4[海底岩石与钻头破岩]海洋钻井工程

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1、1海海 洋洋 石石 油油 工工 程程李玮李玮 博士、副教授博士、副教授Tel:13936811904E-mail:1 1.1.海上钻井发展状况及环境特点海上钻井发展状况及环境特点2.2.海上钻井装置海上钻井装置3.3.海上钻井主要系统海上钻井主要系统4.4.海底岩石与钻头破岩海底岩石与钻头破岩5.5.井眼轨道设计与控制井眼轨道设计与控制6.6.优选参数钻井优选参数钻井7.7.海洋钻井压力预测与控制海洋钻井压力预测与控制 8.8.海上钻井工艺技术海上钻井工艺技术本章主要内容本章主要内容一、海底一、海底水龙头方钻杆转 盘顶驱岩石的力学性质变形特征强度特征自生石英晶体,溶孔中绒球状绿泥石指岩石在各种

2、载荷作用下的变形规律指岩石在各种载荷作用下的变形规律(包括包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律)。指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力(强度极限强度极限)以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。石抵抗破坏的能力和破坏规律。岩石试样的钻取及制备岩石试样的钻取及制备图 典型应力应变曲线OA段：曲线稍向上凹，这反映岩石试件内部裂隙逐渐被压密。AB段：随着岩石内裂隙被压密进入AB段，它的斜率为常数或接近于常数，该直线的斜率称为杨氏弹性模量E。BC段

3、：B点为屈服极限，是岩样弹性行为到塑性行为过渡的点。C点为强度极限，是岩样所能承受的最大应力。C点以前的阶段称为破坏前阶段，之后称为破坏后阶段。特点：变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态。卸载不能完全恢复，存在永久变形。CD段：该段曲线呈下降形态，岩样承受应力的能力下降，而岩石的应变增加，岩石开始解体。图 典型应力应变曲线岩岩石石的的强强度度抗压强度抗拉强度抗压强度抗弯曲强度通常情况下：抗压抗剪抗弯抗拉强度强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验 岩石抗压缩强度指岩石抵抗外力压缩的能力其大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获得。三轴应力

4、机1、岩石抗压缩强度、岩石抗压缩强度真实的应力应变曲线1、岩石抗压缩强度、岩石抗压缩强度*设计恰当的夹紧机构；*制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。实验要求测量方法间接抗拉伸强度试验直接抗拉伸强度试验2、岩石抗拉伸强度、岩石抗拉伸强度破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。岩石的抗张强度可按下式计算：巴西劈裂实验巴西劈裂实验otrW1.常规三轴试验常规三轴试验 （a）（b）（c）（d）图1-10三轴岩石试验方法 （a）液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）；（b）用三个液缸的柱塞进行的三面压缩试验（真三轴试验）；（c）液压作用下的压扭试验；(d）液压作用下的两面柱塞压缩试

5、验。1 P=2=33P=1=2（a）压缩试验）压缩试验（b）拉伸试验）拉伸试验1.常规三轴试验常规三轴试验213CoOAB2sin31212cos312131212.三轴应力下岩石的强度和变形的特点三轴应力下岩石的强度和变形的特点 岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切滑动面)的垂直(法向)压应力的增加而增大的。库仑库仑莫尔强度理论莫尔强度理论Cftanf O莫尔应力圆包络线0库仑库仑莫尔强度理论莫尔强度理论卡尔曼在室温下的试验结果（应力卡尔曼在室温下的试验结果（应力-应变曲线）应变曲线）三轴试验的应力应变曲线（图中有X者为脆性破坏）3=3260 bar3=1650 bar3=850 bar3=5

6、00 bar3=235 bar3=0应变z，（大理岩）(13)，bar应变z，（砂岩）32175 bar31550 bar3555 bar3275 barX30(13)，bar6000400030002000100060004000300020001000XX0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 1 2 3 4 5 6 7 1、随着围压的增大，岩石强度极限增大。（）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的；（）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力 范围内都相同。2、随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。岩石从脆性到塑性的转变点（或称临

7、界压力）对深井钻井的重要意义：脆性破坏 塑性破坏 本质差别 不同的破碎工具 不同的破碎方式 不同的破碎参数 因此，确定岩石的脆塑性转变的“临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。岩心试样力学参数的测试结果岩心试样力学参数的测试结果 岩石的硬度（抗压入强度）：岩石抵抗外力压入的能力 平底圆柱压模压入岩石时，在压头下的岩体中发展了轴对称分布的三向应力状态，这种应力状态使压头下岩石的强度会急剧增大，同时多数岩石具有塑性性质。实验方法抗压入破碎强度测试仪器示意图测试方法 用加载能力为10 kN的小型液压机；压头上作用的载荷可由液压系统的压力指示计算得出；压入深度可由千分表（或百分表）指示读出

