钻头与钻井参数设计.doc

第四章 钻头与钻井参数设计 第四章 钻头与钻井参数设计2 第一节 牙轮钻头的分类2 一．牙轮钻头结构特点简介2 二．牙轮钻头的发展趋势9 三．牙轮钻头的分类10 四．常用牙轮钻头的IADC分类14 第二节 牙轮钻头的合理使用23 一．牙轮钻头的选型23 二．钻井参数的选择24 三．现场使用牙轮钻头的操作要点及注意事项29 四．确定合理的起钻时间31 五．钻头使用经济评价32 第三节 金刚石钻头33 一．天然金刚石钻头33 二．聚晶金刚石复合片（PDC）钻头37 三．热稳定性聚晶金刚石（TSP）钻头44 四．全刚石钻头的分类方法45 五．常用全刚石钻头的选型表49 第四节 钻头磨损分析55 一．IADC钻头磨损定级方法55 二．钻头磨损特征分析59 第五节 水力参数设计63 一．钻井水力参数设计步骤与方洁63 第六节 钻井液流变参数设计72 一．钻井液流变模式的选择72 二．钻井液流态的判别73 三．钻井液的携岩能力75 四．老屑浓度与有效钻井液密度77 五．选择钻井液流变参数的几个约束条件78 附件一 标准的喷嘴尺寸及面积79 附件二．中国海上常用钻井泵的泵压和排量81 参 考 文 献82 第四章 钻头与钻井参数设计 钻头和钻井参数是影响钻井速度、钻井时效和钻井成本的重要的可变因素。 本章主要介绍的是牙轮钻头和金刚石钻头的分类、选型及磨损定级的方法，并结合现场实践，对钻井水力参数、机械参数和钻井液流变参数进行优选设计。 第一节 牙轮钻头的分类 一．牙轮钻头结构特点简介 牙轮钻头有单牙轮、双牙轮和三牙轮钻头之分，而三牙轮钻头是石油钻井中用得最为广泛的一种。牙轮钻头一般由牙掌、牙轮、切削齿、轴承、锁紧元件、储油密封系统、喷嘴装置等部件组成。下面以三牙轮钻头为例，对其结构特点（见图4－1）作一简要介绍。 1．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。 （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。 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。 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 球形 尖卵形 圆锥形 楔形 勺形 凿击、压碎 凿击、压碎 凿击、压碎、挖掘、刮削 挖掘、刮削 挖掘、刮削 硬、极硬 硬 中硬、硬 软至中硬 极软至中软 2．轴承结构 （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311.1mm以上的大尺寸钻头上。 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。 3．牙轮锁紧方式 （1）钢球锁紧 钢球锁紧如图4－6所示，是在组装牙轮和牙掌时，将一排钢球从塞销孔道装进轴承跑道，再用塞销封住钢球通道，使钢球能在轴承跑道内自由滚动，既锁住了牙轮还能承受轴向载荷。钢球锁紧的轴承能承受较高的转速，但由于钢球与轴承的接触应力大，轴承失效快，容易掉牙轮。 （2）卡簧锁紧 卡簧锁紧元件是一个开口的弹性钢丝挡圈，如图4－7。挡圈的外径比牙轮内孔的卡簧槽大。卡簧放入牙轮内腔之后，靠自身的弹性锁紧牙轮，并与牙掌轴颈组成一对滑动副，实现了全滑动的轴承。