1、三牙轮钻头的认识与使用,钻井公司李卫岭,一、钻头的分类,二、三牙轮钻头的认识,三、钻头的使用和优选,三牙轮钻头的认识与使用,四、钻头失效分析,一、钻头的分类,目前石油钻井中使用的钻头分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头三大类型。 河南油田所使用的钻进钻头主要是牙轮钻头和少量的金刚石复合片PDC钻头。刮刀钻头已淘汰不用。,一、钻头的分类,刮刀钻头,刮刀钻头有双翼刮刀、三翼刮刀、四翼刮刀之分，最常见的为三翼刮刀钻头。,一、钻头的分类,牙轮钻头,牙轮钻头按牙轮数目分有单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头、多牙轮钻头。最常见的为三牙轮钻头。,一、钻头的分类,金刚石钻头,金刚石钻头按金刚石来源分为天然金刚石
2、钻头、人造金刚石钻头两大类。,一、钻头的分类,二、三牙轮钻头的认识,三、牙轮钻头使用和优选,三牙轮钻头的认识与使用,四、钻头失效分析,二、 三牙轮钻头的认识,钻头认识,钻头结构,工作原理,二、 三牙轮钻头的认识,牙轮钻头主要有巴掌、轴承、牙轮、水眼、储油系统等部分组成。,三牙轮钻头结构,二、 三牙轮钻头的认识,二、三牙轮钻头的认识,1、轴承结构： 钻头轴承有三种：滚动轴承、滑动轴承、卡簧滑动轴承。卡簧滑动轴承是主要为国外厂家产品，国内牙轮钻头的轴承绝大多数只有滚动轴承和滑动轴承二种。,牙轮钻头的结构,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,1、轴承结构,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,1、
3、轴承结构,问题： GA114、HJT517G钻头的轴承属于哪种？,三牙轮钻头结构,二、 三牙轮钻头的认识,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,2、切削结构-牙轮与牙齿,牙轮是一个锥体，分为单锥和复锥两种。单锥由主锥和背组成，单锥牙轮在井底的运动为纯滚动，适应于硬地层钻井；复锥由主锥、副锥和背锥三部分组成，这种牙轮在井底工作除了滚动外，还产生滑动，适应于较软地层钻井。,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,2、切削结构-牙轮与牙齿,a单锥 b、c复锥 1主锥 2副锥 3背锥,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,2、切削结构-牙轮与牙齿,牙轮上的牙齿分镶齿与铣齿两种，镶齿是在牙轮外锥面的齿圈上
4、钻孔，镶上大小、形状不同的硬质合金齿；铣齿则直接从牙轮锥体上铣出。三牙轮钻头的各排齿互相齿合，有效而不重复地全面破碎井底地层岩石，并防止齿槽泥包。,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,2、切削结构-牙轮与牙齿,硬质合金齿有10多种，如球形、锥形、锲形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、平头形、圆锥锲形等，不同地层、不同岩性其破岩机理不同，钻头牙齿形状也不同。一种型号钻头上往往不全是一种齿形。,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,2、切削结构-牙轮与牙齿,钢齿形状多为锲形，为了加强钻头保径，外排齿往往设计成“T”、“L”、“”；为了克服钻头在破碎地层时易磨损的缺点，需要在牙齿工作面及背锥面上敷焊耐磨材
