《鉆井工程2-巖石力學(xué)與破巖原理》

1、Chapter 2 ： Rock Mechanics and Bits,第二章 巖石力學(xué)與破巖原理,第一節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì) 第二節(jié) 巖石的研磨性與可鉆性 第三節(jié) 鉆頭破巖方式與鉆頭分類(lèi) 第四節(jié) 刮刀鉆頭及其破巖原理 第五節(jié) 牙輪鉆頭及其破巖原理 第六節(jié) 金剛石鉆頭及其破巖原理,巖石就是經(jīng)過(guò)地質(zhì)作用而天然形成的一種或多種礦物的集合體。巖石力學(xué)就是研究巖石在載荷作用下的應(yīng)力、變形和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性等問(wèn)題。 油氣鉆井的目的就是破碎巖石形成井眼，獲取地層地質(zhì)資料，并將油氣引導(dǎo)出來(lái)。 破巖工具作用下的巖體內(nèi)部處于多向應(yīng)力狀態(tài)，欲達(dá)到破碎巖石獲得進(jìn)尺的目的，就必須：一是選擇高質(zhì)量的破巖工具，二是使鉆

2、頭施加于巖石的外力超過(guò)其極限值。 顯然，研究巖石在各種應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)是基礎(chǔ)，選擇合適的鉆頭類(lèi)型則是其主要目的。,引 子,第一節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì),1 Mechanical Properties of Rock,巖石的力學(xué)性質(zhì)通常包括兩個(gè)方面： 1、巖石的變形特征 2、巖石的強(qiáng)度特征。 巖石的變形特征： 是指巖石在各種載荷作用下的變形規(guī)律（包括巖石的彈性變形、塑性變形、粘性流動(dòng)和破壞規(guī)律）。 巖石的強(qiáng)度特征： 是指巖石在載荷作用下開(kāi)始破壞時(shí)的最大應(yīng)力（強(qiáng)度極限）以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。,一、巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線,巖石的變形特征和強(qiáng)度特征，由巖石

3、試件在單軸或三軸試驗(yàn)機(jī)上所得到的應(yīng)力一應(yīng)變曲線來(lái)描述。 圖2-1是采用剛性試驗(yàn)機(jī)， 對(duì)圓形巖樣進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，在加載速度充分適應(yīng)于試件變形速度的條件下，所得到的巖石典型應(yīng)力應(yīng)變曲線。,OA：巖石裂隙逐漸被壓實(shí) AB：斜率為巖石的 E B點(diǎn)-屈服點(diǎn) BC：裂隙不穩(wěn)定發(fā)展，先行破壞 CD：裂隙不穩(wěn)定傳播，巖石解體,巖石的強(qiáng)度與應(yīng)變形式有很大關(guān)系，只有在壓縮情況下，巖石才呈現(xiàn)出很大的強(qiáng)度。 巖石的規(guī)律是:抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 巖石結(jié)構(gòu)的多變性且?guī)r石的微觀或宏觀的結(jié)構(gòu)特征都會(huì)對(duì)巖石的強(qiáng)度產(chǎn)生影 響，因此一般在實(shí) 際應(yīng)用時(shí)，必須對(duì) 具體的巖石進(jìn)行必 要的強(qiáng)度試驗(yàn)，以 獲取比較準(zhǔn)確可靠 的數(shù)

4、據(jù)。,二、簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度,單軸抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn),單軸抗壓縮強(qiáng)度試驗(yàn),巖心柱 直徑2.5-5.0cm 高徑比2.5-3.0,巖石的抗剪強(qiáng)度可用粘結(jié)力和巖石的內(nèi)摩擦角表示。 粘結(jié)力是指由分子引力引起的物體中相同組成的各部分傾向于粘結(jié)在一起的一種力。巖石的內(nèi)摩擦角是指巖石破壞時(shí)極限平衡剪切面上的正應(yīng)力和內(nèi)摩擦力形成的合力與該正應(yīng)力之間的夾角。,還有： 脹裂法 劈裂法,內(nèi)摩擦角概念,直接剪切試驗(yàn),旋轉(zhuǎn)組合,測(cè)力計(jì),1.常規(guī)應(yīng)力三軸試驗(yàn)方法 試件有四種：圓柱、圓筒、長(zhǎng)方體、正方體。常規(guī)三軸應(yīng)力試驗(yàn)是最為常用的一種三軸應(yīng)力試驗(yàn)方法。它是將圓柱形的巖樣置于一個(gè)高壓容器中， 首先用液壓 P使其四周處于

5、三 向均勻壓縮的應(yīng)力狀態(tài)下，然 后保持此壓力不變，對(duì)巖樣施 加軸向載荷，直到使其破壞。 壓縮試驗(yàn)施力方案： （ 1 2 = 3 = P ） 拉伸試驗(yàn)施力方案： （ 1 2 = 3 = P ）,三、復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度,2.三軸應(yīng)力下巖石的強(qiáng)度和變形的特點(diǎn),通常，巖石的總應(yīng)變量達(dá)到35時(shí)，就認(rèn)為其已開(kāi)始具有塑性性質(zhì)或已達(dá)到了脆-塑的轉(zhuǎn)變。 對(duì)于深井鉆井來(lái)說(shuō)，研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（或稱(chēng)臨界壓力）具有重要的實(shí)際意義。因?yàn)榇嘈云茐暮退苄云茐氖莾煞N具有本質(zhì)差別的破壞形式，需分別采用不同結(jié)構(gòu)的鉆頭類(lèi)型，采用不同的破碎方式（沖擊、壓碎、擠壓、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速及

