鉆井工程-第二章(上)

第二章鉆進(jìn)工具本章主要內(nèi)容：第一節(jié)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)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(jì)第一節(jié)鉆頭（DrillBit）一、概述

1.鉆頭類型

按結(jié)構(gòu)及工作原理分類:

刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、

PDC鉆頭、金剛石鉆頭按功用分類：

全面鉆進(jìn)鉆頭、取心鉆頭、擴(kuò)眼鉆頭2.鉆頭尺寸系列

33/4

“

～36"國內(nèi)常用尺寸：26"

、171/2

"

、121/4

"、

81/2"A、鉆頭進(jìn)尺（米）B、鉆頭工作壽命（小時(shí)）C、機(jī)械鉆速（米/小時(shí)）D、單位進(jìn)尺成本（元/米）：3.工作指標(biāo)二、刮刀鉆頭（DragBit）刀翼（一）刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)

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刀翼結(jié)構(gòu)

（1）刀翼結(jié)構(gòu)角

刃尖角β—刀翼尖端前后刃之間的夾角。它反映了刀翼的尖銳程度。β越小，刃部越尖銳，越容易吃入地層，但強(qiáng)度越低。

一般:

軟地層

β=8～

10°；

硬地層

β=12°～15°

切削角α—

刀翼前刃和水平面之間的夾角。

在相同鉆壓下，α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。

一般:

松軟地層

α＝70°

軟地層

α＝70～80°；

中硬地層

α＝80～85°。

刃后角ψ＝α-β：刃后角必須大于井底角θ。

刃前角φ：φ＝90°－α。

(4)提高刀翼的耐磨性

一般在刀翼表面平鋪一層YG8硬質(zhì)合金塊，在外側(cè)面鑲裝YG8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。

刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高強(qiáng)度合金鋼鍛制而成，以保證有足夠的強(qiáng)度。（2）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，以確保刀翼強(qiáng)度足以承受彎矩。（3）刀翼底部形狀：

平底、正階梯、反階梯、反錐刀翼結(jié)構(gòu)（二）刮刀鉆頭的工作原理刮刀鉆頭主要以切削作用破碎地層。

破碎塑性巖石過程：

在鉆壓W作用下，刀翼容易吃入地層；刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力T的作用下不斷產(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)用制造工藝簡單，成本低；適用于軟地層，鉆速快，每米鉆進(jìn)成本低；容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜；產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，破壞鉆具和設(shè)備；目前逐漸被PDC鉆頭取代。三、牙輪鉆頭（RollerBit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)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。1．牙輪及牙齒（1）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。單錐牙輪：主錐+背錐，硬地層復(fù)錐牙輪：主錐+副錐+背錐，軟到中硬

a—單錐；

b、c—復(fù)錐；

1—主錐；

2—副錐；

3—背錐abc銑齒——在牙輪錐面上直接銑出，楔形。（2）牙齒硬質(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。銑齒與鑲齒銑齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭2．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。滾動軸承結(jié)構(gòu)：滾柱—滾珠—滾柱—止推

滾柱—滾珠—滑動一止推滑動軸承結(jié)構(gòu)：滑動—滾珠—滑動—止推

滑動—滑動（卡簧）—滑動—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軸承比滾動軸承壽命長？3．儲油潤滑密封系統(tǒng)儲油潤滑補(bǔ)償系統(tǒng)密封系統(tǒng)：

橡膠密封圈、金屬密封圈

工作原理：

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)的油壓升高，則流入儲油杯。其中，有效密封是關(guān)鍵。潤滑系統(tǒng)4．噴嘴

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)生高速流動的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。

三牙輪鉆頭一般安裝3個(gè)噴嘴，直徑7~13mm。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用O形圈密封。

5.牙輪及牙齒的布置方式布齒原則：

（1）轉(zhuǎn)動一周，牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；（2）牙輪在重復(fù)滾動時(shí)應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內(nèi)；（3）牙齒磨損均勻。單牙輪鉆頭牙輪及牙齒的布置齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用非自洗自洗無移軸自洗移軸齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用非自洗自洗無移軸自洗移軸齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用非自洗自洗無移軸自洗移軸齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用非自洗自洗無移軸自洗移軸牙輪布置方案：（1）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；（2）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；（3）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；

非自洗自洗無移軸自洗移軸（二）牙輪鉆頭工作原理1．牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。滑動：牙輪齒相對于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動。

引起滑動的原因：

①超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動②移軸引起徑向（軸向）滑動

縱向振動：牙輪在滾動過程，其中心上下波動，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動。引起縱向振動的原因：