5、料。,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,2、切削结构-牙轮与牙齿,牙齿的形状、大小、数量、长短取决于地层的硬度，地层越软，则牙齿越大、越尖、越少；反之，地层越硬，牙齿越小、越短、数量越多。,三牙轮钻头结构,三牙轮钻头的认识,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,3、储油压力补偿系统,该装置由轴承密封圈、储油囊、保护杯、压盖、丝堵、当圈等零件组成。其作用是平衡牙轮钻头工作时轴承腔内外的压力差，使轴承密封圈在较小压差下长时间正常工作，防止钻井液进入轴承腔内和避免润滑脂的漏失，并储存足够的润滑脂向轴承腔内不断补充，使钻头在密封状态和润滑条件下良好工作。,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,3、
6、储油压力补偿系统,三牙轮钻头结构,三牙轮钻头的认识,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,3、钻头喷嘴,为了解决岩屑及时冲离井底的问题，达到保持井底干净、甚至用高速射流直接破碎岩石的目的，人们设计了并安装了喷嘴。 钻头喷嘴由硬质合金加工而成，常用喷嘴主要有三种型号，标准型、保护盖型、和微长喷嘴，其它还脉冲喷嘴、斜喷嘴、加长喷嘴等。,二、三牙轮钻头的认识,牙轮钻头的结构,3、钻头喷嘴,S标准型 P保护盖型 M微长喷嘴,二、 三牙轮钻头的认识,钻头认识,钻头结构,工作原理,二、三牙轮钻头的认识,工作原理,1、牙齿的公转与自转 牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头轴线作顺时针方向的旋转运动-公转
7、。公转速度就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。 钻头工作时，牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向的旋转-自转。自转速度与公转速度以及牙齿对井底的作用有关。,二、三牙轮钻头的认识,工作原理,2、钻头的冲击破岩 牙轮滚动，牙齿单齿、双齿交错接触井底，产生钻头的纵向振动。钻头在井底纵向振动通过钻头牙齿转化为对地层的冲击作用，冲击作用与静压入力一起形成了钻头对地层岩石的冲击、压碎作用。这是牙轮钻头破岩的主要方式。,二、三牙轮钻头的认识,工作原理,2、钻头的冲击破岩优点：有利于破碎岩石，提高钻井速度。缺点：钻头轴承早期损坏； 硬质合金齿崩碎； 钻柱疲劳损坏。,二、三牙轮钻头的认识,工作原理,3、剪切作用 剪切作用是
8、由牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动实现的。 产生滑动的原因是由牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。,二、三牙轮钻头的认识,工作原理,3、剪切作用 牙齿的滑动虽然可以剪切井底岩石以提高破碎效率，但也相应地使牙齿磨损加剧。极软-中硬地层：移轴、超顶和复锥结构中硬-硬地层：超顶和复锥结构极硬-研磨性很强的地层：单锥、不超顶、也不移轴,一、钻头的分类,二、三牙轮钻头的认识,三、钻头的使用和优选,三牙轮钻头的认识与使用,四、钻头失效分析,三、牙轮钻头的使用与优选,牙轮钻头的使用与优选,钻头选型原则,钻头的分类及型号编码,现场使用要求,钻头尺寸与扣型,钻头尺寸与喷嘴型号,三、牙轮钻头的
9、使用与优选,钻头的分类及型号编码,1、分类：铣齿钻头、镶齿钻头两大类,2、型号编码,实例：8-1/2HJT517G,钻头直径代号,钻头系列代号,钻头分类号,钻头附加结构特征代号,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头分类与型号编码,系列代号编码表,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头分类与型号编码,系列代号编码表续表,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头分类与型号编码,表示IADC编码，采用SPE/IADC23937的规定，由三位数字组成。 首位数为切削结构类别及地层系列号； 第二位为地层分级号； 末位数为钻头结构特征代号。,钻头分类号,实例中：8-1/2HJT517G,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头分类与型号编