6、水力參數(shù)等）的組合。 因此，確定各類(lèi)巖石的脆-塑性轉(zhuǎn)變的“臨界壓力”將為設(shè)計(jì)、選擇和合理使用鉆頭提供科學(xué)依據(jù)。,四、巖石的彈性 巖石的彈性常數(shù) 楊氏彈性模量 泊松比 剪切彈性模量 體積彈性模量 確定巖石彈性常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法很多，主要有 1.靜力法（靜載壓縮試驗(yàn)） 2.動(dòng)力法（聲波法）,前蘇聯(lián)學(xué)者史立涅爾分析了圓柱形的平底壓頭靜壓入巖石時(shí)在巖石中產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)并提出了確定巖石“硬度”（即抗壓入強(qiáng)度）和塑性性質(zhì)的一套方法。,“硬度”（即抗壓入強(qiáng)度）,硬度：巖石在靜止載荷下抗壓入的能力。,硬度的計(jì)算公式為： H=WS 式中 H 巖石硬度，MPa； W 垂直載荷，N； S 壓摸底面積，mm2。,五、巖石

7、的抗壓入破碎強(qiáng)度,石油鉆井中： 粘土、軟泥巖 多屬12級(jí) 泥巖、砂質(zhì)泥巖 多屬34級(jí) 泥灰?guī)r、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等 多屬36級(jí) 石灰?guī)r、砂巖 多為48級(jí) 石英巖、花崗巖、燧石等 9級(jí)以上,根據(jù)我國(guó)各油田石油鉆井中常遇到的地層，通過(guò)對(duì)大量巖樣進(jìn)行測(cè)定，可將巖石的硬度分為十級(jí)。,巖石的硬度和塑性系數(shù)通常用壓入試驗(yàn)來(lái)確定。圖2-6給出了巖石的壓入試驗(yàn)曲線的三種典型形狀。其縱坐標(biāo)為壓頭上所加載荷，橫坐標(biāo)為吃入深度（壓入深度）。,巖石產(chǎn)生塑性變形的原因是由于巖石內(nèi)部礦物及膠結(jié)物顆粒間的接觸面在外力作用下發(fā)生相對(duì)滑移所致。用塑性系數(shù)K表示.,一、巖石的研磨性 巖石磨損破巖工具的能力稱(chēng)為巖石的研磨性。,第二節(jié)

8、 巖石的研磨性與可鉆性 2 Abrasive property and drill ability of rock,研磨性磨損是由鉆頭工作刃與巖石相摩擦的過(guò)程中產(chǎn)生微切削、刻劃、擦痕等所造成的，屬表面磨損。 這種研磨性磨損除了與摩擦副材料的性質(zhì)（如化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)）有關(guān)外，還取決于摩擦的類(lèi)型和特點(diǎn)、摩擦表面的形狀和尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介質(zhì)等因素。顯然，這是個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。 研究方法：鉆磨法、磨削法、微鉆頭鉆進(jìn)法、摩擦磨損法。,史立涅爾等人用摩擦磨損法對(duì)各種巖石的研磨性進(jìn)行了比較詳盡的研究，得出了一些有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果。 摩擦磨損法即是確定一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓環(huán)在巖石表面上相互摩擦?xí)r的

9、磨損量， 以此作為度量巖石研磨性的指 標(biāo)。研磨性系數(shù)：,單位：cm3/mN,史立涅爾法,史立涅爾等分別以淬火鋼、硬質(zhì)合金為金屬摩擦介質(zhì)，對(duì)各種巖石進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明： 鹽巖、泥巖和一些碳酸鹽巖屬于研磨性最小的巖石； 其次應(yīng)為石灰?guī)r和白云巖等屬低研磨性的巖石； 火成巖的研磨性一般屬于中等或較高，要看這些巖石中所含長(zhǎng)石和石英成分的多少以及顆粒粒度和多晶礦物間的硬度差而定。含長(zhǎng)石及石英成分少，粒度細(xì)，礦物間的硬度差小的，研磨性也小些，反之則研磨性較高； 含有剛玉礦物成分的巖石應(yīng)屬于高研磨性的巖石； 沉積碎屑巖的研磨性主要視其石英顆粒的含量及其膠結(jié)強(qiáng)度而定，石英顆粒含量越多，粒度越粗，膠結(jié)強(qiáng)度越

10、大的巖石，其研磨性越高；反之，如果巖石中石英顆粒的含量少，顆粒細(xì)，膠結(jié)強(qiáng)度低，其研磨性則較低。,二、巖石的可鉆性 現(xiàn)代巖石可鉆性的概念： 在一定技術(shù)條件下鉆進(jìn)巖石的難易程度 鉆進(jìn)過(guò)程中抗破碎的強(qiáng)度 巖石的堅(jiān)固性在鉆孔方面的表現(xiàn) 都涉及鉆碎的對(duì)象、使用的工具、鉆碎的難易性 油氣鉆井工程中，可鉆性一般理解為地層巖石破碎的難易性，由此把巖石分為難鉆的和易鉆的。 在有些情況下，可鉆性可以確定巖石在井底抵抗鉆頭破碎的能力。 （受深度、溫度、壓力、流體等影響）,巖石的可鉆性是個(gè)多變量的函數(shù)，這些變量包含有天然的、工藝的和技術(shù)性的因素。因此，到目前為止，適合于油氣鉆井條件的巖石可鉆性問(wèn)題仍是個(gè)尚未徹底解決的

