6.钻头课件.ppt

,中煤科工集团西安研究院有限公司钻头技术研究所,6.钻头,煤矿井下定向钻进技术培训系列,,课程内容,,1.金刚煤矿用钻头主要类型及其特点2.“罗克”钻头新产品介绍,,中煤科工集团西安研究院有限公司钻头技术研究所,6.钻头6.1煤矿用钻头主要类型及其特点,煤矿井下定向钻进技术培训系列,,课程内容,,1.金刚石钻头2.金刚石复合片钻头3.硬质合金钻头,,1.金刚石钻头,,（1）主要产品类型a表镶型b孕镶型（2）金刚石钻头碎岩机理及适用性（3）关键技术针对性的胎体配方设计和加工工艺,,,2,图6.1.1金刚石单晶,1.金刚石钻头,图6.1.2合金粉末,（1）主要产品类型,a表镶型,图6.1.3表镶型,1.金刚石钻头,无心型取芯型,扩孔器全面钻头取心钻头,b孕镶型,图6.1.4孕镶型,1.金刚石钻头,,特点高转速、低钻压；磨削碎岩，钻进效率低适用性硬（8级）坚硬（12级）,（2）金刚石钻头碎岩机理及适用性,1.金刚石钻头,图6.1.5碎岩机理图,（3）关键技术针对性的胎体配方设计和加工工艺,加工工艺1、热压烧结成型（胎体性能稳定、生产效率低、模具成本高）2、无压烧结成型（胎体性能不稳定，生产效率高）3、冷压烧结成型（先成型后烧结，适合结构简单的批量产品，生产效率高）,1.金刚石钻头,图6.1.6胎体钻头结构,,2.金刚石复合片钻头,,（1）主要产品类型a全面钻头b取心钻头c套铣打捞钻头d扩孔钻头e锚杆钻头f石油（煤层气）钻头（2）金刚石钻头碎岩机理及适用性（3）关键技术针对性的胎体配方设计和加工工艺（4）金刚石复合片钢体式钻头与胎体式钻头的区别,三翼内凹钻头四翼内凹钻头平底钻头,（1）主要产品类型a全面钻头,图6.1.7全面钻头,2.金刚石复合片钻头,支柱形钻头平角刮刀钻头,弧角刮刀钻头,2.金刚石复合片钻头,（1）主要产品类型a全面钻头,图6.1.8全面钻头,2.金刚石复合片钻头,（1）主要产品类型a全面钻头-定向钻头,窄保径反切,宽保径,七齿,八齿,合理选型煤层建议选用窄保径、七齿定向钻头；岩层建议选用宽保径、八齿定向钻头。,图6.1.9定向钻头,2.金刚石复合片钻头,（1）主要产品类型b取心钻头,图6.1.10取心钻头,2.金刚石复合片钻头,（1）主要产品类型c套铣打捞钻头,图6.1.11打捞钻头,图6.1.12打捞原理示意图,,,2.金刚石复合片钻头,（1）主要产品类型d扩孔钻头,图6.1.13导向扩孔钻头,图6.1.14导向扩孔原理示意图,2.金刚石复合片钻头,图6.1.15多级组合防突钻头,图6.1.16组合防突钻孔示意图,（1）主要产品类型d多级组合防突扩孔钻头,半片型整片型,2.金刚石复合片钻头,（1）主要产品类型e锚杆钻头,图6.1.17锚杆钻头,胎体式钢体式,2.金刚石复合片钻头,（1）主要产品类型f石油（煤层气）钻头,图6.1.18石油（煤层气）钻头,特点低转速、高钻压；剪崩碎岩，钻进效率高适用性软（1-4级）中硬（4-6级）硬（7-8级）,2.金刚石复合片钻头,图6.1.19切削原理示意图,（2）金刚石钻头碎岩机理及适用性,对PDC片除进行研磨性、抗冲击性、热稳定性等常规性能测试外，还要进行实钻综合性能测试。,2.金刚石复合片钻头,（3）关键技术针对性的胎体配方设计和加工工艺,图6.1.20实钻综合性能测试平台,图6.1.22高频感应钎焊,图6.1.21手工火焰钎焊,钢体式PDC钻头,胎体式PDC钻头,将普通复合片直接焊接在加工好的钢材钻头体上。