8、；记录下载荷与吃深的相关数据，事后绘制载荷-吃深曲线。压头压头zzr=z0pzzrzr=aaap圆柱压模压入岩石的应力状态及分布P-岩石平均压强 a-压头底面的半径z-距岩石表面的深度-岩石泊松比2712122121022322323223rzzazzazpzazprzW0OCEDW载荷 W/NW0载荷 W/N吃入深度/m(b)塑塑脆性岩石脆性岩石EDW吃入深度/m载荷 W/N吃入深度/m(a)脆性岩石脆性岩石(c)塑塑性岩石性岩石OOBA硬度屈服极限塑性系数压入实验确定岩石的硬度和塑性系数AWpyAW00ODEOABCAAkEF面积面积 通过大量的试验，可以根据上面所讲的岩石的硬度和塑性将岩

9、石进行分类。1 1、岩石按塑性系数的分类、岩石按塑性系数的分类类类 别别脆脆 性性塑塑 脆脆 性性塑塑 性性低塑性低塑性 高塑性高塑性级级 别别1 12 23 34 45 56 6塑性系塑性系数数1 11 12 22 23 33 34 44 46 66 6岩石分类 参照我国石油钻井使用的钻头类型，按岩石的硬度大小可将岩石分为六类十二级。2 2、岩石按硬度的分类、岩石按硬度的分类类类别别软软中软中软中硬中硬硬硬坚硬坚硬极硬极硬级级别别1 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011 111212硬硬度度kbkbarar111 12.52.52.52.55 55 51010101

10、015151515202020203030303040404040505050506060606070707070岩石分类本章主要内容本章主要内容一、海底一、海底 钻井过程中，钻井工具和岩石产生接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。测定岩石研磨性的方法测定岩石研磨性的方法钻磨法钻磨法磨削法磨削法微钻头钻进法微钻头钻进法摩擦磨损法摩擦磨损法各种岩石的研磨性各种岩石的研磨性研磨性最小的岩石低研磨性岩石高研磨性岩石盐岩、泥岩和一些硫酸盐岩石灰岩和白云岩含有刚玉矿物成分的岩石各种岩石的研磨性各种岩石的研磨性由所含长石和石英

11、成分的多少、颗粒粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物的硬度差小，研磨性较小，反之研磨性较高。中等或高研磨性岩石由石英颗粒的含量及胶结强度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越小，其研磨性越高；反之研磨性则低。沉积碎屑岩火成岩 岩石的研磨作用，包含有两种不同的机理：一种是类似于锉刀锉金属锉刀锉金属的作用，称之擦蚀擦蚀。其特征是被磨蚀物体的硬度小于磨蚀物体，而后者表面又必须是粗糙的，它在前者的表面上剋削下碎屑末。研磨作用的物理实质：研磨作用的物理实质：另一种作用是类似于砚台受墨的研磨，久而久之也要被磨蚀，称之磨损。对于钢制工具而言，除了含有石英颗粒的岩石以外，岩石的

12、磨蚀作用主要是以磨损的形式进行的。研磨作用的物理实质：研磨作用的物理实质：牙轮钻头的轻度磨损 牙轮钻头的中度磨损牙轮钻头的高度磨损研究岩石的磨蚀性及其规律，直接关系到机械和工具的寿命、生产的效率和成本；作为改进机具设计的依据，也是采取合适工作参数的基础。研究岩石磨蚀性的意义：研究岩石磨蚀性的意义：岩石破碎的难易性称为岩石的可钻性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。研究可钻性方法生产工艺的指标岩石机械性质50年代史立涅尔压入硬度法 60年代罗劳微钻法(我国石油行业)可钻性的单位采用在确定条件下的钻头进尺或者机械钻速.可用抗压强度，d指数、压痕指数、纵波速度、抗钻强度、实钻速度、杨氏钻速模式中的地层可

13、钻性系数等几十种.微型钻头钻进法微型钻头钻进法采用直径等于31.75mm（11/4 in）的微型钻头在小块岩样上进行钻进试验。以907.2 N907.2 N的钻压，55 rpm55 rpm的转速钻一个深度为2.3812.381mm（3/32 in）的孔，根据所需的钻时（s）计算出微钻头的钻速。每次试验后测出微型钻头齿的磨损高度，适过查表可查得所选用的钻头在该岩层中钻进的预计寿命、进尺数及每米进尺成本。这种方法是用微型钻头的试验钻速（m/h）作为确定岩石可钻性的指标。当以钻速作为可钻性指标时，钻进的速度V与深度H、钻进时间T之间有如下关系：VHTTHV1,或 为了统计研究方法的需要，对钻时T作对

14、数变换，便可得岩石可钻性级值（Kd）与微钻时之间的关系式：dKTdTK2log2或油矿地层可钻性分级和适用的钻头类型表油矿地层可钻性分级和适用的钻头类型表 微牙轮钻头可钻性级值分级微牙轮钻头可钻性级值分级类别软中硬级别1234567910钻速（米/时）22110.50.50.30.30.10.10.060.060.030.030.0080.0080.004可钻性级 别适用钻头类型JRRZRZZYYJJY本章主要内容本章主要内容一、海底一、海底牙轮钻头PDC钻头金刚石钻头刮刀钻头常用尺寸：常用尺寸：26 、171/2 、121/4、81/2 各种钻头各种钻头各种钻头各种钻头 刮刀钻头的结构：刮刀

