钻头钻柱及井口工具.doc

1、钻头、钻柱及井口工具第一节 刮刀钻头 .1第二节 牙轮钻头 .1第三节 金刚石钻头 .8第四节 PDC 钻头 .11第五节 钻柱及其受力情况 .15第六节 钻柱的损坏及合理使用 .16第七节 井口工具 .18钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具，可根据其结构、功用及原理进行分类，现场常用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、PDC 钻头等。第一节 刮刀钻头刮刀钻头是旋转钻井法中最早使用的钻头，它的结构简单，制造方便，在泥岩、疏松的砂岩、泥质砂岩、页岩等低硬度、高塑性地层中钻进，可得到较高的机械钻速和钻头进尺，并且各油田均能自己设计和制造。刮刀钻头按刀片的数量不同可分为两翼刮刀钻头、三翼刮刀钻头、

2、四翼刮刀钻头等。最常用的是三翼刮刀钻头。由于刮刀钻头需要扭拒大，容易扭断钻具目前已经很少使用。第二节 牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙齿与井底的接触面积小，比压高、工作扭矩小、工作刃总长度大等。因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石，成为使用最广泛的钻头。牙轮钻头可按牙轮数目的多少分为单牙轮钻头，双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头等。目前普遍使用的是三牙轮钻头。一、三牙轮钻头的结构三牙轮钻头可分为五个部分，即钻头体、巴掌、牙轮、轴承和水眼。密封喷射式钻头除上述基本部分外，还有储油补偿系统。1、钻头体钻头体上部车有丝扣用于连

3、接钻柱，下部带有巴掌。钻头体上镶装喷嘴。牙轮钻头可分为有体式和无体式两类。钻头体与巴掌分别制造，然后将巴掌焊接在钻头体下侧的叫做有体式钻头，这种钻头的上部丝扣均为母扣；巴掌与三分之一钻头体做为一体，然后将三部分合焊在一起的叫做无体式钻头，无体式钻头均为公扣。2、巴掌巴掌与牙轮轴相连，上面有轴颈，用于支承牙轮。3牙轮牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成与轴颈相对应的滚动体跑道（或滑动磨擦面）的锥体，分单锥与复锥两种结构，如图 5-5所示。仅有主锥和背锥两个不同锥度的牙轮叫单锥牙轮，适用于硬或研磨性较强的地层；除主、背锥外还有 12 个副锥的牙轮叫复锥牙轮，适用于软或中硬地层。牙轮表面的牙齿，由牙齿

4、毛胚铣削加工或钻孔镶嵌两种方式制成。牙齿是钻头破岩的主要元件。由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿叫铣齿，这种钻头叫铣齿钻头。将金属材料加工成一定形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳上的钻头叫镶齿钻头。4、轴承牙轮钻头的轴承结构有滚动轴承和滑动轴承两种。目前广泛采用大轴承滑动副一滚珠轴承第二道止推一小轴滑动副的滑动密封轴承结构。其类型有四种：（1）普通滑动轴承，目前国产镶齿密封滑动轴承喷射钻头，大多采用这种类型的结构；（2）带固定衬套的滑动轴承；（3）带浮动补套的滑动轴承；（4）简易滑动轴承。5、水眼牙轮钻头在牙轮之间设计有水眼，根据需要可在水眼内安装不同类型、不同直径和不同数量的喷嘴。二、破岩机理牙轮钻头是

5、依靠牙轮绕钻头轴线的公转与牙轮绕自身轴线的自转所产生的冲击压碎作用和滑动剪切作用来破碎岩石的。1、冲击压碎作用牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的，轮齿对岩石的冲击压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。旋转钻头时，牙齿以一定速度冲击压入岩石，这一破碎方式与静压入破碎试验特点相似，牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。因此，牙轮钻头的牙齿作用在岩石上的轴向载荷包括静压及冲击载何两部分。加给钻头的钻压为静压部分；冲击载荷是由钻头在井底旋转时产生纵振，使钻头钻柱系统不断地压缩与伸张，下部钻柱把这种周期的弹性变形能传递给牙轮而产生的，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。加大钻头牙齿对地层的冲

