岩石与钻头

10 11 12
Kg/ ≤1 10- 25- 50- 100- 150- 200- 300- 400- 500- 600- >70 mm^3 0 25 50 100 150 200 300 400 500 600 700 0
4.1 岩石的机械性质
四、岩石按力学性能分类
2、按塑性系数分类
脆性 级别 K 1 1
度克服井斜。抛物线形也提供更大的钻头表面，可以布置更多的切削块。
2）双锥型：内外锥体保持钻头稳定 ,有助于打直井 ,外锥较长可布置较多的切 削块。 3）短锥型：有利于钻穿硬夹层，这种钻头规经部分特别长，可利于保持钻头 钻进方向的稳定性。
左右）取得高进尺（为牙轮钻头的4－6倍）和高转速（高于牙 轮钻头2倍以上），这种钻头适用与钻进软到中硬地层，目前还 不适用于硬及研磨性地层。
4.2 钻头
PDC钻头
4.2 钻头
PDC钻头分两大类：钢体PDC钻头与碳化钨胎体PDC钻头。 钢体 PDC 钻头是将优质 NiCrMo 钢车制成形 ,在钻头冠部及规径部分 钻孔,热处理,然后将焊有PDC切削块的碳化钨柱块以紧配合压入孔内。 碳化钨胎体PDC钻头的胎体的烧结过程与天然金刚石钻头完全相同 ，然后在其冠部各预留的空间部位用银铜合金纤焊 PDC 切削块。钢体 PDC钻头制造比较简便,主要靠机加工,但钻头表面不耐冲蚀（尽管有些 钢体钻头表面有抗磨敷层）,规经易于磨小。胎体钻头因一个钻头一套
4.1 岩石的机械性质
4.1 岩石的机械性质
2、硬度（硬度计测得的） 1）脆性岩石（如石英石）
P Py S
Py-硬度（Pa）
P-脆性破坏时载荷(N)
S－压模型面积( M2)
4.1 岩石的机械性质
2）塑脆性岩石 计算法同上 3）塑性岩石（如软泥岩）
只发生变形不发生脆性破坏
P0 Py S
P0-发生屈服时的载荷
4.1 岩石的机械性质
2、硬度：抵抗其他物体压入的能力。
① 莫氏硬度(定性)：根据一种矿物刻划另一种矿物的
经验办法区分矿物的软硬性质。
滑石硬度最小,定为1，金刚石最高，定为10。
石膏 方解石 萤石 磷灰石 长石 石英 黄玉 刚玉
2
3
4
5
பைடு நூலகம்
6
7
8
9
② 硬度计测量的硬度（定量）
4.1 岩石的机械性质
3 、脆性和塑性：破碎前只发生弹性变形，为脆性岩石 ; 受 力后即发生永久变形（塑性），破碎点不明显，为塑性岩 石;介于两者之间为塑脆性岩石。与受力状态，温度，加载 速度有关。 4、研磨性：磨损钻头的能力为岩石的研磨性。 5、可钻性：被破碎的能力，一般用机械钻速表示，与许多
金刚石钻头
用)。
4.2 钻头
四、PDC钻头
人 造 聚 晶 金 刚 石 复 合 片 钻 头 － Polycrystaline Diamond Compact Bit PDC钻头是用人造聚晶金刚石切削块嵌于钻头钢体（或焊于钻 头胎体）而成的一种新型切削型钻头，它以锋利、高耐磨、能
够自锐的金刚石切削块作为切削刃。从而能够在低钻压下（4吨
4.1 岩石的机械性质
砂岩又可分为: 粗砂岩(颗粒直径:0.5～1毫米) 中砂岩(颗粒直径:0.25～0.5毫米)
细砂岩(颗粒直径:0.1～0.25毫米)
粉砂岩(颗粒直径:10微米～100微米)
4.1 岩石的机械性质
二、岩石的机械力学性能 钻井的重要工作实际上就是破碎岩石，因此关心的 主要是岩石的力学性能（机械性能），是钻头选型的 重要依据。 机械性能：岩石在外力作用下，由变形到破碎过程中 表现出来的性质。取决于胶结情况及矿物性质。
因素有关。可用岩石可钻性测定仪测定(微钻头实验)。
4.1 岩石的机械性质
三、岩石硬度与塑性的测定
用圆柱压入法测定岩石硬度与塑性系数（苏联、史立涅尔），
接近钻井实际情况。
1、硬度计
