鉆井工程_第二章(上)

1、本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：第一節(jié)第一節(jié) 鉆頭鉆頭 鉆頭的類型及工作原理 鉆頭的選型及分類方法 鉆頭的合理使用 第二節(jié)第二節(jié) 鉆柱鉆柱 鉆柱的組成及功用 鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析 鉆柱設(shè)計第一節(jié)第一節(jié) 鉆頭鉆頭（Drill Bit）一、概述一、概述 1. 1. 鉆頭類型鉆頭類型 n按結(jié)構(gòu)及工作原理分類按結(jié)構(gòu)及工作原理分類: : 刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、 PDCPDC鉆頭、金剛石鉆頭鉆頭、金剛石鉆頭 n按功用分類：按功用分類： 全面鉆進(jìn)鉆頭、取心鉆頭、全面鉆進(jìn)鉆頭、取心鉆頭、 擴(kuò)眼鉆頭擴(kuò)眼鉆頭 2. 2. 鉆頭尺寸系列鉆頭尺寸系列 33/4 “ 36 國內(nèi)常用尺寸國內(nèi)常用尺寸：2

2、6 、171/2 、121/4 、 81/2 A A、鉆頭進(jìn)尺（米）、鉆頭進(jìn)尺（米） B B、鉆頭工作壽命（小時）、鉆頭工作壽命（小時） C C、機(jī)械鉆速（米、機(jī)械鉆速（米/ /小時）小時） D D、單位進(jìn)尺成本（元、單位進(jìn)尺成本（元/ /米）米）：HttCCCtrbpm)( 3. 3. 工作指標(biāo)工作指標(biāo)二、刮刀鉆頭（二、刮刀鉆頭（Drag Bit）刀翼刀翼（一）刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)（一）刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu) 上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、 刀翼、水眼。刀翼、水眼。 三刀翼的稱作三刮刀鉆頭三刀翼的稱作三刮刀鉆頭 兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭 或魚尾刮刀鉆頭或魚

3、尾刮刀鉆頭 四刀翼的稱作四刮刀鉆頭四刀翼的稱作四刮刀鉆頭刀翼結(jié)構(gòu)刀翼結(jié)構(gòu)（1 1） 刀翼結(jié)構(gòu)角刀翼結(jié)構(gòu)角 刃尖角刃尖角刀翼尖端前后刃之間的夾角。刀翼尖端前后刃之間的夾角。 它它反映了刀翼的尖銳程度。反映了刀翼的尖銳程度。越小，刃部越尖銳，越小，刃部越尖銳，越容易吃入地層，但強(qiáng)度越低。越容易吃入地層，但強(qiáng)度越低。 一般一般: : 軟地層軟地層 = =8 10； 硬地層硬地層 = =1215 切削角切削角 刀翼前刃和水平面之間的夾角。刀翼前刃和水平面之間的夾角。 在相同鉆壓下，在相同鉆壓下，越大，刀刃越容易吃入地層，越大，刀刃越容易吃入地層，但旋轉(zhuǎn)扭矩大，剪切刃前巖石困難。但旋轉(zhuǎn)扭矩大，剪切刃前巖

4、石困難。 一般一般: 松軟地層松軟地層 70 軟地層軟地層 7080； 中硬地層中硬地層 8085。 刃后角刃后角- -：刃后角必須大于井底角刃后角必須大于井底角。 刃前角刃前角：90。(4)(4)提高刀翼的耐磨性提高刀翼的耐磨性 一般在刀翼表面平鋪一層一般在刀翼表面平鋪一層YG8YG8硬質(zhì)合金塊，在外側(cè)面鑲裝硬質(zhì)合金塊，在外側(cè)面鑲裝YG8YG8硬質(zhì)合金塊。刀硬質(zhì)合金塊。刀翼表面和外側(cè)面鑲焊人造金剛石聚晶塊翼表面和外側(cè)面鑲焊人造金剛石聚晶塊。 刀翼一般采刀翼一般采35CrMo35CrMo或或35MnSiMoV35MnSiMoV高強(qiáng)度合金鋼鍛制而成，以保證有足夠的強(qiáng)度。高強(qiáng)度合金鋼鍛制而成，以保