卡簧锁紧的特点是零件少，轴承结构简单，增加了滑动轴承的工作面积，轴承的工作寿命较长，但不能承受高转速。 （3）丝扣环锁紧 除上述两种常见的牙轮锁紧方式之外，瑞德工具公司还研制出了一种新的锁紧元件──哈夫丝扣环锁紧元件，如图4－8所示。丝扣环锁紧实际上是由两个半圆形钢圈组成。这两个钢圈带有丝扣，装入轴承的锁紧槽内组成一个整环，用一个顶针从牙轴背后进入轴承环上的狭槽，暂时将环固定不动，再将牙轮通过丝扣和牙掌上紧，直至密封。取出顶针后，轴承锁紧环便能自由转动，如牙轮上的一个整体部件，而且牙轮工作时的旋转方向与丝扣环相反，使轴承紧压密封，保证了牙轮不会从丝扣环上脱落。 丝扣环锁紧牙轮的优点是 ①丝扣环锁紧元件是作为整体部件附在牙轮上，不会从牙轮脱落，从而降低了掉牙轮的风险。由于不用担心掉牙轮，使用者能将钻头用得更合理、更彻底，而不必在钻头未用到家时过早地起钻。 ②丝扣环与轴承是面接触，而不是传统的滚动点接触或线接触。接触面积增大，轴承受力均匀，不易发生疲劳破坏。 ③能承受更高的转速 ④增大了牙轮壳体的厚度，牙轮抵抗碎裂的强度增大，能更深地嵌入牙轮体内部，增强了切削结构，降低了掉牙齿的可能性。 ⑤在定向井等环境比较恶劣的井中，这种锁紧方式的钻头能承受更高的侧向载荷，提高了恶劣条件下的钻井能力。 4．密封元件 密封元件是影响轴承密封及使用效果的主要零件之一，一般分三种 （1）蝶形橡胶密封圈，如图4－9所示。这种密封圈形状如蝶形，外层是橡胶，中间是一蝶形波纹弹簧片。弹簧片与橡胶硫化成一体，增强了密封圈的弹力及耐磨性。蝶形密封圈多用于滚动轴承钻头，它起端面密封的作用 （2）O形橡胶密封圈，见图4－10。它是用耐油、耐酸碱、耐高温而富弹性的丁睛橡胶制成，其横截面为圆形。O形橡胶密封圈既用于滑动轴承钻头，也用于滚动密封轴承钻头，起着径向密封的作用。 （3）金属密封环，如图4－11所示。它是美国休斯公司研制的新式密封元件。金属密封环由上、下两个金属环组成，上环处于牙轮内，其外径小于牙轮密封槽的直径。下环装在牙掌上，其内径大于牙掌大轴密封面的直径。两个环可以在牙轮与牙掌之间浮动。 上、下两个金属环靠两个O形橡胶增能圈固定于牙轮和牙掌的密封面上，橡胶圈产生压缩和拉伸变形，向金属环施加轴向压力，保证了两个金属环的密封面始终接触着。金属环发生磨损后，橡胶圈还能以其弹力继续压紧它们，实现了面密封和动密封。金属环的抗温、耐压能力强，抗磨损性能好，加上与橡胶圈之间的巧妙配合，使金属密封的牙轮钻头能在高转速及恶劣条件下工作，大大地提高了钻头的各项工作指标。 5．喷嘴 （1）普通喷嘴的型式代号及型号表示方法 常用的喷嘴有标准型和保护盖型两种，如图4－12所示。标准型喷嘴没有凸台保护锁紧挡圈，装卸较方便，常用于软地层钢齿钻头。而保护盖型喷嘴的顶部有凸台保护，可以减少钻井液中的研磨性物质对锁紧挡圈的冲蚀。保护盖型喷嘴能在高压喷射条件下长时间工作，安全可靠。 喷嘴的型式代号以英文字母表示，如表4－2所示。 表4－2 喷嘴型式代号 喷嘴 型式 钻头尺寸mm（in） 95.2～120.6 （33/4 ～43/4） 142. 9～171.4 （55／8～63／4） 193.7～200.0 （75／8～77／8） 212.7～349.2 （83／8～133／4） 374.6～660.4 （143／4～26） 标准型 B F H K L 保护 盖型 R N T W x 如L18表示的是用于直径为374.6～660.4rnm（143/4～26in）钻头的标准型喷嘴，其水眼直径为18 /32（14.29mm）。 