)第二章钻进工具

3.2.3
牙齿对地层的剪切作用 通过牙齿对井底的滑动来实现。 滑动由牙轮钻头的超顶、复锥和移 轴三种结构产生。 1）超顶和复锥引起的滑动 超顶和超顶距：图2-14。 超顶引起牙轮滑动的原理：
复锥引起牙轮滑动的原理：包括主
锥和副锥(图2-8)。副锥锥顶的延 伸线是超顶的。 超顶和复锥引起的滑动对地层的剪 切作用：
8)价格较高。 5.2.2 金刚石钻头适应的地层 均质地层，含砾石的地层不能用。 天然金刚石：中至坚硬地层； TSP钻头：中至硬地层； PDC钻头：软到中硬地层。 钻头选型指南示例：表2-5
第二节 钻柱
定义： 工作条件和重要性： 1.1 钻柱的作用 连通地下与地面的枢纽，通过钻 柱传递物质、能量和信息，并进行 各种作来决定起
钻换钻头的合适时间？
钻头的技术经济指标：
1)钻头进尺：一个钻头钻进的井眼 总长度，m。 2)钻头工作寿命：一个钻头的累计 总使用时间，h； 3)钻头平均机械钻速：一个钻头的 进尺与工作寿命之比，m/h；
4)钻头单位进尺成本：
C pm =﹛C b+ C r ﹝t + t t﹞﹜/ H
5.1.2
牙轮钻头的分类及型号编码 国内外对牙轮钻头都进行了系统 的分类，命名了型号编码，对每类 钻头都基本上标明了所适用的地层。 1)国产三牙轮钻头分类和型号表示 法：见表2-3和见表2-4。
表2-3 国产三牙轮钻头系列
类 别 普通钻头 铣 齿 钻 头 喷射式钻头 系 全 称 列 名 称 简 普通钻头 喷射式钻头 称 代 号 Y P
第二章 钻进工具
第一节 钻头
钻头的重要性： 发展及标志： 内容： 1
概述
钻头类型：
分为刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石材料
钻头三类。 牙轮钻头分洗齿钻头和镶齿钻头。 金刚石材料钻头又分为天然金刚石钻头 (ND)、聚晶金刚石复合片钻头(PDC)以 及热稳定聚晶金刚石钻头(TSP)。 特殊钻头：取芯钻头和扩眼钻头等。
5 钻头的选型及分类法
钻头选型的重要性： 钻头选型的条件：
1)充分了解地层岩石的物理机械性能； 2)充分了解钻头特性； 3)了解邻井相同地层使用钻头的资料； 4)具体井的情况； 5)甲方的要求。
5.1
牙轮钻头的选型及分类法 5.1.1 牙轮钻头选型原则及应考虑 的问题 1)钻进井段的深浅、地层的岩性、 地层软硬程度和研磨性。 2)易斜地层。 3)软硬交错地层。
牙轮超顶和复锥引起牙齿在井底 圆周切线方向的滑动，滑动速度随 超顶距的增加而增加。该滑动除可 在切线方向与冲击、压碎作用共同 破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿 圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。
2)移轴引起的滑动
移轴和偏移值：图2-15。
移轴引起牙轮滑动的原理：
3)移轴引起的滑动对地层的剪切作
ＰＤＣ钻头
ＰＤＣ取芯钻头
ＰＤＣ双心钻头
ＴＳＰ钻头
三类钻头的使用率：牙轮钻头使用
约占总进尺的80%左右，其次是金 刚石材料钻头，刮刀钻头很少用。 钻头公称尺寸和系列：钻头以其最 大外径为其公称尺寸，国际上已经 形成基本统一的系列。
常见钻头尺寸为26(660.4)、 20(508)、171/2(444.5)、 143/4(347.6)、121/4(311.1)、 105/8(269.9)、91/2(241.3)、 83/4(222.2)、81/2(215.9)、 77/8(200)、61/2(165.1)、 61/8(155.5)、57/8(149.2)、 43/4(120.6)in(mm)等14种。
第二位字码：为岩性级别代号，用
数字1～4分别表示在第一位数码表 示的钻头所适用的地层中再依次从 软到硬分为四个等级。
第三位字码：为钻头结构特征代号，
用数字1～9共九个数字表示，其中 1～7表示钻头轴承及保径特征，8 与9留待未来的新结构特征钻头用。 1～7表示的意义如下：
1—非密封滚动轴承； 2—空气清洗、冷却，滚动轴承； 3—滚动轴承，保径； 4—滚动、密封轴承； 5—滚动、密封轴承，保径； 6—滑动、密封轴承； 7—滑动、密封轴承，保径。
根据轴承副的结构（指主要承载轴
承即大轴承）分类及特点：分为滚 动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴 承的结构形式有“滚柱—滚珠—滚 柱—止推”和“滚柱—滚珠—滚 珠—止推”两类；滑动轴承的结构 有“滑动—滚动—滑动—止推”及 “滑动—滑动—滑动—止推”两种 (图2-12及表2-2)。
3.1.3 功用：
第四位字码：为钻头附加结构特征
代号，用以表示前面三位数字无法 表达的特征，用英文字母表示。目 前，IADC己定义了11个特征，用下 列字母表示：