5、證有足夠的強(qiáng)度。 （2 2）刀翼背部形狀）刀翼背部形狀 刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加而增厚，呈拋物線形，以確保刀翼刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加而增厚，呈拋物線形，以確保刀翼強(qiáng)度足以承受彎矩。強(qiáng)度足以承受彎矩。 （3 3）刀翼底部形狀：）刀翼底部形狀： 平底、平底、正階梯正階梯、反階梯、反錐、反階梯、反錐刀翼結(jié)構(gòu)刀翼結(jié)構(gòu)（二）刮刀鉆頭的工作原理（二）刮刀鉆頭的工作原理n刮刀鉆頭主要以刮刀鉆頭主要以切削作用切削作用破碎地層。破碎地層。 n破碎塑性巖石過程：破碎塑性巖石過程： 在鉆壓在鉆壓W W 作用下，刀翼容易吃入地層；刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力作用下，刀翼容易吃入地層；刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力T T 的作用的作用

6、 下不斷產(chǎn)生塑性流動。這和車刀切削軟金屬的過程類似。下不斷產(chǎn)生塑性流動。這和車刀切削軟金屬的過程類似。（三）刮刀鉆頭的應(yīng)用（三）刮刀鉆頭的應(yīng)用n制造工藝簡單，成本低；制造工藝簡單，成本低； n適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低；適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低； n容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜； n產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，破壞鉆具和設(shè)備；產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，破壞鉆具和設(shè)備； n目前逐漸被目前逐漸被PDCPDC鉆頭取代。鉆頭取代。 三、牙輪鉆頭三、牙輪鉆頭（Roller Bit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) 牙輪鉆頭由牙輪鉆頭由鉆頭體鉆頭體、牙爪牙爪（

7、巴掌）（巴掌）及及牙輪軸牙輪軸、牙輪及牙輪及牙齒、軸承牙齒、軸承、儲油潤滑密封儲油潤滑密封系統(tǒng)系統(tǒng)、噴嘴噴嘴等部分組成。等部分組成。1 1牙輪及牙齒牙輪及牙齒（1 1）牙輪）牙輪 20CrMo合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。合金鋼錐體，錐面銑齒或鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。 單錐牙輪：主錐單錐牙輪：主錐+ +背錐，硬地層背錐，硬地層 復(fù)錐牙輪：主錐復(fù)錐牙輪：主錐+ +副錐副錐+ +背錐，軟到中硬背錐，軟到中硬 a單錐；單錐； b、c復(fù)錐；復(fù)錐； 1主錐；主錐； 2副錐；副錐； 3背錐背錐abc銑齒銑齒在牙輪錐面上直接銑出，楔形。在牙輪錐面上直接銑出，楔形。 （2 2）

8、牙齒）牙齒硬質(zhì)合金鑲齒硬質(zhì)合金鑲齒鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層。銑齒與鑲齒銑齒與鑲齒銑齒牙輪鉆頭銑齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭2 2軸承軸承 牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封和非密封兩類。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。和非密封兩類。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。 n滾動軸承結(jié)構(gòu)：滾動軸承結(jié)構(gòu)：滾柱滾柱滾珠滾珠滾柱滾柱止推止推 滾柱滾柱滾珠滾珠滑動一止推滑動一止推 n滑動軸承結(jié)構(gòu)：滑動軸承結(jié)構(gòu)：滑動滑

9、動滾珠滾珠滑動滑動止推止推 滑動滑動滑動（卡簧）滑動（卡簧）滑動滑動止推止推密封圈密封圈滾柱止推臺階滑動摩擦襯套滑動摩擦副為什么滑動為什么滑動軸承比滾動軸承比滾動軸承壽命長？軸承壽命長？3 3儲油潤滑密封系統(tǒng)儲油潤滑密封系統(tǒng)v儲油潤滑補(bǔ)償系統(tǒng)儲油潤滑補(bǔ)償系統(tǒng) v密封系統(tǒng)密封系統(tǒng)： 橡膠密封圈、金屬密封圈橡膠密封圈、金屬密封圈 v工作原理：工作原理： 儲油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、儲油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔壓力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔內(nèi)的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平內(nèi)的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲油杯衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲油杯中的潤滑油在鉆井

