石油钻采装备-钻头介绍

牙轮钻头
钻头在井底的纵向振动使钻 柱不断压缩与伸张，下部钻 柱把这种周期性变化的弹性 变形能通过牙齿转化为对地 层的冲击作用力用以破碎岩 石。这种冲击、压碎作用是 牙轮钻头破碎岩石的主要方 式。
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牙轮钻头 牙轮钻头除了对井底岩石产生冲 击、压碎作用外，还对井底岩石产 生剪切作用。牙轮在井底滚动的同 时还产生牙齿对井底的滑动，牙齿 的滑动对井底岩石形成剪切作用， 象刮刀钻头那样刮削井底。牙齿的 滑动主要是由牙轮的超顶、副锥和 移轴布置引起的。牙轮的超顶布置 和复锥牙轮引起切线方向的滑动， 牙轮的移轴布置则引起轴向方向的 滑动。
（1）碰撞：刃前岩石破碎后，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：刀片在扭转力作用下压碎前方的岩石， 使其产生小剪切破碎；
（3）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。
(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。
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PDC钻头
3、PDC钻头的使用
(1)钻头使用前的准备工作：
首先应仔细检查前一只钻头的使用情况，了解钻头规
IADC）制定了全世界统一的牙轮钻头分类标准及编号方法。
IADC规定，每一类钻头用三位数字代表，个数字意义如下：
第一位数字表示牙齿类型及适钻地层：
1- 铣齿，软地层；
2- 铣齿，中到中硬地层；
3- 铣齿，硬、研磨性或半研磨性地层；
4- 备用；
5- 镶齿，软到中等地层；
6- 镶齿，中硬地层；
7- 镶齿，硬、研磨性或研磨性地层；
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牙轮钻头
据所钻地层性质的不同，国产牙轮钻头又分为七种不同类型，
按适用地层从软到硬的次序分别用数字（或字母）1（JR）、2（
R）、3（ZR）、4（Z）、5（ZY）、6（Y）、7（JY）表示，
其意义如下：
1（或JR）-极软地层；
2（或R ）-软地层；
3（或ZR）-中偏软地层；
4（或Z ）-中等地层；
除了材料和制造工艺方面的发展以外，PDC产品在 齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。现在，PDC 产品已可被用于以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更 强和多变的地层。这种向新领域中的扩展，对金刚石（固定 切削齿）钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。
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PDC钻头
最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是 硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化 ，目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。 PDC钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC齿质 量的不断提高，这种情况越发凸显。
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金刚石钻头
1、金刚石钻头正确使用 金刚石钻头适用钻中到坚硬、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。然后采用相对较低 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。如果必须进行划眼，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。
钻头
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吕庆达
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主要内容
1 钻头 2 刮刀钻头 3 牙轮钻头 4 金刚石钻头
5 PDC钻头
钻头
金刚石钻头
刮刀钻头 扩眼钻头
PDC钻头
取心钻头
牙轮钻头
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钻头
钻头(Drilling Bit)是石油钻井中用来破碎岩石以形成井眼 的工具。我国常用钻头：