而W11则是指用于直径为212.7～349.2mm（83／8～133/4in）钻头的保护盖型喷嘴，其水眼直径为11／32in（8.73mm）。 （2）新型喷嘴简介 ①加长喷嘴和中长喷嘴 加长喷嘴，如图4－13所示。它有一段加长管，使喷嘴出口与井底的距离更近。普通喷嘴出口离井底距离一般为110～140mm，而加长喷嘴离井底的距离与喷嘴直径之比为2.5～4，使喷嘴液流出口更接近井底。加长喷嘴主要用于软地层钻头及直径大于241.3mm的大尺寸钻头上，它能提供更大的喷射冲击能量，使井底钻屑更易于清除，防止了钻头泥包，提高了破岩效率。统计资料表明，在相同的钻井条件下，使用加长喷嘴的钻头机械钻速可提高30～50％。 中长喷嘴又称半加长或微加长喷嘴，其作用机理与加长喷嘴是一样的。它仅比常规喷嘴加长了约38mm（1.5in）。与加长喷嘴相比，中长喷嘴制造工艺简单，较易实现。中长喷嘴钻头可提高机械钻速10～30％。 ②中心喷嘴 中心喷嘴如图4－14所示，一般用在大尺寸钻头上。有的是在装有加长喷嘴的钻头中心加一个扩散型的中心喷嘴，以更好地清洗牙齿，防止泥包。而有的则只是在钻头中心装一只单喷嘴（这个中心喷嘴一般就用标准的牙轮钻头喷嘴），其出口离井底很近，可把水力能量集中作用于井底中心。液流冲击井底中心后，向四周散射再上返，上、下液流互不干扰，使岩屑能顺利离开井底而被清除，从而提高了破岩效率。 通过扩散型的中心喷嘴和标准牙轮钻头的中心喷嘴的压力降是不同的。在对装有中心喷嘴的钻头计算其水力参数时，应注意这一点。 ③反喷嘴 反喷嘴的主要特点是钻头三个喷嘴中的两个喷嘴加长并朝下，而第三个则反向朝上，如图4－15所示。 反向喷嘴能使该喷嘴附近的井底压力降低，形成一个低压区，与正喷嘴形成的井底高压联合作用，能改善井底流场，增强对上返岩屑的举升作用。与常规喷嘴相比，反喷嘴可使机械钻速提高15～20％。 ④振荡脉冲射流喷嘴 常规的喷嘴是连续射流的，射流的持续能量和冲击力都较小。而振荡脉冲射流喷嘴（如图4－16）则一改连续射流为振荡脉冲射流，其射流产生的瞬时冲击力为连续射流滞止压力的1.2～2.5倍，有效喷射距离是连续射流等速核长的1.7～2.0倍。脉冲射流使水力破岩效率大为提高。在相同条件下，振荡脉冲喷嘴能提高钻速15～50％，提高进尺10～15％。 ⑤气穴喷嘴 液体内部都充满着气泡。在低压区，气泡会长大，而到了高压区后气泡会溃灭，并释放出巨大的能量。气穴喷嘴就是根据这一原理而研制的，如图4－17所示。液流经过喷嘴内的锥形段被收缩，再从短圆柱孔流出，通过加大上游压力，圆柱段内的气穴区扩大并延伸到出口外，释放出巨大的能量而破坏井底岩石。试验证明，这种喷嘴能较明显地提高钻速。 二．牙轮钻头的发展趋势 随着海洋钻井、定向井、水平井、丛式井和多底井的日益增多，如何提高钻井速度和效率，降低钻井综合成本，以及满足各类井下动力钻具等新工艺、新技术的需要，是牙轮钻头面临的重大挑战。 为了提高钻井速度和进尺，牙轮钻头也相应地由过去的低速密封滑动轴承、非密封滚动轴承钻头发展到中等转速的金属密封滑动轴承、浮动套轴承钻头。这些新型钻头的使用寿命长、进尺多，降低了钻井综合成本。 为适应井下动力钻具高转速的要求，对原来的滚动轴承加以改进，发展了金属密封的新型滚动轴承钻头，如休斯公司的MAX系列钻头。这种钻头的最高转速可达350转／分，完全能满足井下动力钻具的需要，对提高钻井效率和钻井速度起了积极作用。 