10、液柱壓力作用下中的潤滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲油杯。其中，壓升高，則流入儲油杯。其中，有有效密封是關(guān)鍵效密封是關(guān)鍵。潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)4 4噴嘴噴嘴 鉆井液流出鉆頭射向井底的鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)流道。高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動的水射流，清除井底生高速流動的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。巖屑，輔助破碎巖石。 三牙輪鉆頭一般安裝三牙輪鉆頭一般安裝3個噴嘴，個噴嘴，直徑直徑713mm。用卡簧固定在水。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用眼內(nèi)，并用O形圈密封。形圈密封。 5.5.牙輪及牙齒的布置方式

11、牙輪及牙齒的布置方式布齒原則：布齒原則： （1 1）轉(zhuǎn)動一周，牙齒全部破碎井底，不留下未被）轉(zhuǎn)動一周，牙齒全部破碎井底，不留下未被 破碎的凸起；破碎的凸起； （2 2）牙輪在重復(fù)滾動時應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒）牙輪在重復(fù)滾動時應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內(nèi)；的破碎坑內(nèi)；（3 3）牙齒磨損均勻。）牙齒磨損均勻。單單牙牙輪輪鉆鉆頭頭牙輪及牙齒的布置牙輪及牙齒的布置齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用非自洗非自洗自洗無移軸自洗無移軸自洗移軸自洗移軸齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用非自洗非自洗自洗無移軸自洗無移軸自洗移軸自洗移軸齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作

12、用非自洗非自洗自洗無移軸自洗無移軸自洗移軸自洗移軸齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用非自洗非自洗自洗無移軸自洗無移軸自洗移軸自洗移軸牙輪布置方案：牙輪布置方案：（1 1）非自洗無滑動布置：）非自洗無滑動布置： 各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂，不移軸，用于硬地層；各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂，不移軸，用于硬地層； （2 2）自洗不移軸布置：）自洗不移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，復(fù)錐、超頂，不移軸，用于中硬地層；各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，復(fù)錐、超頂，不移軸，用于中硬地層； （3 3）自洗移軸布置：）自洗移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，復(fù)錐、超頂，移軸，用于軟地層；各

13、牙輪牙齒齒圈相互嵌合，復(fù)錐、超頂，移軸，用于軟地層； 非自洗非自洗自洗無移軸自洗無移軸自洗移軸自洗移軸（二）牙輪鉆頭工作原理（二）牙輪鉆頭工作原理1 1牙輪鉆頭在井底的運動牙輪鉆頭在井底的運動 n公轉(zhuǎn)：公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。 n自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。牙齒繞牙輪軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。 n滑動：滑動：牙輪齒相對于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向牙輪齒相對于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向 （周向）滑動。（周向）滑動。 引起滑動的原因：引起滑動的原因： 超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動 移軸引起徑向（軸向）滑動移軸

14、引起徑向（軸向）滑動 n縱向振動：縱向振動：牙輪在滾動過程，其中心上下波動，使鉆頭做上下牙輪在滾動過程，其中心上下波動，使鉆頭做上下 往復(fù)運動。往復(fù)運動。 引起縱向振動的原因：引起縱向振動的原因： 單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動；單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動； 井底凹凸不平井底凹凸不平 公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn) 自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)牙輪運動圖解牙輪運動圖解超超頂頂引引起起切切向向滑滑動動副錐產(chǎn)生超頂效果副錐產(chǎn)生超頂效果單、雙齒單、雙齒交替接觸交替接觸井底引起井底引起縱向振動縱向振動牙輪滑動對破巖的作用牙輪滑動對破巖的作用: :n超頂和復(fù)錐：超頂和復(fù)錐：切向滑動，剪切同一齒圈相鄰牙齒間的巖石。切向滑動

15、，剪切同一齒圈相鄰牙齒間的巖石。 n移軸：移軸：徑向滑動，剪切相鄰齒圈之間的巖石。徑向滑動，剪切相鄰齒圈之間的巖石。2 2牙輪鉆頭的破巖作用牙輪鉆頭的破巖作用 （1 1）沖擊、壓碎作用）沖擊、壓碎作用 縱向振動產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對地層產(chǎn)生沖縱向振動產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。 （2 2）滑動剪切作用）滑動剪切作用 牙輪牙齒的徑向滑動和切向滑動對井底地層產(chǎn)生剪切作用，破碎齒牙輪牙齒的徑向滑動和切向滑動對井底地層產(chǎn)生剪切作用，破碎齒間巖石。間巖石。 （3 3）射流的沖蝕作用）射流的沖蝕作用 由噴嘴