10、码,首位数为切削结构类别及地层系列号，由数字18表示八个系列,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头分类与型号编码,第二位为地层分级号 用数字14分别表示在第一位数字表示的钻头所适用的地层中再依次从软到硬分为四个级别。,钻头分类号,由 软 到 硬,例如：第一位数字为6，对应地层为中硬地层。,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头分类与型号编码,末位数为钻头结构特征代号 用数字19表示。其中17表示轴承及保径特征，8、9留代未来的新结构特征钻头用。1表示非密封滚动轴承 2空气冷却滚动轴承3滚动轴承，保径 4密封滚动轴承5密封滚动轴承，保径 6密封滑动轴承7密封滑动轴承，保径,钻头分类号,三、牙轮钻头的使用与优选
11、,钻头分类与型号编码,钻头附加结构特征代号,实例中：8-1/2HJT517G,不同厂家附加结构特征代号含义不同。,以江汉钻头为例,三、牙轮钻头的使用与优选,牙轮钻头的使用与优选,钻头选型原则,钻头的分类及型号编码,现场使用要求,钻头尺寸与扣型,钻头尺寸与喷嘴型号,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头尺寸与扣型 不同钻头尺寸，钻头扣型也尽相同，所需的上扣扭矩也不同。,钻井工程手册,三、牙轮钻头的使用与优选,牙轮钻头的使用与优选,钻头选型原则,钻头的分类及型号编码,现场使用要求,钻头尺寸与扣型,钻头尺寸与喷嘴型号,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头尺寸与喷嘴,1、不同钻头尺寸，所选用喷嘴型号也尽相同。,喷嘴
12、型号如何表示？不同的厂家表示方法也不尽相同。以江汉厂喷嘴为例 S4-16,喷嘴类型代号S-标准型P-保护盖型M-长喷嘴型,喷嘴尺寸代号,喷嘴出口直径单位：mm,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头尺寸与喷嘴,喷嘴尺寸代号用数字15来表示,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头尺寸与喷嘴,喷嘴的安装,1、先用卡簧钳去掉卡簧，再拨出钻头上的塑料保护套；2、检查卡簧槽是有油漆或其它异物堵塞，若有异物，用细钢丝清除干净；3、在喷嘴上涂少量黄油，将喷嘴放入钻头水眼内； 4、使用木块垫在水眼上，用小榔头轻轻敲击，水眼到位。5、安装卡簧，检查卡簧是否完全到位。,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头尺寸与喷嘴,安装喷嘴注意事项,
13、1、钻头喷嘴安装需用专用工具卡簧钳，安装时必须注意卡簧的正反面，并安放到位，防止使用中途喷嘴落入井内。2、喷嘴材料为硬质合金，易碎易断，安装喷嘴时禁止使用金属物直接敲击喷嘴。3、安装钻头紧扣时注意防止碰断喷嘴，钻头紧扣后上提钻头，再次确认喷嘴是否完整。,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头尺寸与喷嘴,喷嘴选用原则,三等径不如三组合,三组合不如双组合,三、牙轮钻头的使用与优选,牙轮钻头的使用与优选,钻头选型原则,钻头的分类及型号编码,现场使用要求,钻头尺寸与扣型,钻头尺寸与喷嘴型号,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头选型原则,(1)地层的软硬程度和研磨性。软地层选择牙齿长的钻头，硬地层选择齿短、齿密的钻头