,胎体式复合片钻头是将钢体和胎体金属粉末在高温下烧结为一体，然后再将复合片镶焊在胎体合金钻头体上。,,,2.金刚石复合片钻头,（4）金刚石复合片钢体式钻头与胎体式钻头的区别,图6.1.23钢体式钻头体与胎体式钻头体对比图,胎体式和钢体式的区别,1-胎体冠部2-钢体连接部,1-切削齿2-保径部分3-连接部分,2.金刚石复合片钻头,（4）金刚石复合片钻的分类,图6.1.24胎体式钻头结构示意图,,3.硬质合金钻头,,（1）主要产品类型a全面钻头b取心钻头c螺旋合金钻头d大直径钻头e牙轮钻头f冲击锚杆钻头及锤头（2）硬质合金钻头碎岩机理及适用性a回转切削机理b冲击回转机理,3.硬质合金钻头,（1）主要产品类型a全面钻头b取心钻头,图6.1.25取心钻头图6.1.26全面钻头,3.硬质合金钻头,（1）主要产品类型c螺旋合金钻头,图6.1.28插接式螺旋合金钻头,图6.1.27配套用钻杆,3.硬质合金钻头,（1）主要产品类型d大直径钻头,图6.1.29大直径合金钻头,3.硬质合金钻头,（1）主要产品类型e牙轮钻头,图6.1.30牙轮钻头结构示意图,图6.1.31牙轮扩孔钻头,3.硬质合金钻头,（1）主要产品类型f冲击锚杆钻头及锤头,图6.1.32冲击锚杆钻头（钎头）,图6.1.33冲击锤头（潜孔锤头）,特点中等转速、低钻压；低成本；切削碎岩，钻进效率高。适用性软（1-4级）煤层、沙土层等中硬地层（4-6）泥岩、页岩等,3.硬质合金钻头,（2）硬质合金钻头碎岩机理及适用性a回转切削机理,图6.1.34回转切削示意图,工艺气动冲击和液动冲击特点（高频）冲击、低速速回转；冲击碾压碎岩，钻进效率高。适用性软（1-4级）中硬（4-6级）硬（7-8级）,3.硬质合金钻头,（2）硬质合金钻头碎岩机理及适用性b冲击回转机理,图6.1.35冲击切削示意图,,中煤科工集团西安研究院有限公司钻头技术研究所,6.钻头6.2“罗克”钻头新产品介绍,煤矿井下定向钻进技术培训系列,,课程内容,,1、多阶高胎体金刚石取芯钻头2、平角刮刀型PDC定向钻头3、弧角刮刀型PDC钻头4、阶梯式内凹型PDC钻头5、煤层气钻井用PDC钻头6、内心可开闭式PDC钻头7、先导型套铣打捞钻头8、掏穴钻头9、直槽式PDC锚杆钻头10、插接式PDC锚杆钻头,特点及优势多层水口结构，工作层高度1524mm（常规7-10mm，寿命提高1倍以上；采用热压与镶焊相结合的制造工艺，结构更可靠，生产周期短；可根据地层快速调整金刚石孕镶块胎体配方，优化钻头配置。,图6.2.2三层水口（三阶）高胎体金刚石钻头,图6.2.1常规单层水口金刚石钻头,1、多阶高胎体金刚石取芯钻头,使用效果2012年试制的Φ75/54.5mm三阶高胎体金刚石钻头先后在青海玉树曲麻莱县（地层以致密砂岩和板岩为主）、西藏山南加查县（地层以砂岩和千枚岩为主）两个地区进行了试验，钻头寿命分别比普通单层水口钻头提高120和141。,现有产品规格型号Φ75/54.5mm两阶型、三阶型。,1、多阶高胎体金刚石取芯钻头,图6.2.3青海玉树试验钻头,图6.2.4西藏山南试验钻头,主要针对硬岩钻进采用常规平底柱齿型钻头效率低、使用寿命短的需求开发的。