成。在牙輪內(nèi)腔及軸頸上加工了相對應(yīng)的三個不同尺寸的滾動體跑道，加工了相對應(yīng)的三個不同尺寸的滾動體跑道，構(gòu)成三副軸承。大軸承主要承受由鉆壓引起構(gòu)成三副軸承。大軸承主要承受由鉆壓引起的徑向載荷，小軸承起扶正及承受少量徑

14、向的徑向載荷，小軸承起扶正及承受少量徑向載荷的作用，中間的滾珠軸承主要起鎖緊定載荷的作用，中間的滾珠軸承主要起鎖緊定位作用，它將牙輪及牙爪軸頸鎖在一起并承位作用，它將牙輪及牙爪軸頸鎖在一起并承受部分軸向載荷。受部分軸向載荷。 此外，還有兩道承受牙輪軸向載此外，還有兩道承受牙輪軸向載荷的止推軸承，即小軸端部為第一道止推荷的止推軸承，即小軸端部為第一道止推軸承，它由小軸端部堆焊耐磨合金，并在軸承，它由小軸端部堆焊耐磨合金，并在牙輪內(nèi)腔相對應(yīng)部位鑲裝耐磨合金；小軸牙輪內(nèi)腔相對應(yīng)部位鑲裝耐磨合金；小軸頸底端的臺肩面為第二道止推軸承，它在頸底端的臺肩面為第二道止推軸承，它在小軸頸底端的臺后面堆焊耐磨合金

15、，同時小軸頸底端的臺后面堆焊耐磨合金，同時也在牙輪內(nèi)腔相對應(yīng)部位鑲裝耐磨合金。也在牙輪內(nèi)腔相對應(yīng)部位鑲裝耐磨合金。 常用的軸承結(jié)構(gòu)有：滾柱軸承一滾珠軸承常用的軸承結(jié)構(gòu)有：滾柱軸承一滾珠軸承一滑動軸承和滾柱軸承一滾珠軸承一滾柱軸承一滑動軸承和滾柱軸承一滾珠軸承一滾柱軸承兩種。前種結(jié)構(gòu)多用在直徑兩種。前種結(jié)構(gòu)多用在直徑 152 152244mm244mm的小的小尺寸鉆頭中，后一種結(jié)構(gòu)多用在直徑尺寸鉆頭中，后一種結(jié)構(gòu)多用在直徑 244 mm244 mm以以上的大尺寸鉆頭中。普通軸承由于沒有密封裝上的大尺寸鉆頭中。普通軸承由于沒有密封裝置，當鉆頭在井內(nèi)工作時，洗井液與泥砂極易置，當鉆頭在井內(nèi)工作時，洗

16、井液與泥砂極易進人牙輪內(nèi)腔，很快將軸承腔內(nèi)的潤滑脂沖蝕進人牙輪內(nèi)腔，很快將軸承腔內(nèi)的潤滑脂沖蝕掉，加劇了軸承磨損，導(dǎo)致普通牙輪鉆頭工作掉，加劇了軸承磨損，導(dǎo)致普通牙輪鉆頭工作壽命很短。壽命很短。 (b) (b) 軸承的儲油密封潤滑軸承的儲油密封潤滑 牙輪鉆頭軸承的儲油密封潤滑結(jié)構(gòu)是牙輪鉆頭軸承的儲油密封潤滑結(jié)構(gòu)是在一牙輪巴掌的組合體上增加一套儲油密在一牙輪巴掌的組合體上增加一套儲油密封系統(tǒng)。它由軸承腔的壓力補償系統(tǒng)和密封系統(tǒng)。它由軸承腔的壓力補償系統(tǒng)和密封元件等組成。其作用是將牙輪內(nèi)腔與外封元件等組成。其作用是將牙輪內(nèi)腔與外界的洗井液分開，并在鉆頭工作時，隨時界的洗井液分開，并在鉆頭工作時，隨

17、時向軸承腔補充潤滑脂，從而改善軸承的工向軸承腔補充潤滑脂，從而改善軸承的工作條件。作條件。 (c) (c) 滑動軸承滑動軸承 滑動軸承鉆頭主要是指滑動軸承取滑動軸承鉆頭主要是指滑動軸承取代大軸滾柱軸承的牙輪鉆頭。其結(jié)構(gòu)為滑代大軸滾柱軸承的牙輪鉆頭。其結(jié)構(gòu)為滑動軸承一滾珠軸承一滑動軸承。滑動軸承動軸承一滾珠軸承一滑動軸承?；瑒虞S承把牙輪軸頸與滾柱的線接觸改變成滑動摩把牙輪軸頸與滾柱的線接觸改變成滑動摩擦面間的面接觸，承壓面積大大增加，比擦面間的面接觸，承壓面積大大增加，比壓大大減小。同時，不存在滾柱對軸頸的壓大大減小。同時，不存在滾柱對軸頸的沖擊作用。由于去掉了滾柱就可以把軸頸沖擊作用。由于去掉

18、了滾柱就可以把軸頸尺寸加大，牙輪殼體增厚，這樣提高了整尺寸加大，牙輪殼體增厚，這樣提高了整個軸承的強度，從而有利于增大鉆壓，大個軸承的強度，從而有利于增大鉆壓，大大提高了鉆頭的工作壽命大提高了鉆頭的工作壽命。 常用的滑動軸承有軸頸軸承、帶固常用的滑動軸承有軸頸軸承、帶固定村套的滑動軸承和帶浮動式襯套的滑定村套的滑動軸承和帶浮動式襯套的滑動軸承以及簡易滑動軸承。動軸承以及簡易滑動軸承。 e.e.牙輪鉆頭的水眼牙輪鉆頭的水眼 非噴射式鉆頭的水眼只起洗井液循環(huán)非噴射式鉆頭的水眼只起洗井液循環(huán)通道的作用，而噴嘴不僅循環(huán)洗井液，還通道的作用，而噴嘴不僅循環(huán)洗井液，還能把洗井液轉(zhuǎn)化為高速射流。普通鉆頭在能