16、噴出的高速射流對井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。由噴嘴噴出的高速射流對井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。（三）牙輪鉆頭類型（三）牙輪鉆頭類型1. 1. 國產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法國產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法 （1 1）按結(jié)構(gòu)分類：）按結(jié)構(gòu)分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共共8個系列個系列 系 列 名 稱類 別全 稱簡 稱代 號普 通 三 牙 輪 鉆 頭普 通 鉆 頭Y噴 射 式 三 牙 輪 鉆 頭噴 射 式 鉆 頭P滾 動 密 封 軸 承 噴 射 式 三 牙 輪 鉆 頭密 封 鉆 頭MP滾 動 密 封 軸 承 保 徑 噴 射 式 三 牙 輪 鉆 頭密 封 保 徑 鉆 頭MPB滑

17、動 密 封 軸 承 噴 射 式 三 牙 輪 鉆 頭滑 動 軸 承 鉆 頭HP銑齒鉆頭滑 動 密 封 軸 承 保 徑 噴 射 式 三 牙 輪 鉆 頭滑 動 保 徑 鉆 頭HPB鑲 硬 質(zhì) 合 金 齒 滾 動 密 封 軸 承 噴 射 式 三牙 輪 鉆 頭鑲 齒 密 封 鉆 頭XMP鑲 齒鉆 頭鑲 硬 質(zhì) 合 金 齒 滑 動 密 封 軸 承 噴 射 式 三牙 輪 鉆 頭鑲 齒 滑 動 軸 承 鉆 頭XH（2 2）按地層分類）按地層分類：地層軟硬：地層軟硬：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 類型代號：類型代號：1 ，2 ， 3 ，4，5 ， 6， 7 國產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層國產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及

18、適應(yīng)地層（3 3）型號表示方法）型號表示方法 類型代號：類型代號：數(shù)字?jǐn)?shù)字1 17 7，表明所適應(yīng)的地層，表明所適應(yīng)的地層 系列代號：系列代號：字母字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH ，表明結(jié)構(gòu)特征表明結(jié)構(gòu)特征 鉆頭直徑：鉆頭直徑：用英寸或毫米表示直徑大小用英寸或毫米表示直徑大小 v例：例：用于中硬地層、直徑為用于中硬地層、直徑為8in(215.9mm)8in(215.9mm)的鑲齒滑動的鑲齒滑動密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號為：密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號為：8XHP5或或215.9XHP5。系列代號系列代號用數(shù)字用數(shù)字1 18 8表示鉆頭牙齒特征及適鉆地層；表示鉆頭牙齒

19、特征及適鉆地層； 1-31-3為銑齒，為銑齒，5-85-8為鑲齒。為鑲齒。地層等級代號地層等級代號用數(shù)字用數(shù)字1 14 4表示所鉆地層再分為表示所鉆地層再分為4 4個等級個等級；鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號用數(shù)字用數(shù)字1 19 9表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中中1 17 7表示鉆頭軸承及保徑特征；表示鉆頭軸承及保徑特征；附加結(jié)構(gòu)特征代號附加結(jié)構(gòu)特征代號用英文字母表示鉆頭附加特征。用英文字母表示鉆頭附加特征。祥見書祥見書P66-67. P66-67. 例如：例如：341S341S表示適用于中等研磨性或研磨性表示適用于中等研磨性或研磨性4 4級硬地層非密封級硬地層非密封 滾動軸承的

20、標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。滾動軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。 537C537C表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的3 3級地層滑動級地層滑動 密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。2. IADC2. IADC分類法分類法國產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號表示法國產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號表示法目前常用的牙輪鉆頭型號目前常用的牙輪鉆頭型號 P2, P3, HP2, HP3 銑齒銑齒 XHP2, XHP3 ,XHP4鑲齒鑲齒 J1, J2, J3 銑齒銑齒 J11, J22, J33,J44，J55 鑲齒鑲齒（四）牙輪鉆頭的正確使用（四）牙輪鉆頭的正確使用n1. 1. 根據(jù)地層性質(zhì)合理選