①單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動；②井底凹凸不平

公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)牙輪運(yùn)動圖解超頂引起切向滑動副錐產(chǎn)生超頂效果單、雙齒交替接觸井底引起縱向振動牙輪滑動對破巖的作用:超頂和復(fù)錐：切向滑動，剪切同一齒圈相鄰牙齒間的巖石。

移軸：徑向滑動，剪切相鄰齒圈之間的巖石。2．牙輪鉆頭的破巖作用

（1）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)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。

（2）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，破碎齒間巖石。

（3）射流的沖蝕作用

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1.國產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法

（1）按結(jié)構(gòu)分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8個(gè)系列

（2）按地層分類：地層軟硬：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY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（3）型號表示方法

類型代號：數(shù)字1~7，表明所適應(yīng)的地層

系列代號：字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH

，表明結(jié)構(gòu)特征

鉆頭直徑：用英寸或毫米表示直徑大小例：用于中硬地層、直徑為8in(215.9mm)的鑲齒滑動密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號為：8XHP5或215.9XHP5。系列代號—用數(shù)字1~8表示鉆頭牙齒特征及適鉆地層；

1-3為銑齒，5-8為鑲齒。地層等級代號—用數(shù)字1~4表示所鉆地層再分為4個(gè)等級；鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號—用數(shù)字1~9表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中1~7表示鉆頭軸承及保徑特征；附加結(jié)構(gòu)特征代號—用英文字母表示鉆頭附加特征。祥見書P66-67.例如：341S——表示適用于中等研磨性或研磨性4級硬地層非密封滾動軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。

537C——表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的3級地層滑動密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。2.IADC分類法國產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號表示法目前常用的牙輪鉆頭型號

P2,P3,HP2,HP3——銑齒

XHP2,XHP3,XHP4——鑲齒

J1,J2,J3——銑齒

J11,J22,J33,J44，J55——鑲齒（四）牙輪鉆頭的正確使用1.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。

地層較軟時(shí)：選用牙齒高度大并帶有超頂或移軸的鉆頭；地層較硬時(shí)：選用牙齒高度小，無超頂或移軸的鉆頭。2.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牙輪鉆頭的選型鉆頭結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、作用原理地層巖石性質(zhì)：巖性、硬度、塑性系數(shù)、抗壓強(qiáng)度地層可鉆性分析地層研磨性分析牙輪鉆頭使用下鉆慢、防止頓鉆井內(nèi)無落物避免劃眼使用減震器在生產(chǎn)廠家推薦的鉆壓，轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作鉆頭的選擇選擇時(shí)考慮的因素研磨性地層的選擇牙齒磨損快，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(shí)最好選擇鑲齒鉆頭。淺井段和深井段鉆頭的選擇淺井使用機(jī)械鉆速高的鉆頭，深部井段使用壽命長的鉆頭。深部軟地層鉆頭的選擇3000m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。對于這種高圍壓引起的“橡皮地層”，最好采用低密度鉆井液，選擇中硬地層鉆頭。（五）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，其故障形式主要有：因鉆頭軸承嚴(yán)重磨損產(chǎn)生劇烈曠動、牙輪卡死、掉牙輪、鉆頭泥包、噴嘴堵、掉噴嘴和牙齒脫落等。1、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：

Mt

鉆頭發(fā)生磨損后的扭矩信號特征輕度磨損中度磨損嚴(yán)重磨損2、牙輪鉆頭泥包的識別鉆頭發(fā)生泥包后的特征：鉆時(shí)Zt迅速增大、立壓StP有所上升、扭矩M

逐漸增大、波幅Vr(M)減小、轉(zhuǎn)速Rpm有所下降。tM牙輪鉆頭泥包時(shí)扭矩變化特征3、鉆頭水眼堵、掉的識別坨762井，井深至2239米時(shí)，立管壓力由15↗15.6MPa，其它參數(shù)無變化，立管壓力增至18.1MPa最高峰，此時(shí)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175bar后，23時(shí)40分突然下降到14.2MPa，水眼沖開，后恢復(fù)鉆進(jìn)。四、金剛石鉆頭（DiamondBit)（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)

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）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（TSP）

TSP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。（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)1.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，下部銑成爪形和胎體燒結(jié)在一起。2.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)燒結(jié)在鉆頭鋼體上。