19、把洗井液轉(zhuǎn)化為高速射流。普通鉆頭在軟地層鉆進時，為了防止鉆頭泥包，從水軟地層鉆進時，為了防止鉆頭泥包，從水眼流出的洗井液均直接沖在牙輪上。噴射眼流出的洗井液均直接沖在牙輪上。噴射式鉆頭的水眼方向是使洗井液直射兩牙輪式鉆頭的水眼方向是使洗井液直射兩牙輪間的井底。間的井底。 (4)(4)牙輪鉆頭的工作原理牙輪鉆頭的工作原理 鉆進中牙輪鉆頭在井底的運動及破鉆進中牙輪鉆頭在井底的運動及破巖機理取決于鉆頭的結(jié)構(gòu)、鉆進參數(shù)配巖機理取決于鉆頭的結(jié)構(gòu)、鉆進參數(shù)配合、井底狀態(tài)等多方面的因素。為了能合、井底狀態(tài)等多方面的因素。為了能夠根據(jù)不同地層巖性，合理選擇與使用夠根據(jù)不同地層巖性，合理選擇與使用鉆頭，就必須了

20、解牙輪鉆頭在井底的運鉆頭，就必須了解牙輪鉆頭在井底的運動及破巖機理。動及破巖機理。 a.牙輪鉆頭在井底的運動 牙輪鉆頭在井底的運動，決定著牙輪與牙齒的運動，從而直接決定了牙齒對地層巖石的破巖作用。鉆頭在井底的運動有公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)、縱振、滑動。鉆頭在井底運動的同時牙輪在井底的運動也有公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)、縱振和滑動。 (a)(a)公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn) 鉆頭繞井眼軸線的旋轉(zhuǎn)運動叫鉆頭鉆頭繞井眼軸線的旋轉(zhuǎn)運動叫鉆頭的公轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)盤或井下動力鉆具的公轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)盤或井下動力鉆具的旋轉(zhuǎn)速度；鉆頭公轉(zhuǎn)時，牙輪繞鉆頭軸的旋轉(zhuǎn)速度；鉆頭公轉(zhuǎn)時，牙輪繞鉆頭軸線所做的旋轉(zhuǎn)運動稱為牙輪的公轉(zhuǎn)。牙輪線所做的旋轉(zhuǎn)運動稱為牙輪的公轉(zhuǎn)。牙

21、輪上各外排牙齒繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的線速度不上各外排牙齒繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的線速度不同，輪殼上最外排牙齒的線速度最大。同，輪殼上最外排牙齒的線速度最大。 (b)(b)自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn) 鉆頭繞其自身軸線所做的旋轉(zhuǎn)運動鉆頭繞其自身軸線所做的旋轉(zhuǎn)運動叫鉆頭的自轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速取決于鉆具的轉(zhuǎn)速；叫鉆頭的自轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速取決于鉆具的轉(zhuǎn)速；鉆頭旋轉(zhuǎn)時，牙輪繞巴掌軸所做的與鉆頭鉆頭旋轉(zhuǎn)時，牙輪繞巴掌軸所做的與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)運動稱為牙輪的自轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)運動稱為牙輪的自轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速取決于公轉(zhuǎn)速度，并與牙齒對井底其轉(zhuǎn)速取決于公轉(zhuǎn)速度，并與牙齒對井底的作用有關(guān)，牙輪的自轉(zhuǎn)速度要比公轉(zhuǎn)速的作用有關(guān)，牙輪的自轉(zhuǎn)速度要比公轉(zhuǎn)速度快得

22、多。牙輪的轉(zhuǎn)動是巖石對牙齒產(chǎn)生度快得多。牙輪的轉(zhuǎn)動是巖石對牙齒產(chǎn)生阻力作用的結(jié)果。阻力作用的結(jié)果。 (c)(c)縱振（軸向振動）縱振（軸向振動） 鉆進中旋轉(zhuǎn)鉆頭時，輪齒與井底的接觸是單鉆進中旋轉(zhuǎn)鉆頭時，輪齒與井底的接觸是單雙齒交替進行，單齒著地時，牙輪的輪心處于高位雙齒交替進行，單齒著地時，牙輪的輪心處于高位置，雙齒著地時則處于低位置。這樣，就導(dǎo)致輪心置，雙齒著地時則處于低位置。這樣，就導(dǎo)致輪心不停地上升下降，即牙輪的縱振。牙輪的縱振使整不停地上升下降，即牙輪的縱振。牙輪的縱振使整個鉆頭沿軸向做上下往復(fù)運動，即鉆頭的縱振，其個鉆頭沿軸向做上下往復(fù)運動，即鉆頭的縱振，其振幅就是輪心的垂直位移。振

23、幅的大小與齒高、齒振幅就是輪心的垂直位移。振幅的大小與齒高、齒距等鉆頭結(jié)構(gòu)及巖性有關(guān)。在硬地層振幅較大，振距等鉆頭結(jié)構(gòu)及巖性有關(guān)。在硬地層振幅較大，振動嚴重，危害較大。除牙輪的單雙齒交替與井底接動嚴重，危害較大。除牙輪的單雙齒交替與井底接觸導(dǎo)致的縱振外，還會因井底不平造成振幅較大的觸導(dǎo)致的縱振外，還會因井底不平造成振幅較大的振動。振動。 (d)(d)滑動滑動 為了適應(yīng)破碎不同巖石的需要，在鉆頭為了適應(yīng)破碎不同巖石的需要，在鉆頭工作時，使其產(chǎn)生一定的滑動。鉆頭的滑動工作時，使其產(chǎn)生一定的滑動。鉆頭的滑動就是牙輪的滑動。通常情況下，軟地層鉆進就是牙輪的滑動。通常情況下，軟地層鉆進時鉆頭具有較大的滑