6、击压力，就能提高破碎岩石的效率。2、滑动剪切作用在塑性较高的岩石中，除了要求牙齿对井底岩石有冲击压碎作用外，还要求牙齿对地层有一定的滑动作用，使牙齿对岩石进行剪切，以扩大岩石的破碎效果，这一点在软地层钻进时显得很重要。使牙轮在井底滚动时产生滑移的措施有超顶、复锥和移轴。（1）超顶。超顶就是指牙轮的锥顶超过钻头的中心线。锥顶超过中心线的距离叫做超顶距。超顶距越大滑动量就越大，超顶在切线方向上产生了滑动，剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之间的岩石。（2）复锥。复锥导致牙轮在切线方向产生滑动，同超顶一样也剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之间的岩石。（3）移轴。移轴就是指牙轮轴线相对于钻头轴线平移了一段距离。这段

7、距离叫做移轴距。如果移轴距越大，牙轮的滑动量就越大，剪切作用也就越大，移轴使牙齿产生了轴向滑动，剪去了牙轮上齿圈之间的岩石。3、牙齿本身的剪切作用牙齿在轴向压力（钻压）的作用下吃入岩石时，牙齿的楔形面就对与其接触的岩石产生了一个水平剪切力，岩石沿剪切面发生了剪切破碎，随着牙齿的移动而将已破碎的岩石剔出，这就是牙齿本身对岩石的剪切作用。表 5-1 国产三牙轮钻头型式代号型式名称类别全称 简称 型式代号普通轴承三牙钻头 普通钻头 Y普通轴承喷射式三牙轮钻头 喷射钻头 P密封滚动轴承喷射式三牙轮钻头 密封喷射钻头 MP密封滚动轴承喷射式保径三牙轮钻头 密封喷射保径钻头 MPB密封滑动轴承三牙轮钻头

8、滑动钻头 H密封滑动轴承喷射式三牙轮钻头 滑动喷射钻头 HP铣齿钻头密封滑动轴承喷射式保径三牙轮钻头 滑动喷射保径钻头 HPB镶齿密封滚动轴承喷射式三牙轮钻头 镶齿密封喷射钻头 XMP镶齿密封滑动轴承三牙轮钻头 镶齿滑动钻头 XH镶齿钻头镶齿密封滑动轴承喷射式三牙轮钻头 镶齿滑动喷射钻头 XHP三、三牙轮钻头系列1、国产三牙轮钻头系列（1）根据钻头的结构特征分成铣齿和镶齿两大类，10 种型式，如表 5-1所示。（2）按照所钻地层的软硬程度，各种型式的钻头分成七个品种，见表 5-2。表 5-2 国产三牙轮钻头品种代号地层软硬 极软 软 中软 中 中硬 硬 极硬品种代号 1 2 3 4 5 6 7

9、（3）型号表示方法例：直径为 215.9mm、镶硬质合金齿、滑动密封轴承、喷射式水眼，用于中软地层的钻头代号应为：215.9 XHP3。钻头直径，mm型式代号品种代号四、三牙轮钻头的合理使用1、合理选择钻头类型（1）根据所钻地层岩性，选择钻头类型遵循以下原则：a.在浅井段岩石胶结疏松，主要考虑钻头的钻速和防止泥包；b.在深井段由于起下钻行程长，主要考虑钻头的进尺；c.出井钻头外排齿严重磨损时，宜选用带有保径齿的钻头；d.在易斜井段宜选用滑移量小牙齿多而短的钻头；e.在选用镶齿钻头时，宜用楔形齿钻头；f.钻石灰岩时，宜用双锥齿、抛射体形齿钻头；g.地层泥页岩较多或钻井液密度较大时，宜选用具有较大

10、滑移量的钻头；h.地层为灰岩、砂岩，宜选用滑移量较小的钻头；i.在钻坚硬及高研磨的地层时，宜用纯滚动的球齿、双锥齿钻头。常用钻头与适用地层见表 5-3。（2）优选钻头水力参数应优先选用加长喷嘴和不等径组合喷嘴钻头。表 5-3 钻头类型与适用地层对照表钻头类型类别系列 适用地层 岩性 标准滚柱轴承 密封滚柱保径 密封滑动轴承 密封滑动保径Y1，P1，R1HP1，J1Y2，P2，R2HP2，J2JD2R3 XDG J3 JD31低抗压强度的高可钻性软地层粘土、泥岩、页岩、疏松砂岩、石膏 Y3、P 3 MPB3 HP3 HPB3Y4，P4，R4XDV， MPB4HP4，J4HPB4，JD4DR52

