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  钻头基础知识 1.钻头类型 钻头类型 1.按结构及工作原理分类 刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头 2.按功用分类 全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头 2.钻头尺寸系列 ⑴国产钻头的直径系列,共有15种。 常见: 17-1/2” ,12-1/4” , 8-1/2”, 6” ⑵进口钻头尺寸 进口钻头直径系列非常复杂, 例如美国休斯公司所产钻头从3 3/4″到26″共46 种直径系列。 3.工作指标 钻头进尺(米) 钻头工作寿命(小时) 机械钻速(米/小时) 单位进尺成本(元/米): 4.刮刀钻头的结构 1).上钻头体、下钻头体(分水帽)、刀翼、水眼。 三刀翼的称作三刮刀钻头 两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头 四刀翼的称作四刮刀钻头 2).刮刀钻头的应用及特点 刮刀钻头的应用及特点 刮刀钻头制造工艺简单,成本低; 刮刀钻头适用于低硬度高塑性地层,钻速快,每米钻进成 本低; 刮刀钻头容易磨损成锥形,造成缩径和井斜; 刮刀钻头产生剧烈的扭转振动,破坏钻具和设备; 刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。 5.牙轮钻头 牙轮钻头 牙轮钻头由钻头体、牙爪(巴掌)及牙轮轴、牙轮及 牙齿、轴承、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。 牙轮钻头结构图 各种牙轮钻头 钢齿牙轮钻头与镶齿牙轮钻头 (1)钢齿牙轮钻头 钢齿钻头又称为铣齿钻头,其牙齿是在牙轮毛坯 上直接铣削加工而成的,牙齿形状为楔形齿。 钢齿钻头大多用于软的上部地层,研磨性较低的 地层一般也选用钢齿钻头。为了提高牙齿的耐磨性 或使牙齿有自锐作用,在牙齿的表面及保径面上均 敷焊有一层碳化钨粉。 钢齿钻头可分为软、中、硬地层钻头三种,其详 细的分类方法及适用地层见后面的 IADC分类。 钢齿牙轮钻头与镶齿牙轮钻头 (2)镶齿牙轮钻头 镶齿钻头,又称碳化钨硬质合金齿钻头,它是将 端部形状不同的、圆柱形的烧结碳化钨硬质合金齿 压入锻制的牙轮壳体上已精加工好的孔内而构成镶 齿牙轮钻头。 镶齿钻头的切削结构具有很高的抗磨损和承载能 力,其使用寿命较长,尤其是破碎硬的、研磨性高 的地层,如隧石、石英岩等,效果更好。这种钻头 适用地层范围广,已在石油钻井得到了广泛的应用。 镶齿牙轮钻头 目前国内外常用的镶齿钻头的硬质合金齿齿形有十多种, 如球形、尖卵形、圆锥形、楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、 边楔形、平顶形等等,如图4-2所示。针对不同的地层、不 同的岩性,要选择不同齿形的钻头。 楔形齿,齿呈楔子状,对地层具有切削、挖掘作用。其齿 顶角有60°、65°、70°、75°、90°等,适用于软至中 硬地层。齿顶角越大,适用的地层越硬。 球形齿的端部是个半圆形球面,耐磨性最好。它以凿击和 压碎作用破碎地层。这种齿钻硬至极硬地层的破岩效率较高。 尖卵形、圆锥形齿,既有凿击和压碎作用,也有刮削和挖 掘作用,其抗磨能力及强度都比楔形齿高,适用地层较广,在 中硬地层使用效果最好。 镶齿牙轮钻头 镶齿牙轮钻头 勺形齿齿形如勺子,切削地层时,靠向内凹的勺形面 挖掘、刮削作用破岩。这种齿形改善了牙齿的受力状况, 既提高了破岩效率,又增加了齿的强度,能在极软至中 软地层中高效率地破岩。 在勺形齿的基础上,又发展了偏顶勺形齿及圆锥形勺 形齿。偏顶勺形齿的齿顶超前了其轴线一个距离,其凹 面正对被切削的地层,改善了牙齿的受力分布,进一步 提高了牙齿的破岩效率和工作寿命。 表4-l列举了几种常用齿形及其适用的地层。 