对牙轮钻头的保径也作了较大改进，由过去的镶硬质合金保径齿发展到今天的在牙轮背锥上用金刚石保径齿强化、牙掌掌背镶硬质合金齿强化以及对掌背硬敷焊强化等等，这些技术大大减轻了钻头体的磨损，使牙轮钻头在硬的、研磨性地层中的使用寿命延长了，工作效率提高了。 瑞德公司研制的丝扣环锁紧轴承牙轮钻头，延长了轴承寿命，降低了掉牙轮的可能性，也使钻井成本大为降低。 而休斯克里斯坦森公司新研制出的一种新型牙轮钻头，则是在原来牙轮钻头的外排切削齿根部之间加镶了一种比较小的、能自锐的“修边齿”（Gage trimmer／trimmer Pad），如图4－18所示。 修边齿改进了钻头牙轮外缘与井壁的接触状况，保护了牙轮壳体不受冲蚀，抑制了规径的磨损。而且它还能减少钻头破碎地层后在井壁上的残留岩石脊棱（Uncut rib rock），使井壁更加光洁。有了修边齿之后，钻头能更有效地破碎地层，大大地提高了机械钻速和延长了钻头的使用寿命。 这种带修边齿的钻头，休斯克里斯坦森公司以“GT”系列表示。如GTX－3型钻头，就是在原来ATX－3型钻头的基础上加了修边齿。 总之，牙轮钻头是向高转速和高钻速、长寿命、进尺多、钻井综合成本低的方向发展。 三．牙轮钻头的分类 1．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。详尽的分类标准见表 4－3所示。 表4－3中各项的意义如下 （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，详细内容参照表4－3中“轴承／保径”这一项。第八和第九种设计是为将来备用的，此表中未予列出。 （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。 表4－3中切削结构的系列号和类型的排列是自上而下增大的，而轴承／保径的分类号是从左向右增加的。因而，编码“111”表示的是钢齿钻头，具有标准的非密封滚动轴承和适用于钻最软地层的切削结构。象休斯工具公司的“R1”型钻头和瑞德公司的“Y11”型钻头都属于这个编码；而“847”这一代码所表示的是镶齿钻头，带密封滑动轴承和保径设计，适合于钻非常硬的研磨性地层。 2．牙轮钻头的附加特征 大量的牙轮钻头所具有的设计特征并没有在IADC编码的前三位中体现出来。这些特征可以影响钻头的制造成本和实际应用结果，因而也是十分重要的。IADC编码中的第四位便是专指钻头设计的这些“附加特征”的。这个编码是用字母表示的，例如124E──指的是适用于钻软地层，密封滚柱轴承的钢齿钻头，“E”则指的是钻头带加长喷嘴；437X──指的是钻软地层的、带保径齿的密封滑动轴承的镶齿钻头，“X”是指齿的形状为楔形齿。各个“附加特征”编码的意义如下 A──空气钻井。特指以空气作钻井液时所使用的钻头。 B──特殊的轴承密封。密封结构具有特殊的优点，像具备承受高转速的能力等等。 C──中心喷嘴。中心喷嘴可为钻头提供更均匀的流量和水力能量的分配。几乎所有的加长喷嘴钻头都有中心喷嘴，以改善钻头齿的清洗条件，即尽量把全部的水力能量集中作用于井底，减少能量的损失。 D──井斜控制。对切削齿结构的特殊设计可以减小井斜角。 E──加长喷嘴。加长喷嘴主要用于软地层钻头及直径大于241.3mm以上的钻头上，以改进井底钻屑的清除。小型钻头的加长喷嘴不包括在“E”所代表的钻头设计特征内。 G──保径／钻头体保护。