21、擇鉆頭類型，標(biāo)準(zhǔn)是每根據(jù)地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類型，標(biāo)準(zhǔn)是每米鉆進(jìn)成本最低。米鉆進(jìn)成本最低。 地層較軟時：選用牙齒高度大并帶有超頂或地層較軟時：選用牙齒高度大并帶有超頂或移軸的鉆頭；移軸的鉆頭； 地層較硬時：選用牙齒高度小，無超頂或移地層較硬時：選用牙齒高度小，無超頂或移軸的鉆頭。軸的鉆頭。n2. 2. 優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。（四）牙輪鉆頭的正確使用（四）牙輪鉆頭的正確使用l牙輪鉆頭的選型牙輪鉆頭的選型鉆頭結(jié)構(gòu)、特點、作用原理鉆頭結(jié)構(gòu)、特點、作用原理地層巖石性質(zhì)：地層巖石性質(zhì)：l巖性、硬度、塑性系數(shù)、抗壓強(qiáng)度巖性、硬度、塑性系數(shù)、抗壓強(qiáng)度地層

22、可鉆性分析地層可鉆性分析地層研磨性分析地層研磨性分析l牙輪鉆頭使用牙輪鉆頭使用下鉆慢、防止頓鉆下鉆慢、防止頓鉆井內(nèi)無落物井內(nèi)無落物避免劃眼避免劃眼使用減震器使用減震器在生產(chǎn)廠家推薦的鉆壓，轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作在生產(chǎn)廠家推薦的鉆壓，轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作鉆頭的選擇鉆頭的選擇n選擇時考慮的因素選擇時考慮的因素q研磨性地層的選擇研磨性地層的選擇n牙齒磨損快，鉆速降低快，磨損保徑齒和背錐，使鉆頭直徑變牙齒磨損快，鉆速降低快，磨損保徑齒和背錐，使鉆頭直徑變小，軸承外露，加速鉆頭的磨損，此時最好選擇鑲齒鉆頭。小，軸承外露，加速鉆頭的磨損，此時最好選擇鑲齒鉆頭。q淺井段和深井段鉆頭的選擇淺井段和深井段鉆頭的選擇n淺井使用

23、機(jī)械鉆速高的鉆頭，深部井段使用壽命長的鉆頭。淺井使用機(jī)械鉆速高的鉆頭，深部井段使用壽命長的鉆頭。q深部軟地層鉆頭的選擇深部軟地層鉆頭的選擇n3000m3000m以下的泥巖、頁巖等軟地層巖石，如選用硬地層鉆頭鉆以下的泥巖、頁巖等軟地層巖石，如選用硬地層鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速低，選用軟地層鉆頭鉆進(jìn)，容易斷齒。對于這種進(jìn)，機(jī)械鉆速低，選用軟地層鉆頭鉆進(jìn)，容易斷齒。對于這種高圍壓引起的高圍壓引起的“橡皮地層橡皮地層”，最好采用低密度鉆井液，選擇中，最好采用低密度鉆井液，選擇中硬地層鉆頭。硬地層鉆頭。（五五）鉆頭常見故障及其識別）鉆頭常見故障及其識別 鉆頭故障是鉆進(jìn)過程中常見故障之一，其故鉆頭故障是鉆進(jìn)過程

24、中常見故障之一，其故障形式主要有：障形式主要有： 因鉆頭因鉆頭軸承嚴(yán)重磨損軸承嚴(yán)重磨損產(chǎn)生產(chǎn)生劇烈曠動、牙輪卡劇烈曠動、牙輪卡死、掉牙輪、鉆頭泥包、噴嘴堵、掉噴嘴和牙齒死、掉牙輪、鉆頭泥包、噴嘴堵、掉噴嘴和牙齒脫落脫落等。等。1、 鉆頭軸承磨損的識別鉆頭軸承磨損的識別反映鉆頭軸承工作狀態(tài)最敏感的信號是扭反映鉆頭軸承工作狀態(tài)最敏感的信號是扭矩信號。為了消除因鉆壓變化對扭矩產(chǎn)生矩信號。為了消除因鉆壓變化對扭矩產(chǎn)生的影響，采用比扭矩，比扭矩表示為：的影響，采用比扭矩，比扭矩表示為： /WMMt Mt 鉆頭發(fā)生磨損后的扭矩信號特征鉆頭發(fā)生磨損后的扭矩信號特征輕度磨損輕度磨損中度磨損中度磨損嚴(yán)重磨損嚴(yán)重