常用剖面形狀：

a．雙錐階梯形；

b．雙錐形；

c．“B”形；

d．脊圈式“B”形3.水眼和水槽

鉆井液由水眼流出，經(jīng)過水槽流過鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤滑金剛石。常用水力結(jié)構(gòu)（水槽）：逼壓式、輻射式、輻射逼壓式、螺旋式。4.金剛石（1）特性

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，碳原子位于四面體的頂角及中心。每個(gè)碳原子與鄰近的四個(gè)碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵。

因共價(jià)鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬度（莫氏硬度10）、抗壓強(qiáng)度（8800MPa）和耐磨性鋼的9000倍）。其缺點(diǎn)是：

①脆性大，受沖擊載荷易碎裂；

②具有熱敏性，高溫下（450℃以上）石墨化。

（2）兩類金剛石材料天然金剛石：非洲產(chǎn)，品種有：卡邦(Carnon)、包爾茲(Boarz)、巴拉斯(Ballas)。人造金剛石單晶和聚晶：石墨5000~10000MPa1000~2000℃金剛石單晶金剛石單晶金剛石聚晶高溫高壓下（3）金剛石顆粒在胎體上的鑲裝方式

表鑲式金剛石鉆頭：所用的金剛石顆粒一般0.5～1.5粒/克拉。

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2～12mm。金剛石顆粒棱角越尖越好。（4）金剛石粒度、出刃和排列方式

粒度：

0.5~15粒/克拉（0.2g)

出刃：

最大出刃量為直徑的1/3

排列方式：a．鉆頭外形；b．交錯(cuò)排列；c．圓周排列；d．脊圈排列（二）金剛石鉆頭的破巖機(jī)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。在鉆進(jìn)某些硬地層時(shí)，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應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性；(2)在塑性地層(或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層)，使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動，脫離巖石基體，形成巖屑，稱作犁削。(3)在脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)為脆性破碎，即屬于以剪力和張力形式破碎巖石。(4)在堅(jiān)硬巖石(如隧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等)中，是要靠金剛石的棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來破碎巖石。

（三）金剛石鉆頭的正確使用1.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(jìn)尺高。2.鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。3.先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)(150RPM以上)。4.采用低鉆壓（30-50kN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。5.避免劃眼。五、PDC鉆頭（PolycrystallineDiamondCompactBit）胎體PDC鉆頭鋼體PDC鉆頭鋼質(zhì)碳化鎢（一）PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.切削元件—聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）

特性

PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性。弱點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，350℃以上加速磨損。抗沖擊能力較差。Φ13.4，

Φ192.工作剖面形狀特點(diǎn)內(nèi)外錐有利于鉆頭穩(wěn)定；外錐較長，可多布齒，使磨損均勻；鉆硬夾層，冠部齒易早期損壞。適合中等均質(zhì)地層。特點(diǎn)

鉆頭表面積較小，水力集中，清洗效果好；載荷分布較均勻；用于鉆石灰?guī)r、白云巖等較硬地層。特點(diǎn)側(cè)向推力指向鉆頭中心，有利于防斜；鉆頭外部表面積大，可布置較多切削齒，利于提高壽命。用于軟地層。特點(diǎn)

冠頂較寬且較平緩，載荷分布較均勻。外側(cè)采用圓弧，布齒面積較大。用于硬地層。雙錐形淺錐形拋物線形B形3.切削齒布置

刮刀式布齒方式：特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地層。單齒式布齒方式：布齒區(qū)域大、布齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。適用于硬地層。

組合式切削齒的布置：具有較好的清洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。布齒原則：

等切削體積、等磨損、等功率4.切削齒工作角

后傾角（負(fù)前角）α：起到保護(hù)切削齒，延長壽命的作用。取值0°～

20°，軟地層小一些，硬地層大一些。側(cè)傾角（旁鋒刀面角）β：鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，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。

β=15°左右。5.噴嘴—流道系統(tǒng)冷卻和清洗效果嚴(yán)重影響PDC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)根據(jù)切削齒位置確定。（二）PDC鉆頭破巖機(jī)理和特點(diǎn)PDC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。由于多個(gè)切削齒同時(shí)工作，井底巖石自由面多，因此破巖效率高。金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長，單只鉆頭進(jìn)尺高。（三）PDC鉆頭的正確使用PDC鉆頭適用于軟到中硬的大段均質(zhì)地層（泥頁巖），不適合鉆軟硬交錯(cuò)地層和礫石層。（？）2.與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。（？）3.鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物。新鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，先用小鉆壓和低轉(zhuǎn)速磨合井底。4.PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆井。金剛