11、問(wèn)題。但對(duì)巖石可鉆性的正確評(píng)價(jià)又是確定最優(yōu)鉆井參數(shù)、選擇鉆頭類(lèi)型、預(yù)測(cè)鉆井效果以及規(guī)定鉆井工作定額時(shí)所必需的。 可鉆性直接與巖石的硬度有關(guān)，它可用巖石的硬度來(lái)表示。我國(guó)油田的地層相應(yīng)于牙輪鉆頭將巖石硬度分為七類(lèi)：極軟 JR，軟R，中軟 ZR，中等 Z，中硬 ZY，硬 Y，極硬 JY。 極軟 JR和R地層 也可用刮刀鉆頭鉆進(jìn) 極硬JY地層 也可用金剛石鉆頭鉆進(jìn) 牙輪鉆頭可用于這七種類(lèi)型，對(duì)應(yīng)地層選擇使用,可鉆性極值：Kd=log2td,一、鉆頭破碎巖石方式 目前鉆井所使用的鉆頭類(lèi)型很多，其破碎巖石的工作原理與方式有以下三種： 1）切削 利用軸向壓力使破碎工具吃入巖石， 隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，巖石在擠壓

12、下破碎，而后進(jìn)行切削，其方式類(lèi)似金屬切削。 2）沖壓 利用軸向載荷使巖石在沖擊和擠壓作用下達(dá)到破碎。 3）研磨 利用抗磨性好的材料，在一定壓力和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速下，對(duì)巖石進(jìn)行研磨破碎。,第三節(jié) 鉆頭破巖方式與鉆頭分類(lèi) 3 Classification of bits,其實(shí)，這三種破巖方式中，對(duì)巖石的作用形式主要是壓擠和切削。 實(shí)際上鉆頭在井內(nèi)破碎巖石鉆進(jìn)時(shí)，這三種破巖方式都有，只是根據(jù)巖石的強(qiáng)度和鉆頭類(lèi)型以某種破碎方式為主而已。 1）塑性巖石一般強(qiáng)度較小，鉆頭以切削破碎為主。 2）塑脆性和脆性巖石一般強(qiáng)度較高，以沖擊和壓擠破碎為主。 3）對(duì)強(qiáng)度和硬度都很大的巖石，則以研磨破碎為主。,鉆頭是鉆進(jìn)破碎巖

13、石的基本工具，鉆頭鉆進(jìn)效果的好壞，直接影響能否多快好省地鉆成油氣井。鉆頭破碎巖石效果的高低，主要用單只鉆頭的機(jī)械鉆速和進(jìn)尺兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。 機(jī)械鉆速純鉆進(jìn)單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)尺。 鉆頭進(jìn)尺鉆頭在井底工作從全新到完全磨損不能再用的全部時(shí)間內(nèi)所取得的進(jìn)尺。 機(jī)械鉆速、鉆頭進(jìn)尺之間的關(guān)系如下: Vm=H/t m/h 式中： Vm 一只鉆頭的平均機(jī)械鉆速，m/h； H 一只鉆頭的鉆頭進(jìn)尺，m； t 一只鉆頭的工作時(shí)間，h。 機(jī)械鉆速反映鉆頭破碎巖的效率，鉆頭進(jìn)尺反映鉆頭使用的耐久性。 要求：鉆頭鉆速高、進(jìn)尺多，也就是鉆井速度快，鉆井時(shí)間短，這樣也就降低了鉆井的成本。,二、鉆頭破巖方式與鉆頭分類(lèi),第四節(jié) 刮刀

14、鉆頭及其破巖原理 4 Drag bit,刮刀鉆頭為切削型鉆頭，適用于軟塑性巖層。這種鉆頭體上鑲焊有幾個(gè)刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐磨的硬質(zhì)合金材料，根據(jù)塑性巖石軟硬的特點(diǎn)，刮刀鉆頭有兩翼的（魚(yú)尾鉆頭）、三翼的和四翼的，最常用的為三翼刮刀鉆頭。,三翼刮刀鉆頭,刮刀鉆頭是旋轉(zhuǎn)鉆井中最早使用的一種鉆頭。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低，在泥巖和頁(yè)巖等松軟地層中使用可以得到很高的機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。 刮刀鉆頭因其承壓面積大，鉆頭刀刃磨損快，主要應(yīng)用在第四紀(jì)和第三紀(jì)軟塑性地層，遇硬地層或軟硬交錯(cuò)地層，鉆頭刀刃吃入巖石困難，急劇磨損，鉆進(jìn)效率很低。 我國(guó)在刮刀鉆頭的研制和使用上取得了突出的成果： 六十年代初期出

15、現(xiàn)了千米刮刀鉆頭 七十年代初期在不少油田創(chuàng)造了兩千米刮刀鉆頭 八十年代勝利油田用金剛石刮刀鉆頭單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)到313587m，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外刮刀鉆頭進(jìn)尺的最高記錄。,一、刮刀鉆頭刀翼的幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù) 1.刀翼結(jié)構(gòu)角 刀翼的結(jié)構(gòu)角包括：刃尖角、切削角 、刃前角 和刃后角 ，如圖27所示。,刃尖角：是刀翼尖端前后刃之間的夾角，它表示刀翼的尖銳程度。 從吃入巖石和提高鉆速方面來(lái)考慮，角應(yīng)越小越好，但因角過(guò)小時(shí)刀翼強(qiáng)度難以保證，所以確定角的原則一般是在保證刀翼有足夠強(qiáng)度的條件下，盡可能減小角。 角的確定原則：一般巖石軟時(shí)， 角可以稍小，平均角為10左右，甚至可小到89；巖石較硬， 角要適當(dāng)增大，平均

16、角為1215； 夾層多，井又較深時(shí)， 角應(yīng)適當(dāng)增大。,切削角：是刀翼前刃和水平面之間的夾角。 其它條件一定時(shí)， 角越大，吃人深度越深，但若 角過(guò)大，刃前巖石剪切破碎困難，鉆進(jìn)時(shí)的蹩勁大。 角的大小應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)來(lái)確定，一般軟地層角取小一些，硬地層角取大一些。 根據(jù)不同巖性， 角所取數(shù)值為： 松軟地層 = 70o 軟地層 70o80o 中硬地層 80o85o 刃前角、刃后角 刃前角 90 刃后角 - 刃后角必須大于井底角（和井眼軸線垂直的 平面與實(shí)際井底平面間的夾角 ），如果刃后 角小于井底角， 刀翼以正螺旋面吃入和切削地 層， 刀翼背部將直接和井底接觸，這將增加刀 翼承壓面，影響鉆速。,2.刀