25、磨損2、 牙輪鉆頭泥包的識別牙輪鉆頭泥包的識別鉆頭發(fā)生泥包后的特征：鉆頭發(fā)生泥包后的特征： v鉆時鉆時 Zt 迅速增大、立壓迅速增大、立壓 StP 有所上升、扭矩有所上升、扭矩 M 逐漸增大、波幅逐漸增大、波幅Vr(M)減小、轉(zhuǎn)速減小、轉(zhuǎn)速 Rpm 有所下降。有所下降。tM牙輪鉆頭泥包時扭矩變化特征牙輪鉆頭泥包時扭矩變化特征3、鉆頭水眼堵、掉的識別、鉆頭水眼堵、掉的識別坨坨762762井，井深至井，井深至22392239米時，立管壓力由米時，立管壓力由1515 1515. .6 6MPaMPa，其它參數(shù)無變化，其它參數(shù)無變化，立管壓力增至立管壓力增至18.118.1MPaMPa最高峰，此時泵負(fù)

26、載很大，泵轉(zhuǎn)速明顯的下降，最高最高峰，此時泵負(fù)載很大，泵轉(zhuǎn)速明顯的下降，最高峰后立即緩慢下降至峰后立即緩慢下降至175bar175bar后，后，2323時時4040分突然下降到分突然下降到1414. .2 2MPaMPa，水眼沖開，水眼沖開，后后恢復(fù)鉆進(jìn)?；謴?fù)鉆進(jìn)。四、金剛石鉆頭（四、金剛石鉆頭（Diamond Bit) )（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu) 金剛石鉆頭為金剛石鉆頭為無活動部件無活動部件的整體的整體式鉆頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑式鉆頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部）、部）、 水眼及水槽、金剛石切削刃水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成等部分組成。熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（熱

27、穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（TSPTSP） TSPTSP鉆頭的熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊能力都高于一般鉆頭的熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊能力都高于一般的天然金剛石鉆頭的天然金剛石鉆頭。（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)1. 1. 鋼體鋼體 鋼體是金剛石鉆頭的骨架。上部柱體車制絲扣和鉆柱連接，下部鋼體是金剛石鉆頭的骨架。上部柱體車制絲扣和鉆柱連接，下部銑成爪形和胎體燒結(jié)在一起。銑成爪形和胎體燒結(jié)在一起。 2. 2. 胎體胎體 胎體是鑲嵌金剛石的基體，為硬質(zhì)合金材料，用粉末冶金技術(shù)燒胎體是鑲嵌金剛石的基體，為硬質(zhì)合金材料，用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)在鉆頭鋼體上。結(jié)在鉆頭鋼體上。 常用剖面形狀：常用剖面形狀：

28、a雙錐階梯形；雙錐階梯形； b雙錐形；雙錐形； c“B”形；形； d脊圈式脊圈式“B”形形3. 3. 水眼和水槽水眼和水槽 鉆井液由水眼流鉆井液由水眼流出，經(jīng)過水槽流過出，經(jīng)過水槽流過鉆頭表面，清洗井鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤滑金底，冷卻和潤滑金剛石。常用水力結(jié)剛石。常用水力結(jié)構(gòu)（水槽）：逼壓構(gòu)（水槽）：逼壓式、輻射式、輻射式、輻射式、輻射逼壓式、螺旋式。逼壓式、螺旋式。4. 4. 金剛石金剛石（1 1）特性）特性 金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，正金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，正四面體晶體結(jié)構(gòu)。在單位晶胞中，碳原子位于四面體晶體結(jié)構(gòu)。在單位晶胞中，碳原子位于四面體的頂角及中心。每

29、個碳原子與鄰近的四四面體的頂角及中心。每個碳原子與鄰近的四個碳原子形成四個共價鍵。個碳原子形成四個共價鍵。 因共價鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬因共價鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬度（莫氏硬度度（莫氏硬度1010）、抗壓強(qiáng)度（）、抗壓強(qiáng)度（8800MPa8800MPa）和耐）和耐磨性鋼的磨性鋼的90009000倍）。倍）。 其缺點是：其缺點是： 脆性大，受沖擊載荷易碎裂；脆性大，受沖擊載荷易碎裂； 具有熱敏性，高溫下（具有熱敏性，高溫下（450450以上）以上） 石墨化。石墨化。 （2 2）兩類金剛石材料）兩類金剛石材料天然金剛石：天然金剛石：非洲產(chǎn)，品種有：卡邦非洲產(chǎn)，品種有：卡邦(Ca