焊在钻头裙部的碳化钨层（表面硬化层）或碳化钨镶齿可对用于地热和定向钻井等特殊条件下的轴承密封和钻头体起保护作用。 H──水平井／导向井应用。专为水平井和导向钻井的应用而设计的钻头。 J──喷射造斜。当地层过于松软而易被流体冲蚀时，喷射造斜钻头（如图4－19）被用于控制井眼轨迹的变化。这种钻头通常具有两个标准喷嘴和一个大尺寸喷嘴，并能按设计的方向钻出井眼轨迹。 L──牙掌镶块。牙掌镶块（如图4－20）是用于钻头体上的、带碳化钨镶齿的钢块，它起着保护钻头牙掌的作用。这些钢块很接近钻头规径的直径。 M──马达应用。为井下马达配套使用所设计的钻头。 S──标准的钢齿（或铣齿）模式。 T──双牙轮钻头。双牙轮钻头（见图4－21）用得很少，但有时也用这种钻头来控制井斜和机械钻速。 W──强化切削结构。 X──楔形镶齿。 Y──锥形镶齿。 Z──其它形状的镶齿。 需要说明的是，有些厂家所生产的牙轮钻头，其型号最后往往有一个字母。这个字母的意义与IADC编码中附加特征的各个字母所表示的意义是不同的。如休斯工具公司的各种钻头型号的最后一个字母有“A”、“C”、“H”、“R”、“S”等，它们所表示的是不同切削齿的齿形特征及特殊用途的代号。这几个字母的具体含义如下 A──空气钻井用钻头。这一代号的意义与IADC附加特征中的“A”所表示的意义相同。 C──圆锥形合金齿，适用于更硬一级的地层。如J33C比J33更适合于钻更硬的地层。 H──钻头齿的数量有所增加，适合于硬一些的地层，如J33适用于中软地层，而J33H则能用于中软但带硬夹层或有研磨性岩石的地层。 R──楔形镶齿，适用于较软的地层。 S──标准勺形齿，如ATJ11型钻头是用偏顶勺形齿，而ATJ11S则采用标准勺形齿，这两种齿适用的地层大体相同。 3．国产牙轮钻头的编码 我国制造的牙轮钻头（不包括像江汉休斯钻头厂等合资、合作钻头厂的产品），其分类编码自成体系，沿用已久，与IADC的牙轮钻头分类方法有所不同。按照三牙轮钻头的结构特征，国产主牙轮钻头分成两大类，共八个系列。其系列代号和型式代号分别见表4－4和表4－5。 例如用于软地层的直径为311mm（或121／4in）的喷射式三牙轮钻头，其型号可表示为311P2或121／4 P2 四．常用牙轮钻头的IADC分类 1． 休斯工具公司钻头的IADC分类 第二节 牙轮钻头的合理使用 一．牙轮钻头的选型 选择哪种型号、规格的钻头，最重要的依据就是地层。按国际上通用的地层硬度划分办法，是把地层分为6个硬度级别，分别是极软（SS）、软（S）、中（M）、中硬（MH）、硬（H）和极硬（EH）。各个硬度级别与牙轮钻头型号的对应关系如表4－9所示。 表4－9所描述的只是地层硬度大致的划分范围。在实际选择钻头时，应结合所钻地区的具体情况，分析以前的钻头使用资料，考虑地层的软硬程度、钻进井段的深浅、是否有易斜地层及软硬交错地层等等，选择出最适合本地层的钻头型号。若使用井下动力钻具，则要求选择能承受相应转速的钻头。一般而言，牙轮钻头的选型有以下一些经验和方法 1．IADC牙轮钻头分类和地层硬度分级表（如表 4－3和表 4－9）作为大体上的钻头类型和地层分级方法，能适用于大部分地层，是选择钻头型号的一个重要指南。 2．初始的钻头类型和特征的选择应从钻头综合成本的角度考虑。尤其是像海洋钻井、深井钻井等一些高成本、大风险的钻井作业，选择复杂的牙轮钻头设计特征比选择简单的设计特征更为合适，这样钻头使用时间较长，进尺更多，从而可以从整体上降低作业成本。 