24、動量；在硬地層及高研時鉆頭具有較大的滑動量；在硬地層及高研磨性地層鉆進時，所用鉆頭其滑動量要盡量磨性地層鉆進時，所用鉆頭其滑動量要盡量減小，以避免牙齒的迅速磨損。減小，以避免牙齒的迅速磨損。 鉆頭在井底工作時，上述四種運動同時鉆頭在井底工作時，上述四種運動同時產(chǎn)生，鉆頭的運動是上述四種運動的復(fù)合運產(chǎn)生，鉆頭的運動是上述四種運動的復(fù)合運動。動。 b.b.破巖的兩種作用破巖的兩種作用 牙輪鉆頭在鉆壓作用下破碎巖石是靠沖擊壓碎牙輪鉆頭在鉆壓作用下破碎巖石是靠沖擊壓碎作用和滑動剪切用來完成的。作用和滑動剪切用來完成的。 (a)(a)沖擊壓碎作用沖擊壓碎作用 牙輪鉆頭在井底工作時，由鉆頭縱振所產(chǎn)生的牙輪

25、鉆頭在井底工作時，由鉆頭縱振所產(chǎn)生的輪齒對巖石的沖擊壓碎作用是牙輪鉆頭破碎巖石的主輪齒對巖石的沖擊壓碎作用是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式。旋轉(zhuǎn)鉆頭時，牙齒以一定的速度沖擊壓入巖要方式。旋轉(zhuǎn)鉆頭時，牙齒以一定的速度沖擊壓入巖石，牙齒壓入巖石需要足夠的比壓與接觸時間。牙齒石，牙齒壓入巖石需要足夠的比壓與接觸時間。牙齒作用在巖石上的軸向載荷包括靜壓及沖擊載荷。作用在巖石上的軸向載荷包括靜壓及沖擊載荷。 牙輪鉆頭破巖時，牙齒對巖石的牙輪鉆頭破巖時，牙齒對巖石的沖擊載荷越大，沖擊次數(shù)越多，鉆頭破沖擊載荷越大，沖擊次數(shù)越多，鉆頭破巖效率越高。但轉(zhuǎn)速太快必然大大縮短巖效率越高。但轉(zhuǎn)速太快必然大大縮短牙齒與巖石

26、的接觸時間，要保證接觸時牙齒與巖石的接觸時間，要保證接觸時間大于巖石破碎所需的時間，才能有效間大于巖石破碎所需的時間，才能有效破碎巖石。破碎巖石。 (b)(b)滑動剪切作用滑動剪切作用 牙輪鉆頭工作時，由于摩擦阻力的影牙輪鉆頭工作時，由于摩擦阻力的影響使其在井底產(chǎn)生滑動，而且轉(zhuǎn)速越快，響使其在井底產(chǎn)生滑動，而且轉(zhuǎn)速越快，滑動量越大，對巖石的剪切破碎作用越大?；瑒恿吭酱?，對巖石的剪切破碎作用越大。此外，牙齒在軸向壓力作用下吃入地層，此外，牙齒在軸向壓力作用下吃入地層，轉(zhuǎn)動鉆頭時隨著牙齒的移動而使已破碎的轉(zhuǎn)動鉆頭時隨著牙齒的移動而使已破碎的巖石剔出，這一壓入破碎其實質(zhì)是剪切破巖石剔出，這一壓入破碎

27、其實質(zhì)是剪切破碎。碎。 軟及中硬地層中鉆進，要求牙輪鉆軟及中硬地層中鉆進，要求牙輪鉆頭具有更大的滑動量以提高破巖效率。在頭具有更大的滑動量以提高破巖效率。在設(shè)計制造牙輪鉆頭時，通常采用具有超頂、設(shè)計制造牙輪鉆頭時，通常采用具有超頂、復(fù)錐、移軸結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭以增大鉆頭在復(fù)錐、移軸結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭以增大鉆頭在井底工作時的滑動量。井底工作時的滑動量。 超頂超頂 所謂牙輪鉆頭的超頂是指牙輪的錐所謂牙輪鉆頭的超頂是指牙輪的錐頂超過鉆頭中心的現(xiàn)象。錐頂超過鉆頭中頂超過鉆頭中心的現(xiàn)象。錐頂超過鉆頭中心的距離叫做超頂距。牙輪的超頂距越大，心的距離叫做超頂距。牙輪的超頂距越大，鉆頭的滑動剪切作用也越大。鉆頭的滑動

28、剪切作用也越大。 復(fù)錐復(fù)錐 復(fù)錐牙輪的副錐頂（延伸線）是超頂復(fù)錐牙輪的副錐頂（延伸線）是超頂?shù)?，主副錐頂間的距離叫錐頂距。錐頂距的，主副錐頂間的距離叫錐頂距。錐頂距越大或兩個錐頂角的差值越大，鉆頭工作越大或兩個錐頂角的差值越大，鉆頭工作時牙輪在井底產(chǎn)生的滑動量也越大。復(fù)錐時牙輪在井底產(chǎn)生的滑動量也越大。復(fù)錐牙輪產(chǎn)生滑動的原因是復(fù)錐牙輪繞軸線轉(zhuǎn)牙輪產(chǎn)生滑動的原因是復(fù)錐牙輪繞軸線轉(zhuǎn)動時線速度呈折線分布，其與鉆頭公轉(zhuǎn)時動時線速度呈折線分布，其與鉆頭公轉(zhuǎn)時的合成速度不為零，從而產(chǎn)生滑動。的合成速度不為零，從而產(chǎn)生滑動。 移軸移軸 移軸是牙輪軸線沿水平方向移動一個移軸是牙輪軸線沿水平方向移動一個距離，三

29、個牙輪的軸線不交于鉆頭中心，距離，三個牙輪的軸線不交于鉆頭中心，而交成一個三角形，即為牙輪的移軸結(jié)構(gòu)。而交成一個三角形，即為牙輪的移軸結(jié)構(gòu)。所交三角形的內(nèi)切圓半徑就是牙輪軸線的所交三角形的內(nèi)切圓半徑就是牙輪軸線的平移距離，稱為移軸距。移軸距越大，鉆平移距離，稱為移軸距。移軸距越大，鉆頭的滑動剪切作用也越大。頭的滑動剪切作用也越大。 (5)(5)牙輪鉆頭的產(chǎn)品系列牙輪鉆頭的產(chǎn)品系列 牙輪鉆頭是國內(nèi)外鉆井使用最多的牙輪鉆頭是國內(nèi)外鉆井使用最多的鉆頭，為滿足不同深度、不同地層巖性、鉆頭，為滿足不同深度、不同地層巖性、不同井身結(jié)構(gòu)等方面的要求，制定了牙輪不同井身結(jié)構(gòu)等方面的要求，制定了牙輪鉆頭的系列標