30、rnon)(Carnon)、包爾茲、包爾茲(Boarz)(Boarz)、 巴拉斯巴拉斯(Ballas)(Ballas)。 人造金剛石單晶和聚晶人造金剛石單晶和聚晶：石墨石墨500010000MPa10002000金剛石單晶金剛石單晶金剛石單晶金剛石單晶金剛石聚晶金剛石聚晶高溫高壓下高溫高壓下（3 3）金剛石顆粒在胎體上的鑲裝方式）金剛石顆粒在胎體上的鑲裝方式 表鑲式金剛石鉆頭：表鑲式金剛石鉆頭：所用的金剛石顆粒一般所用的金剛石顆粒一般0.50.51.51.5粒粒/ /克拉?？死?孕鑲式金剛石鉆頭：孕鑲式金剛石鉆頭：把金剛石顆粒與鉆頭胎體燒結(jié)在一起。適合于對把金剛石顆粒與鉆頭胎體燒結(jié)在一起。適

31、合于對付極硬地層，而且成本比表鑲式低得多，一般孕鑲層的厚度付極硬地層，而且成本比表鑲式低得多，一般孕鑲層的厚度2 212mm12mm。 金剛石顆粒棱角越尖越好。金剛石顆粒棱角越尖越好。（4 4）金剛石粒度、出刃和排列方式）金剛石粒度、出刃和排列方式n 粒度粒度： 0.5 0.5 15 15粒粒/ /克拉（克拉（0 0.2.2g)g)n 出刃出刃： 最大出刃量為直徑的最大出刃量為直徑的1 1/ /3 3 排列方式排列方式：a a 鉆頭外形；鉆頭外形；b b交錯排列；交錯排列；c c圓周排列；圓周排列；d d脊圈排列脊圈排列（二）金剛石鉆頭的破巖機(jī)理（二）金剛石鉆頭的破巖機(jī)理 概括地講，金剛石鉆頭

32、以概括地講，金剛石鉆頭以磨削（研磨磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削金屬的過程。方式破碎巖石，類似于砂輪磨削金屬的過程。 (1)(1) 在鉆進(jìn)某些在鉆進(jìn)某些硬地層硬地層時，在鉆壓作用下壓入時，在鉆壓作用下壓入 巖石，使與金剛石接觸的巖石處于極高的巖石，使與金剛石接觸的巖石處于極高的 應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性塑性； (2)(2)在在塑性地層塑性地層( (或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層) )，使前方的巖石內(nèi)部，使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動，脫離巖石基體，形成巖屑，稱作發(fā)生破碎或塑性流動，脫離巖石基體，形成巖屑，稱作犁削犁削。 (3)(3

33、)在在脆性較大脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)為脆性破碎，即屬于以為脆性破碎，即屬于以剪力和張力剪力和張力形式破碎巖石。形式破碎巖石。 (4)(4)在在堅硬巖石堅硬巖石( (如隧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等如隧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等) )中，是要靠金剛石中，是要靠金剛石的棱角實現(xiàn)的棱角實現(xiàn)微切削、刻劃微切削、刻劃等方式來破碎巖石。等方式來破碎巖石。 （三）金剛石鉆頭的正確使用（三）金剛石鉆頭的正確使用1. 1. 適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，取心作適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，取心作業(yè)。壽

34、命長，進(jìn)尺高。業(yè)。壽命長，進(jìn)尺高。 2. 2. 鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。 3. 3. 先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)進(jìn)(150RPM(150RPM以上以上) )。 4. 4. 采用低鉆壓（采用低鉆壓（3 30-50kN0-50kN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。5. 5. 避免劃眼。避免劃眼。五、五、PDCPDC鉆頭鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact Bit）胎胎體體PDCPDC鉆鉆頭頭鋼鋼體體PDCPDC鉆鉆頭頭

