钻井工程_濮阳职业技术学院_第一章钻进工具.ppt

一、概述 1. 钻头类型 按结构及工作原理分类: 刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、 金刚石钻头 按功用分类 全面钻进钻头、取心钻头、 扩眼钻头 2. 钻头尺寸系列 3-3/4 ~ 36 二、刮刀钻头（Drag Bit） （一）刮刀钻头的结构 上钻头体、下钻头体（分水帽）、 刀翼、水眼。 刀翼结构： （1） 刀翼结构角 刃尖角β—刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它 反映了刀翼的尖锐程度。 β越小，刃部越尖锐， 越容易吃入地层，但强度越低。 一般: 软地层 β=8 ～ 10°； 硬地层 β=12°～ 15° 切削角α— 刀翼前刃和水平面之间的夹角。 在相同钻压下， α越大，刀刃越容易吃入地层， 但旋转扭矩大，剪切刃 前岩石困难。 一般: 松软地层 α＝70° 软地层 α＝70～80°； 中硬地层 α＝80～85°。 刃后角ψ＝α-β：刃后角必须大于井底角θ。 刃前角φ：φ＝90°－α。 (4)提高刀翼的耐磨性 刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。 一般在刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块，在外侧面镶装YG8硬质合金块。 刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块。 （二）刮刀钻头的工作原理 刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。 破碎塑性岩石过程： 在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T 的作用 下不 断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。 破碎脆性岩石过程： 刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为： 碰撞→ 压碎及小剪切→大剪切。 （1）碰 撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转扭矩作用下向前推进， 碰撞刃前岩石。 （2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前岩石，产生小剪切破坏。 （3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值，刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。 刮刀钻头制造工艺简单，成本低； 刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低； 刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜； 刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备； 刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。 三、牙轮钻头（Roller Bit） （一）牙轮钻头结构 牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌） 及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润 滑密封系统、喷嘴等部分组成。 1．牙轮及牙齿 （1）牙轮 20CrMo合金钢锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。 单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层 复锥牙轮：主锥+副锥+背锥，软到中硬 （2）牙齿 铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形。 硬质合金镶齿——镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层。 2．轴承 牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。 滚动轴承结构：滚柱—滚珠—滚柱—止推 滚柱—滚珠—滑动一止推 滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推 滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推 4．喷嘴 钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。 三牙轮钻头一般安装 3 个喷嘴，直径7~13mm。用卡簧固定在水眼内，并用o形圈密封。 （二）牙轮钻头工作原理 1．牙轮钻头在井底的运动 公转：牙轮随钻头一起旋转。 自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。 滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向（周向）滑动。 引起滑动的原因： ① 超顶和复锥引起切向（周向）滑动 ② 移轴引起径向（轴向）滑动 纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。 引起纵向振动的原因： ① 单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； ② 井底凹凸不平 2．牙轮钻头的破岩作用 （1）冲击、压碎作用 纵向振动产生的冲击力和静压力（钻压）一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。 （2）滑动剪切作用 牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用， 破碎齿间岩石。 （3）射流的冲蚀作用 由喷嘴喷出的高速射流对