#按类型分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻 头（又称复合片齿钻头）等四种；
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金刚石钻头
金刚石钻头是指靠镶嵌在钻头胎体上的金刚石颗粒破 碎岩石的钻头。金刚石是目前人类所知材料中硬度最大、 耐磨性最高的材料，因此金刚石钻头用于硬的、高研磨性 地层，可获得比较高的钻头进尺。虽然金刚石比较昂贵， 但金刚石钻头耐磨损，单只钻头进尺高，在当今的石油钻 井仍有较强的竞争力。目前，金刚石钻头在普通的旋转钻 井以及涡轮钻井和取芯作业中都得到了广泛的使用。
刮刀片又称刀翼，是刮刀钻头主要工作部 件
刮刀钻头
2、刮刀钻头工作原理
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 。
刮刀钻头
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：
5（或ZY）-中偏硬地层；
6（或Y ）-硬地层；
7（或JY）-极硬地层。
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牙轮钻头
牙轮钻头种类很多，适用范围广泛，从松软到坚硬 地层均有相适应的钻头类型供选择。在实际钻井作业中 ，要根据所钻地层性质，选用合适类型的钻头，以获得 比较高的机械钻速和钻头进尺。
牙轮钻头使用时要注意保证下钻慢、防止顿钻；井 内无落物；避免划眼；使用减震器；在生产厂家推荐的 钻压，转速范围内工作。
牙轮钻头
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牙轮钻头
从1909年第一只牙轮钻 头问世后，牙轮钻头便在全 世界范围内得到了最广泛的 应用。三牙轮钻头是目前旋 转钻井作业中使用地最普遍 的钻头。这种类型的钻头具 有不同的牙齿设计和轴承结 构类型，因此能够适应各种类型地层。在钻井作业中，根 据所钻地层性质正确选用合适结构的牙轮钻头，就可获得 令人满意的钻进速度和钻头进尺。
牙轮钻头
1、牙轮钻头的结构
三牙轮钻头的基本结构： ➢ 钻头本体：有三片牙掌组装 焊接在一起,上部有连接丝扣。 ➢ 牙轮：由牙轮体和牙齿组成 锥形的金属体。牙齿分铣齿和 镶齿两种类型 ➢ 轴承及其储油密封装置 ➢ 喷嘴
图13-1 三牙轮钻头的结构
牙轮钻头
2、牙轮钻头的工作原理
牙轮钻头在井底工作时，钻头 整体围绕钻头轴线旋转（称之为公 转），三个牙轮则依其自己的轴线 在井底滚动（称之为自转）。钻头 上承受的钻压通过牙齿作用在岩石 上，使岩石破碎（压碎作用）。 牙轮在滚动过程中，以单齿、双齿交替接触井底，牙轮中心 的位置忽高忽低，使钻头产生纵向振动。
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PDC钻头
PDC产品性能不断改进
在过去的几年间，PDC切削齿的质量和类型都发生 了巨大的变化。如果将２０世纪８０年代的齿与当今的齿进 行比较的话，差异是相当大的。由于混合工艺与制造工艺的 变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀 以及抗冲击能力都大为提高 。
工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面 进行了优化，以提高切削齿的韧性。层状金刚石工艺方面的 革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。
刮刀钻头
2、刮刀钻头的正确使用
刮刀钻头适用于软地层和粘软地层。钻进时需要适当控 制钻压与转速，注意防斜、防蹩、防止刀翼断裂。由于刮 刀钻头在软地层中的机械钻速较快，岩屑量较大，宜采用 大排量钻进，充分清洗井底和冷却钻头。刮刀钻头钻进时 ，刀翼外侧线速度较高，磨损速度较快，钻头容易磨损成 锥形，此时要特别注意防斜和防止井径缩小。
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PDC钻头
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PDC钻头
PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称（ Polycrystalline Diamond Compact Bit） ，也称聚晶金 刚 石切削块钻头或复合片齿钻头。从1973年美国通用电气 公司引入PDC切削块，研制出第一个PDC钻头后，PDC钻 头便以其钻速快、寿命长、进尺高等优势，在石油钻井中得 到了广泛的应用。几乎所有钻头制造商都采用了这一技术， 开始生产自己的PDC钻头系列。 PDC钻头由钻头体、PDC 切削齿和喷嘴等部分组成，按结构与制造工艺的不同分为钢 体和胎体两大系列。
