第4章 岩石与钻头.pptx

第4章岩石与钻头,4.1岩石的机械性质4.2钻头,钻井的对象是岩石，其性质尤其是机械性质与钻井的关系很大，研究岩石的机械性质具有重要意义。一、岩石按其成因的分类分为火成岩、沉积岩、变质岩沉积岩又分为泥岩颗粒直径1毫米石灰岩炭酸岩,4.1岩石的机械性质,砂岩按粒径大小又可分为粗砂岩颗粒直径0.5～1毫米中砂岩颗粒直径0.25～0.5毫米细砂岩颗粒直径0.1～0.25毫米粉砂岩颗粒直径10微米～100微米,4.1岩石的机械性质,二、岩石的机械力学性能钻井的重要工作实际上就是破碎岩石，因此关心的主要是岩石的力学性能机械性能，是钻头选型的重要依据。机械性能岩石在外力作用下，由变形到破碎过程中表现出来的性质。取决于组成矿物的性及质胶结情况。包括强度、硬度、脆性和塑性、研磨性、可钻性。,4.1岩石的机械性质,强度抵抗外力破坏的能力。孔隙度大颗粒接触面积小强度低容易破坏胶结物不同强度不同硅质、石灰质、铁质、泥质胶结物强度逐渐减小分为抗拉强度抗拉伸破坏能力最高抗剪强度抗剪切破坏能力居中抗压强度抗压缩破坏能力最低如,4.1岩石的机械性质,硬度抵抗其他物体压入的能力。莫氏硬度定性根据一种矿物刻划另一种矿物的经验办法区分矿物的软硬性质。滑石硬度最小，定为1；金刚石最高，定为10。硬度计测量的硬度定量,4.1岩石的机械性质,脆性和塑性破碎前只发生弹性变形，为脆性岩石；受力后即发生永久变形塑性，破碎点不明显，为塑性岩石；介于两者之间为塑脆性岩石。与受力状态，温度，加载速度有关。研磨性磨损钻头的能力为岩石的研磨性。可钻性被钻头破碎的能力，一般用机械钻速表示，与许多因素有关。可用岩石可钻性测定仪测定微钻头实验。,4.1岩石的机械性质,三、岩石硬度与塑性的测定用圆柱压入法测定岩石硬度与塑性系数苏联、史立涅尔，接近钻井实际情况。硬度计10kN油压机油压产生压力P压模吃入岩石P与吃深Δh有关，即变形曲线。按PΔh曲线形状可分为脆性、塑脆性、塑性岩石。,4.1岩石的机械性质,硬度硬度计测得的1脆性岩石如石英石Py硬度PaP脆性破坏时载荷NS压模型面积m2,4.1岩石的机械性质,2塑脆性岩石计算法同上3塑性岩石如软泥岩只发生变形不发生脆性破坏P0发生屈服时的载荷,4.1岩石的机械性质,塑性系数KK＝面积OABCEO/面积OADEO面积OABCEO岩石破碎前耗总功面积OADEO弹性变形功包含弹性区和塑性区中的弹性变形功K越大，塑性越大塑性岩石K＝∞，脆性岩石K＝1,4.1岩石的机械性质,四、岩石按力学性能分类按硬度分类,4.1岩石的机械性质,按塑性系数k分类,4.1岩石的机械性质,直接破碎岩石的工具，按破岩原理分为三类1.切削型2.冲击压碎剪切型3.研磨性,,4.2钻头,一、刮刀钻头分类两翼型，三翼型，四翼型，正反阶梯型。,,4.2钻头,刮刀钻头,,,主要参数是刀翼的结构角刃尖角β；切削角α,4.2钻头,,,4.2钻头,破岩原理主要是切削脆和塑脆性岩石与塑性岩石的破岩过程少有区别,,脆和塑脆岩石碰撞挤压压碎小剪切大剪切。图3-7,4.2钻头,,,2塑性岩石切削连续的塑性流动。