A—空气冷却；C—中心喷嘴； D—定向钻井；E—加长喷嘴； G—附加保径/钻头体保护； J—喷嘴偏射； R—加强焊缝（用于顿钻）； S—标准铣齿；X—楔形镶齿； Y—圆锥形镶齿；Z—其他形状镶齿。
例：437—镶齿，滑动、密封轴承，
保径，适用于低抗压强度高可钻性 的中软地层的三牙轮钻头。 5.2 金刚石钻头的选型及分类 金刚石钻头选型的重要性：
5.2.1
金刚石钻头的特点 1)是一体式钻头。可使用高转速，适 合于与井下动力钻具共用；可承受 较大的侧向载荷，适合于定向钻井。 2)适应地层且使用正确时，耐磨且寿 命长，效益高，特别适合于深井及 研磨性地层使用。
滚动密封轴承喷射式钻头
滚动密封轴承保径喷射式钻头 滑动密封轴承喷射式钻头 滑动密封轴承保径喷射式钻头
密封钻头
密封保径钻头 滑动轴承钻头 滑动保径钻头 镶齿密封钻头 镶齿滑动轴承钻头
MP
MPB HP HPB XMP XH
镶齿 镶齿滚动密封轴承喷射式钻头 钻头 镶齿滑动密封轴承喷射式钻头
表2-4 国产三牙轮钻头类型与适应地层
储油润滑密封系统
组成和结构：图2-7。 工作原理： 密封圈：有橡胶密封圈和金属密封
圈(美国休斯)两种。 3.1.4 钻头水眼
3.1.5
牙轮钻头的自洗 牙轮钻头在软地层钻进时，牙 齿间易积存岩屑产生泥包，影响钻 进效果。为解决这一问题，出现了 自洗式钻头(图2-16)。其牙轮布置 有自洗不移轴及自洗移轴两种方案。
自转及其转速：牙齿在绕钻头轴线
顺时针公转的同时，也绕牙轮轴线 作逆时针方向的旋转，称为自转。 牙轮牙齿自转的转速与公转的转速 以及牙齿对井底的作用有关。 滑动：
公转、自转和滑动的关系：自转和
滑动是在公转的带动下产生的，公 转是主动速度，自转和滑动是被动 速度，故有：牙齿公转线速度＝牙 齿自转线速度＋牙齿滑动线速度 (举例)。 振动： 问题讨论：在上述运动方式下钻头 牙齿有何种破岩方式？
3)地温较高时，牙轮钻头的轴承密封 易失效，金刚石钻头则不会出现此 问题。 4)如果井眼小于165.1mm(61/2in)， 牙轮钻头的轴承由于空间尺寸的限 制，强度和性能不能保证，金刚石 钻头则不会出现此问题。
5)钻压受限不适合用牙轮钻头时， 改用金刚石钻头，即防斜，又可快 速钻进。 6)结构设计和制造比较灵活，生产 设备简单，能满足非标准尺寸需要。 7)钻进时应避免动载，并保证充分 的清洗与冷却。
问题回答： 为什么牙轮钻头可以适应从极软到
极硬的地层？
5)小结
对于钻极软到中硬地层的钻头， 一般兼有移轴、超顶和复锥结构； 中硬或硬地层钻头一般有超顶和复 锥；极硬和研磨性很强的地层钻头， 没有移轴、超顶和复锥结构，基本 为纯滚动。
4 金刚石钻头的结构和工作原理
4.1
金刚石材料钻头的结构 4.1.1基本特点和结构 为一体式，无运动件；由钻头 体、冠部、水力结构、切削刃和保 径五部分构成(见图2-17等)。
2)IADC牙轮钻头分类方法及编号：
IADC规定，每一类钻头用四位字码 进行分类和编号，各字码的意义如 下： 第一位字码：系列代号，用数字 1～8分别表示八个系列，代表牙齿 特征及所适用的地层：
1—铣齿，低抗压强度高可钻性的软地层； 2—铣齿，高抗压强度的中到中硬地层； 3—铣齿，中等研磨性或研磨性的硬地层； 4—镶齿，低抗压强度高可钻性的软地层； 5—镶齿，低抗压强度的软到中硬地层； 6—镶齿，高抗压强度的中硬地层； 7—镶齿，中等研磨性或研磨性的硬地层； 8—镶齿，高研磨性的极硬地层。
3.2
牙轮钻头的工作原理
包括运动方式和破岩方式两方面。 问题讨论： 牙轮钻头在井底工作时的运动特点 (牙轮牙齿的运动形式)？
3.2.1
牙齿的转动和滑动 公转及其转速：牙齿随钻头一起绕 钻头轴线作顺时针方向的旋转运动 称为公转。公转转速即转盘或井下 动力钻具的转速。牙轮上外排齿公 转的线速度最大。
3.2.2
牙齿对地层的冲击压碎作用 静载：钻头上承受的钻压经牙齿作 用在岩石上，形成静载。 动载：牙齿单双齿交错接触井底引 起高频纵振(图2-13)，井底凹凸不 平和送钻不均引起低频高振幅纵向 振动，产生动载。
冲击、压碎作用：
动载的利与弊及控制：动载有利于
破岩，但也会使钻头轴承过早损坏， 使硬质合金齿崩碎，也使钻柱处于 不利的条件下工作。可通过使用液 力加压器、减震器、合理设计钻压 和转速、及时清岩和避免纵向共震 等方法来控制过大的动载。
4.1.2
金刚石钻头的切削齿材料 分类：天然金刚石齿(ND)、聚晶金 刚石复合片齿(PDC)及热稳定聚晶 金刚石齿(TSP)。 金刚石材料共同特性：最硬、最耐 磨的材料，但脆性较大，怕冲击， 且热稳定性较差。
小结：在设计、制造和使用中必须
避免金刚石材料受高的冲击载荷并 保证金刚石切削齿的及时冷却。 4.2 金刚石材料钻头的工作原理 (破岩方式) 有剪切、切削、犁削、微切削、 刻划、研磨、压碎、冲击等几种。
式中： C pm—单位进尺成本，元每米； C b—钻头成本，元； C r—钻机作业费，元每小时； t —钻头钻进时间，h； t t—起下钻及接单根时间，h； H —钻头进尺，m。