鉆頭基本知識

鉆頭基礎知識第一頁，共四十八頁。1.鉆頭類型1.按結構及工作原理分類刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、PDC鉆頭、金剛石鉆頭2.按功用分類全面鉆進鉆頭、取心鉆頭、擴眼鉆頭第二頁，共四十八頁。2.鉆頭尺寸系列⑴國產鉆頭的直徑系列，共有15種。常見：17-1/2”,12-1/4”,8-1/2”,6”⑵進口鉆頭尺寸進口鉆頭直徑系列非常復雜，例如美國休斯公司所產鉆頭從33／4″到26″共46種直徑系列。

第三頁，共四十八頁。3.工作指標鉆頭進尺（米）鉆頭工作壽命（小時）機械鉆速（米/小時）單位進尺成本（元/米）：第四頁，共四十八頁。4.刮刀鉆頭的結構1).上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、刀翼、水眼。三刀翼的稱作三刮刀鉆頭兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭或魚尾刮刀鉆頭四刀翼的稱作四刮刀鉆頭2).刮刀鉆頭的應用及特點刮刀鉆頭制造工藝簡單，成本低；刮刀鉆頭適用于低硬度高塑性地層，鉆速快，每米鉆進成本低；刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；刮刀鉆頭產生劇烈的扭轉振動，破壞鉆具和設備；刮刀鉆頭目前逐漸被PDC鉆頭取代。第五頁，共四十八頁。5.牙輪鉆頭牙輪鉆頭由鉆頭體、牙爪（巴掌）及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲油潤滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。第六頁，共四十八頁。牙輪鉆頭結構圖第七頁，共四十八頁。各種牙輪鉆頭第八頁，共四十八頁。鋼齒牙輪鉆頭與鑲齒牙輪鉆頭（1）鋼齒牙輪鉆頭鋼齒鉆頭又稱為銑齒鉆頭，其牙齒是在牙輪毛坯上直接銑削加工而成的，牙齒形狀為楔形齒。鋼齒鉆頭大多用于軟的上部地層，研磨性較低的地層一般也選用鋼齒鉆頭。為了提高牙齒的耐磨性或使牙齒有自銳作用，在牙齒的表面及保徑面上均敷焊有一層碳化鎢粉。鋼齒鉆頭可分為軟、中、硬地層鉆頭三種，其詳細的分類方法及適用地層見后面的IADC分類。第九頁，共四十八頁。鋼齒牙輪鉆頭與鑲齒牙輪鉆頭（2）鑲齒牙輪鉆頭鑲齒鉆頭，又稱碳化鎢硬質合金齒鉆頭，它是將端部形狀不同的、圓柱形的燒結碳化鎢硬質合金齒壓入鍛制的牙輪殼體上已精加工好的孔內而構成鑲齒牙輪鉆頭。鑲齒鉆頭的切削結構具有很高的抗磨損和承載能力，其使用壽命較長，尤其是破碎硬的、研磨性高的地層，如隧石、石英巖等，效果更好。這種鉆頭適用地層范圍廣，已在石油鉆井得到了廣泛的應用。第十頁，共四十八頁。鑲齒牙輪鉆頭目前國內外常用的鑲齒鉆頭的硬質合金齒齒形有十多種，如球形、尖卵形、圓錐形、楔形、勺形、錐勺形、偏頂勺形、邊楔形、平頂形等等，如圖4－2所示。針對不同的地層、不同的巖性，要選擇不同齒形的鉆頭。楔形齒，齒呈楔子狀，對地層具有切削、挖掘作用。其齒頂角有60°、65°、70°、75°、90°等，適用于軟至中硬地層。齒頂角越大，適用的地層越硬。球形齒的端部是個半圓形球面，耐磨性最好。它以鑿擊和壓碎作用破碎地層。這種齒鉆硬至極硬地層的破巖效率較高。尖卵形、圓錐形齒，既有鑿擊和壓碎作用，也有刮削和挖掘作用，其抗磨能力及強度都比楔形齒高，適用地層較廣，在中硬地層使用效果最好。第十一頁，共四十八頁。鑲齒牙輪鉆頭第十二頁，共四十八頁。鑲齒牙輪鉆頭勺形齒齒形如勺子，切削地層時，靠向內凹的勺形面挖掘、刮削作用破巖。這種齒形改善了牙齒的受力狀況，既提高了破巖效率，又增加了齒的強度，能在極軟至中軟地層中高效率地破巖。在勺形齒的基礎上，又發(fā)展了偏頂勺形齒及圓錐形勺形齒。偏頂勺形齒的齒頂超前了其軸線一個距離，其凹面正對被切削的地層，改善了牙齒的受力分布，進一步提高了牙齒的破巖效率和工作壽命。表4－l列舉了幾種常用齒形及其適用的地層。第十三頁，共四十八頁。表4－1適用不同地層的齒形齒形破巖機理地層球形尖卵形圓錐形楔形勺形鑿擊、壓碎鑿擊、壓碎鑿擊、壓碎、挖掘、刮削挖掘、刮削挖掘、刮削硬、極硬硬中硬、硬軟至中硬極軟至中軟第十四頁，共四十八頁。牙輪鉆頭軸承結構兩大體系：（1）滾動軸承（2）滑動軸承第十五頁，共四十八頁。（1）滾動軸承滾動軸承（如圖4－3所示）的結構形式有滾柱─滾珠─滾柱─止推和滾柱──滾珠──小軸滑動──止推兩種。前一種一般是用于12-1/4”以上的大尺寸鉆頭上。