17、翼幾何形狀 刀翼背部的合理幾何形狀應(yīng)滿足等強(qiáng)度條件。 鉆頭工作時(shí)，刀翼受力類(lèi)似一懸臂梁。根據(jù)理論分析，刀翼背部應(yīng)做成拋物線形狀，即刀翼的寬度一定(為鉆頭直徑的一半)，刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加應(yīng)逐漸增厚，呈拋物線形。,刀翼底部形狀：平底、正階梯、反階梯、反錐形。 平底刮刀鉆頭形成的井底只有一個(gè)裸露自由面，而階梯刮刀鉆頭（階梯數(shù)一般取兩階梯和三階梯）形成井底的自由面較多。因此，在功率一定的情況下，階梯刮刀鉆頭機(jī)械鉆速比平底刮刀鉆頭要快。,就階梯形刮刀鉆頭而言，正、反階梯刮刀鉆頭的實(shí)際鉆進(jìn)效果也是不同的。 正階梯 外緣的線速度大，易磨成錐形，鉆頭效率降低并引起鉆頭縮徑，容易造成卡鉆、蹩泵和井斜，

18、重新下鉆時(shí)必須進(jìn)行劃眼，不利于提高鉆速。 反階梯 該刮刀鉆頭雖然在一定程度上能夠解決縮徑問(wèn)題，但蹩鉆嚴(yán)重，有時(shí)甚至把“外階”蹩斷。 反錐形刮刀鉆頭 是根據(jù)反階梯的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的，不僅能較好地保持鉆頭直徑，而且由于錐形井底對(duì)鉆頭的扶正而具有防斜作用。,刀翼底刃的厚度b（圖27）要適當(dāng)，過(guò)薄，刃尖易折斷；過(guò)厚，增加承壓面積，影響吃人深度。從等磨損觀點(diǎn)考慮，底刃一般做成內(nèi)薄外厚。 刀翼長(zhǎng)度不要過(guò)長(zhǎng)，加長(zhǎng)刀翼 固然可以增加刀翼的可磨損量，從 而增加鉆頭進(jìn)尺，但刀翼過(guò)長(zhǎng)，水 眼至井底的距離增大，使射流對(duì)井 底的沖擊力減小，不利于清潔井底 和破碎地層。目前國(guó)內(nèi)各油田刀翼 的磨損長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為50-70mm，

19、如果正常磨損，可不必設(shè)計(jì)這么長(zhǎng)。,為提高刮刀鉆頭的耐磨性能，要在刀翼上焊硬質(zhì)合金材料，常用的硬質(zhì)合金是鎢鋼硬質(zhì)合金塊（俗稱(chēng)鎢鋼塊）和碳化鎢粉（俗稱(chēng)鎢鋼粉）。方法：在刀片的正面表鑲矩形硬質(zhì)合金塊再堆焊碳化鎢粉，形成硬表層以提高耐磨性；也可采用刨槽或鉆孔嵌鑲硬質(zhì)合金塊的方法，這種方法優(yōu)點(diǎn)是容易焊牢硬合金塊，缺點(diǎn)是使刀片增厚變鈍。 設(shè)計(jì)和制造刮刀鉆頭時(shí)，既要考慮到鉆頭有高的破碎效率，提高機(jī)械鉆速，又要考慮鉆頭具有一定的耐磨性，使鉆頭獲得較高的進(jìn)尺。因此，保證鉆頭在工作過(guò)程中各部分均勻磨損是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)一般選擇高強(qiáng)度 材質(zhì)作為刀翼材料，在刀翼側(cè)面、刀翼正面鑲裝 或平鋪硬質(zhì)合金及孕鑲金剛

20、石（或人造金剛石） 塊等方法來(lái)提高刮刀鉆頭的耐磨性。,二、刮刀鉆頭破碎巖石的基本原理 刮刀鉆頭刀翼在鉆壓W和扭轉(zhuǎn)力T的作用下，以正螺旋面吃人切削地層，井底平面與水平面成角。 設(shè)W力和T力的合力為R，R可分解為與剪切面垂直的分力N和與剪切面平行的分力 F，根據(jù)摩爾強(qiáng)度理論，如果忽略摩擦力，當(dāng) F力等于或大于剪切面 積與巖石抗剪極限強(qiáng)度乘積時(shí)，巖石 沿剪切面破碎如圖28所示。,刮刀鉆頭破碎塑性和塑脆性巖石時(shí)破碎特點(diǎn)是不同的。,1.塑性巖石 塑性巖石硬度小，刮刀鉆頭在鉆壓W的作用下容易吃入地層，刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力 T作用下不斷產(chǎn)生塑性流動(dòng)，如圖2-9 所示。由于破碎巖石是在力 W 和T的同時(shí)作用下，因