30、準，即牙輪鉆頭的直徑系列鉆頭的系列標準，即牙輪鉆頭的直徑系列和結(jié)構(gòu)系列標準。和結(jié)構(gòu)系列標準。 a.a.牙輪鉆頭的直徑系列牙輪鉆頭的直徑系列 牙輪鉆頭的直徑要與相應(yīng)的套管尺寸牙輪鉆頭的直徑要與相應(yīng)的套管尺寸相配合。下套管固井時，要保證套管外徑相配合。下套管固井時，要保證套管外徑與井眼間有合適的間隙，以提高固井質(zhì)量；與井眼間有合適的間隙，以提高固井質(zhì)量；固井后繼續(xù)鉆進時所用鉆頭直徑又要與套固井后繼續(xù)鉆進時所用鉆頭直徑又要與套管內(nèi)徑配合好。直徑系列的確定必須根據(jù)管內(nèi)徑配合好。直徑系列的確定必須根據(jù)各國的具體條件而定。各國的具體條件而定。 b.b.牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)系列牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)系列 國產(chǎn)牙輪鉆頭分兩

31、大類，即鋼齒牙國產(chǎn)牙輪鉆頭分兩大類，即鋼齒牙輪鉆頭和鑲齒鉆頭、八個系列，系列代輪鉆頭和鑲齒鉆頭、八個系列，系列代號用專用漢語拼音字母表示，見表號用專用漢語拼音字母表示，見表5-4-5-4-1(1(書書P191)P191)所示。鋼齒鉆頭的類型及適用所示。鋼齒鉆頭的類型及適用地層見表地層見表5-4-25-4-2（書（書P191P191）所示。）所示。 國產(chǎn)三牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)系列國產(chǎn)三牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)系列 類別 名 稱 鋼 齒 鉆 頭 普通鉆頭 噴射鉆頭 密封鉆頭 密封噴射鉆頭 密封噴射保徑鉆頭 滑動噴射鉆頭 滑動噴射保徑鉆頭 代號 Y P M MP MPB HP HPB 類別 鑲 齒 鉆 頭 名 稱 鑲齒

32、普通鉆頭 鑲齒密封鉆頭 鑲齒滑動鉆頭 鑲齒密封噴射鉆頭 鑲齒滑動噴射鉆頭 空氣鉆頭 代號 X XM XH XMP XHP K 國產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適用范圍國產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適用范圍 代號（簡化） 1 2 3 4 5 6 7 類 型 新 舊 JR 乳白 R L 黃 ZR M 淡蘭 Z C 灰 ZY T 墨綠 Y TK 紅 JY 褐 鉆頭體顏色 適用地層 極軟 軟 中軟 中 中軟頁巖 硬石膏 中硬石灰?guī)r 中硬白云巖 中硬 硬 極硬 石英砂巖 石 英 巖 隧 石 花 崗 巖 適用巖性 （舉例） 泥 巖 石 膏 中軟頁巖 鹽 巖 中硬石膏 軟 頁 巖 中軟石灰?guī)r 軟石灰?guī)r 中軟砂巖 白 堊 硬 頁

33、巖 硬石灰?guī)r 硬白云巖 砂 巖 石 英 巖 (6)(6)國產(chǎn)三牙輪鉆頭型號的表示方法國產(chǎn)三牙輪鉆頭型號的表示方法 鉆頭類型（1.2.3.4.5.6.7為代號） 鉆 頭結(jié)構(gòu)系列字母代號（P、M、X等）。 鉆頭直徑（用公制毫米或英寸數(shù)） 國產(chǎn)三牙輪鉆頭型號的表示國產(chǎn)三牙輪鉆頭型號的表示 例如：244XHP5的意義是:244表示鉆頭直徑為244mm；XHP表示鉆頭結(jié)構(gòu)為鑲齒密封滑動噴射式；5表示鉆頭適用于中硬地層。 (7)(7)入井前的檢查入井前的檢查 （1 1）把鉆頭倒置，將鉆頭規(guī)水平套在鉆頭直徑最）把鉆頭倒置，將鉆頭規(guī)水平套在鉆頭直徑最大處。大處。 （2 2）用手順時針搬動）用手順時針搬動鉆頭規(guī)

34、鉆頭規(guī)刻度盤手柄，直至搬刻度盤手柄，直至搬不動為止，此時與手柄相對的數(shù)字即為鉆頭不動為止，此時與手柄相對的數(shù)字即為鉆頭直徑尺寸。直徑尺寸。 （3 3）操作同刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)與使用單元中入井前）操作同刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)與使用單元中入井前檢查。檢查。 （4 4）檢查噴嘴焊的是否牢靠。）檢查噴嘴焊的是否牢靠。 （5 5）把小于鉆頭水眼直徑的木棒，插入水眼看是）把小于鉆頭水眼直徑的木棒，插入水眼看是否暢通。否暢通。 （6 6）用手轉(zhuǎn)動三個牙輪，檢查是否靈活，）用手轉(zhuǎn)動三個牙輪，檢查是否靈活，牙齒有無互咬現(xiàn)象。牙齒有無互咬現(xiàn)象。 （7 7）將鉆頭放倒，慢慢轉(zhuǎn)動鉆頭，檢查主）將鉆頭放倒，慢慢轉(zhuǎn)動鉆頭，檢查主要焊

