第三章 钻进工艺（2）.ppt

现在的钻井方法，主要是用机械方法破碎岩石，即破碎岩石的工具就称为钻头。钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具，它直接影响着钻井速度，钻井质量和钻井成本。如果能用少量钻头迅速钻完一口井，那将会使整个钻进过程中，起下钻次数减少、建井速度加快、钻井成本降低。因此，选择破碎效率高、坚固耐用的钻头，以及使用好钻头，就具有特别重要的意义。,第三节钻头,第三章钻进工艺,一、钻头类型,1、刮刀钻头刮刀钻头结构简单，制造方便。组成刀翼（平底、正或反阶梯形等）、水眼（喷咀）刀翼－35CrMO合金钢提高耐磨性在刀翼上焊接硬质合金（碳化钨）粉或片。,第三节钻头,第三章钻进工艺,适用于松软一软的地层，例如在泥岩、页岩和泥质胶结的砂岩等地层，可以取得很高的机械钻速和钻头进尺。但是在硬而研磨性高的地层中钻进，刀片吃入困难，钻头磨损快，机械钻速低，有时还出现蹩跳现象，对钻具和设备寿命有一定影响。参数配合增加转速，适当钻压，提高排量。,第三节钻头,第三章钻进工艺,破岩特点刀翼和井底的接触面积大，比压低。,2、牙轮钻头（有活动元件，有公转与自转运动）牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。特点旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用；牙齿与井底的接触面积小，比压高；工作扭矩小。使用范围牙轮钻头能适用于多种性质的岩石,第三节钻头,第三章钻进工艺,三牙轮钻头结构牙轮（带牙齿的锥体－破岩）轴承密封牙齿本体牙爪（巴掌）下带牙轮轴喷咀（水眼）接头,第三节钻头,第三章钻进工艺,铣齿钻头,硬质合金,牙轮钻头的轴承,结构三副承受径向载荷的轴承滚柱－滚珠－滑动滚柱－滚珠－滚柱轴承的储油润滑和密封工作条件承受压和冲击载荷磨损泥浆中的杂质、液体介质的性质对轴承的磨损影响较大。,第三节钻头,第三章钻进工艺,牙轮钻头结构参数,主锥、副锥（复锥）移轴超顶增加滑动量,第三节钻头,第三章钻进工艺,分类铣齿（也称钢齿）和镶齿（也称硬质合金齿）二大类。铣齿牙轮钻头的牙齿均为楔形齿，由牙轮毛胚直接铣削加工而成。齿上敷焊硬质合金粉。,,第三节钻头,第三章钻进工艺,保径齿（外排齿）,镶齿的硬度和抗磨性比铣齿高，寿命比铣齿长。,第三节钻头,第三章钻进工艺,适应不同地层,3、金刚石钻头以金刚石做工作刃的钻头称为金刚石钻头。分为天然和人造金刚石为最硬的材料，金刚石为碳的结晶体，晶体结构正四面体，C－C以共价键相连结构稳定，晶形立方体、八面及十二面体等。缺点脆性大、热稳定性差。计量单位克拉（1克拉＝0.2g）人造金刚石由石墨和触媒金属在1000℃～2000℃的温度及5～10MPa条件下制成单晶金刚石。,第三节钻头,第三章钻进工艺,金刚石钻头品种主要有1940年天然金刚石钻头1978年PDC钻头（聚晶金刚石复合片钻头）1983年巴拉斯钻头（Ballaset，热稳定聚晶金刚石钻头）1985年马赛克钻头（Mosaic钻头）1987年大复合片PDC钻头,第三节钻头,第三章钻进工艺,使用最初只用在极硬地层和研磨性大的地层。目前人造金刚石钻头不断改进，扩大了应用地层的范围。（成本高）金刚石钻头能在低钻压、高转数下取得高钻速和高进尺。,第三节钻头,第三章钻进工艺,天然金刚石钻头用得较少，主要用聚晶金刚石钻头,（1）金刚石钻头的结构切削元件胎体（硬质合金粉烧结）钢体接头喷嘴（或水眼）特点一体式、无活动部件。,,第三节钻头,第三章钻进工艺,（2）钻头切削元件金刚石钻头有四种基本的切削元件。聚晶金刚石复合片PDC钻头及大复合片钻头的切削元件。,第三节钻头,第三章钻进工艺,1/2in---1in、11/2in、2in,上为聚晶层采用钴为粘结剂烧结下为硬质合金（焊结而成）硬质合金具有抗冲击性,粒度1～100μm厚度（0.6～0.635mm）,聚晶金刚石复合片是在16OO℃，6～8万大气压的压力下由六面顶及双面顶压机一次烧结出来的复合材料。