11、高抗压强度的中到中硬地层砂岩、页岩、泥岩、白垩岩等Y5，P5 MP5 HP5，J7HPB5Y6，P6 HP6R7，DR7铣齿3 半研磨性或研磨性的硬地层白去砂岩、砂质泥岩、石英岩 R8 J8 JD8J114低抗压强度的高可钻性软地层泥岩、石膏、疏松砂岩等X11 XHP1，J11CJ22X22 XHP2，J22CXHP3，J335 低抗压强度的软到中地层泥岩、页岩、石膏、软石灰岩等 X33 J33CXHP4，J44X44 XHP5，J55RJ556高抗压强度的中硬地层页岩、砂岩、白云岩、石灰岩 X55R XHP5AX55XHP6，J777 半研磨性或研磨性的硬地层石英砂岩、硬白云岩、石灰岩等XH

12、P7，J99镶齿8 研磨性的极硬地层石英岩、花岗岩、玄武岩、火山岩表 5-8 上海第一石油机械厂推荐的钻头钻压与转速值钻头系列 Y，P MP,MPB,HP,HPB XHP钻头型式钻头直径 mm 钻压 N/mm转速r/min钻压N/mm转速r/min钻压N/mm转速r/min1 190 550800 14090 550800 140902 175190 350450550850 140901409035045055085012060400500500800150603 175190 350450600850 14090125703504506008501005040050050080010040

13、4 175190 350450650900 140901004535045065090080607050400500500800705060405 175190 350450650900 14090804535045065090080607050400500550850705060406 175190 350450650950 140908045400500550850705060407 175190400500550650705060402.钻头入井前的检查（1）检查所选的钻头型号，直径是否符合要求；（2）仔细察看钻头丝扣、焊缝、牙齿是否完好；（3）检查喷嘴是否装牢，水眼应畅通；用手转动牙轮

14、，轴承密封应完好；钻头的压力补偿系统应完好，卸压孔应无堵塞。3.钻头入井时注意事项（1）钻头丝扣清洗后涂上专用丝扣油；（2）选用合适的装卸器，钻头放进装卸器时不得猛顿；（3）紧扣时按规定扭矩上紧；（4）下钻操作要平稳，遇阻不得硬压。镶齿钻头下钻要慢，以免在硬地层及井眼不规则处碰坏合金齿；（5）下钻遇阻划眼时，应记下井深、划眼情况及时间，以便于判断遇阻原因，控制工作时间；表 5-9 四川石油管理局总机修厂推荐的钻头钻压和转速值转速,r/min 钻压（滚动密封、滑动密封） ，kN地 层 滚动密封轴承滑动密封轴承 kN/cm2钻头直径215mm钻头直径152mm软 4.636.56 98137.3

15、29.458.8中60855.47.33 117.7156.9 39.268.6硬 507040606.178.49 137.3176.5 4978.5注：钻头直径 152mm的钻头因轴颈和牙轮都小，钻压不能过大，尚不能按kN/cm2标准计算。(6)下钻至井底一定距离（一个单根） ，应开泵转动转盘缓慢下放，严禁下到底开泵。4.钻进注意事项（1）新钻头应轻压磨合半小时左右，再逐渐加至规定钻压，严禁加压启动转盘； （2）操作刹把时精力要集中，送钻均匀，严防溜钻、顿钻事故；（3）钻进中应根据钻对变化及钻头运转情况，随时分析岩性的变化和钻头工作情况，及时调整钻井参数。钻压与转速的匹配应符合表 5-8、

16、表 5-9、表5-10、表 5-11所推荐的匹配值。5.钻头起出时间的确定（1）根据轴承和牙齿的磨损来确定，轴承损坏的现象是：转盘出现周期性蹩跳，钻压小蹩跳轻，钻压大则重。钻速下降，泵压正常而重量指示仪指针有摆动。(2)牙轮卡死的现象是：转盘负荷增大，转盘链条跳动，方钻杆有蹩劲，停转盘打倒车.钻速下降，重量指示仪指针摆动严重。(3)牙齿磨（脱）光的现象是：转盘负荷减轻；方钻杆无蹩跳；钻速明显下降或无进尺；重量指示仪指示平稳无摆动；泵压正常。（4）根据钻头每米成本来确定。其作法是：新钻头入井后，每钻一米计算出成本并列表，继续钻进成本逐步下降，当成本上升时应起出更换钻头。C1= ()brTH式中