特点及优势直角形（内锥形）刀翼结构,侧切削能力更强、特别适用于多分支钻进；分层、错峰、均衡布齿，钻进效率更高；关键部位采用高品级PDC切削齿,时效高，寿命长，适用于硬地层钻进；刀翼侧镶嵌大颗粒金刚石聚晶，保径效果更好；钻头体更耐磨。,2、平角刮刀型PDC定向钻头,图6.2.5平角刮刀型PDC定向钻头,,淮南潘一煤矿硬岩石英砂岩钻进246m,是普通钻头寿命的2.5倍,效率提高30,,晋城大宁矿硬岩定向钻进200m,钻头几乎没有磨损。,现有产品规格型号Φ96mm、Φ98mm（3-7/8”）、四翼型、三翼型,2、平角刮刀型PDC定向钻头,图6.2.6淮南用,图6.2.7晋城用,胎体式,主要针对硬岩钻进采用常规三翼（四翼）内凹型钻头效率低、使用寿命短的需求开发。特点及优势圆弧形刀翼结构，更有利于PDC片切削岩层，提高钻进效率；分层、错峰、均衡布齿，钻进效率更高；切削自由面大、切削齿数量多，适用于硬岩钻进；根据地层选择胎体式、钢体式，适用性更强，性价比高。,3、弧角型PDC钻头,图6.2.8弧角钻头建模图,现有产品规格型号Φ96mm、Φ98mm（3-7/8”）、四翼型、三翼型。,图6.2.9三翼弧角钻头图,3、弧角型PDC钻头,钢体式,2013年以在淮南潘一矿、顾桥矿、谢桥矿等进行了推广应用，钻进中硬以上地层时，效率提高30以上，寿命提高一倍以上。目前已推广500余只，将成为替代硬岩钻进用现有内凹型钻头的主要产品类型。,现有产品规格型号Φ94mm三翼型、Φ113mm三翼型,3、弧角型PDC钻头,图6.2.10使用后的三翼弧角钻头图,4、阶梯式内凹型PDC钻头,在现有内凹PDC钻头基础上，将刀翼上的PDC切削齿进行分层布置，以提高钻进效率。特点和优势阶梯式分层布齿，更有利于刀翼切入岩石，提高钻进速率；继续保留内凹结构，钻头仍具有较高的稳定性；主要适用于软-中硬地层，相对于常规内凹型钻头主要是钻进效率高，遇到破碎地层容易断齿或崩齿。,现有产品规格型号Φ94mm、Φ113mm三翼内凹型,图6.2.11阶梯式内凹PDC钻头图,5、煤层气钻井用PDC钻头,主要针对地面煤层气井、工程井等施工开发，可在软-中硬（f≤8）完整的地层钻进，不宜在破碎、裂隙、强研磨性地层使用。特点及优势切削齿选用优质金刚石复合片，不易崩齿；采用专有焊接技术，焊接强度高，不易掉齿；采用API标准扣型，可配套石油钻杆使用。,图6.2.12煤层气钻头图,现有产品类型钢体式采用万能工具铣床加工成型，工艺相对简单，但对设备要求高。胎体式采用粉末烧结工艺成型，加工工艺复杂，加工周期长。现有产品规格4-5/8”117.5mm；4-7/8”123.8mm；5-7/8”149.5mm；6”152.4mm；8-1/2”215.9mm,钢体式五翼,胎体式五翼,胎体式四翼,5、煤层气钻井用PDC钻头,图6.2.13煤层气钻头种类图,6、内心可开闭式PDC钻头,用于解决松软突出煤层、破碎地层中钻进成孔难的问题，配套大通孔螺旋钻杆可实现从名杆中心快速下套管，优点如下全面钻进时中心翼片关闭；终孔时用套管将中心翼片顶开，将套管下入内心；中心翼片不留孔内，钻头可重复利用；专有定位技术，保证中心翼片开闭灵活。现有产品规格Φ94mm、Φ103mm、Φ113mm、Φ120mm。,图6.2.14中心可开闭式PDC钻头,图6.2.15使用过程图,7、先导型套铣打捞钻头,先导型套铣打捞钻头不但能解决孔内卡、断、埋钻具的问题，还能避免普通打捞钻头出现的钻孔偏斜等问题，能更快地打捞孔内钻具。