3．三牙轮钻头是一种最常用的钻头类型，而且是对付各种地层都很合适的钻头选择。 4．在选择牙轮钻头的结构特征时，应遵循下列原则 （1）使用尽可能长的牙齿，以取得较高的机械钻速。尤其是在较浅和软的地层，长牙齿的钻进效率更为明显。 （2）宁可允许有少量的牙齿折断，也不要选择较短牙齿的钻头。 （3）当不能对铣齿钻头施加足够的钻压以产生自锐式的牙齿磨损而获得较好的经济效益时，应该选择更长的牙齿。 （4）若所钻地层含有砂岩夹层时，则应考虑用镶齿保径的钻头。 （5）对易产生井斜的地层，宜选用无移轴、无保径、齿多而短的钻头。 （6）若发现钻头的外排齿磨损严重而中间齿的磨损较轻时，则应改选带保径齿的钻头。 （7）当牙齿磨损速率比轴承磨损速率低得多时，应选择一种较长牙齿、较好的轴承设计或在使用中施加更大的钻压。 （8）当轴承的磨损速率比牙齿的磨损速率低得多时，要选择一种较短的牙齿、较经济的轴承设计或在使用中施加更小的钻压。 （9）在浅井段和软地层，应选用机械钻速较高的铣齿钻头；而在深井段和硬地层，则要首先考虑使用寿命长、进尺多的镶齿钻头，以获得较好的综合钻井结果。 5．利用测井资料选择钻头是一种新的钻头选型方法。由声波时差、中子密度等测井资料可以计算出岩石的弹性模量和岩石的强度。通过试验建立岩石可钻性与岩石强度间的计算模式，再利用岩石的可钻性来选择合适的钻头型号。但由于影响岩石可钻性的因素很多，所以这种钻头选型的方法较复杂，目前还处在试验、研究阶段。 二．钻井参数的选择 一旦选定了某一型号的钻头之后，在使用时就要根据该钻头的工作性能，结合使用井段、地层和岩性的特点，确定合理的水力参数、钻进参数和钻井液流变参数，以达到最佳的使用效果。 1．水力参数与钻井液流变参数的设计 水力参数设计主要就是对排量、泵压、喷嘴尺寸、喷射速度、钻头水力功率及冲击力等钻井泵的工作参数和射流水力参数进行选择，以获得最高的钻井速度、最大的钻井进尺和最低的综合成本。 而钻井液流变参数设计则是根据地层及岩性的特点选择适当的钻井液密度、粘度、切力及剪切稀释特性参数等，以达到稳定井壁、顺利携带岩屑和提高钻井速度的目的。 详细的水力参数设计及钻井液流变参数设计方法参见本章第五、六节。 2．钻压和转速的选择 确定钻压和转速的原则是，既要能有效地破碎地层，又要注意钻压和转速对钻头牙齿和轴承的影响，使钻头具有较长的工作寿命。选择牙轮钻头的钻压和转速主要考虑以下几方面 （1）钻压对钻速的影响 在适当的范围内，钻压和钻速成线性关系，如图4－22所示。开始时，钻压较低，岩屑少，钻速基本上与钻压的平方成正比。钻压加大后，岩屑增多，井底净化条件变差，钻速与钻压成线性关系。当钻压升到一定值后，井底净化条件变恶劣，钻速增长缓慢，甚至下降。 在硬地层钻进，必须施加较高的钻压，才能破坏岩石的抗压强度而钻进。对中硬地层，适当增加钻压和降低转速，可使钻头有效地吃入地层，既提高了钻速，还能减轻钻头的蹩跳，防止牙齿被破坏。在软地层钻进，岩屑很难清除干净，钻压加得太大时，钻头吃入地层过深，钻速反而不高或者下降。 （2）转速对钻速的影响 如图4－23所示，在转速较低时（在30～55转／分的范围内），井底净化条件好，钻速基本随转速呈线性增加。超出这个值后，钻这就与地层岩性、井底净化程度有关了。 在软地层，如井底净化充分，钻速与转速成正比关系。 在中硬地层，钻头是靠剪切、冲击、压碎作用破岩的，对转速的敏感程度较低，钻速不再与转速成正比关系。