表4-1 适用不同地层的齿形 - 齿 形 破 岩 机 理 地层 硬、极硬 硬 中硬、 中硬、硬 软至中硬 极软至中软 球形 尖卵形 圆锥形 楔形 勺形 凿击、 凿击、压碎 凿击、 凿击、压碎 凿击、压碎、挖掘、 凿击、压碎、挖掘、刮削 挖掘、刮削 挖掘、 挖掘、 挖掘、刮削 牙轮钻头轴承结构 两大体系: (1)滚动轴承 (2)滑动轴承 (1)滚动轴承 ) 滚动轴承(如图4-3所示)的结构形式有滚柱─滚珠 ─滚柱─止推和滚柱──滚珠──小轴滑动──止推两 种。前一种一般是用于12-1/4”以上的大尺寸钻头上。 (1)滚动轴承 ) 滚动轴承按密封方式可分为非密封滚动轴承与密封式 滚动轴承。非密封滚动轴承的特点是能适应较高的转速, 但轴承磨损快,工作寿命低,主要用于上部井眼钻头。 而密封式滚动轴承是在牙轮底平面处安装了密封元件 (密封元件有“O”形图密封、碟形橡胶圈密封和金属 密封),从而使轴承的工作寿命大为提高。密封滚动轴 承的转速范围一般为100~250r/min。 无论哪种滚动轴承,牙轮的大部分径向载荷都是由 滚柱槽承受的,小轴轴承主要起稳定作用,只承受少量 的径向载荷。止推面和止推块承受向外的轴向推力,滚 珠轴承使牙轮挂在牙掌上并承受向里的轴向推力。 (2)滑动轴承 ) 滑动轴承(如图4-4)是为了与硬质合金齿的寿 命相匹配而设计的。它也有两种结构,一是滑动── 滚动(滚珠)滑动──止推;二是滑动──滑动(卡 簧)──滑动──止推。为了提高轴承的工作寿命, 使轴承能在较高的温度和压力环境中良好地工作,摩 擦副材料选用了高强度低碳合金钢制作,对牙掌轴颈 (大轴颈)还进行渗碳等硬化处理,以提高其表面硬 度和耐磨能力。对牙轮内孔跑道则镶焊铜合金或其他 减磨材料,以提高滑动副的抗咬合能力。 滑动轴承结构图 滑动轴承 滑动轴承可用各种密封圈作径向或者端面密封。与滚动轴 承相比,滑动轴承的承压面积大,接触疲劳应力小,使用寿命 较长。在常规的转速条件下,滑动轴承能承受更高的钻压。但 除金属密封滑动轴承外,普通滑动轴承的转速范围一般在 60~140r/min,比滚动轴承低。 除了前面所谈的两种结构形式的滑动轴承外,瑞德工具 公司还研制出了一种新型的滑动轴承,即带浮动套的滑动轴承, 如图4-5所示。 浮动套轴承是在轴承大轴颈与牙轮内孔之间加了两个可 作相对运动的浮动式衬套,并在小轴上套有两个止推垫圈。浮 动套与垫圈表面都作镀银处理,这样大大地降低了摩擦力,又 不致使耐磨能力减低,使轴承转速和工作寿命大为提高。 滑动轴承 牙轮钻头的测量 牙轮钻头的分类 牙轮钻头的 IADC分类方法: IADC新的牙轮钻头的分类系统确立了有关牙轮钻头的 四种设计特征的编码标准,使牙轮钻头的分类方法更加成熟, 更能体现牙轮钻头结构的设计特征,走向了系列化和标准化。 按此标准,每个牙轮钻头的分类均可用四个与钻头设计特征 相关的编码(数字的或字母的)来表示,即“IADC编码”。 这个四位数的编码依次代表牙轮钻头的:切削结构系列、 切削类型、轴承与保径和钻头的附加设计特征。 IADC编码的前三位是数字型的,第四位是字母型的。 (1)第一位编码──切削结构系列(l~8) 八种分类或系列数字代表着一般的钻头所适用的地层特征。 系列1~3指的是钢齿(或铣齿)钻头,4~8代表的是镶齿 (碳化钨硬质合金齿)钻头。不论是钢齿钻头还是镶齿钻 头,随着系列数字的增大,其所代表的地层硬度与研磨性 也相应增加。 (2)第二位编码──切削类型(l~4) 每种切削结构系列又可分为四个“类型”或硬度级别。类 型1指的是专为某一系列中最软的地层而设计的钻头,类型 4则代表这一系列中最硬的地层。 (3)第三位编码──轴承与保径(l~7) 轴承和保径设计分为七种。 (4)第四位编码──附加特征 共用十六个字母来分别代表钻头设计的“附加特征”。它包括 一些特殊的切削结构、轴承、水力分布方式和钻头体保径等方 面的结构特征。有时在一个钻头的设计中同时具有好几种“附 加特征”,在IADC的编码中,则只把最重要的一项表示出来。 牙轮钻头在井下工作情况判断 ⑴正常情况 当地层岩性无变化时,正常钻压下,转盘转动均 匀,转盘链条无上下跳动;钻时正常无明显变化; 指重表、泵压表指示平稳;刹把无异常感觉。 ⑵轴承损坏 转盘出现周期性蹩跳,钻压小蹩跳轻,钻压大则 蹩跳重;钻速下降,泵压正常而指重表指针有摆 动。 ⑶牙轮卡死 转盘负荷增大,转盘链条跳动,方钻杆有蹩劲,停 转盘打倒车;钻速下降,指重表指针摆动严重。 ⑷掉牙轮 转盘负荷增大,转盘链条严重跳动,停转盘打倒车; 蹩钻严重;指重表指针来回摆动;钻速明显下降或 无进尺;上提钻具变换方向下探方入有变化,高差 约为一牙轮高度。 ⑸牙齿磨(脱)光 转盘负荷减轻;方钻杆无蹩跳;钻速明显下降或 无进尺;指重表指示平稳无摆动;泵压正常。 ⑹钻头泥包 转盘负荷增大有蹩跳现象;钻速下降;上提钻具 有不同程度的挂卡;泵压上升,严重时蹩泵 6.金刚石钻头(Diamond Bit) 金刚石钻头( 金刚石钻头 金刚石钻头按其使用地层可分为: 普通金刚石钻头、聚晶金刚石复合片钻头(简 称PDC钻头)两大类,其中聚晶金刚石复合片 钻头适用于软至中硬地层,而普通金刚石钻头 适用于及坚硬和研磨性高的地层。 金刚石钻头 1).金刚石钻头的结构 金刚石钻头的结构 金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钢体、胎体 (冠部和保径部分)、水眼及水槽、金刚石切削刃等部分 组成。 2).金刚石钻头的应用及优缺点 金刚石钻头的应用及优缺点 金刚石为碳在高温高压下形成的结晶体,正四面体晶体结 构。在单位晶胞中,碳原子位于四面体的顶角及中心。每 个碳原子与邻近的四个碳原子形成四个共价键。因共价键 结合力强,故金刚石具有极高的硬度(莫氏硬度10)、抗 压强度(8800MPa)和耐磨性钢的9000倍)。 3).其缺点是: 脆性大,受冲击载荷易碎裂; 具有热敏性,高温下(450℃以上)石墨化。 金刚石钻头 4).金刚石钻头的破岩机理:概括地讲,金刚石钻头 以磨削(研磨)方式破碎岩石,类似于砂轮磨削 金属的过程。 对塑性地层,以“犁削”作用为主; 对脆性地层,以压碎、剪切作用为主; 对坚硬地层,以刻划、微切削作用为主。 5).金刚石钻头的正确使用 适用于硬、研磨性地层,涡轮钻井,深井钻井, 取心作业。寿命长,进尺高。 钻头下井前,井底打捞干净,确保没有金属落物。 开始先用小钻压、低转速跑合,然后用合适钻压 和高转速钻进。 采用大排量钻进。 7. PDC钻头 钻头 优点:PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性,又具有 碳化钨合金的结构强度和抗冲击能力。 缺点:弱点是热稳定性差,350℃以上加速磨损。 抗冲击能力较差。 PDC钻头的正确使用 钻头的正确使用 PDC钻头适用于软到中硬的大段均质地层,不适 合钻软硬交错地层和砾石层。 与牙轮钻头相比,PDC钻头宜采用低钻压、高转 速钻进,正常钻进时优选钻井参数,钻压30~ 60KN,转速217~117r/min。每钻进250~ 300米,必须进行一次中途短起。 钻头下井前,井底要清洁,无金属落物。新钻头 钻进时,先用小钻压和低转速磨合井底。 PDC钻头属于整体式钻头,无任何活动部件,适 合高转速的涡轮钻井。 PDC钻头的正确使用 钻头的正确使用 由于金刚石抗冲击性能差(脆性大),因此上下钻 台不能碰撞硬物,井下不得有落物,井底有落物时 应起钻,严禁顿钻和溜钻。 下钻遇阻严禁强行下压,应接方钻杆开泵冲划,但 不超过30米大段划眼。在下钻到最后两单根时, 接方钻杆冲划到井底并开大排量循环,将井底循环 干净。然后,用小钻压,低转速钻进0.5米,进行 井底造型。 PDC钻头的选择 钻头的选择 ① 根据钻井方式选择钻头:直井应选择钻速快、寿 命长的钻头;定向井选择造斜或稳斜性能好、适合 于配井底马达的高转速钻头。 ② 根据地层情况选择钻头:包括所钻地层的类型、 硬度、岩性等。 ③ 根据钻井条件选择钻头:如设备能力 ④ 根据钻井参数选择钻头: PDC钻头冠部轮廓形状有抛物线型、圆形和锥形三种, 其中: ①抛物线型:适用于各种软地层,具有进尺多,机械 钻速高,稳定性好的特点,适合于转盘及井下动力 钻具。 ②圆形:工作面积小,水力集中,清洗较好,有利于 钻穿硬夹层,在转盘钻井中常用。 锥形:吃入性好,稳定性强,适合于转盘及高转速下 动力钻具钻井。 8.取心钻头 取心钻头 取心钻头的功用是环形破碎地层,形成岩心。目前, 常用的有刮刀取心钻头、领眼式硬质合金取心钻头、 硬质合金取心钻头和金刚石取心钻头等。 为了提高岩心收获率,除在下部使用扶正器外,首 先要求取心钻头工作稳定。因此钻头的切削元件要 对称分布,其耐磨性应一致,以免在钻进时发生歪 斜,从而破坏及折断岩心。同时要求钻头底面(井 底)与岩心爪的距离尽可能短些,使岩心形成后很 快就能进入内岩心筒被保护起来,从而避免破坏和 冲蚀。 IADC钻头磨损定级表 钻头磨损定级表 八位数表示法: 轴承/密封 直径 (Bearing/Seal (Gauge) s) 轴承/密封 (B) 规径 (G) 备注 (Remarks) 切削齿结构 (Cutting Structure) 内排齿 (I) 外排齿 (O) 磨损特 征 (D) (3) 位置 (L) 其它磨 损 (O) (7) 起钻原 因 (R) (8) (1) (2) (4) (5) (6) (1)内排齿:指所有的从钻头中心到2/3半径范围 内的齿。 (2)外排齿:指距离钻头中心线半径范围之外 的齿。 第(1)和第(2)栏用数字0-8呈线性描述切削齿 的磨损情况,具体如下: A钢齿钻头 钢齿钻头 0---无磨损或断齿,即为新齿; 8---全部齿磨损或断完。 B镶齿钻头 镶齿钻头 测量出因磨损掉齿或断齿的齿的数量: 0---无磨损、掉齿或断齿,即为新齿; 8---全部镶齿磨损、掉齿或断完。 C金刚石钻头 金刚石钻头 对脱落、磨损或断齿的齿的数量: 0---无脱落、磨损或折断的切削刃; 8---全部切削刃脱落、磨损或拆断完。 (3)磨损特征(仅用于与编码相关的切削结构): 磨损特征(仅用于与编码相关的切削结构): 磨损特征 BC---牙轮破裂 BF---联结失效 BT---切削齿、刃断裂 BU---钻头泥包 CC---牙轮有裂痕 CD---牙轮卡死 CI---牙轮打架 CR---钻头“取心” CT---切削齿、刃破碎 ER---冲蚀 FC---齿顶磨平 HC---热裂纹 JD---碎屑损坏 LC---掉牙轮 LN---掉喷嘴 LT---掉齿/刃 OC---偏心磨损 PB---钻头缩径 PN---喷嘴/流道堵塞 RG---规径磨圆 RO---磨出环形槽 RR---钻头可再用 SD---掌尖磨损 SS---自锐磨损 TR---齿间磨损 WO---冲涮 WT---牙齿/切削齿磨损 NO---无磨损特 (4)位置: 牙轮 N---顶部齿圈 M---中间齿圈 G---规径齿圈 A---全部齿圈 金刚石切削刃 C---内锥 N---冠部/鼻部 T---外锥 S---肩部 G---规径 A---所有部位 (5)轴承/密封 不密封轴承 呈线---全部寿命用完或无 剩余寿命)。 密封轴承 E---密封有效 F---密封无效 N---不能定级 X---金刚石钻头(无轴承) (6)规径:(以1英寸或25.4mm的分数值来表示) I---规径无磨损 1/16---规径磨损1/16英寸(1.6mm) 2/16---规径磨损1/8英寸(3.2mm) 4/16---规径磨损1/4英寸(6.4mm) (7)其它磨损特征:(参考第(3)栏中的代码) (8)起钻或终止钻进的原因: BHA---更换钻具组合 LIH---留在井眼中 CM---处理钻井液 LOG---电测 CP---钻达取心位置 PP---泵压变化 DMF---井下马达故障 PR---钻速太慢 DP---钻具堵塞 RIG---钻机(平台)修理 DSF---钻柱故障 TD---到设计(下套管)井深 DST---中途测试 TQ---扭矩过大 DTF---井下工具故障 TW---钻柱脱扣(扭断) HP---井眼问题 WO---钻柱刺漏 HR---到钻头预期寿命 Click to edit title style

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