35、口有無裂紋。要焊口有無裂紋。 （8 8）將鉆頭置于一平鋼板上，使三個牙輪）將鉆頭置于一平鋼板上，使三個牙輪牙齒與鋼板的接觸狀態(tài)相同，再用直牙齒與鋼板的接觸狀態(tài)相同，再用直尺測量其高差。尺測量其高差。349mm349mm以上鉆頭高以上鉆頭高差不超過差不超過3mm3mm，298.5mm298.5mm以下鉆頭不以下鉆頭不超過超過2mm2mm。 (8)(8)使用操作使用操作 a. a.根據(jù)所鉆地層巖性，合理選擇鉆頭類型。根據(jù)所鉆地層巖性，合理選擇鉆頭類型。 (a)(a)淺井段疏松地層，選用牙齒長的鉆頭。淺井段疏松地層，選用牙齒長的鉆頭。 (b) (b)深井段選用進尺多的鉆頭。深井段選用進尺多的鉆頭。

36、(c) (c)起鉆后，如發(fā)現(xiàn)出井鉆頭的起鉆后，如發(fā)現(xiàn)出井鉆頭的 外排齒磨損嚴重，改外排齒磨損嚴重，改選帶有保徑齒的鉆頭選帶有保徑齒的鉆頭 。 用于軟地層：高、大、稀、尖、薄 (d) (d)易斜井段選用滑動量小，牙齒短的鉆頭。易斜井段選用滑動量小，牙齒短的鉆頭。用于硬地層：矮、小、密、鈍、厚 b.b.將牙輪鉆頭與上部鉆具連接好。將牙輪鉆頭與上部鉆具連接好。 c.c.平穩(wěn)下鉆，遇阻不能硬壓猛放，防止頓壞平穩(wěn)下鉆，遇阻不能硬壓猛放，防止頓壞巴掌。巴掌。 d.d.鉆頭下至離井底鉆頭下至離井底7 78m8m時，開泵循環(huán)鉆井時，開泵循環(huán)鉆井液（排量由小到大，防止蹩泵）。液（排量由小到大，防止蹩泵）。 e.

37、e.待鉆頭到井底后，加壓待鉆頭到井底后，加壓202030kN30kN鉆進（磨鉆進（磨合及鉆新井底），磨合合及鉆新井底），磨合303060min60min后，再后，再一次加足鉆壓鉆進。一次加足鉆壓鉆進。 f.f.接單根下放鉆具時，在鉆頭接觸井底前接單根下放鉆具時，在鉆頭接觸井底前啟動轉(zhuǎn)盤，然后下放鉆具，禁止在鉆頭啟動轉(zhuǎn)盤，然后下放鉆具，禁止在鉆頭加壓狀態(tài)下啟動轉(zhuǎn)盤。加壓狀態(tài)下啟動轉(zhuǎn)盤。 g.g.鉆進時，送鉆要均勻，禁止猛放猛壓防鉆進時，送鉆要均勻，禁止猛放猛壓防掉牙輪，把井打斜，并對鉆具和設(shè)備造掉牙輪，把井打斜，并對鉆具和設(shè)備造成不良影響。成不良影響。 （9 9）確定起鉆）確定起鉆 a.新鉆頭入

38、井后，鉆井每米成本逐步下降，當每米新鉆頭入井后，鉆井每米成本逐步下降，當每米成本上升時，應(yīng)立即起出鉆頭。成本上升時，應(yīng)立即起出鉆頭。 b.公式公式 Cb?Cr(Tr? CT)t?H式中：式中：Ct鉆頭每米成本，元鉆頭每米成本，元/m； Cb鉆頭成本，元；鉆頭成本，元； Cr鉆頭工作時設(shè)備使用成本，元鉆頭工作時設(shè)備使用成本，元 Tr起下鉆，換鉆頭時間，起下鉆，換鉆頭時間，h； T鉆頭純進時間，鉆頭純進時間，h； H鉆頭總進尺，鉆頭總進尺，m。 /m； 金剛石鉆頭及其破巖原理金剛石鉆頭及其破巖原理 金剛石鉆頭是以鋒利、耐金剛石鉆頭是以鋒利、耐磨和能夠自銳的天然金剛石或人磨和能夠自銳的天然金剛石或人

39、造金剛石為切削齒，在鉆低鉆壓造金剛石為切削齒，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尺，是石油鉆井中廣泛使用的一種高效鉆頭。種高效鉆頭。 ? 分類 ? 按金剛石來源可分為天然金剛石鉆頭和按金剛石來源可分為天然金剛石鉆頭和人造金剛石鉆頭人造金剛石鉆頭 ? 按功用可分為取心鉆頭和全面鉆進鉆頭；按功用可分為取心鉆頭和全面鉆進鉆頭； ? 按鑲嵌方式可分為表鑲和孕鑲兩類；按鑲嵌方式可分為表鑲和孕鑲兩類； ? 按鉆井方式則可分為轉(zhuǎn)盤鉆井和渦輪鉆按鉆井方式則可分為轉(zhuǎn)盤鉆井和渦輪鉆井用兩類。井用兩類。 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 ? 1、金剛石鉆頭的結(jié)

40、構(gòu) ?鋼體 ?胎體 ?切削刃 ?水眼與水槽 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 ? (1) 鋼體鋼體 ? 鋼體上部車有螺紋連接鉆具，下部與鋼體上部車有螺紋連接鉆具，下部與胎體燒結(jié)在一起。剛體有一體式的，也胎體燒結(jié)在一起。剛體有一體式的，也有由兩部分構(gòu)成的，即上部為合金鋼車有由兩部分構(gòu)成的，即上部為合金鋼車有螺紋，下部為低碳鋼連接胎體。鋼體有螺紋，下部為低碳鋼連接胎體。鋼體上下兩部分以螺紋連接在一起然后焊死。上下兩部分以螺紋連接在一起然后焊死。 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 ? (2) ? 胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的硬質(zhì)合金粉加上適當?shù)囊兹垡欢６鹊挠操|(zhì)