21、此吃入深度要比力W單獨(dú)作用時(shí)深得多。,圖2-9 破碎塑性巖石過(guò)程,2.塑脆性巖石 在力W和T的同時(shí)作用下，垂直壓強(qiáng)不必大于巖石硬度（大約為硬度的1/61/14即可）刀翼即可沿角切入巖石，使其產(chǎn)生體積破碎。 這主要是因?yàn)?，此時(shí)刃前巖石 的應(yīng)力狀態(tài)不同于刃底巖石的 應(yīng)力狀態(tài)，刀翼吃入深度與巖 石性質(zhì)及力 R的大小有關(guān)。,塑脆性巖石的破碎大體可分為碰撞、壓碎及小剪切、大剪切三個(gè)過(guò)程。 a.刃前巖石沿剪切面破碎后，T減小，刀翼向前推進(jìn)，碰撞刃前巖石，圖210（a）所示。 b.刀翼在扭力T作用下壓碎刃前的巖石，使其產(chǎn)生小剪切破碎，旋轉(zhuǎn)力增大，圖210（b）所示。 C.刀翼繼續(xù)擠壓刃前的巖石（部分被壓成粉

22、狀），當(dāng)扭力 T增大到極限值時(shí)，巖石沿剪切面產(chǎn)生大剪切破碎，然后扭力又突然變小，圖210（C）所示。,粉,第五節(jié) 牙輪鉆頭及其破巖原理 5 Cone bit,牙輪鉆頭是石油鉆井中使用最多、適應(yīng)性最強(qiáng)的鉆頭。按鉆頭上牙輪的個(gè)數(shù)可將牙輪鉆頭分為單牙輪鉆頭、兩牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭和四牙輪鉆頭，其中使用最多的是三牙輪鉆頭。,牙輪是一個(gè)其上裝有牙齒的錐體。,牙輪鉆頭在井底工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。 三牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)，決定牙輪與牙齒的運(yùn)動(dòng)，也就直接決定牙齒對(duì)地層巖石的破碎作用。因此，在了解鉆頭破碎巖石的工作原理 之前，首先應(yīng)了解鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)。,1、鉆頭的公轉(zhuǎn) 鉆頭繞自身軸線作順時(shí)針

23、方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)叫公轉(zhuǎn)。 鉆頭公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速就是轉(zhuǎn)盤(pán)或井下動(dòng)力鉆具的旋轉(zhuǎn)速度。鉆頭公轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪也繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)，牙輪上各排牙齒繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的線速度不同，外排齒的線速度最大。,2、鉆頭的自轉(zhuǎn) 鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪繞牙掌軸線作反時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)稱(chēng)自轉(zhuǎn)。 牙輪的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，并與牙齒對(duì)井底的作用有關(guān)。在理想的純滾動(dòng)條件下， 即牙齒與巖石間無(wú)滑動(dòng)時(shí)， 牙輪自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速比鉆頭公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速快得多（大約是 1.5倍左右）。 牙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是巖石對(duì)牙齒的吃人破碎作用產(chǎn)生阻力作用的結(jié)果。,3、鉆頭的縱振（軸向振動(dòng)） 鉆頭工作時(shí)，牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交替進(jìn)行地。單齒著地時(shí)，牙輪的輪心處于最高位置，雙齒著地時(shí)則輪

24、心下降。牙輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，輪心位置不斷上下變換，使鉆頭沿軸向作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即為鉆頭的軸向振動(dòng).,4、牙輪的滑動(dòng) 破碎不同類(lèi)型巖石，對(duì)鉆頭要求不同的滑動(dòng)量，可通過(guò)設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)采用不同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)獲得。 一般情況下，軟地層鉆頭應(yīng)具有較大的滑動(dòng)量，硬地層鉆頭應(yīng)盡量減少或不產(chǎn)生滑動(dòng)，避免牙齒早期損壞。 但是，由于鉆頭工作時(shí)，牙輪與牙掌軸頸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)總是存在摩擦阻力等原因，即使設(shè)計(jì)的是純滾動(dòng)鉆頭，實(shí)際鉆進(jìn)中仍然存在著滑動(dòng)。,鉆頭的自轉(zhuǎn) 鉆頭的公轉(zhuǎn) 鉆頭的縱振 牙輪的滑動(dòng) 整個(gè)鉆頭向下的運(yùn)動(dòng),2.鉆頭的沖擊和壓碎作用 鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭上承受的鉆壓經(jīng)牙輪作用在巖石上。除此靜載以外還有一沖擊載荷，這是由于鉆頭的縱

25、向振動(dòng)產(chǎn)生的。,3.牙齒對(duì)地層的剪切作用 為了提高牙輪鉆頭對(duì)中硬和軟巖層的破碎效率，除了要求牙齒對(duì)井底巖石有壓碎、沖擊作用外，還要求有一定的剪切作用。剪切作用主要是通過(guò)牙輪在井底滾動(dòng)的同時(shí)還產(chǎn)生輪齒對(duì)井底巖石的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 產(chǎn)生滑動(dòng)的主要因素有三個(gè)，即超頂、復(fù)錐和移軸。當(dāng)牙輪錐頂不與鉆頭軸線重合時(shí)就有滑動(dòng)產(chǎn)生。,從破碎巖石角度考慮，硬地層用單錐牙輪，使牙輪在井底為純滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)；軟到中硬地層用復(fù)錐牙輪，使牙輪產(chǎn)生切向滑動(dòng)以利破碎巖石。復(fù)錐牙輪還可增大牙輪的體積，有時(shí)為了加大軸承尺寸也使用復(fù)錐牙輪。,復(fù)錐：牙輪由兩個(gè)或兩 上以上不同錐度的錐體組 成，不同錐體錐頂不一致， 造成滑動(dòng)。 超項(xiàng)：牙輪