,先导结构可以使打捞钻头更好地沿原钻孔轨迹钻进，快速清除钻孔中的异物，提高打捞效率；先导式打捞钻头比普通打捞钻头具有更高的钻进效率，能用于中硬以上地层钻进；先导齿切削量较低，扶正的过程中可以降低打捞钻头与钻具的摩擦，保护钻具实现快速打捞。现有产品规格Φ94mm、Φ103mm、Φ113mm、Φ120mm。,图6.2.16阶梯打捞钻头A,图6.2.17阶梯打捞钻头B,8、掏穴钻头,用于瓦斯抽放孔施工中，某一固定孔段直径的局部扩大，特别适用于穿层孔中，煤层段掏穴钻进，以扩大煤层段钻孔直径。其优点如下避免进行全段扩孔，大大减少钻孔工作量，提高施工效率；翼片由水压自动打开，开闭灵活，可靠性高；扩孔范围广，94扩113或者113/300均可实现。,,,现有产品规格型号Φ94mm/193mm、Φ113mm/300mm,图6.2.18掏穴钻头,图6.2.19使用过程,9、直槽式PDC锚杆钻头,针对目前锚杆钻头存存在问题，研发了直槽式锚杆钻头，其优点如下增大了复合片与钻头体的接触面积，焊接强度高；取消了中心水眼结构，避免了水眼堵塞；整体强度高，不易变形。已在淮北矿业集团芦岭煤矿进行了现场试验，与现场使用的锚杆钻头相比，使用寿命提高23。,2014年重点推广,现有产品规格型号Φ27mm、Φ28mm、Φ29mm、Φ30mm、Φ32mm,图6.2.20中心水眼式,图6.2.21直槽式,10、插接式PDC锚杆钻头,图6.2.22新型插接式PDC锚杆钻头,,中煤科工集团西安研究院有限公司钻头技术研究所,6.钻头6.3钻头的合理选择与使用,煤矿井下定向钻进技术培训系列,课题内容,1钻头选择的一般原则2钻进规程参数的设定3合理使用钻头的要求,钻头选择的一般原则软中硬（1～6）完整均质岩层，宜选用PDC钻头、天表钻头、聚晶钻头。硬坚硬（7～12）致密岩层，宜选用孕镶钻头，部分较软岩层可用细粒表镶金刚石钻头。破碎、裂隙发育、软硬互层、强研磨性等复杂地层，宜选用胎体硬度大、金刚石浓度高的广普型孕镶钻头。岩石越硬、研磨性越强，钻头金刚石粒度应小一些。在强研磨性地层，适宜选用高研磨性胎体，在弱研磨性地层，适宜选用低研磨性胎体，在均质、致密、弱研磨性地层，通常称为打滑地层，金刚石浓度低、胎体软的多种唇面形状钻头。软岩钻进，应选用复合片钻头，易冲蚀的岩矿心取心，应采用底喷式钻头。,1钻头的合理选择和使用,钻头优选表,2钻进规程参数,钻进规程主要是指钻头压力（P）、转速（N）、泵量（Q）、钻压（P）一般原则σr＜σp＜σd式中σr岩石抗压强度；σp钻进所需的单位压力；σd金刚石的抗压强度。,2.1钻压经验公式,PDC钻头P（1～2）m式中P钻压（KN）；mPDC的数量。孕镶钻头PPdA式中P钻压（N）；pd单位压力推荐值（5～10Mp）；A钻头工作唇面与岩石的接触面积mm2,2.2转速（N）,转速一般根据钻头外周线速度确定。VπDN/6010-3式中V圆周线速度（m/s）；π圆周率；D钻头外经（mm）；N钻头转速（r/min）。一般孕镶钻头V1.5～3m/s，表镶钻头V1～2.5m/s，PDC钻头V0.3～1.6m/s。,2.3泵量（Q）,一般按公式计算Q6vA式中Q冲洗液量（L/min）；v钻孔环状间隙上返流速，0.5v1.5m/s;A钻孔环状断面积（cm2）。