第十六頁，共四十八頁。（1）滾動軸承滾動軸承按密封方式可分為非密封滾動軸承與密封式滾動軸承。非密封滾動軸承的特點是能適應較高的轉速，但軸承磨損快，工作壽命低，主要用于上部井眼鉆頭。而密封式滾動軸承是在牙輪底平面處安裝了密封元件（密封元件有“O”形圖密封、碟形橡膠圈密封和金屬密封），從而使軸承的工作壽命大為提高。密封滾動軸承的轉速范圍一般為100～250r／min。無論哪種滾動軸承，牙輪的大部分徑向載荷都是由滾柱槽承受的，小軸軸承主要起穩(wěn)定作用，只承受少量的徑向載荷。止推面和止推塊承受向外的軸向推力，滾珠軸承使牙輪掛在牙掌上并承受向里的軸向推力。第十七頁，共四十八頁。（2）滑動軸承滑動軸承（如圖4－4）是為了與硬質合金齒的壽命相匹配而設計的。它也有兩種結構，一是滑動──滾動（滾珠）滑動──止推；二是滑動──滑動（卡簧）──滑動──止推。為了提高軸承的工作壽命，使軸承能在較高的溫度和壓力環(huán)境中良好地工作，摩擦副材料選用了高強度低碳合金鋼制作，對牙掌軸頸（大軸頸）還進行滲碳等硬化處理，以提高其表面硬度和耐磨能力。對牙輪內孔跑道則鑲焊銅合金或其他減磨材料，以提高滑動副的抗咬合能力。第十八頁，共四十八頁?；瑒虞S承結構圖第十九頁，共四十八頁?；瑒虞S承滑動軸承可用各種密封圈作徑向或者端面密封。與滾動軸承相比，滑動軸承的承壓面積大，接觸疲勞應力小，使用壽命較長。在常規(guī)的轉速條件下，滑動軸承能承受更高的鉆壓。但除金屬密封滑動軸承外，普通滑動軸承的轉速范圍一般在60～140r／min，比滾動軸承低。除了前面所談的兩種結構形式的滑動軸承外，瑞德工具公司還研制出了一種新型的滑動軸承，即帶浮動套的滑動軸承，如圖4－5所示。浮動套軸承是在軸承大軸頸與牙輪內孔之間加了兩個可作相對運動的浮動式襯套，并在小軸上套有兩個止推墊圈。浮動套與墊圈表面都作鍍銀處理，這樣大大地降低了摩擦力，又不致使耐磨能力減低，使軸承轉速和工作壽命大為提高。第二十頁，共四十八頁?；瑒虞S承第二十一頁，共四十八頁。牙輪鉆頭的測量第二十二頁，共四十八頁。牙輪鉆頭的分類牙輪鉆頭的IADC分類方法：

IADC新的牙輪鉆頭的分類系統(tǒng)確立了有關牙輪鉆頭的四種設計特征的編碼標準，使牙輪鉆頭的分類方法更加成熟，更能體現(xiàn)牙輪鉆頭結構的設計特征，走向了系列化和標準化。按此標準，每個牙輪鉆頭的分類均可用四個與鉆頭設計特征相關的編碼（數(shù)字的或字母的）來表示，即“IADC編碼”。這個四位數(shù)的編碼依次代表牙輪鉆頭的：切削結構系列、切削類型、軸承與保徑和鉆頭的附加設計特征。IADC編碼的前三位是數(shù)字型的，第四位是字母型的。第二十三頁，共四十八頁。（1）第一位編碼──切削結構系列（l～8）八種分類或系列數(shù)字代表著一般的鉆頭所適用的地層特征。系列1～3指的是鋼齒（或銑齒）鉆頭，4～8代表的是鑲齒（碳化鎢硬質合金齒）鉆頭。不論是鋼齒鉆頭還是鑲齒鉆頭，隨著系列數(shù)字的增大，其所代表的地層硬度與研磨性也相應增加。第二十四頁，共四十八頁。（2）第二位編碼──切削類型（l～4）