26、的錐頂超過(guò)了鉆頭中心線叫做超頂，錐頂超過(guò)鉆頭中心線愈大，滑動(dòng)量愈大。 移軸：移軸是將牙輪軸線方向水平移一定距離，牙輪軸線不與鉆頭中心相交于一點(diǎn)，而三個(gè)牙輪軸線在鉆頭中央相交成一個(gè)三角形。三角形愈大，移軸愈大，滑動(dòng)愈大。,牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)組成 鉆頭體 牙掌 牙輪 軸承 鎖緊元件 儲(chǔ)油密封 噴嘴,牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖,1.牙輪鉆頭的基本參數(shù) 對(duì)于不同巖性的地層，鉆頭應(yīng)能夠以最適合的破碎方式鉆進(jìn)，在設(shè)計(jì)制造鉆頭時(shí)要選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 （1）鉆頭直徑 三牙輪鉆頭直徑的確定應(yīng)從鉆井工作的發(fā)展及油田實(shí)際情況出發(fā)，以最小的尺寸系列來(lái)滿足鉆井工作需要。鉆頭尺寸與井身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，所以它應(yīng)與套管的尺寸系列相互適應(yīng)。

27、,（2）牙輪軸線偏移值 為了使牙輪產(chǎn)生滑動(dòng)，常使牙輪軸線沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平移一段距離或使牙輪軸相對(duì)于鉆頭徑向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度。 牙輪軸線的偏移值應(yīng)據(jù)巖層的特性來(lái)定。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)低硬度、高塑性的巖層，偏移值要大；對(duì)高硬度低塑性的巖層，偏移值則要??；對(duì)于研磨性的硬地層和極硬地層，鉆頭偏移值應(yīng)為零。,（3）牙輪軸線與鉆頭軸線夾角 牙輪軸線與鉆頭軸線夾角如圖215所示。角的大小影響到給予牙輪的空間體積大小和軸承受力狀況。角增大時(shí)，相鄰兩牙輪的夾角也增加，因而牙輪體積可加大；角減小則相反.一般角為51o59o，軟地層鉆頭角較大，硬地層鉆頭角較小。,（4）牙輪的形狀與布置 牙輪的幾何形狀應(yīng)能在有限的空間內(nèi)盡量加

28、大牙輪的體積，加大軸承的尺寸，使軸承有較大的工作能力，并保證輪殼有足夠的厚度以免斷裂。同時(shí)在牙輪的外表面也可以布置更多的牙齒，以延長(zhǎng)切削部分的使用壽命。,牙輪的幾何形狀尺寸：見(jiàn)圖 決定牙輪布置的主要參數(shù)： 偏移值 s、超頂距 c、角和 2角。,1）牙輪軸線、主錐母線交于鉆頭中心線，主錐不超頂 牙輪在井底的運(yùn)動(dòng)屬于純滾動(dòng)，無(wú)滑動(dòng)，牙輪的齒圈不與相鄰牙輪齒圈相嚙合，確定齒寬時(shí)不受相鄰牙輪齒圈的限制，但各牙輪間要保持一定的間隙，牙輪的尺寸必須適當(dāng)縮小，因 而牙輪體積較小，這種布置 方案適合于硬地層鉆頭。,純滾動(dòng)牙輪,2）牙輪軸線交于鉆頭軸線，但主錐超頂。 由于超頂可使各牙輪牙齒互相嚙合，因而牙輪可以

29、自洗，它有助于消除泥包現(xiàn)象。 這種布置的牙輪在井底有滑動(dòng) （切向滑動(dòng)）時(shí)，由于相鄰牙輪齒 圈之間有間隙，所以會(huì)形成井底環(huán) 狀突起，但在鉆進(jìn)軟地層時(shí)影響不 大。這種布置方案適于軟及中硬地 層鉆頭。,3）牙輪軸線偏移，牙輪可自洗。 由于移軸可使牙輪產(chǎn) 生軸向滑動(dòng)，使井底不留 環(huán)狀突起，故可以消除方 案二的缺點(diǎn)，它適合于軟 及中硬地層的鉆頭。,（5）牙輪上牙齒的布置 牙齒在牙輪上的排列布置直接影響鉆頭的鉆進(jìn)效率，因此是非常重要的。布齒原則： l ）在鉆頭每轉(zhuǎn)一周中，牙齒應(yīng)全部破碎井底。 2）牙輪在重復(fù)滾動(dòng)時(shí)應(yīng)使牙齒不致落入別的齒已破碎的舊坑內(nèi)。 3）各牙輪齒圈上的牙齒數(shù)應(yīng)使每 齒均勻地承擔(dān)破碎井底巖

30、石的任務(wù)， 因此外圈齒數(shù)應(yīng)多些，內(nèi)圈齒數(shù)可少 些。,2.牙輪鉆頭的牙齒 牙齒是牙輪鉆頭破碎巖石的主要元件，對(duì)于牙齒的基本要求是破巖效率高，壽命長(zhǎng)。 要滿足這兩點(diǎn)，必須從兩方面著手： 1）、牙齒的幾何形狀要合理。 2）、齒的材料要耐磨并有足夠的強(qiáng)度。 目前牙輪鉆頭的牙齒有銑齒（也稱(chēng)鋼齒）和硬質(zhì)合金齒（簡(jiǎn)稱(chēng)鑲齒）兩大類(lèi)。,牙輪鉆頭牙齒磨損分級(jí)： 鋼齒的磨損分級(jí)。以齒磨去的高度與新齒高度之比作為定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，共分四級(jí)：,鑲齒的磨損分級(jí)。用牙輪上斷、掉的齒數(shù)與該牙輪總齒數(shù)之比作為評(píng)定鉆頭的磨損標(biāo)準(zhǔn)。,3.牙輪鉆頭的軸承,牙輪鉆頭的軸承有：滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩種。,a. 滑動(dòng)-滾珠-滑動(dòng) b. 滑動(dòng)-滑動(dòng)-