14、。(2)钻进井段的深浅。井浅时，选用机械钻速高的钻头；井深时，选用总进尺多的钻头。(3)易斜地层。不移轴量小的钻头，有利于防斜。(4)软硬交错地层。 选用适合硬地层使用的钻头，就高不就低。,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头选型原则,河南油田单井钻头使用优选方案 1、由铣齿到镶齿，牙齿由长到短。,2、定向应选择适合高速的钻头。如：HJ系列钻头、MD系列钻头。,3、若上只钻头外径磨损严重，则考虑选择保径钻头。如：掌背强化钻头、掌背扶正块钻头。,三、牙轮钻头的使用与优选,钻头选型原则,4、塑形地层选择宽牙齿钻头，硬脆性地层则选择牙齿尖的钻头。如：HJT537GK-宽齿；HJT547GY圆锥形齿5、根据
15、实际情况灵活运用。依据地层情况、上只钻头使用情况、井斜大小、下步施工井段的长短及临井钻头使用资料等方面综合判断。,河南油田单井钻头使用优选方案,三、牙轮钻头的使用与优选,优选应用案例,案例1:选型不合适，严重影响机械钻速。 由40407钻井队施工的双H6-708井，最后两只钻头比较情况如下：,三、牙轮钻头的使用与优选,优选应用案例,案例2:打破常规，节约成本。常规思维：第一只钻头为铣齿钻头，第二只镶齿钻头。钻头成本为1.63.6万元。施工的双7-平1井定向点为1300m，直井段钻头使用情况如下：,成本仅为1.3万元,三、牙轮钻头的使用与优选,牙轮钻头的使用与优选,钻头选型原则,钻头的分类及型号
16、编码,现场使用要求,钻头尺寸与扣型,钻头尺寸与喷嘴型号,三、牙轮钻头的使用与优选,现场使用要求,1、钻头入井前要严格检查外观，测量钻头外径；2、 严格按扭矩上扣，防止钻头落井，或损坏丝扣；3、 下钻控制速度，遇阻不得硬冲硬压；4、 钻头接触井底前，提前开泵开转盘；5、 下钻到底，轻压慢转跑合牙轮30分钟，然后逐步加压至设计钻压，总时间控制在2小时左右；6、合理选择钻头，减少钻头二次入井，避免三次入井；,三、牙轮钻头的使用与优选,现场使用要求,7、送钻均匀，防止顿钻、溜钻。8、防止井下落物，井底不干净时，禁止钻头入井。9、钻时升高、扭矩变大，都应及时分析判断，防止掉牙轮。10、跳压严重地层，应考
17、虑使用减震器11、旧钻头起出后，必须测量外径并分析钻头，为下只钻头选型和关键技术措施提供依据。,一、钻头的分类,二、三牙轮钻头的认识,三、钻头的使用和优选,三牙轮钻头的认识与使用,四、钻头失效分析,四、钻头失效分析,钻头失效分析,钻头失效形式与原因,钻头失效判断,牙轮打捞,四、钻头失效分析,1、断齿失效 由于钻头选型不适合所钻地层，或地层岩性突变，造成牙轮提前断齿失效。表现形式: 开始钻速较快，但很快变慢，钻时升高，扭矩减小或不变； 钻头主力齿断齿严重，外排齿和内排齿完好，轴承完好；,钻头失效形式与原因,四、钻头失效分析,钻头失效形式与原因 1、选型不适合地层，断齿失效,四、钻头失效分析,钻头
18、失效形式与原因,2、井下落物，井底不干净，造成断齿失效。,表现形式： 钻速时快时慢，扭矩波动大； 牙轮上有明显划痕，断齿无规律； 严重时，造成牙轮旷动，甚至引发掉牙轮故障。,四、钻头失效分析,钻头失效形式与原因3、掌尖磨损,井斜较大，或地层研磨性极强，导致掌尖磨损。螺杆钻进时表现较为突出。,表现形式： 1、钻速不受影响，突然蹩钻或泵压升高；（螺杆） 2、带有扶正器时，后期蹩钻严重，无进尺；（扶正器)钻头外排齿磨损严重，中排齿和内排齿完好，掌背和掌尖磨损严重。,四、钻头失效分析,3、掌尖磨损，导致轴承失效,四、钻头失效分析,钻头失效形式与原因4、牙轮卡死,钻压过大、顿溜钻、井底不干净，导致牙轮卡