复合片上部为聚晶金刚石薄层（0.6～0.635mm）是切削元件锋锐的刃口，硬度及耐磨性极高，但抗冲击韧性差。下部为碳化钨基片，其耐磨性仅为金刚石聚晶层的1/100，所以在钻井过程中易于形成“自锐”，同时其抗冲击性好，为金刚石层提供良好的弹性依托。,第三节钻头,第三章钻进工艺,适用中软地层（钻进时产生的磨擦热不大）,热稳定聚晶块（TSP钻头）巴拉斯钻头切削元件热稳定聚晶块是在复合片的基础上发展起来的新材料。,第三节钻头,第三章钻进工艺,适应较广地层。,采用化学方式使钴和金刚石之间形成C-C连接,马赛克切削块由热稳定聚晶块拼合成复合片的尺寸，然后以持殊工艺烧结于钻头胎体上。它既有热稳定聚晶块的耐高温性质，又同时兼具复合片的切削能力。,第三节钻头,第三章钻进工艺,天然金刚石天然金刚石钻头的切削元件金刚石钻头使用的金刚石分为五种优级（P）、标准级（R）、特优级（SP）、立方体钻石、黑钻石。,天然金刚石钻头,第三节钻头,第三章钻进工艺,适应于破碎型地层,金刚石钻头水力结构要点,第三节钻头,第三章钻进工艺,要求钻头上的水道设计合理，达到良好的冷却效果。,热稳定性差“烧毁”,4、其他钻头（1）取心钻头取心钻头是钻出岩心的工具，它的切削刃分布在同一个园心的环形面积上，对岩石进行环形破碎，形成岩心。使用最多的是金刚石取心钻头。,取心钻头,第三节钻头,第三章钻进工艺,5.下一代钻头,第三节钻头,第三章钻进工艺,带有光纤传输系统的激光机械式三牙轮旋转钻头,5.下一代钻头,第三节钻头,第三章钻进工艺,激光机械式三牙轮钻头横截面,5.下一代钻头,第三节钻头,第三章钻进工艺,装备有激光机械的切屑齿钻头（cutterbit）,1、刮刀钻头的破岩机理刀翼受力垂直向下力（钻压）、扭矩力（旋转）产生向下的垂直运动和水平的旋转运动。运动轨迹点螺旋线，刀翼螺旋面刀翼以螺旋面吃入地层井底面与水平面形成一定角度。P和T的合力R可分解为与剪切面平行和垂直的分力。,二、破岩机理,第三节钻头,第三章钻进工艺,1、牙轮钻头的破岩机理（1）冲击、压碎作用钻头在井底工作时，钻头及其牙轮绕钻头轴线旋转（亦称“公转”－顺时针）。由于地层对牙齿的阻力，也使牙轮同时绕其自身轴线旋转（亦称“自转”－反时针）。牙轮在旋转时，牙齿交替以单双齿轮流接触井底。,第三节钻头,第三章钻进工艺,井底钻头在钻压、转速下破碎岩石，它的运动状态和受力状态是一个复杂的问题。复合运动及螺旋轨迹。,地层、钻头视为刚体分析,牙轮以单齿接触井底时，牙轮中心在0位置；双齿着地时，轮心降低到01；单齿再次接触井底，轮心又升高到0位置。如此反复运动，牙轮轴心高度周期性的升高，降低，使钻头产生纵向振动，振幅是轴心的垂直位移h。,第三节钻头,第三章钻进工艺,牙轮钻头在井底破岩时，牙齿作用在岩石上的力，不仅有钻压产生的静载荷，还有因纵向振动而使牙齿以很高速度冲向岩石所产生的动载荷，前者使牙齿压碎岩石，称为压碎作用；后者使牙齿冲击破碎岩石，称为冲击作用。,与牙轮尺寸、齿数及齿高等有关,轴承、牙齿易磨损破坏,（2）剪切作用在软和中硬地层中，除了要求牙齿对井底岩石有压碎、冲击作用外，还要有剪切刮挤的作用才能有效地破碎岩石，剪切刮挤作用来自牙轮在井底的滑动。具有超顶、复锥、移轴等结构的牙轮钻头，可使牙轮在井底产生滑动。,第三节钻头,第三章钻进工艺,单锥超顶滑动示意图,第三节钻头,第三章钻进工艺,假定牙轮光滑圆锥井底、牙轮刚体,2、金刚石钻头的破岩机理1天然金刚石钻头破岩方式当钻硬地层时金刚石在钻压作用下吃入岩石岩石处于极高的应力状态呈塑性同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用。破碎岩石的体积大体远大于金刚石吃入岩石的体积。,金刚石破岩特点,第三节钻头,第三章钻进工艺,（2）PDC钻头破岩方式钻头是在钻压和高速旋转下挤压（在井下环境中岩石具有一定的弹性和塑性）和切削岩石。整个切削过程，与金属切削过程很相似，其破岩机理类同于刮刀钻头。