31、滑動(dòng),a.滾柱-滾珠-滑動(dòng) b.滾柱-滾珠-滾柱,4.鉆頭水眼 鉆頭水眼是在鉆頭體的適當(dāng)位置開(kāi)出的孔道，與鉆頭體內(nèi)腔流道相連通，構(gòu)成了鉆井液由鉆桿內(nèi)部進(jìn)入井底的通路。 普通（非噴射式）鉆頭的水眼，僅是在鉆頭體的適當(dāng)位置開(kāi)孔并焊上水眼套。 適合噴射鉆井需要的鉆頭則在水眼處安裝硬質(zhì)合金噴嘴，且對(duì)水眼有關(guān)的鉆頭結(jié)構(gòu)有特殊的要求，即： a. 鉆頭體內(nèi)腔流道應(yīng)使鉆井液流動(dòng)時(shí)阻力最小. b. 噴嘴形狀應(yīng)有較好的射流特性(流量系數(shù)大、等速核長(zhǎng)). c. 可以根據(jù)水力設(shè)計(jì)要求，方便地選用和更換噴嘴. d. 水眼的布置（噴射方向、水眼位置的高低、數(shù)量 等）要有利于清除巖屑。,噴嘴結(jié)構(gòu)主要包括噴嘴的流道形狀、噴嘴

32、高度和噴嘴直徑。,噴嘴進(jìn)口形狀不同，其流量系數(shù)C也是不一樣的。為了提高射流的沖擊效果，要求 小、 L0長(zhǎng) 、C值大。顯然，流線形和等變速型噴嘴為最好。,常用的噴嘴外形結(jié)構(gòu)有標(biāo)準(zhǔn)型和保護(hù)蓋型兩種。,標(biāo)準(zhǔn)噴嘴 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低。沒(méi)有凸臺(tái)保護(hù)鎖緊擋圈，裝卸使用方便。常用于低研磨性軟地層鋼齒鉆頭。 保護(hù)蓋型噴嘴 頂部有凸臺(tái)保護(hù)，可減少鉆井液中研磨性物質(zhì)對(duì)鎖緊擋圈的沖蝕作用。所有滑動(dòng)軸承鉆頭均采用保護(hù)蓋噴嘴，它可在井下高壓噴射的條件下長(zhǎng)時(shí)間工作，安全可靠。,（1）長(zhǎng)噴嘴： 普通噴嘴安裝在牙掌體的水孔座上，其出口離井底一般為110140mm。液體射流離井底越近，沖擊力越大。 長(zhǎng)噴嘴可使液流出口接近井

33、底，達(dá)到最大沖擊力。 現(xiàn)場(chǎng)使用效果表明：采用長(zhǎng)噴嘴鉆頭機(jī)械鉆速可提高 30%50%。,（2）中長(zhǎng)噴嘴： 中長(zhǎng)噴嘴又稱(chēng)半加長(zhǎng)或微加長(zhǎng)噴嘴。它比常規(guī)噴嘴加長(zhǎng)了約 38mm。 這種噴嘴較之長(zhǎng)噴嘴，制造工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。,（3）中心噴嘴： 在長(zhǎng)噴嘴鉆頭中心增加一個(gè)擴(kuò)散型中心水眼以清洗牙輪牙齒，防止鉆頭泥包，可以提高機(jī)械鉆速。,中心單噴嘴水眼鉆頭 只在鉆頭中心設(shè)置一個(gè)噴嘴，并離井底很近。射流沖擊井底中心后，向四周散射然后上返，上、下液流互不干擾，避免了由三個(gè)噴嘴產(chǎn)生的三股向下沖刺的液流與井底上返的液流互相干擾，造成井底流場(chǎng)紊亂，巖石難于順利上返的局面，而有效的提高機(jī)械鉆速。,（4）反噴嘴：其主要特點(diǎn)是

34、三個(gè)噴嘴中的兩個(gè)噴嘴加長(zhǎng)并向下，第三個(gè)則反向朝上，稱(chēng)反噴嘴。,近年來(lái)，隨著高效能?chē)娮斓拈_(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為提高鉆井速度帶來(lái)了明顯的效果。 如“加長(zhǎng)噴嘴”加強(qiáng)了等速核對(duì)井底的有效作用， “空化射流噴嘴”通過(guò)產(chǎn)生脈沖射流提高射流破巖能力等。,振蕩脈沖射流噴嘴,1、牙輪卡死 2、掉牙輪和斷巴掌 3、鉆頭牙齒磨光 4、軸承嚴(yán)重磨損或松動(dòng) 5、鉆頭“泥包” 6、巖性變化造成蹩跳鉆 7、鉆頭牙齒的不正常磨損,1、牙輪卡死 2、掉牙輪和斷巴掌 3、鉆頭牙齒磨光脫落 4、軸承嚴(yán)重磨損或松動(dòng) 5、鉆頭“泥包” 6、巖性變化造成蹩跳鉆 7、鉆頭牙齒的不正常磨損,第六節(jié) 金剛石鉆頭及其破巖原理 6、Diamond bit

35、,金剛石鉆頭是以鋒利、耐磨和能夠自銳的天然金剛石或人造金剛石為切削齒，在低鉆壓下即可獲得較高的鉆速和鉆頭進(jìn)尺，是石油鉆井中廣泛使用的一種高效鉆頭。,a.按金剛石來(lái)源 天然金剛石鉆頭 （ND鉆頭） 人造聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（PDC鉆頭） 熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（TSP鉆頭） b.按功用 取心鉆頭 全面鉆進(jìn)鉆頭 c.按鑲嵌方式 表鑲鉆頭 孕鑲鉆頭 d.按鉆井方式 轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井鉆頭 渦輪鉆井鉆頭 e.按鉆頭體 剛體鉆頭 胎體鉆頭,金剛石鉆頭制作與應(yīng)用過(guò)程,1.1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),2、鉆頭加工,3、過(guò)程檢驗(yàn),1.2、原材料檢驗(yàn),4、出廠檢驗(yàn),5、現(xiàn)場(chǎng)使用,（1）、鋼 體 鋼體上部車(chē)有螺紋連接鉆具，下部與胎體