图3－8,4.2钻头,特点结构简单，成本低，但扭矩大钻柱易损坏适用于软、中软地层,二、牙轮钻头是目前使用最为广泛的钻头。有单牙轮、双牙轮、三牙轮、四牙轮钻头。三牙轮钻头最为普遍。一结构钻头体、巴掌、牙轮轴、牙轮、轴承、密封件、水眼等部分组成。,4.2钻头,三牙轮钻头,牙轮用合金钢经过模锻而成的锥体，牙轮锥面或铣出牙齿铣齿钻头或镶装硬质合金齿镶齿钻头，牙轮内部有轴承跑道及台肩。按牙齿材料不同分为铣齿钻头和镶齿钻头,4.2钻头,镶齿钻头,铣齿钻头,2铣齿牙齿是由牙轮毛坯径铣削加工而成，主要是楔形齿。不同的地层齿的结构参数齿高、齿宽、齿距不同。,4.2钻头,2镶齿在牙轮表面钻出孔后，将硬质材料制成的齿镶入孔中。可以制成不同形状的齿，以适应不同的地层。,4.2钻头,二工作原理牙轮的自转和公转钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用牙齿对地层的剪切作用超顶与移轴引起齿的滑动牙轮钻头的自洗齿圈相互啮合,4.2钻头,牙轮布置方案,三、金刚石钻头用金刚石作切削刃可钻极硬岩石，研磨性钻头，分为两类表镶式外露1/3，0.6～1.2mm，价格高孕镶式细小颗粒与胎体材料一起烧结，价格低。适用地层硬地层高转速，趋于与涡轮钻配合使用。,4.2钻头,金刚石钻头,四、PDC钻头人造聚晶金刚石复合片钻头－PolycrystalineDiamondCompactBitPDC钻头是用人造聚晶金刚石切削块嵌于钻头钢体或焊于钻头胎体而成的一种新型切削型钻头，它以锋利、高耐磨、能够自锐的金刚石切削块作为切削刃。从而能够在低钻压下4吨左右取得高进尺为牙轮钻头的4～6倍和高转速高于牙轮钻头2倍以上，这种钻头适用与钻进软到中硬地层，目前还不适用于硬及研磨性地层。,4.2钻头,,4.2钻头,PDC钻头,PDC钻头分两大类钢体PDC钻头与碳化钨胎体PDC钻头。,4.2钻头,钢体PDC钻头是将优质NiCrMo钢车制成形，在钻头冠部及规径部分钻孔，热处理，然后将焊有PDC切削块的碳化钨柱块以紧配合压入孔内。,12-1/4″YFS1905（钢体式PDC钻头）,胎体钻头用碳化钨粉末烧结而成，用人造聚晶金刚石复合片钎焊在碳化钨胎体上，用天然金刚石保径。碳化钨胎体耐冲蚀、耐磨、强度高、保径效果好。,4.2钻头,钢体PDC钻头制造比较简便，主要靠机加工，但钻头表面不耐冲蚀尽管有些钢体钻头表面有抗磨敷层，规经易于磨小。胎体钻头因一个钻头一套模具，故可灵活改变设计，做出比较复杂的结构外形，胎体钻头除表面耐冲蚀外，还在规经部位烧结天然金刚石以保持钻头直径尺寸。,4.2钻头,钻头外形影响钻头的稳定性及井斜控制，也影响井底清洗，目前主要有长抛物线型、中等抛物线型、短抛物线型三种（代号1～9）。,4.2钻头,钻头冠部形状确定原则,4.2钻头,切削齿尺寸选择原则,布齿密度原则,4.2钻头,要表达出一下四个特征M胎体PDC钻头；S刚体PDC钻头切削齿尺寸刀翼数冠部形状,如PDC钻头M1963胎体、切削齿尺寸19mm、6刀翼、冠部形状为长抛物线型,PDC钻头命名,,4.1岩石的机械性质,返回,返回1,