石油钻头技术现状及未来发展方向课件

TSP聚晶片
聚晶
TSP钻头
钻头
天然金刚石钻头
天然金刚石钻头的主要优势： 以挤压、研磨原理工作 以天然金刚石为切削元件，直接烧结于碳化钨
胎体表面。适用于高研磨性地层，硬到极硬地 层钻进。 能在高速下工作。
天然金刚石
颗粒
天然金刚石钻头
钻头
四、PDC钻头的设计
1．钻头冠部轮廓的设计 2．切削齿选择、切削结构布置、力平衡设计 3 水力设计 4 保径的设计
3、金刚石加强牙齿技术。金刚石加强牙齿就是与PDC钻头复合 片类似的聚晶金刚石复合牙齿，这种牙齿耐磨性非常好，但成本 也非常高，一般用于保径结构，但最近也出现了全部使用金刚石 加强牙齿的钻头，主要用于研磨性极高的地层。
轴承新技术
滚滑轴承技术。此技术采用了滚动、滑动两 种摩擦副相复合的结构，在保持滑动轴承高 承载能力的同时，显著提高了轴承适应高转 速的能力。使用该轴承的钻头能适应高达 400rpm的高转速。
3.Gemini双密封技术是Smith公司的一项特色技术，密封系统包 括两道密封圈——主密封和保护主密封的次密封，该密封系统在 高压、高温、腐蚀性井底环境中能保持良好的持久性和可靠性。
三、金刚石钻头的分类
（1）PDC钻头 （2）TSP钻头 （3）天然金刚石钻头
PDC钻头
PDC钻头是近年来发展最迅猛的油气井钻头， 总进尺已经超过牙轮钻头。PDC钻头技术的发 展和推广应用，直接推动了全世界钻井速度的 显著提高。
长。
胎体PDC钻头和钢体PDC钻头
钻头
PDC钻头的类型
钻头
TSP钻头
主要优点： 1.热稳定性高，在高温下（1200℃）仍能保持
高硬度，不发生热磨损。 2.抗研磨性高，相对于常规PDC齿能钻进更硬，
更具研磨性的地层。 3.齿的出露高度大于天然金刚石，因而吃入地
层更深，钻速更快。 4.能在高速下工作。
轴承密封技术
1、Hughes公司于1988年取得牙轮钻头金属密封专利，通过不 断改进，近年，在单金属密封的基础上进行了金属表面特殊强化 处理，改进密封系统的结构，开发出了新一代单金属密封，明显 提高了密封效率以及整个轴承系统的可靠性，延长了钻头寿命。
2.HAR橡胶密封技术是Hughes公司近年在橡胶密封的基础上不 断改进的新型橡胶密封结构。这种密封结构的优点在于其形状特 殊的密封圈实现较高的压缩比，因而能更有效地补偿密封面的磨 损，为轴承提供更稳定的密封性能。
水力设计
PDC钻头的水力结构关系到钻头的工作性能 好坏和使用寿命的长短。针对以前PDC钻头 的水力结构和钻头冲蚀特征，对新型PDC钻 头的水力结构作如下设计：
A. 调整喷嘴的方位角和喷射角度 B. 增加钻头排屑槽的深度
五、胎体PDC钻头之模具激光快速成型工艺
传统的PDC钻头制造工艺在一定程度上制约了PDC钻 头性能的进一步提高，主要存在以下缺点： 1）压模成型、铣模成型等传统制造工艺制造精度不 高，使PDC钻头的设计水平很难在生产制造中有效体 现； 2）传统制造工艺不能实现复杂结构钻头的加工； 3）由于PDC钻头对地层比较敏感，需要针对不同的 地层开发不同的钻头，传统制造工艺制造周期长，不 能对市场作出高效快捷的反应。
钻头
轴承
轴承
牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头
钻头
二、牙轮钻头的新技术
牙齿技术 轴承技术 轴承密封技术
牙齿技术
1、美国犹他州立大学为Smith公司开发出了蜂窝状金刚石牙齿材 料，其耐磨性与聚晶金刚石相当，但其韧性和耐冲击性显著提高
2、二次烧结硬质合金牙齿技术。二次烧结硬质合金材料由具有 较高硬度和研磨性的微粒和具有较高韧性的基体材料共同组成。 微粒是由更小的硬质合金粉末和粘接剂烧结而成，基体材料一般 是钴合金粘接剂，其中加入了碳化物、氮化物、硼化物等以提高 基体材料的耐磨性；硬质微粒和基体材料在一定的压力和温度下 烧结后形成的新材料在保持原有耐磨性的基础上韧性大大提高， 因此二次烧结硬质合金牙齿可用于高研磨性、高硬度地层的钻头。
石油钻头技术现状及未来发展方向
石油钻头的分类 1.牙轮钻头 2.金刚石钻头
一、牙轮钻头的分类
（1）按牙齿的固定方式分为：镶齿和铣齿 （2）按轴承类型分为：滚动轴承和滑动轴承 （3）按密封类型分为：橡胶密封和金属密封 （4）按牙轮数量分为：单牙轮钻头、双牙轮
钻头和三牙轮钻头
铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头
PDC钻头的主要优势
1、以切削（剪切）原理工作，破岩能耗低。 2、PDC复合片具有超强的硬度、耐磨性和自
锐性 3、PDC钻头属固定齿钻头，没有活动件，工
作可靠性高
复合片
复合片
PDC钻头的分类
胎体PDC钻头 优点：耐冲蚀，制造周期短 缺点：刀翼韧性不及钢体钻头
钢体PDC钻头 优点：刀翼韧性好，易实现深水道设计 缺点：耐冲蚀能力不及胎体钻头，制造周期较
钻头冠部轮廓的设计
PDC钻头冠部轮廓设计是在单锥、浅锥、双锥三种基本轮廓上进行的 从设计上讲，无论采用何种冠部剖面形状，最终都是为了满足“易于布
齿，便于加工，保证质量，提高效率”的原则。 针对不同油田地层的特点，采用等磨损原则和等切削原则相结合进行冠
部轮廓设计，在三种基本轮廓理论曲线方程进行拟合的基础上，结合钻 头设计经验和使用钻头类比，确定出适合钻进该地层的钻头冠部轮廓形 状。 双圆弧形轮廓剖面具有的特点使得钻头表面尽可能有效地布置切削齿， 而且使钻头从鼻部切削齿到保径切削齿能够圆滑地过渡。浅内锥可以较 好的保证钻头的导向性能，短外锥可以减小钻头与井壁的接触面积，从 而减小了钻头的与井壁之间的摩擦力。而且短外锥对侧向位移不很敏感。 外形较短而且呈浅锥式圆形设计提高了钻头定向反应灵敏度。
切削齿选择、切削结构布置、力平衡 设计
切削齿选择及切削结构设计
① 切削齿的大小尺寸 ② 切削角度 ③ 布齿密度 ④ 布齿方法
力平衡设计
① 力平衡设计可显著降低由钻头的切Βιβλιοθήκη Baidu作用而产生的井下振动，增加 钻头工作时的稳定性，从而提高钻头的使用寿命
② 采用阶梯螺旋状刀翼结构分散了切削齿切削地层时产生的指向井壁 的切削力，减小了钻头螺旋状刀翼与井壁间的接触应力，因而减少 了钻头发生回旋运动的次数。螺旋式刀翼能使切削齿自然呈现一定 的侧转角，有助于钻井液携带岩屑，清洗井底 。