技术指导

  三、钻头类型之间的选择 牙轮 适应地层 全部 结构 有活动部件 和薄弱环节 转速 较低 井眼尺寸 较大 造斜 钻压 较高 清洗要求 价格 较低 聚晶复合 片金刚石 软 无 高 小 较好 较低 严格 较高 天然金刚 石钻头 硬 无 高 小 较好 较低 严格 高

  2.牙轮钻头的分类及型号编码 （1）国产三牙轮 直径 ×系列代号 （表2－3）

  （2）IADC法 牙齿系列 代号1~8 岩性级别ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ代号1~4 钻头结构特 征代号1~7 附加结构特征 （英文字母）

  1.钻头的特点（低钻压、高转速、定向井） 2.适应地层（深井及耐磨性地层） 3.分类（IADC） 切削齿种类 钻头冠部 和钻头体材 形状1~9 料D，M， S，T，O 水力结构特 征代号 1~9，R， X，O 切削齿的大小 和密度

  1.总体结构 钻头体、冠部、水力结构、保径、切削齿 2.天然、TSP的水力结构： 中心水孔 钻头表面水槽 3.PDC钻头的水力结构： 分流元件 水眼 5.切削齿材料 天然金刚石 人造金刚石 聚晶金刚石 排屑槽 环空 环空

  2.刀翼几何形状 背部形状 抛物线型 底部形状 底刃b 材质： 高强度材质，刀翼侧面、正面镶 装或平铺硬质合金及孕镶金刚石 块，提高耐磨性

  PDC钻头水力结构的设计对清洗井底、冷却和润滑 切削齿起着至关重要的作用。喷嘴的设置与切削齿的布 置相配合，通常布置多个喷嘴，形成一个有效的喷嘴流道系统，以有效清除岩屑和冷却、润滑每个切削齿。

  设计技术钻头技术切削角度切削角度?切削齿的大小尺寸?切削角度?布齿密度?布齿方法?布齿方式为切削齿的侧转角为切削齿的侧转角设计技术钻头技术?切削齿的大小尺寸?切削角度?布齿密度?布齿方法?布齿方式软地层硬地层设计技术钻头技术?布齿密度?切削齿的大小尺寸?切削角度?布齿密度?布齿方法?布齿方式切削齿的径向定位切削齿的径向定位设计技术钻头技术?布齿方法?切削齿的大小尺寸?切削角度?布齿密度?布齿方法?布齿方式切削齿的周向定位切削齿的周向定位设计技术钻头技术?切削齿的大小尺寸?切削角度?布齿密度?布齿方法?布齿方式散布式散布式设计技术钻头技术?布齿方式喷射角度h1为常规排屑槽深度h2为新型?喷射角度?排屑槽深度?组合喷嘴设计技术钻头技术?钻头成型工艺?固齿工艺制造工艺钻头技术钻头体钻头体胎体钻头成型工艺利用无压浸渍工艺高温烧结而成

  保证刀翼结构有足够强度的情况 下，尽可能减小刃尖角 β 软岩石 β 平均10度 较硬岩石 β 平均12－15度 夹层多井又较深时还要适当增大

  金刚石钻头适用于钻中到坚硬、研磨性地层和 涡轮钻井、深井超深井钻井以及取芯作业。 使用金刚石钻头前，井底要打捞干净，保证没 有金属落物。钻头刚下到井底时，要先用小钻压、 低转速跑合。然后采用相比来说较低的钻压（和牙轮钻 头相比），较高的转速和较大的排量钻进。应尽量 避免划眼。如果一定要进行划眼，应采用低钻压和低 转速，操作要均匀，防止钻头规径部分金刚石碎裂 和过度磨损。

  1、结构 聚晶金刚石层＋碳 化钨底层＋柱状体 部→切削元件 （块） 破岩机理：以切削 方式破岩

  刚体PDC钻头的整个钻头体都 采用中碳钢材料并采用机械 制 造工艺加工成形。在钻头工作 面上钻孔，以压入紧配合方式 将PDC切削齿固紧在钻头冠 部。钻头冠部采用表面硬化工 艺（喷涂碳化钨耐磨层、渗碳 等）做处理，以增强其耐冲 蚀能力。这种钻头的主要优点 是制造工艺简单；缺点是钻头 体不耐冲蚀，切削齿难以固 牢，目前应用较少。

  ①双锥阶梯形剖面 适用于软到中硬地层 (硬石膏、泥岩、砂岩、 灰岩等)； ②双锥形剖面 适用于较硬、致密地层 (较硬的砂岩、石灰岩、白 云岩等)；

  ①逼压式水槽结构 ②辐射型水槽结构 ③辐射型逼压式水槽 ④螺旋型水槽结构

  在软地层中，可以得 到高的机械钻速和钻 头进尺。 在较硬地层中，钻头 吃入困难，钻井效率 低。

  1.钻头的工作原理及结构特点； 2.地层岩石的机械物理性能； 3.钻井方式 4.邻井相同地层钻头使用情况

  一、牙轮钻头的选型及分类法 1.选型原则 （1）地层的软硬程度及研磨性 （2）井段深浅 （3）易斜地层 （4）软硬交错地层

  •混合布齿设计 钻头设计时，不平衡力控制 钻头设计时，不平衡力控制 在一些范围之内。 在一定范围以内。

  三、牙轮钻头的发展 1909：第一个牙轮钻头问世 1925：自洗式牙轮钻头 1933：滚动轴承三牙轮钻头 1935：移轴三牙轮钻头,钻速提高30％ 1930_1948：普通水眼 1949：jet drilling 1951：镶硬质合金球齿钻头 1960：密封润滑轴承，寿命提高30—40％