41、合金粉加上適當?shù)囊兹劢饘僮髡澈蟿瑝褐茻Y(jié)面而成。金屬作粘合劑，壓制燒結(jié)面而成。 ? 胎體形狀即工作剖面，主要是指工作面胎體形狀即工作剖面，主要是指工作面的幾何形狀和工作面積的大小，是根據(jù)的幾何形狀和工作面積的大小，是根據(jù)適用不同巖性而設(shè)計的。適用不同巖性而設(shè)計的。 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 雙錐階梯形剖面 軟到中硬地層 雙錐形剖面 “ B” 型剖面 帶波紋的“B” 型剖面 較硬地層 硬地層 堅硬地層 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 ?(3) ? 金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石顆粒鑲裝在胎體上的金剛石顆粒鑲裝在胎體上的形式有表鑲式、孕鑲式和表形式有表鑲式、孕鑲式和表孕鑲式

42、三種。孕鑲式三種。 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 把金剛石顆粒只鑲在胎體表面上層。 表鑲式表鑲式 顆粒大小：0.51.5粒/克拉，出刃高度：1/31/4，棱角不宜尖銳，以免鉆進中崩裂。 把金剛石顆粒均勻分布在鉆頭工作面胎體金屬層的一定厚度層內(nèi)，隨胎體磨損，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。 顆粒粒度：20200粒/克拉，棱角越大越好，孕鑲層厚度：212mm。 表孕鑲式表孕鑲式 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。破碎效果好，壽命長。 孕鑲式孕鑲式 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 金剛石在鉆頭工作面上的排布方式金剛石在鉆頭工作面上的排布

43、方式 交錯排列法 軟到中硬 圓周排列法 脊圈排列法 硬地層 堅硬地層 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 ?(4) ? 金剛石鉆頭的水眼與水槽是構(gòu)成鉆頭水動力的通道。 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 ?水眼和水槽的布置原則：水眼和水槽的布置原則： ? 是使金剛石鉆頭在鉆進過程中，保證供給鉆頭工作面足夠的水力能量，既能清除巖屑，又能很好地冷卻 ? 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。 ?表鑲式金剛石鉆頭通常采用的水槽結(jié)構(gòu)大體上可分為：逼

44、壓式水槽、輻射形水槽、輻射形逼壓式水槽和螺旋形水槽四種。 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 2.金剛石鉆頭破巖原理金剛石鉆頭破巖原理 當鉆某些硬地層時，鉆頭上的每粒當鉆某些硬地層時，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，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，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破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃入巖石的位移體積。巖石的位移體積。 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 ? 對于脆性較大的對于脆性較大的巖石，在鉆壓和巖石，在鉆壓和扭力的作用

45、下所扭力的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力可使產(chǎn)生的應(yīng)力可使巖石沿剪切面產(chǎn)巖石沿剪切面產(chǎn)生裂縫生裂縫, ,此時此時, ,巖巖石破碎體積遠大石破碎體積遠大于金剛石吃入后于金剛石吃入后位移體積。脆性位移體積。脆性較大的巖石其破較大的巖石其破碎深度可達金剛碎深度可達金剛石壓入深度的石壓入深度的2525倍。倍。 鉆頭基體鉆頭基體 金剛石金剛石 接觸面積 出露高度出露高度 吃入深度 一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭 ? 金剛石破碎巖金剛石破碎巖石的效果，除石的效果，除與巖石的性能與巖石的性能有關(guān)外，還與有關(guān)外，還與井筒和地層孔井筒和地層孔隙流體的壓差隙流體的壓差有大小、鉆壓有大小、鉆壓大小及金剛石大小及金剛石出露高度出露

46、高度 幾何形狀、粒幾何形狀、粒度和出露有關(guān)。度和出露有關(guān)。 鉆頭基體鉆頭基體 金剛石金剛石 接觸面積 吃入深度 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact)鉆頭，簡稱PDC鉆頭。它是用聚晶金剛石(薄圓片狀)做成小型切削塊鑲裝或燒結(jié)到鉆頭體上而形成的。使用于軟到中硬地層。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 1. PDC鉆頭結(jié)構(gòu)鉆頭結(jié)構(gòu) PDC鉆頭為一整體式鉆頭，鉆頭為一整體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動零部件，結(jié)構(gòu)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頭切削齒、噴嘴及排屑槽

47、等幾部分組成。分組成。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 ? （1 1）鉆頭基體）鉆頭基體 ? PDCPDC鉆頭可分為鋼體鉆頭可分為鋼體PDCPDC鉆頭和碳化鎢胎體鉆頭和碳化鎢胎體PDCPDC ? 鋼體式鋼體式PDCPDC鉆頭的表面不耐沖蝕，規(guī)徑易于鉆頭的表面不耐沖蝕，規(guī)徑易于磨小，而胎體式鉆頭的碳化鎢合金耐沖蝕、耐磨小，而胎體式鉆頭的碳化鎢合金耐沖蝕、耐磨損，允許使用較高的鉆頭壓力降、較高鉆井磨損，允許使用較高的鉆頭壓力降、較高鉆井液含砂量，易于進行優(yōu)化水力設(shè)計，具有較大液含砂量，易于進行優(yōu)化水力設(shè)計，具有較大的設(shè)計靈活性，魚尾形鉆頭壽命較長。的設(shè)計靈活性，魚尾形鉆頭壽命較長。 二、二、 PDC鉆頭

48、鉆頭 魚尾形 PDC鉆頭基體有四種基本冠部外形： 淺錐形 短拋物線形 拋物線形 翼片很長，增加了復(fù)合片出刃高度，增加了鉆頭冠部與地層之間的間隙，使巖屑易于排向環(huán)形空間不致于粘附于鉆頭體，有利于射流的清洗。 魚尾形魚尾形 特點：特點：能減少泥包和與泥包相關(guān)的鉆井問題。 適用范圍：適用范圍：轉(zhuǎn)盤鉆井的直井和定向鉆井，鉆進粘性極高的泥頁巖層。 有一個帶錐度的冠部，冠頂相當圓頓?？梢允广@頭外側(cè)布置更多數(shù)量的切削齒。 淺錐形淺錐形 特點：特點：鉆頭的磨損更為平衡。 適用范圍：適用范圍：轉(zhuǎn)盤鉆井、井下動力鉆井及定向鉆井都比較穩(wěn)定，最適合于鉆可能遇到硬夾層的地區(qū)。 冠部面積最小，水力能量集中，易于清洗。其外