35、鋼質(zhì)鋼質(zhì)碳化鎢碳化鎢（一）（一）PDC鉆頭的鉆頭的結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點1. 1. 切削元件切削元件聚晶金剛石復(fù)合片（聚晶金剛石復(fù)合片（PDCPDC） 特特 性性 PDCPDC既具有金剛石的硬度和耐磨性。既具有金剛石的硬度和耐磨性。 弱點是熱穩(wěn)定性差，弱點是熱穩(wěn)定性差，350350以上加速磨損?？箾_擊能力較差。以上加速磨損?？箾_擊能力較差。13.4， 192. 2. 工作剖面形狀工作剖面形狀特點特點 內(nèi)外錐有利于鉆內(nèi)外錐有利于鉆頭穩(wěn)定；頭穩(wěn)定； 外錐較長，可多外錐較長，可多布齒，使磨損均布齒，使磨損均勻；勻； 鉆硬夾層，冠部鉆硬夾層，冠部齒易早期損壞。齒易早期損壞。 適合中等均質(zhì)地適合中等均質(zhì)地層。

36、層。 特點特點 鉆頭表面積較小，鉆頭表面積較小，水力集中，清洗水力集中，清洗效果好；效果好； 載荷分布較均勻；載荷分布較均勻； 用于鉆石灰?guī)r、用于鉆石灰?guī)r、白云巖等較硬地白云巖等較硬地層。層。特點特點 側(cè)向推力指向鉆頭側(cè)向推力指向鉆頭中心，有利于防斜；中心，有利于防斜； 鉆頭外部表面積大，鉆頭外部表面積大，可布置較多切削齒，可布置較多切削齒，利于提高壽命。利于提高壽命。 用于軟地層用于軟地層。特點特點 冠頂較寬且較冠頂較寬且較平緩，載荷分平緩，載荷分布較均勻。布較均勻。 外側(cè)采用圓弧，外側(cè)采用圓弧，布齒面積較大。布齒面積較大。 用于硬地層。用于硬地層。雙錐形雙錐形淺錐形淺錐形拋物線形拋物線形B

37、 B 形形3. 3. 切削齒布置切削齒布置v 刮刀式布齒方式刮刀式布齒方式：特點是整體強(qiáng)度特點是整體強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地層?；蜍浀貙?。 v 單齒式布齒方式單齒式布齒方式：布齒區(qū)域大、布布齒區(qū)域大、布齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗能力低，容易在粘性地層但水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。適用于硬地層。泥包。適用于硬地層。 v 組合式切削齒的布置組合式切削齒的布置：具有較好的具有較好的清洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較清洗、冷卻和

38、排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。硬度地層。 n布齒原則：布齒原則： 等切削體積、等磨損等切削體積、等磨損、等功率等功率4. 4. 切削齒工作角切削齒工作角 后傾角（負(fù)前角）后傾角（負(fù)前角）：起到保護(hù)切削齒，延長壽命的作用。起到保護(hù)切削齒，延長壽命的作用。取值取值0 0 2020，軟地層小一些，硬地層大一些。，軟地層小一些，硬地層大一些。 側(cè)傾角（旁鋒刀面角）側(cè)傾角（旁鋒刀面角）：鉆頭旋轉(zhuǎn)時，切削刃面對切屑產(chǎn)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，切削刃面對切屑產(chǎn)生向外側(cè)的推力，有利于向外排除巖屑。生向外側(cè)的推力，有利于向外排除巖屑。 =15=15左右。左右。5

39、.5.噴嘴噴嘴流道系統(tǒng)流道系統(tǒng) 冷卻和清洗效果嚴(yán)重影響冷卻和清洗效果嚴(yán)重影響PDCPDC鉆頭的鉆速和壽命。鉆頭的鉆速和壽命。 噴嘴數(shù)量一般比三牙輪鉆頭多。噴嘴位置和流道結(jié)構(gòu)噴嘴數(shù)量一般比三牙輪鉆頭多。噴嘴位置和流道結(jié)構(gòu)根據(jù)切削齒位置確定。根據(jù)切削齒位置確定。（二）（二）PDCPDC鉆頭破巖機(jī)理和特點鉆頭破巖機(jī)理和特點PDC鉆頭主要以切削方式破碎巖石。鉆頭主要以切削方式破碎巖石。 切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作用下發(fā)生剪切破壞。用下發(fā)生剪切破壞。 切削塑性巖石和脆性巖石的過程類似于刮刀鉆頭。由切削塑性巖石和脆性巖石的過程類似于刮刀鉆頭。由于多