  • 3.牙齿对地层的剪切作用 剪切作用是通过牙轮的滑动来实现的； （1）超顶：牙轮锥顶超过钻头轴心引起切向滑 动，其大小与超顶距c成正比。 切向滑动→剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之 间的岩石。 （2）移轴：牙轮轴线偏离钻头轴心 引起轴向滑动，其大小与偏移值s 成正比。 轴向滑动→剪切掉齿圈之间的岩石； （3）复锥：牙轮母线有两个不同的锥度

  胎体PDC钻头的钻头体上部为钢 体，下部为碳化钨耐磨合金 胎 体，采用粉末冶金烧结工艺制造 成型。用低温焊料将PDC切削齿 焊接在胎体预留窝槽上。碳化钨 胎体硬度高，耐冲蚀，因而胎体 PDC钻头寿命长，进尺高，目前 应用比较广泛。

  天然金刚石 PDC: 聚晶金刚石复合片 TSP: 热稳定聚晶金刚石 • 金刚石优点： - 最硬、抗住压力的强度最大、抗磨能力最高 • 金刚石缺点： - 脆性大，遇到冲击会引起破裂 - 耐热性差，高温下会燃烧。（455-860℃碳 化）

  刮刀钻头钻进脆性较大的地层时，破碎岩石的过程则分为碰撞、压碎 及小剪切和大剪切三个阶段： （1）碰撞 刃前岩石被破碎后，岩石对刀片的扭转阻力减小，刀片向前推进，碰 撞刃前岩石； （2）压碎及小剪切 刀片在扭转力的作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎； （3）大剪切 扭转力增大，刀片继续挤压 前方岩石，当扭转力增大到极限 值时，岩石沿剪切面产生大剪切 破碎，然后扭转力突然减小。 碰撞、压碎及小剪切、大剪 切这三个过程反复进行，形成刮 刀钻头破碎塑脆性岩石的全过 程。

  根据摩尔强度 理论，如果忽 略摩擦力，当 F力等于或大 于剪切面积与 岩石抗剪极限 强度乘积时， 岩石沿剪切面 破碎。

  刮刀钻头以切削方 式破碎岩石。刮刀钻头 在软的塑性地层工作 时，其切削过程类似于 刀具切削软金属。刀片 在钻压的作用下吃入地 层，与此同时刀刃前面 的岩石在扭转力的作用 下不断产生塑性流动， 井底岩石被层层剥起。

  交错排列方式适用于软到中硬地层的钻头，圆 周排列方式适用于金刚石粒度较小、出刃较低的 硬地层钻头，脊圈式排列方式适用于金刚石粒度 更细、出刃更低的坚硬地层钻头。

  天然金刚石钻头 （1）硬地层在压力作用下呈现塑性 （2）塑性地层（岩石在应力作用下呈现塑性） 在扭矩作用下，使前方岩石内部发生 破碎或塑性流动（蠕变）形成岩屑 （3）脆性地层：以剪力和张力破碎岩石脆性破坏 （4）坚硬岩石：磨成粉末

  PDC钻头的特点：适应于软到中硬地层 钻进，较小钻压、高转速下机械钻速 高；单只钻头进尺大（一次下井最好指 标接近2000m）。 常用组合工艺技术：螺杆钻具PDC钻头

  刮刀钻头以切削方式破碎岩石。刮刀钻头 在软的塑性地层工作时，其切削过程类似于 刀具切削软金属。刀片在钻压的作用下吃入 地层，与此同时刀刃前面的岩石在扭转力的 作用下不断产生塑性流动，井底岩石被层层 剥起。

  钻头的分类 按工作任务： 取心钻头和全面钻进钻头 常用钻头： 牙轮钻头：80％－90％ 刮刀钻头 金刚石材料钻 头： 天然金刚石钻头 聚晶金刚石复合片钻 头PDC 热稳定性钻头TSP

  “为国分忧、为民族争气”的爱国主义精 神； “宁可少活２０年，拼命也要拿下大油田” 的忘我拼搏精神； “有条件要上，没有条件创造条件也要上” 的艰苦奋斗精神；

  特点：镶嵌有金刚 石，适用于研磨性强 的地层 金刚石特点：高耐 磨、自锐作用、高温 碳化 破岩原理：研磨作用

  聚晶金刚石层＋碳化 钨底层＋柱状体部→ （2）胎体(碳化钨) 切削元件（块） 切削机理：以切削 方式破岩

  PDC钻头是以切削方式破 碎岩石。能自锐的切削齿在 钻压的作用下很容易切入地 层，在扭矩的作用下向前移 动剪切岩石。多个PDC切削 齿同时工作，井底岩石的自 由面多，岩石在剪 切作用下 也容易破碎，因此破岩效率 高，钻进速度快。

  6.PDC钻头的正确使用 (1)PDC钻头在大段均质的软到中硬地层中使用效果最 好。不适合钻砾石层和软硬交错地层。 (2)采用低钻压、高转速、大排量钻进，钻头使用效果 好。 (3)钻头下井前，井底要清洁，确保无金属落物。 (4)钻头刚下井时，要采用小钻压和低转速跑和，待形 成井 底后回到正常状态钻进。 (5)PDC钻头属于整体式钻头，无任何活动部件，适合 高转速的涡轮钻井。