49、形有較長的保徑齒，能適當扶正。復(fù)合片密度不宜過大。 短拋物線形短拋物線形 特點：特點：快速鉆進中，能保持方位和井斜。 適用范圍：適用范圍：只適用于鉆盤鉆井，鉆進夾層。 冠部載荷分布均勻，無明顯載荷過渡區(qū)，載荷不致過分集中。這種冠部外形可使鉆頭及規(guī)徑部位布更多的切削齒。 拋物線形拋物線形 特點：特點：具有良好的壽命；要求較高的流量和水力能量來實現(xiàn)清洗和冷卻，鉆頭的鼻部在鉆夾層時易受損壞。 適用范圍：適用范圍：高速井下動力鉆進。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 （2 2） 鉆頭切削齒鉆頭切削齒 聚晶金剛石復(fù)合片是經(jīng)過特殊工藝將金剛聚晶金剛石復(fù)合片是經(jīng)過特殊工藝將金剛石微粒粘結(jié)在一起形成的復(fù)合材料。復(fù)合片

50、上石微粒粘結(jié)在一起形成的復(fù)合材料。復(fù)合片上部為聚晶金剛石薄層，其厚度為部為聚晶金剛石薄層，其厚度為0.5000.635mm0.5000.635mm，是切削齒鋒利的刃口，硬度，是切削齒鋒利的刃口，硬度及耐磨性極高，當抗沖擊性較差。復(fù)合片下部及耐磨性極高，當抗沖擊性較差。復(fù)合片下部為碳化鎢基片，聚晶金剛石片與碳化鎢基片之為碳化鎢基片，聚晶金剛石片與碳化鎢基片之間的有機結(jié)合，使得間的有機結(jié)合，使得 PDCPDC齒既具有金剛石的硬齒既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有碳化鎢的結(jié)構(gòu)強度的抗沖度和耐磨性，又具有碳化鎢的結(jié)構(gòu)強度的抗沖擊能力。擊能力。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 PDC齒具有良好的自銳性，聚晶金

51、剛石晶粒在切削巖石的過程中不斷脫落，形成刃面的晶粒更新自銳。此外，碳化鎢基片先磨損，形成鋒利的刃口，同時具有良好的抗沖擊性能為金剛石提供良好的彈性依托。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 標準切削齒 牙嵌式切削齒 環(huán)嵌式切削齒 按形狀 鑿形切削齒 倒角切削齒 凸圓形切削齒 齒狀碳化鎢基柱 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 標準切削齒標準切削齒 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 ?圓柱狀和栓銷狀切削齒是兩種基本類型，圓柱狀是標準切削齒，使用最普遍。其它幾類切削齒都是以標準切削齒為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的。 ?標準切削齒很容易受沖擊載荷而損壞，使金剛石薄片與碳化鎢基片分離，或者產(chǎn)生大塊金剛石薄層破裂，在鉆硬地層時效果不理想。 二、二

52、、 PDC鉆頭鉆頭 牙嵌式切削齒牙嵌式切削齒 在增加了金剛石薄層厚度的同時，增加了金剛石層與碳化鎢基片的接觸面積，提高了切削齒的研磨性和強度。 環(huán)嵌式切削齒環(huán)嵌式切削齒 是牙嵌式切削齒的特殊形式，在嵌牙的外緣增加了一周聚晶金剛石環(huán)。不僅提高了切削齒的耐磨強度，還提高了耐沖擊強度。 鑿形切削齒鑿形切削齒 通過改變切削齒的幾何形狀來實現(xiàn)提高切削齒吃入深度目的的齒形，可在堅硬的研磨性地層提高鉆速。 倒角切削齒倒角切削齒 通過分散作用在切削刃上的力，及增加金剛石與地層的接觸面積，改善PDC層的破碎強度和研磨強度。 凸圓形切削齒凸圓形切削齒 可以使剛產(chǎn)生的巖屑失去平衡，有效防止泥包鉆頭現(xiàn)象。 齒狀碳化鎢

53、基柱齒狀碳化鎢基柱 是在碳化鎢基柱圓周加工出齒狀，增加基柱與鉆頭體之間的緊配合強度，以防止基柱轉(zhuǎn)動而脫落。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 ?（3）切削齒的排列方向）切削齒的排列方向 ? PDC鉆頭設(shè)計中用負前角、側(cè)偏角和切削齒出露高度來規(guī)定切削齒的 ? 負前角又稱后傾角負前角又稱后傾角，它是指復(fù)合片層面與巖石工作面垂線之間的夾角。 ?采用適當?shù)呢撉敖?，可以大大改善切削齒的抗沖擊性。一般負前角取值范圍為0 25 。 ?軟地層：取0或較小負前角值； ?硬地層，負前角應(yīng)較大，以保證有效切削，并防止沖擊載荷引起切削齒的損壞。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 ?側(cè)偏角側(cè)偏角是指切削齒面與鉆頭徑向平面之間的夾角，有

54、側(cè)偏角的鉆頭比無側(cè)偏角的鉆頭鉆進性能好，鉆速快，并可以改善鉆頭的清洗和巖屑的及時排除；減少巖屑粘附切削齒的機會。實驗表明，側(cè)偏角為-15 ?切削齒的出露高度切削齒的出露高度與所鉆巖性有關(guān)，可分為全出露和部分出露兩種。 ? 全部出露：適于鉆軟地層； ?部分出露：使于鉆硬地層，可以提高切削齒剛度，有利于延長PDC鉆頭的壽命。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 ? （4） 噴嘴水道及排屑槽噴嘴水道及排屑槽 ? 噴嘴出口形狀、射流噴嘴方向、流道的設(shè)計，噴嘴出口形狀、射流噴嘴方向、流道的設(shè)計，以及排屑槽的形狀和布置都是以及排屑槽的形狀和布置都是 PDCPDC鉆頭設(shè)計中鉆頭設(shè)計中重要組成部分。重要組成部分。 ?