,2.4金刚石钻头规程参数,2.5PDC钻头规程参数,此表内数据为垂直钻孔推荐值，应根据钻孔倾角予以调整,3.合理使用钻头,基本要求1、合理选用钻头及钻进规程2、在钻进深孔时钻头、扩孔器要排队轮换使用3、钻头、扩孔器和卡簧（卡料）必须合理匹配4、钻头应具有良好的工作条件，孔内清洁5、改善钻具稳定性，（钻进参数选择不当、钻具级配不合理、钻杆弯曲度超差、大规程钻进，都会影响钻具稳定性）6、防止岩心堵塞，（水敏、节理发育地层、硬脆碎地层）7、严防烧钻，保证冲洗液循环通畅、控制合理的钻进速度8、集中精力，精心操作。,钻头现场使用要求,钻前准备工作1、小心搬运钻头，严禁抛掷钻头，禁止在硬质材料上滚动钻头，以免损伤切削齿和螺纹；2、检查钻头切削齿是否有损伤、钻头内部是否有异物、水眼是否畅通；3、检查上只钻头是否存在有钻头体损坏、掉齿等，确定井底无切削齿、硬质合金、钢件等硬物存在，必要时清理井底；连接钻头4、检查钻头公扣或母扣，并涂抹丝扣油；5、连接钻头，应采用专用工具旋紧丝扣，取芯钻头严禁使用管钳，特别注意，上扣时严禁损坏钻头保径和切削齿。,开孔1、开孔前应将钻孔位置修整为凹坑，以免开钻时钻头滑出而造成损伤；2、先开启水泵，观察出水是否正常；3、将转速控制在30转以内，小规程钻进，至少维持钻进一只钻头的长度，进行孔底造型钻进1、进行孔底造型后，逐步增加钻压，直到正常钻进最佳值，保持钻压恒定调整转速以便获得最佳的钻进参数组合；2、应精心操作，时刻注意孔底状况，出现异常，及时停钻检查；,钻头现场使用要求,3、在遇到研磨性或硬破碎地层时，降低转速以延长钻头寿命；4、遇到地层变化或夹层时，应连续监测和调整钻压和转速，以达到最优的钻头寿命和钻进速度，保持最佳的钻进效果；5、在较硬地层钻进时，钻压增加，扭矩和钻进速度也应增加，否则说明地层太硬，不适合PDC钻头；6、钻头使用后期，切削齿磨损，承压面积增大，需增加钻压以保持钻进速度；7、正常钻进过程中不允许提动钻具，以防岩心堵塞；,钻头现场使用要求,8、钻进过程中严禁断水；9、尽可能避免用PDC钻头扩孔，较短的孔段需要扩孔时应采用小钻压、适中的转速以及最大的排量；,钻头现场使用要求,起下钻1、起下钻时速度要慢，防止岩石探头、脱落的岩心碰坏钻头切削齿；2、在钻头接近孔底时，开启水泵，使孔底充分冲刷，防止堵塞钻头水眼；3、起钻前应逐步减小钻进规程，停止钻头转动，使钻头上的钻压逐渐得以释放；4、在膨胀等复杂地层，起钻速度不能太快，以免“抽吸”作用造成塌孔或突出；,钻头现场使用要求,,练习题,,1、按照切削齿的材料类型钻头主要分为、、。2、金刚石钻头的钻进特点、、。3、复合片钻头的钻进特点、、。4、金刚石复合片（PDC）的主要性能指标、、。5、钢体式PDC钻头与胎体式PDC钻头的区别6、区分罗克钻头与其他钻头的主要方法、。7、软中硬（1～6）完整均质岩层，宜选用、、。8、开孔前应将转速控制在转以内，小规程钻进，至少维持钻进的长度，进行孔底造型。9.在孕镶金刚石钻头选用中，在强研磨性地层，适宜选用胎体，在弱研磨性地层，适宜选用胎体。10.某煤矿拟对某一煤层进行瓦斯预抽，采用的钻孔形式为地板穿层孔，穿越的地层为中砂岩、细砂岩、砂质泥岩，f系数为6-8，钻孔深度为120m，钻孔直径为113mm。为取得最大钻进效率，请根据教材6.3选用合适的钻头。并根据地层及钻孔情况选择合适的钻压、转速与泵量。,