鉆井工程-5-鉆頭

鉆頭中國(guó)石油大學(xué)（北京）鉆井工程主要內(nèi)容：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

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

3-3/4"~36"常用尺寸：26"

、171/2"、121/4"、

81/2"3.工作指標(biāo)

鉆頭進(jìn)尺（米）鉆頭工作壽命（小時(shí)）機(jī)械鉆速（米/小時(shí)）單位進(jìn)尺成本（元/米）：

一、牙輪鉆頭（RollerBit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)

牙輪鉆頭由鉆頭體、牙抓（巴掌）及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲(chǔ)油潤(rùn)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

（2）牙齒

銑齒——在牙輪錐面上直接銑出，楔形。

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(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滾柱—滾珠—滾柱—止推

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

滑動(dòng)—滑動(dòng)（卡簧）—滑動(dòng)—止推

密封圈密封圈滾柱止推臺(tái)階滑動(dòng)摩擦襯套滑動(dòng)摩擦副

為什么滑動(dòng)軸承比滾動(dòng)軸承壽命長(zhǎng)？3．儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)儲(chǔ)油潤(rùn)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(chǔ)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(chǔ)油杯中的潤(rùn)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(chǔ)油杯。其中，有效密封是關(guān)鍵。

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(dòng)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)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(dòng)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。牙輪布置方案：（1）非自洗無(wú)滑動(dòng)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，副錐、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，副錐、超頂，移軸，用于軟地層；

非自洗自洗無(wú)移軸自洗移軸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(wú)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(dòng)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?lè)较蛐D(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)?；瑒?dòng)：牙輪齒相對(duì)于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動(dòng)。

引起滑動(dòng)的原因：

①超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動(dòng)②移軸引起徑向（軸向）滑動(dòng)縱向振動(dòng)：牙輪在滾動(dòng)過(guò)程，其中心上下波動(dòng)，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

引起縱向振動(dòng)的原因：

①單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動(dòng)；②井底凹凸不平

超頂引起切向滑動(dòng)副錐產(chǎn)生超頂效果單、雙齒交替接觸井底引起縱向振動(dòng)移軸引起徑向滑動(dòng)O’

a’

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2．牙輪鉆頭的破巖作用

（1）沖擊、壓碎作用

縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對(duì)地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。

（2）滑動(dòng)剪切作用

牙輪牙齒的徑向滑動(dòng)和切向滑動(dòng)對(duì)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(duì)井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。牙輪滑動(dòng)對(duì)破巖的作用:

牙輪的超頂和復(fù)錐引起的切向滑動(dòng)剪切掉牙齒之間的巖石。超頂引起的軸向滑動(dòng)剪切掉齒圈之間的巖石。（三）牙輪鉆頭類型

1.國(guó)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：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY

1，2，

3，

4，

5，

6，

7國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層

類型代號(hào)：數(shù)字1~7，表明所適應(yīng)的地層

系列代號(hào)：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(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：8XP5或215.9XP5。

（3）型號(hào)表示方法

2.IADC分類法

系列代號(hào)—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(jí)代號(hào)—用數(shù)字1~4表示所鉆地層再分為4個(gè)等級(jí)；鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號(hào)—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(hào)—用英文字母表示鉆頭附加特征。祥見(jiàn)書P66-67.例如：341S——表示適用于中等研磨性或研磨性4級(jí)硬地層非密封滾動(dòng)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(jí)地層滑動(dòng)密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號(hào)表示法

鉆頭直徑類型代號(hào)系列代號(hào)例：用于中硬地層、直徑為81/2”(215.9mm)的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：81/2”×HP5或215.9×HP5。

目前常用的牙輪鉆頭型號(hào)

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(wú)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。

二、金剛石鉆頭（DiamondBit)

（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)

金剛石鉆頭為無(wú)活動(dòng)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。

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(guò)水槽流過(guò)鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤(rùn)滑金剛石。常用水力結(jié)構(gòu)：

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。

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金剛石鉆頭。（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

有表鑲式和孕鑲式。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。

孕鑲式金剛石鉆頭是把金剛石顆粒與鉆頭胎體燒結(jié)在一起。適合于對(duì)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(guò)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(dòng)，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(lái)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(zhǎng)，進(jìn)尺高。

2.鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒(méi)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)。

4.采用低鉆壓（30-50kN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。

三、PDC鉆頭（PolycrystallineDiamondCompactBit）

胎體PDC鉆頭鋼體PDC鉆頭兩類PDC切削元件（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(zhǎng)，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(zhǎng)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(duì)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

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(guò)程類似于