牙轮钻头
一般地，钻软到中硬地层的 钻头兼有超顶、复锥和移轴； 钻中硬到硬地层的钻头在设计 上有超顶和复锥；钻极硬和研 磨性较强地层的钻头常采用单 锥牙轮，不超顶也不移轴。
牙轮钻头
3、牙轮钻头的分类及选用
1）IADC分类及编号
轮钻头生产厂商众多，这些钻头厂商提供了多种类型和结构的钻
头。为了便于牙轮钻头的选择和使用，国际钻井承包商学会（
、硅质白云岩等）中，一般采用将细颗粒金刚石包镶在胎体内
部的孕镶式金刚石钻头钻进，其破岩过程同砂轮的磨削相似。
钻头上每一个包孕的金刚石都是小刃齿，钻头可看作有无数个
刃的刀具。钻头钻进岩石时，钻头上出露的棱角锋利的金刚石
刃齿以微切削、刻划等方式来破碎岩石。磨削破岩属于表面破
碎20，21/破8/5岩效率较低。
按功用分为全面钻进钻头、取心钻头和特殊工艺用钻头（ 如扩眼钻头、定向造斜钻头等）。
钻井中根据所钻地层性质合理选择和使用钻头，对提高钻 井速度具有重要的实际意义。
刮刀钻头
刮刀钻头是旋转钻井使用最早 的一种钻头，从十九世纪开始采用 旋转钻井方法的时候就开始使用这 种钻头，而且直到现在某些油田仍 在使用。
8- 定向井造斜钻头；
92-02其1/8它/5 。
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牙轮钻头
2）国产牙轮钻头分类 国产牙轮钻头按其结构特征分为八个系列m,分别用代号Y 、 P 、MP、MPB、HP、HPB、XMP、XH表示，各代号的意义如 下： Y-普通齿牙轮钻头； P-喷射式齿钻头；
MP-滚动密封轴承喷射式齿钻头； MPB-滚动密封轴承喷射式保径钻头； HP-滑动密封轴承喷射式铣齿钻头； HPB-滑动密封轴承喷射式保径钻头； XMP-镶齿滚动密封轴承喷射式钻头； XH-镶齿滑动密封轴承喷射式钻头。
8-20镶21/齿8/5 ，极硬、高研磨性地层
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牙轮钻头
第二位数字表示所钻地层再细分为1，2，3，4四个硬度等级。
第三位数字表示钻头的结构特征：
1- 无密封滚动轴承；
2- T型外排齿保径；
3- 规径上有镶齿保径；
4- 密封滚动轴承；
5- 密封滚动轴承，规径上有镶齿保径；
6- 密封滑动轴承；
7- 密封滑动轴承，规径上有镶齿保径；
由于钻头设计和齿的改进，PDC钻头的可定向性也 随之提高，这进一步削弱了过去在钻井中牙轮钻头的优势。
目前，PDC钻头每天都在许多地层的钻井应用中排 挤掉牙轮钻头的市场。
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PDC钻头 1、PDC钻头的工作原理
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。
这种钻头主要用在软地层和粘 软地层，具有很高的机械钻速和钻 头进尺。
刮刀钻头最大的优点是结构简 单，制造方便，成本低，各油田可 自行设计和制造。
1、刮刀钻头的结构
刮刀钻头
刮刀钻头由钻头体、刮刀片、分水帽和喷 嘴四部分组成。
钻头体是刮刀钻头焊接刮刀片和分水帽的 本体，采用中碳钢材料加工而成。下端焊接 刮刀片和分水帽，上端车有丝扣和钻柱连接 。
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金刚石钻头
在脆性较大的地层中钻进时，金刚石破碎岩石的作用主要是"压
碎"，在钻压和扭矩作用下所产生的应力可使刃下岩石沿最大剪
应力面开裂，在金刚石移动的后部形成被压裂了沟槽，这种情
况下岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后破碎的体积，岩石破
碎具有体积破碎的性质，破岩效率较高。在坚硬地层（如燧石
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PDC钻头 2、PDC钻头的使用说明
(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 底后恢复正常钻进。
金刚石钻头属于整体式钻头，其结构主要包括钢体、 胎体、水眼及水槽、金刚石等部分。
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金刚石钻头
1、金刚石钻头工作原理
金刚石钻头钻进时，钻头表面上的 多粒金刚石同时作用于岩石。金刚石破 碎岩石的作用在不同性质的岩石中表现 出不同的特性。在塑性地层（或岩石在 应力作用下呈塑性的地层），金刚石在 钻压的作用下吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石 发生破碎或塑性流动，该破岩过程类似于"犁地"过程，故称作 "犁削"。