每種切削結構系列又可分為四個“類型”或硬度級別。類型1指的是專為某一系列中最軟的地層而設計的鉆頭，類型4則代表這一系列中最硬的地層。

（3）第三位編碼──軸承與保徑（l～7）

軸承和保徑設計分為七種。第二十五頁，共四十八頁。（4）第四位編碼──附加特征共用十六個字母來分別代表鉆頭設計的“附加特征”。它包括一些特殊的切削結構、軸承、水力分布方式和鉆頭體保徑等方面的結構特征。有時在一個鉆頭的設計中同時具有好幾種“附加特征”，在IADC的編碼中，則只把最重要的一項表示出來。第二十六頁，共四十八頁。牙輪鉆頭在井下工作情況判斷⑴正常情況當?shù)貙訋r性無變化時，正常鉆壓下，轉盤轉動均勻，轉盤鏈條無上下跳動；鉆時正常無明顯變化；指重表、泵壓表指示平穩(wěn)；剎把無異常感覺。⑵軸承損壞轉盤出現(xiàn)周期性蹩跳，鉆壓小蹩跳輕，鉆壓大則蹩跳重；鉆速下降，泵壓正常而指重表指針有擺動。第二十七頁，共四十八頁。⑶牙輪卡死轉盤負荷增大，轉盤鏈條跳動，方鉆桿有蹩勁，停轉盤打倒車；鉆速下降，指重表指針擺動嚴重。⑷掉牙輪轉盤負荷增大，轉盤鏈條嚴重跳動，停轉盤打倒車；蹩鉆嚴重；指重表指針來回擺動；鉆速明顯下降或無進尺；上提鉆具變換方向下探方入有變化，高差約為一牙輪高度。第二十八頁，共四十八頁。⑸牙齒磨（脫）光轉盤負荷減輕；方鉆桿無蹩跳；鉆速明顯下降或無進尺；指重表指示平穩(wěn)無擺動；泵壓正常。⑹鉆頭泥包轉盤負荷增大有蹩跳現(xiàn)象；鉆速下降；上提鉆具有不同程度的掛卡；泵壓上升，嚴重時蹩泵第二十九頁，共四十八頁。6.金剛石鉆頭（DiamondBit)金剛石鉆頭按其使用地層可分為：普通金剛石鉆頭、聚晶金剛石復合片鉆頭（簡稱PDC鉆頭）兩大類，其中聚晶金剛石復合片鉆頭適用于軟至中硬地層，而普通金剛石鉆頭適用于及堅硬和研磨性高的地層。第三十頁，共四十八頁。金剛石鉆頭1).金剛石鉆頭的結構

金剛石鉆頭為無活動部件的整體式鉆頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。2).金剛石鉆頭的應用及優(yōu)缺點金剛石為碳在高溫高壓下形成的結晶體，正四面體晶體結構。在單位晶胞中，碳原子位于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。因共價鍵結合力強，故金剛石具有極高的硬度（莫氏硬度10）、抗壓強度（8800MPa）和耐磨性鋼的9000倍）。3).其缺點是：脆性大，受沖擊載荷易碎裂；具有熱敏性，高溫下（450℃以上）石墨化。第三十一頁，共四十八頁。金剛石鉆頭4).金剛石鉆頭的破巖機理：概括地講，金剛石鉆頭以磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削金屬的過程。對塑性地層，以“犁削”作用為主；對脆性地層，以壓碎、剪切作用為主；對堅硬地層，以刻劃、微切削作用為主。第三十二頁，共四十八頁。5).金剛石鉆頭的正確使用適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，取心作業(yè)。壽命長，進尺高。鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。開始先用小鉆壓、低轉速跑合，然后用合適鉆壓和高轉速鉆進。采用大排量鉆進。第三十三頁，共四十八頁。7.PDC鉆頭優(yōu)點：PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有碳化鎢合金的結構強度和抗沖擊能力。缺點：弱點是熱穩(wěn)定性差，350℃以上加速磨損。抗沖擊能力較差。第三十四頁，共四十八頁。PDC鉆頭的正確使用PDC鉆頭適用于軟到中硬的大段均質地層，不適合鉆軟硬交錯地層和礫石層。與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓、高轉速鉆進，正常鉆進時優(yōu)選鉆井參數(shù)，鉆壓30～60KN，轉速217～117r/min。每鉆進250～300米，必須進行一次中途短起。鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物。新鉆頭鉆進時，先用小鉆壓和低轉速磨合井底。PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉速的渦輪鉆井。第三十五頁，共四十八頁。PDC鉆頭的正確使用由于金剛石抗沖擊性能差（脆性大），因此上下鉆臺不能碰撞硬物，井下不得有落物，井底有落物時應起鉆，嚴禁頓鉆和溜鉆。下鉆遇阻嚴禁強行下壓，應接方鉆桿開泵沖劃，但不超過30米大段劃眼。在下鉆到最后兩單根時，接方鉆桿沖劃到井底并開大排量循環(huán)，將井底循環(huán)干凈。然后，用小鉆壓，低轉速鉆進0.5米，進行井底造型。第三十六頁，共四十八頁。PDC鉆頭的選擇①