10kN油压机: 油压产生压力P→压模吃入岩石→P与吃深Δh有
关,即变形曲线。
按P-Δh曲线形状可分为: 脆性、塑脆性、塑性岩石。
4.1 岩石的机械性质
3、塑性系数k K＝面积OABCEO/面积OADEO 面积OABCEO-岩石破碎前耗总功
面积OADEO-弹性变形功( 包含弹性区和塑性区中的弹
性变形功) K越大，塑性越大:塑性岩石K＝∞，脆性岩石K＝1
4.1 岩石的机械性质
四、岩石按力学性能分类 1、按硬度分类 类别 级别 1 软 2 中 3 软 4 中 5 硬 6 7 硬 8 坚 9 硬 极 硬
镶齿
铣齿
4.2 钻头
（2）铣齿
牙齿是有牙轮毛坯径铣削加工而成，主要是楔
形齿。不同的地层齿的结构参数（齿高、齿宽、齿 距）不同。 （3）镶齿 在牙轮表面钻出孔后，将硬质材料制成的齿镶 入孔中。可以制成不同形状的齿，以适应不同的 地层。
4.2 钻头
(二)工作原理
1.牙齿的自转和公转 2.钻头的纵向振动及对地层的冲击、
第4章
岩石与钻头
4.1 岩石的机械性质 4.2 钻头
4.1 岩石的机械性质
钻井的对象是岩石，其性质尤其是机械性质与钻井的关系很大，研
究岩石的机械性质具有重要意义。
一、岩石按其成因的分类：
分为:火成岩、沉积岩、变质岩 沉积岩又分为: 泥岩(颗粒直径<10微米) 砂岩(颗粒直径:10微米～1毫米) 砾岩(颗粒直径>1毫米) 石灰岩(炭酸岩)
4.1 岩石的机械性质
1、强度：抵抗外力破坏的能力。
孔隙度大→颗粒接触面积小→强度低(容易破坏) 胶结物不同，强度不同：硅质、石灰质、铁质、泥质胶结物(强度逐渐减小) 分为：抗拉强度(抗拉伸破坏能力)——最高
抗剪强度(抗剪切破坏能力)——居中
抗压强度(抗压缩破坏能力)——最低 如: 抗压 砂 岩： 100 石灰岩：100 抗剪 10～12 15 抗拉 2～5 4～10
压碎作用
３.牙齿对地层的剪切作用（超顶与移 轴引起齿的滑动） 4.牙轮钻头的自洗（齿圈相互啮合）
牙轮布置方案
4.2 钻头
三、金刚石钻头
用金刚石作切削刃－可钻极硬岩石,图3-15 研磨性钻头,分为两类： 表镶式(外露1/3，0.6～1.2MM),价格高 孕镶式(细小颗粒与胎体材料一起烧结 ),价格 低。 适用地层:硬地层(高转速,趋于与涡轮钻配合使
塑脆性
低塑性→高塑性 2 1-2 3 4 5
塑性
6 >6
2-3 3-4 4-6
4.2 钻头
直接破碎岩石的工具，按破岩原理分 为三类: 1. 切削型 2. 冲击压碎剪切型 3. 研磨性
一、刮刀钻头 1、分类： 两翼型，三翼型，四翼型，正反阶梯 型。
刮刀钻头
4.2 钻头
塑脆性岩石的破岩过程： 2、破岩原理：主要是切削 脆和塑脆岩石：碰撞→挤压压碎(小剪切)→大剪切。 3、特点：结构简单，成本低，但扭矩大（钻柱易损坏 ）－适用于软、中软地层
4.2 钻头
二、牙轮钻头
是目前使用最为广泛的钻头。有单牙轮、双牙轮、三牙 轮、四牙轮钻头。三牙轮钻头最为普遍。
(一) 结构：钻头体、巴掌、牙轮轴、牙轮、轴承、密封
件、水眼等部分组成。
三牙轮钻头
4.2 钻头
(1) 牙轮 用合金钢经过模锻而成的锥体，牙轮锥面或铣出牙(铣齿钻头）或镶 装硬质合金齿（镶齿钻头),牙轮内部有轴承跑道及台肩。 按牙齿材料不同分为：铣齿钻头和镶齿钻头
模具,故可灵活改变设计,做出比较复杂的结构外形，胎体钻头除表面耐
冲蚀外，还在规经部位烧结天然金刚石以保持钻头直径尺寸。
4.2 钻头
钻头外形影响钻头的稳定性及井斜控制，也影响井底清洗，目前主要有 抛物线型，双锥型，短锥型三种。 1）抛物线型：抛物线外形使侧向推力集中指向钻头中心线，从而消除了可能 的方向偏离,当钻头高速旋转时,就如同转动的陀螺或旋转前进的炮弹,能最大限