,PDC钻头破岩特点,第三节钻头,第三章钻进工艺,PDC钻头的破岩机理可概括为PDC钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。由此可以看出，PDC钻头充分利用了岩石抗剪强度较低的特点，同时不存在类似于牙轮钻头破岩时因压差引起的重复切削问题，因此，破岩效率比普通刮刀钻头及牙轮钻头要高。,第三节钻头,第三章钻进工艺,1、国产三牙轮钻头系列标准国产牙轮钻头型号表示方法见图4-21。,三、钻头系列标准,第三节钻头,第三章钻进工艺,,,,,形式代号，由表4-14规定的数字表示,系列名称代号，用表4-12规定的字表示,钻头直径，用数字表示,,,,215.9（81/2）XHP2表示用于软地层、直径215.9mm、镶齿滑动轴承钻头,国产三牙轮钻头系列,第三节钻头,第三章钻进工艺,第三节钻头,第三章钻进工艺,2、国际钻井承包商协会钻头统一编号牙轮钻头的类型和结构比较繁杂，各厂家生产的钻头虽各有代号，但大都采用国际钻井承包商协会IADC牙轮钻头编号，以便识别和选用。,第三节钻头,第三章钻进工艺,IADC钻头编码用三位数字代表第一位数字表示牙齿特征及所适用地层1─铣齿，软地层（低抗压强度；高可钻性）2─铣齿，中到中硬地层（高抗压强度）3─铣齿，硬地层（中等研磨性）4─镶齿，软地层（低抗压强度和高可钻性5─镶齿，软到中硬地层（低抗压强度）6─镶齿，中硬地层（高抗压强度）7─镶齿，硬地层（中等研磨性）8─镶齿，极硬地层（高研磨性）,第三节钻头,第三章钻进工艺,第二位数字表示所钻地层再由软到硬分为四个等级。第三位数字表示钻头结构特征,1─标准型滚动轴承2─用空气清洗和冷却的滚动轴承3─滚动轴承保径钻头4─密封滚动轴承5─密封滚动轴承保径齿6─密封滑动轴承7─密封滑动轴承及保径齿8─定向井钻头9─其他,第三节钻头,第三章钻进工艺,例1321第一位数字3表示钢齿、硬地层；第二位数字表示硬地层2级；第三位数字1表示标准轴承。例2817第一位数字8表示镶齿、极硬地层；第二位数字1表示极硬地层1级；第三位数字表示滑动轴承、保径齿。,第三节钻头,第三章钻进工艺,3、金刚石钻头金刚石钻头目前还没有统一的系列标准，一般均为各生产厂家只有系列标准。以川石.克里斯坦森公司为例，其金刚石钻头系列见表4-13。,第三节钻头,第三章钻进工艺,1、选择钻头时考虑的因素1研磨性地层的选择。最好选用镶齿钻头。2浅井段与深井段钻头类型的选择。在浅井段应选用机械钻速较高的钻头类型，深井段应考虑使用寿命长的钻头。3深部软地层的选型。用低固相优质轻钻井液，选择中硬地层钻头类型，往往效果较好。“橡皮地层”（经验）4易井斜地层的选型。应选用不移轴或移轴量很小且比地层岩石性能较软类型的钻头提高钻速（经验）。5软硬交错地层的选型。一般应选择镶齿钻头中加高楔形齿或加高锥球齿。钻进软地层时可提高转速降低钻压，在硬地层井段应提高钻压降低转速。,四、钻头选择,第三节钻头,第三章钻进工艺,2、按钻头产品目录选择钻头类型牙轮钻头,第三节钻头,第三章钻进工艺,例某井井深4000m，石灰岩地层，试选用国产三牙轮钻头类型。根据国产三牙轮钻头产品目录，适合一般石灰岩地层的钻头类型有3型和4型。考虑到井深较大，建议选用4型国产三牙轮钻头。,金刚石钻头价格高昂，要取得良好的经济效益，关键在于根据地层岩性（硬度、研磨性、硬夹层的多少及分布）及井队的装备条件（钻机及钻井液的工作能力、是否配备井下动力钻具筹），准确选用对号的金刚石钻头。金刚石钻头的选用可参考下表4-14。,第三节钻头,第三章钻进工艺,金刚石钻头,3、最低成本是钻头选型与合理使用的标准对于钻头的选型与合理使用应按每米成本最低来考虑。式中Ct──每米成本，元/米；B──钻头成本，元；Cr──钻机运转费用，元/小时；t──起下钻时间，小时；T──纯钻进时间，小时；F──钻头进尺，米。,第三节钻头,第三章钻进工艺,从成本计算公式中可以看出，它是一个综合指标，能全面反映钻头的进尺、起下钻时间、钻头机械钻速、钻头的价格、钻机运转费用等各个因素，所以是较为合理的标准。,