石油钻井设备与工具-王镇全 第七节 钻头选型

冠部轮廓高度代号1 表示为鱼尾形)。
微剪切或磨削
低 长 硬至极硬地层 中钻压，高转速 复合钻井
无限制 低 有
各种类型钻头的使用范围
单晶金刚石钻头 TSP钻头 PDC钻头 牙轮钻头 地层硬度级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
二）钻头类型选择方法
1、根据地层条件、钻井方式、井眼轨迹控制要求、井眼尺寸以 及地质要求选择合适的钻头类型。 2、在多种类型钻头都适宜的情况下，要选择机械钻速高、寿命
钻头附加结构特征代号 钻头结构特征代号 岩性级别代号，在第一位数码表示的钻头所适 用的地层中再依次从软到硬分为四个等级。 钻头牙齿特征及所适用的地层
IADC规定，每一类钻头用四位字码进行分类及编号，各字码的意 义如下： 第一位字码为系列代号，用数字1～8分别表示八个系列，表示钻 头牙齿特征及所适用的地层： 1—铣齿，低抗压强度高可钻性的软地层； 2一铣齿，高抗压强度的中到中硬地层； 3一铣齿，中等研磨性或研磨性的硬地层； 4一镶齿，低抗压强度高可钻性的软地层； 5一镶齿，低抗压强度的软到中硬地层； 6一镶齿，高抗压强度的中硬地层； 7一镶齿，中等研磨性或研磨性的硬地层； 8一镶齿，高研磨性的极硬地层。
第二位字码为岩性级别代号，用数字1—4分别表示在第一位数码
表示的钻头所适用的地层中再依次从软到硬分为四个等级。
第三位字码为钻头结构特征代号，用数字1～9计九个数字表示， 其中1～7表示钻头轴承及保径特征，8与9留待未来的新结构特征钻头
用。表示的意义如下：
1—非密封滚动轴承； 2—空气清洗、冷却，滚动轴承；
3—滚动轴承，保径；
4一滚动、密封轴承； 5一滚动、密封轴承，保径；
6—滑动、密封轴承；
7一滑动、密封轴承，保径。
第四位字码为钻头附加结构特征代号，用以表示前面位数字无法表达的恃征，用英 文字母表示，目前，IADC已定义了11个特征，用下列字母表示:
A—空气冷却;
C—中心喷嘴; D—定间钻井;
E—加长喷嘴;
3、IADC牙轮钻头分类方法及编号
全世界牙轮钻头的生产厂家众多，类型和结构繁杂， 为厂便于牙轮钻头的选择和使用，国际钻井承包商协会 (IADC —International Association Of Drilling
Contractors)于1972年制订了全世界第一个牙轮钻头的分
类标准，各钻头厂家生产的钻头虽有自己的代号，但都标 注了相应的IADC编号。1987年IADC将原有分类方法及编号 进行了修改和完善，形成厂现在的分类及编号方法。
长、安全性好的钻头。
3、选用的钻头对所要钻的地层是否适合，要通过实践的检验才 能下结论。对于同一地层使用过的几种类型的钻头，在保证井身质量
的前提下，一般以“每米成本”作为评价钻头选型是否合理的标准
结论：以钻头每米成本最低为原则。
举例：
在软至中硬地层，PDC钻头和牙轮钻头都可选用； 如果地层均质，应尽量选用PDC钻头。因为PDC钻头机 械钻速高，安全可靠。 但如果地层破碎，软硬变换频繁夹层多，应选用牙轮 钻头。因为在这样的地层，PDC钻头易发生冲击破坏，影
钻头的冠部轮廓形状 聚晶金刚石复合片的尺寸 或切削齿的类别 用阿拉伯数字分别表示钻头 的布齿密度。 英文字母表示钻头体的材料
3、厂家PDC钻头型号的表示方法
钻头型号由钻头直径代号、厂家命名型
号和IADC制定的钻头分类号三部分组成。
各钻头厂家可以根据需要编制各自产品的
厂家命名型号，同时应制定厂家命名型号 与IADC钻头分类号的对照表。
2、钻头优选的原则
钻头优选的原则是使钻头的每米成本最低。
目标函数：单位进尺成本。
Cb Cr ( t tt) Cpm H
钻头单位进尺成本:
Cb Cr ( t tt ) Cpm H
式中 Cpm—单位进尺成本，元/每米 Cb—钻头成本，元；
Cr —钻机作业费，元/每小时；
t—钻头钻进时间， tt—起下钻及接单根时间，
各种钻头特点比较
钻头 特性 牙轮钻头 PDC钻头 TSP钻头 单晶金刚石钻头
切削齿材料及性能
硬质合金齿，强度高、 聚晶金刚石与硬质 热稳定性聚晶金刚 单晶金刚石，耐磨， 抗冲击，耐磨性 合金复合而成， 石，耐磨，抗 颗粒小，热稳 较差。 定性较差。 耐磨、能自锐， 冲击性能较差， 抗冲击性能较 热稳定性较高， 差，热稳定性 形状多样但尺 较差。 寸较小。 冲击与剪切
响钻头使用效果。
三、牙轮钻头的选型及分类法
牙轮钻头的设计参数(包括齿高、齿距、
齿宽、移轴距、牙轮布置等等)，是根据不
同地层的需要设计的，因此应根据不同的
地层选用不同的钻头。
1、牙轮钻头选型的原则