17、C1钻头每米成本，元/m；Cb钻头成本，元；Cr钻头工作时设备使用成本，元/m；Tr起下钻、换钻头时间；h；T钻头纯钻进时间，h；H钻头总进尺，m；第三节 金刚石钻头一、金刚石钻头的结构金刚石刮刀钻头与普通刮刀钻头结构相似，仅是在刀片上镶装了金刚石颗粒。常用的金刚石钻头由钻头体（又称钢体） 、胎体和金刚石切削刃三部分组成。1、钻头体钻头体的上部车有丝扣以连接钻具，下部与胎体相连。钻头体有一体式和二体式两种，二体式上部分合金钢，车有丝扣，下部为低碳钢胎体，两部分用丝扣连接在一起，然后焊死。2、胎体胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，因而要求条件较高。一般要求胎体不但应具有足够的强度、硬度、耐磨性、导热性

18、，还要能与金刚石颗粒牢固地粘结在一起，并使胎体工作层的磨损与金刚石磨损保持适当比例，这样才能在钻进中保持钻头上的金刚石工作刃不断自锐。3、金刚石切削刃金刚石颗粒是钻头破碎岩石的切削元件，根据不同岩性，金刚石在钻头胎体上的镶装方式有表镶式、孕镶式、表孕镶式三种。（1）表镶式（又叫外镶式） 。表镶式就是把金刚石颗粒镶装在钻头胎体表面的一层上，其金刚石颗粒较大。表镶式金刚石钻头多用于相对较软的地层。（2）孕镶式（又称潜铸成） 。孕镶式就是把金刚石颗粒分布在钻头胎体的一定厚度内，孕镶层厚度为 212 毫米。孕镶式金刚石钻头多用于坚硬地层。（3）表孕镶式。表孕镶式就是在钻头工作面上同时采用表镶、孕镶两种

19、镶装方式。通常是在表镶式钻头的薄弱处孕镶一层金刚石。例如在钻头外侧与中心部分同时采用表孕镶方式，这样可以延长钻头寿命。二、破岩机理金刚石是至今人类在地球上最硬的矿物，在莫氏硬度标准中列为第十级。它的抗磨能力为钢材的 9000倍。在钻压作用下，金刚石切削刃压缩（对岩石的压应力可达40006000MPa）并吃入岩石，在扭矩作用下，切削刃周围压碎的岩石被剔出。当钻压不大时，井底沿金刚石切削刃的运动方向形成小的沟槽，加大钻压则会使小沟槽的深部与两面侧岩石发生体积破碎，破碎的岩屑可超过金刚石切削刃的吃入尺寸。整个过程就象“犁地”一样，称为金刚石钻头的犁式切削机理。三、金刚石钻头的代号和型号（1）用途代号

20、M全面钻井用钻头；Q取心钻井用钻头。（2）金刚石钻头切削元件代号T天然金刚石；F复合片聚晶；Y圆柱形聚晶；D人造单晶；S三角形聚晶；（3）被钻地层可钻性代号1软；2中软； 3中等；4中硬；5硬。（4）型号表示方法例如：150.9SM3 表示用于中等地层，外径为 150.9mm的三角形聚晶全面钻井用钻头。四、金刚石钻头的合理使用1、钻头的选择（1）根据所钻地层的岩性选择钻头类型；（2）根据所设计的井眼直径选择钻头直径。一般要求其直径应比同井眼的牙轮钻头直径小 1.52mm。2、入井前的检查与准备工作（1）认真检查所选的钻头型号、直径、水眼、水槽、接头丝扣等，应符合要求，并作好检查记录；（2）检修好地面设备和入井钻具，确保钻头能在井下较长时间连续安全钻进；（3）井底清洁无落物，起出的上只钻头直径磨损严重时应采取扩眼措施后再下金刚石钻头尽量避免用金钢石钻头划眼。3、钻头入井注意事项（1）按钻头时一定要保护好金刚石切削刃，使用专用钻头装卸器，不能让外径尺寸 切削元件代号用途代号地层可钻性代号制造厂名或商标