19、死。,表现形式： 钻速极慢，或无进尺，扭矩偏大；钻头牙轮磨平，整个牙轮磨掉。,四、钻头失效分析,钻头失效形式与原因5、保径齿、外排齿磨损失效,当钻遇火成岩、变质岩、黄铁矿、花岗岩等研磨性极强地层时，往往造成钻头外排齿或保径齿提前磨损失效。,表现形式： 钻速由快变慢，或无进尺，转盘扭矩极大，甚至蹩停转盘，上提循环正常；钻头牙轮外排齿和保径齿磨损严重，钻头外径麿小。,四、钻头失效分析,5、保径齿、外排齿磨损失效,四、钻头失效分析,5、保径齿、外排齿磨损失效,四、钻头失效分析,钻头失效形式与原因6、其它形式失效,顿钻剪断牙轮、选型不适合齿圈磨损等。,四、钻头失效分析,钻头失效分析,钻头失效形式与原因
20、,钻头失效判断,牙轮打捞,四、钻头失效分析,钻头失效判断1、钻时判断,因此，可以从钻时方面进行判断钻头使用情况，及时起钻，预防钻头落井故障。,牙齿断齿严重钻时升高；牙齿磨损严重钻时升高；井下落物钻时升高；牙轮卡死钻时升高；,四、钻头失效分析,钻头失效判断钻时判断案例：,四、钻头失效分析,钻头失效判断钻时判断案例：,安HF1井钻头起出情况,四、钻头失效分析,钻头失效判断1、钻时判断,影响因素：1、钻压参数调整，影响判断；2、地层岩性变化，影响判断；3、钻井方式改变，影响判断；,由于有影响因素的存在，因此，完全从钻时判断不能保证每次判断都完全正确。,四、钻头失效分析,钻头失效判断2、使用时间判断,
21、每种钻头在正常情况下，都存在钻头工作寿命，技术员在自己的长期工作中，逐渐熟知并掌握，因此，在正常情况下，多数技术员对每一型号的钻头都形成了自己的钻头使用寿命标准。,由于钻头使用寿命受地层岩性、钻头质量、钻井参数等方面的影响，因此也不能完全判断准确。,四、钻头失效分析,钻头失效判断3、泵压和工作面判断,这种判断方法是建立在使用螺杆钻具的基础上。,使用螺杆钻具钻进时，在钻头出现旷动、卡死时对泵压和工具面影响很大，因此，在定向钻进时，常从泵压和工具面变化两方面入手。 但是这种判断往往比较滞后，一旦发现任何一方面出现异常情况，必须立即起钻检查，稍有不慎，就可能发生掉牙轮故障。,四、钻头失效分析,钻头失
22、效判断4、综合运用分析判断是技术员必须具备的素质,每一种判断方法都不能做到完全准确，因此，技术员必须综合分析地层岩性变化、钻时、扭矩、钻头寿命、邻井钻头使用情况、钻井参数等因素，进行综合判断。,在判断不准的情况下，要果断处理，防止牙轮落井故障发生。,四、钻头失效分析,钻头失效分析,钻头失效形式与原因,钻头失效判断,牙轮打捞处理,四、钻头失效分析,钻头故障最新处理方法半剖式强磁打捞器,水眼,磁铁,四、钻头失效分析,钻头故障最新处理方法半剖式强磁打捞器,优点：1、维护简单；2、操作方便；缺点：1、水眼较小，泵压高；2、半剖形状，强度降底。3、一次打捞三只牙轮的概率较低。,四、钻头失效分析,钻头故障
23、最新处理方法半剖式强磁打捞器,注意事项和操作要求：1、由于打捞器下部强度降低，必须保证井眼畅通；2、下钻控制速度，遇阻不得硬压硬冲；3、下钻必须中途顶泵，防止下钻到底开泵困难或憋泵；4、下钻到底以上提下放、循环、轻拔为主，严禁强转硬压，防止损坏打捞工具，最大下压吨位不得超过2吨。,四、钻头失效分析,钻头故障最新处理方法半剖式强磁打捞器,打捞案例： 双H6-708井钻进至2098m时泵压突然由12Mpa升高至16Mpa，随即起钻，23日3:00起钻完发现三个牙轮落井。使用多功能牙轮打捞器进行打捞未成功。 下入半剖式强磁打捞器，循环泵压18MPa，循环活动30分钟后，经过多次下放、轻拔、循环后，起钻。,四、钻头失效分析,钻头故障最新处理方法半剖式强磁打捞器,打捞情况：,四、钻头失效分析,钻头故障最新处理方法半剖式强磁打捞器,打捞案例： 分析井下还有一只牙轮，第二次下入强磁打捞器，又打捞出一块完整的牙轮。 至此，三只牙轮全部打捞成功。,谢 谢 大 家！,