一般要用中等转速和中～高钻压配合来提高钻速。 在深井及硬地层中，钻头牙齿与岩石接触的时间必须大于破岩所需的时间，才能提高破岩效率。因而提高转速对钻速影响不大，一般是用低转速和高钻压。 （3）钻压和转速对钻头轴承寿命的影响 对密封滑动轴承钻头而言，钻压与转速的乘积──WN值是一个很重要的参数。WN值又称为“轴承能力数”，是由滑动轴承的结构所决定的。钻头厂家在其产品出厂时，一般都会给出各个型号和尺寸钻头的WN值。表410是江汉钻头厂的ATJ、J系列钻头的WN值。 WN值只是一个近似值和参考范围，它并不必然地表示钻头的最佳钻压和转速。而且这个值仅考虑了轴承本身的能力，并未考虑切削结构损坏与密封失效的情况。实践证明，有些钻头如J系列钻头，轴承损坏的主要原因并不是轴承能力本身的问题，而是由于橡胶密封圈磨损、钻井液中的固相颗粒进入而引起轴承的早期损坏。 因而在选择钻压和转速时，不仅要考虑WN值对轴承的影响，还应考虑密封圈、钻头切削结构等对钻压或转速的最大承受能力。 （4）钻压和转速对钻头牙齿寿命的影响 钻头牙齿的损坏，大多是由于疲劳和应力过大引起牙齿折断、碎裂或脱落。主要原因是牙齿受到“冲击”，冲击负荷又直接地与所加钻压成正比，它与岩石硬度、单位面积上的钻压和牙轮线速度相关。因此，钻压和转速都直接或间接地在影响着钻头牙齿的寿命。一般地，钻压和转速都应在允许的范围内选择。钻压高时，转速应小。反之，钻压较低时，则应选较高的转速。 表4─11是江汉牙轮钻头的推荐钻压、转速值。 0 （5）用试钻法优选钻压和转速 现场优选钻压和转速的方法──试钻法，是通过释放钻压法或五点钻速法来确定最优的钻压和转速。这种方法使用方便，实用性强，在现场用得较广泛。 释放钻压法假定钻柱是一个弹性体，它的长度随受到的张力而异。通过对钻头施加一定量的钻压，保持钻井泵排量和转速不变，刹住绞车，随着钻头往下钻，更多的负荷悬吊在大钩上，加在钻头上的钻压便相应地逐渐减小。通过仔细观察每减小一定数量的钻压所需的时间（通常以8.9～22.2kN为一级），其中用得时间最短的，所对应的钻压便是最佳钻压。如表4－12中，用这种方法求出的最佳钻压为267kN（60k1b）。反复试验几次，求取最佳钻压的平均值，就能够较准确地确定某一地区的某个地层的最佳钻压。同样，保持钻压和水力条件不变，改变转速，用试验法也可求得最佳转速。 试钻法的不足之处是，随着钻头磨损的增加或更换钻头类型后，机械钻速也会随之发生变化，而在这种方法中却体现不出来。因而在求取最佳的钻井参数时，需要不断地进行试验和调整。 三．现场使用牙轮钻头的操作要点及注意事项 1．操作要点 （1）钻头入井前要仔细检查外观，测量钻头外径，其尺寸应在允许的公差范围内（钻头尺寸公差见表 4－13所示），连接螺纹应符合API标准，无损伤，牙齿和密封件完好，焊缝无裂纹和气孔。对有问题的钻头要禁止下井。 （2）正确安装喷嘴，要确保喷嘴和壳体干净，密封圈和挡圈完好无损。 （3）用合适的钻头盒给钻头上扣，上扣扭矩要正确。 （4）下钻操作要平稳，在井斜大和不规则的裸眼井段要特别小心，不能过快。尤其是下镶齿钻头，更不能碰撞井壁，以免引起镶齿折断和损坏掌尖。接近井底时，速度要慢，不能猛刹猛放，否则钻具会因惯性而撞击井底，损坏钻头牙齿或牙轮。 （5）新钻头快下到底时，要小心探沉砂。若有沉砂，要先开泵充分循环，再下放到底。开始钻进时，轻压慢转约半小时，使井底形状与钻头吻合，然后再加到正常钻压和转速钻进。 （6）任何情况下都不允许加压启动转盘。 （7）钻进中，要均匀送钻，不能间断地加压，更要防止溜钻。若钻具需要停止转动时，要让指重表恢复到原悬重后，才能摘去转盘离合器。 （8）在硬地层中钻进，为避免产生过大的冲击和震动而导致牙齿碎裂或脱落，可安装减震器。为防上钻柱摆动和井斜偏大，在钻柱中至少需加一个稳定器。 2．使用注意事项 （1）在下镶齿钻头前，要把井底打捞干净，以免井底落物碰撞合金齿而使之折断，造成钻头早期损坏。 （2）当井眼有缩径或井下情况复杂需划眼时，尽量不要下镶齿钻头。因为扩划眼会使钻头外排齿受挤，造成牙轮背锥及掌尖磨损，密封圈早期失效，导致轴承提前损坏甚至牙轮破裂落井事故。 （3）不能在钻头上加热（如焊接、火烤等），因高温会损坏橡胶密封圈，导致密封失效。 （4）钻井液性能不好，尤其是含砂量过高时，不要下镶齿钻头，以免高速液流中的固相颗粒刺坏钻头。 （5）不能把新钻头放入油中浸泡和强行活动其牙轮。 四．确定合理的起钻时间 一只钻头用到何时起钻较合理，一般要根据上只钻头的使用时间及磨损情况，参考邻井资料，结合本只钻头的特点和所钻地层岩性，再视使用中出现的下列情况综合考虑。 1．轴承损坏的判断 轴承损坏后，牙轮在井底的滚动会受到阻卡，在地面表现为转盘扭矩剧增或出现大的波动，柴油机负荷增大。对滑动轴承钻头，泥砂进入轴承后，损坏会比滚动轴承快得多，更应注意分析和判断扭矩的变化情况，防止掉牙轮事故的发生。 2．牙齿磨钝的判断 当所钻地层的岩性变化不大时，随着钻头工作时间的延长，牙齿会渐渐地磨损，机械钻速也随之不断下降，钻进时间增加而进尺却不多。应用每米成本分析的方法，根据钻头下井后的纯钻时间与进尺，可计算钻进中的每米成本的变化。每米成本的变化趋势一般是，刚开始钻进时，进尺较少，每米成本较高。当随着钻进时间的增加，进尺的增多，每米成本逐渐下降。到了某一时间之后，由于钻头牙齿磨损严重，钻速变慢，每米成本又开始上升，如图4─24所示。当计算出每米成本开始连续上升时，就应考虑起钻换钻头了。 用每米成本方法确定起钻时间时，应注意如下几点 （1）钻速逐渐减慢的原因是由于牙齿磨钝，而非地层岩性变化或改变钻井参数等其他原因所造成。 （2）是因牙齿磨损而起钻，而不是轴承损坏或直径磨小等原因而起钻。 （3）为了及时而准确地掌握每米成本开始上升的时间，到钻头使用后期应加密计算每米成本的测点。 3．要防止钻头过度磨损，以免影响下一只钻头的使用。 五．钻头使用经济评价 衡量一个钻头使用效果的好坏，不能单纯地以机械钻速、钻井进尺的高低或使用时间的长短为标准，而应该以每米钻井成本来衡量。每米钻井成本的计算公式为 （4─1） 式中C──每米（或每英尺）成本，元／米（元／英尺） Cb──钻头成本，元 Cr──钻机每小时的作业费，元／小时 T──钻头纯钻进时间，小时 Tt──起下钻、接单根和循环钻井液的总时间，小时 F──钻头的总进尺，米（或英尺）。 这个公式包括了钻井进尺、起下钻接单根时间、机械钻速、钻头费用和钻机作业费等各项因素。通过计算出本井和邻井各个钻头的每米钻井成本，进行对比分析，便可综合反映出钻头选型是否得当，技术措施、组织工作的好坏，操作水平的高低等各方面的情况。可以说，每米钻井成本是评价钻头使用效果的一个较切合实际的指标。 第三节 金刚石钻头 金刚石钻头发展到今天，已形成了一个能钻进从极软到极硬地层的、多品种的、完整的钻头系列。按其功用，可分为全面钻进钻头和取心钻头；按金刚