(1)地层的软硬程度和研磨性 地层的岩性和软硬不同，对钻头的要求及破碎机理也不同。软地层应选 择兼有移轴、超顶、复锥三种结构，牙轮齿形较大、较尖，齿数较少的铣齿 或镶齿钻头，以充分发挥钻头的剪切破岩作用；随着岩石硬度增大，选择钻 头的上述三种结构值应相应减小，牙齿也要减短、加密。 研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速迅速降低，钻头进尺少，特别 容易磨损钻头的保径齿、背锥以及牙掌的掌尖，使钻头直径磨小，更严重的
H—钻头进尺。
例题：
某一型号PDC成本10万元，钻头钻进 1500米后报废，此钻头纯钻时间100小时， 辅助钻进时间100小时，钻机日费2.4万元， 计算该钻头的平均机械钻速和每米成本？
解：
钻头平均机械钻速：
H 1500 m ROP 15m / h T 100 h
钻头单位进尺成本： C Cr T Tt 100000 1000 * 100 100 Cpm b 200 元 / 米
IADC于1987年制定了一个适于用金刚石钻头的“固定 切削齿钻头分类标准”,并于1992 年进行了修订。这个标 准主要根据钻头的结构特点进行分类，并没有像牙轮钻头
那样考虑钻头适用的地层。但这个在世界范围内的统一标
准对金刚石钻头的分类、设计、制造、选型和使用都具有 重要意义。
钻头分类号由四个字符组成，第一个 字符用英文字母表示钻头体的材料，第二 至第四个字符用阿拉伯数字分别表示钻头 的布齿密度、聚晶金刚石复合片 (以下简 称PDC)的尺寸或切削齿的类别、钻头的冠 部轮廓形状。
示例：钻头型号8 1/2″ R426/S231
其中，钻头直径代号为8 1/2，表示全面钻进
钻头直径为215.9(8 1/2in);厂家命名型号为
R426;IADC的钻头分类号为S231(钻头体材料代号S
表示钻头体为钢体式;布齿密度代号2表示为中等；
PDC齿直径代号3表示PDC齿直径为13.44mm; 钻头
第二节 钻头选型
前言
1、目的意义 钻头种类较多，各有特点; 同一种钻头，结构参数不同，适应性不同; 同一种型号，厂家不同，钻头性能不同。 选择哪一种类型的钻头，同种钻头选择哪一种型号的 钻头，同一种型号选择哪一个厂家的钻头，直接关系到钻 井成本。因此钻头优选对于提高钻井速度降低钻井成本具
有重要意义。
而下部钻柱的弯曲以及钻头的选型不当则是造成井斜的技
术因素。在易斜地层钻进，应选用不移轴或移轴量小的钻
头；同时，在保证移轴小的前提下，所选的钻头适应的地 层应比所钻地层稍软一些，这样可以在较低的钻压下提高 机械钻速。
(4)地层的均质性
在软硬交错地层钻进时，一般应按其中较硬
的岩石选择钻头，这样既在软地层中有较高的机
较高 短 各类地层 大钻压，低转速 转盘，动力钻具 较好 较大井眼 高 无
破岩方式
破岩效率 钻头寿命 地层适应性 钻井参数 钻井方式适应性 定向性能 井眼尺寸 事故率 录井限制
剪切
高 长 软至中硬均质地层 小钻压，中转速 转盘，动力钻具及 复合钻井 最好 无限制 低 有
犁切
较高 较长 较硬至硬均质地层 小钻压，高转速 复合钻井 好 无限制 低 有
H 1500
一、影响钻头使用效果的因素
1、地层因素
所钻地层岩石的机械力学特性；
地层条件：地层的均质性、地层的完整性，地
层造斜特性、井深、地层温度等。
2、 钻井方式 旋转钻井 动力钻具 复合钻井 3、轨迹控制
造斜、稳斜
4、井眼尺寸 5、地质设计要求 如岩屑录井、取芯等。
二、钻头类型的优选
一）各种钻头特性对比
G—附加保径/钻头体保径; J—喷嘴偏射; R—加强焊缝： S—标准铣齿; X—楔形镶齿; R—圆锥形镶齿； Z—其他形状镶齿。
四、金刚石钻头的优选
1、金刚石钻头分类方法
影响金刚石钻头结构的因素主要是地层条件，
因此其结构参数主要是根据地层特点确定。因此
其分类方法主要依据结构参数。
2、IADC PDC钻头分类方法
是会使轴承外露、轴承密封失齿的镶齿钻头。
(2)井深
浅井段岩石一般较软，同时起下钻所需时间较
短，应选用能获得较高机械钻速的钻头；深井段
地层一般较硬，起下钻时间较长，应选用有较高
总进尺的钻头。
(3)地层的自然造斜性能
在易斜地层钻进时，地层因素是造成井斜的客观因素，
械钻速，也能顺利地钻穿硬地层。在钻进过程中
钻井参数要及时调整，在软地层钻进时，可适当
降低钻压并提高转速；在硬地层钻进时可适当提
高钻压并降低转速。
2、牙轮钻头国内分类方法及型号代码
•
例：用于中硬地层、直径为8 1/2″(215．9 mm)的镶齿 滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：8 1/2×HP5或 215．9×HP5。