36、燒結(jié)在一起。 （2）胎體 胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的易熔金屬作粘合劑，壓制燒結(jié)面而成。,（3）切削刃 金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石顆粒鑲裝在胎體上的形式有表鑲式、孕鑲式和表孕鑲式三種。,是把金剛石顆粒只鑲在胎體表面上層，其顆粒較大，一般為0.51.5?？死?，出刃高度為金剛石顆粒直徑的 13l4，但棱 角不宜尖銳，以免 鉆進(jìn)中崩裂。,是把金剛石顆粒均勻分布在鉆頭工作面胎體金屬的一定厚度層內(nèi)，隨胎體的磨損，金剛石顆粒不斷露出而不斷磨削巖石，并不斷自銳，不斷磨損，直到金剛石磨完為止。 孕鑲用金剛石顆粒是細(xì)顆粒，粒度為20200粒/克拉，棱角越大越好，孕鑲層的厚度為212 mm。,鑲裝

37、方法是在表鑲式鉆頭工作面上薄弱部分的胎體內(nèi)，孕鑲一層金剛石。這種鉆頭不僅破碎效果好，而且使用壽命長(zhǎng)。,金剛石在鉆頭工作面上排列的方式目前常見(jiàn)有交錯(cuò)排列法、圓周排列法和脊圈排列法三種，這三種排列方式分別適應(yīng)于軟到中硬地層、硬地層和堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)。,交錯(cuò)排列法,以點(diǎn)孔方式單獨(dú)布置在不同圓上，其優(yōu)點(diǎn)是金剛石分布均勻，在切削齒充分覆蓋井底的前提下，能提供良好的冷卻和充分的清洗。這是目前采用最多的一種方式，用于中到中硬地層鉆井的鉆頭。,圓周排列法,是將金剛石顆粒沿不同的同心圓以點(diǎn)孔方式排列。這種布齒方式其切削齒的密度較高，適用于鉆進(jìn)硬地層的鉆頭。,脊圈排列法,是將金剛石按不同的同心圓排列布置在一排排圓形凹

38、槽中，燒結(jié)后形成脊圈，這種布齒方式增加了對(duì)切削齒的支撐和保護(hù)，提高了切削齒的緊固度、抗沖擊性及耐磨性，同時(shí)，這種方式還利于巖屑排除，常用于鉆進(jìn)堅(jiān)硬地層的鉆頭。,水眼和水槽的布置原則 1.保證供給鉆頭工作面足夠的水力能量， 2.能清除巖屑， 3.冷卻和潤(rùn)滑鉆頭上的金剛石。,（4）水眼與水槽 金剛石鉆頭的水眼與水槽是構(gòu)成鉆頭水動(dòng)力的通道。,金剛石鉆頭工作面上的水槽布置根據(jù)所適應(yīng)的鉆進(jìn)地層及金剛石工作面來(lái)確定。 用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于其工作面小，金剛石顆粒粗而稀，鉆進(jìn)時(shí)鉆速快，巖屑多而粗，因此水槽應(yīng)寬而少。 而對(duì)于硬和堅(jiān)硬地層，由于鉆頭工作面大、金剛石顆粒細(xì)而密，且出刃低，鉆壓大，水槽則

39、應(yīng)多、密、窄。,金剛石鉆頭的水槽結(jié)構(gòu)大體可分為： 憋壓式 幅射形式 幅射形憋壓式 螺旋形式,當(dāng)鉆某些硬地層時(shí)，鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓人巖石使下面的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)，呈現(xiàn)塑性，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下產(chǎn)生切削作用，破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃人巖石的位移體積。,2.金剛石鉆頭破巖原理,如在一些脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力可使巖石沿最大剪切面產(chǎn)生裂縫，這種情況下巖石破碎的體積遠(yuǎn)大于金剛石吃人后位移的體積，脆性較大的巖石其破碎深度可達(dá)金剛石壓人深度的2-5倍。,金剛石破碎巖石的效果，除與巖石性能有關(guān)外，還與井筒和地層孔隙流體的壓差的大小、鉆壓大小及金剛石的幾何

40、形狀、粒度和出露量有關(guān)系。,3、保 徑 方 式,金剛石鉆頭常用的保徑方式有： 拉槽式 平鑲式 組合式,一、常規(guī)金剛石鉆頭 （適用于硬地層）,二、PDC鉆頭 （Polycrystalline diamond compact） （適用于軟-中硬地層）,金剛石鉆頭,它是用聚晶金剛石（薄圓片狀）做成小型切削塊鑲裝或燒結(jié)到鉆頭體上而形成的。 PDC鉆頭適于鉆軟到中硬地層，單位進(jìn)尺成本低。它自70年代出現(xiàn)以來(lái)，已逐漸取代了金剛石鉆頭而廣泛應(yīng)用于石油鉆井。,1PDC鉆頭結(jié)構(gòu) PDC鉆頭為一整體式鉆頭，整個(gè)鉆頭沒(méi)有活動(dòng)零部件，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，大致由鉆頭基體、鉆頭切削齒、噴嘴及排屑槽等幾部分組成。,基體,切削齒,噴嘴,排屑槽,（1）鉆頭基體 按鉆頭體材料及制造方法，PDC鉆頭可分為鋼體PDC鉆頭和碳化鎢胎體PDC鉆頭。 鋼體式PDC鉆頭的表面不耐沖濁，規(guī)徑易于磨小，而胎體式鉆頭的碳化鎢合金耐沖蝕、耐磨損，允許使用較高的鉆頭壓力降、含砂量