55、噴嘴的配置和取向基本原則：每個噴嘴或水眼噴嘴的配置和取向基本原則：每個噴嘴或水眼能清洗和冷卻一組復(fù)合片。能清洗和冷卻一組復(fù)合片。 ? 按噴嘴的形狀可將噴嘴分為：標準噴嘴、扇射按噴嘴的形狀可將噴嘴分為：標準噴嘴、扇射式噴嘴、矩形噴嘴和六角形噴嘴。式噴嘴、矩形噴嘴和六角形噴嘴。 ? 排屑槽的形狀主要有楔形、扇形、半圓形。排屑槽的形狀主要有楔形、扇形、半圓形。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 2. PDC鉆頭破巖原理 ? PDCPDC鉆頭是以切削鉆頭是以切削 齒對地層進行切削來齒對地層進行切削來破碎巖石，整個切削過程，與金屬切削破碎巖石，整個切削過程，與金屬切削過程很相似。過程很相似。 ? 巖石的切削過程

56、實質(zhì)：是一種擠壓過程，巖石的切削過程實質(zhì)：是一種擠壓過程，在擠壓過程中，巖石主要以滑移變形方在擠壓過程中，巖石主要以滑移變形方式成為切屑。式成為切屑。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 當巖石開始接觸切削齒的刀當巖石開始接觸切削齒的刀刃最初瞬時，接觸點的壓力刃最初瞬時，接觸點的壓力使巖石內(nèi)部產(chǎn)生彈性應(yīng)力和使巖石內(nèi)部產(chǎn)生彈性應(yīng)力和應(yīng)變；當切削刃逼近巖石時，應(yīng)變；當切削刃逼近巖石時，巖石內(nèi)部彈性應(yīng)力逐漸增大，巖石內(nèi)部彈性應(yīng)力逐漸增大，在巖石內(nèi)某一位置，剪應(yīng)力在巖石內(nèi)某一位置，剪應(yīng)力達到巖石的屈服強度，因而，達到巖石的屈服強度，因而，巖石開始沿剪切力相等的巖石開始沿剪切力相等的“初滑移面初滑移面”滑移（滑移

57、（OAOA面，面，該面左邊代表彈性變形區(qū)，該面左邊代表彈性變形區(qū)，右邊代表塑性變形區(qū)）右邊代表塑性變形區(qū)） 。 二、二、 PDC鉆頭鉆頭 ? 巖石經(jīng)過巖石經(jīng)過OAOA面在當切削刃移動時，滑移變形越來越大，面在當切削刃移動時，滑移變形越來越大，當巖石移到當巖石移到OEOE面時，將不在沿面時，將不在沿OEOE面滑移（如面滑移（如1 1、2 2面），面），而是一起沿切削齒前傾面流出，所以稱而是一起沿切削齒前傾面流出，所以稱OAOA為初始滑移線，為初始滑移線，而稱而稱OEOE為終止滑移線。為終止滑移線。 ? 當巖石沿前傾面流出時，由于受到切削齒前傾面的壓力當巖石沿前傾面流出時，由于受到切削齒前傾面的壓

58、力和摩擦，切削的底層（靠近前傾面的一層）產(chǎn)生較大的和摩擦，切削的底層（靠近前傾面的一層）產(chǎn)生較大的擠壓和剪切變形，結(jié)果，下層膨脹，切削向前傾相反方擠壓和剪切變形，結(jié)果，下層膨脹，切削向前傾相反方向流出，離開前傾面而成為切屑。向流出，離開前傾面而成為切屑。 ? PDCPDC鉆頭的破巖機理可概括為：鉆頭的破巖機理可概括為：PDCPDC鉆頭切削齒在鉆壓作鉆頭切削齒在鉆壓作用下能自銳地吃入地層，在扭矩作用下向前移動剪切巖用下能自銳地吃入地層，在扭矩作用下向前移動剪切巖石。石。 ? PDCPDC鉆頭不存在由于壓差作用引起的巖屑清除障礙；因鉆頭不存在由于壓差作用引起的巖屑清除障礙；因此，破巖效率高。此，破

59、巖效率高。 二、二、 PDC鉆頭的使用鉆頭的使用 1下鉆前的準備 （1）上一個鉆頭起出后，立即蓋好井口，防止物體落井。 （2）了解上一個鉆頭的損壞情況。即直徑磨損；切削齒的磨損及斷、碎、裂；對損壞比較嚴重或因嚴重損壞而導(dǎo)致直徑減少的鉆頭，要用磨鞋和打撈籃處理井眼。 （3）搬運鉆頭要小心。最好從包裝箱取出后放在膠合板或膠墊上，嚴禁在鉆臺鋼板上滾動。 （4）查看鉆頭直徑、螺紋牙型是否正確，噴嘴是否暢通。 （5）裝卸鉆頭要用合適的鉆頭裝卸器。 二、二、 PDC鉆頭的使用鉆頭的使用 2下鉆 下鉆要細心。在通過封井器或縮徑井段時要放慢速度，防止保徑部分的金剛石復(fù)合片損壞。如果需要在縮徑井段擴眼，須向上稍

60、提方鉆桿，并盡可能加大排量，以約 60 rmin的轉(zhuǎn)速，使鉆頭緩慢地穿過縮徑井段，鉆壓不大于10 kN。 當鉆頭下到井底時，要注意觀察懸重表和鉆柱扭矩。扭矩突然增大，說明鉆頭到達井底。然后將鉆頭上提0.20.3 m，同時循環(huán)鉆井液，并緩慢轉(zhuǎn)動5min，以確保井底干凈。 二、二、 PDC鉆頭的使用鉆頭的使用 3鉆進 開始鉆進前，將轉(zhuǎn)速提高到60r/min，使鉆頭接觸井底，用10kN的鉆壓在井底造型一般鉆進0.51m。 在軟地層鉆進，即使鉆壓在 1020KN，鉆速也很高，此時不必加大鉆壓和提高轉(zhuǎn)速。一般轉(zhuǎn)速在100150r/min之間，效果最好。 二、二、 PDC鉆頭的使用鉆頭的使用 在硬地層中，