根據(jù)鉆井方式選擇鉆頭：直井應選擇鉆速快、壽命長的鉆頭；定向井選擇造斜或穩(wěn)斜性能好、適合于配井底馬達的高轉速鉆頭。②

根據(jù)地層情況選擇鉆頭：包括所鉆地層的類型、硬度、巖性等。③

根據(jù)鉆井條件選擇鉆頭：如設備能力④

根據(jù)鉆井參數(shù)選擇鉆頭：第三十七頁，共四十八頁。PDC鉆頭冠部輪廓形狀有拋物線型、圓形和錐形三種，其中：①拋物線型：適用于各種軟地層，具有進尺多，機械鉆速高，穩(wěn)定性好的特點，適合于轉盤及井下動力鉆具。②圓形：工作面積小，水力集中，清洗較好，有利于鉆穿硬夾層，在轉盤鉆井中常用。錐形：吃入性好，穩(wěn)定性強，適合于轉盤及高轉速下動力鉆具鉆井。第三十八頁，共四十八頁。8.取心鉆頭取心鉆頭的功用是環(huán)形破碎地層，形成巖心。目前，常用的有刮刀取心鉆頭、領眼式硬質合金取心鉆頭、硬質合金取心鉆頭和金剛石取心鉆頭等。為了提高巖心收獲率，除在下部使用扶正器外，首先要求取心鉆頭工作穩(wěn)定。因此鉆頭的切削元件要對稱分布，其耐磨性應一致，以免在鉆進時發(fā)生歪斜，從而破壞及折斷巖心。同時要求鉆頭底面（井底）與巖心爪的距離盡可能短些，使巖心形成后很快就能進入內巖心筒被保護起來，從而避免破壞和沖蝕。第三十九頁，共四十八頁。IADC鉆頭磨損定級表八位數(shù)表示法：切削齒結構（CuttingStructure）軸承/密封(Bearing/Seals)直徑(Gauge)備注(Remarks)內排齒（I）外排齒（O）磨損特征（D）位置（L）軸承/密封（B）規(guī)徑（G）其它磨損（O）起鉆原因（R）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）第四十頁，共四十八頁。（1）內排齒：指所有的從鉆頭中心到2/3半徑范圍內的齒。（2）外排齒：指距離鉆頭中心線2/3半徑范圍之外的齒。第（1）和第（2）欄用數(shù)字0-8呈線性描述切削齒的磨損情況，具體如下：第四十一頁，共四十八頁。A鋼齒鉆頭0---無磨損或斷齒，即為新齒；8---全部齒磨損或斷完。B鑲齒鉆頭測量出因磨損掉齒或斷齒的齒的數(shù)量：0---無磨損、掉齒或斷齒，即為新齒；8---全部鑲齒磨損、掉齒或斷完。C金剛石鉆頭對脫落、磨損或斷齒的齒的數(shù)量：0---無脫落、磨損或折斷的切削刃；8---全部切削刃脫落、磨損或拆斷完。第四十二頁，共四十八頁。(3)磨損特征（僅用于與編碼相關的切削結構）：BC---牙輪破裂LN---掉噴嘴BF---聯(lián)結失效LT---掉齒/刃BT---切削齒、刃斷裂OC---偏心磨損BU---鉆頭泥包PB---鉆頭縮徑CC---牙輪有裂痕PN---噴嘴/流道堵塞CD---牙輪卡死RG---規(guī)徑磨圓CI---牙輪打架RO---磨出環(huán)形槽CR---鉆頭“取心”RR---鉆頭可再用CT---切削齒、刃破碎SD---掌尖磨損ER---沖蝕SS---自銳磨損FC---齒頂磨平TR---齒間磨損HC---熱裂紋WO---沖涮JD---碎屑損壞WT---牙齒/切削齒磨損LC---掉牙輪NO---無磨損特第四十三頁，共四十八頁。(4)位置：牙輪金剛石切削刃N---頂部齒圈C---內錐M---中間齒圈N---冠部/鼻部G---規(guī)徑齒圈T---外錐A---全部齒圈