15、钻头的结构：上钻头体、下钻头体（分水上钻头体、下钻头体（分水帽）、帽）、刀翼、水眼。刀翼、水眼。两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头三刀翼的称作三刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀钻头刮刀刮刀钻头特点钻头特点结构简单，制造方便。在软地层中，可以得到高的机械钻速和钻头进尺。在较硬地层中，钻头吃入困难，钻井效率低。刮刀钻头特点刮刀钻头特点刃尖角刃尖角切削角切削角刃前角刃前角刃后角刃后角背部几何形状抛物线型刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应逐渐增厚，呈抛物线形。刀翼底部形状刀翼底部形状平底正阶梯反阶梯反锥 根据摩尔强度理论，如果忽略摩擦力，当F力等于或，岩石沿剪切面破碎。泥岩泥岩页岩页岩盐岩盐岩膏岩膏岩 塑性岩

16、石硬度小，在钻压W的作用下容易吃入地层，刃前岩石在扭转力T作用下不断产生塑性流动。因此，吃入深度要比力W单独作用时深得多。刮刀钻头破碎塑脆性岩石过程P(a)Th0(b)压碎和小剪切分离的岩屑TP大剪切分离的岩屑压实的岩粉(c)TPAAA砂泥岩砂泥岩 砂岩砂岩 大理石大理石 碰撞碰撞压碎及小剪切压碎及小剪切大剪切大剪切本章主要内容本章主要内容一、海底一、海底1909年就出现了第一个牙轮钻头。1925年，出现了自洁式牙轮钻头。1933年出现了滚动轴承的三牙轮钻头。1935年经进一步改进，出现了移轴三牙轮钻头。1949年开始发展喷射钻井。1951年成功地使用了镶硬质合金齿的钻头。1960年试制成功了

17、密封润滑轴承。1968年研究成功了密封润滑滑动轴承钻头。牙轮钻头的发展牙轮钻头的发展牙轮钻头分类牙轮钻头分类单牙轮钻头单牙轮钻头两牙轮钻头两牙轮钻头三牙轮钻头三牙轮钻头 四牙轮钻头四牙轮钻头牙轮钻头是使用最多的钻头，占钻头总数的70%。牙轮钻头的分类牙轮钻头的分类单牙轮钻头特点：牙轮的转速比钻头转速低得多，仅为钻头转速的1/2l/5，能适应大幅度的转速变化。这种钻头工作时对井底的滑动作用很大，因而有较大的切削作用。两牙轮钻头的优点：喷嘴的安装位置较充裕，喷嘴可以向下接近井底以充分发挥钻头的水力作用。四牙轮钻头有两个牙轮破碎井底外缘部分，而另两个牙轮破碎井底中间部分，它适于钻软到中硬地层。各种牙

18、轮钻头的特点各种牙轮钻头的特点1、钻头的复合运动 牙轮钻头在钻头旋转运动过程中，由于牙轮钻头在运动过程中受到井底岩石对钻头牙齿的摩阻力，钻头牙轮要向钻头前进时相反的方向旋转。钻头与井底接触母线上任意点的实际运动速度应为该点随钻头运动所产生的速度(称为牵连速度)与该点随牙轮旋转所产生的速度(称为相对速度)的矢量和(称为绝对速度)。2.钻头的冲击和压碎作用 由于牙轮钻头的纵向振动，钻头对岩石产生冲击和压碎，单双齿着地的频率为：fT1cbbdZdnf603.牙轮对地层的剪切作用 剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时，还产生轮齿对井底岩石的滑动来实现的。产生滑动的主要因素有三个，即超顶、复锥和移轴。

19、当牙轮锥顶不与钻头轴线重合时，就有滑动产生。超顶牙轮产生切线方向的滑动；超顶牙轮产生切线方向的滑动；滑动速度大小与超顶距滑动速度大小与超顶距c c成正比；成正比；存在一个纯滚动点，在该点两侧存在一个纯滚动点，在该点两侧的滑动方向相反。的滑动方向相反。超顶引起的滑动超顶引起的滑动 牙轮锥顶超过钻头轴线，牙轮锥顶超过钻头轴线，这种特点称作这种特点称作超顶超顶 。复锥引起的滑动复锥引起的滑动 复锥牙轮包括主锥（锥顶角复锥牙轮包括主锥（锥顶角2 2）和副锥（锥顶角）和副锥（锥顶角2 2），如主），如主锥顶与钻头中心重合，则副锥顶必锥顶与钻头中心重合，则副锥顶必是超顶的。是超顶的。如前述，超顶会引起切线

20、方向如前述，超顶会引起切线方向滑动，所以复锥同样会产生切线方滑动，所以复锥同样会产生切线方向的滑动。向的滑动。单锥牙轮：主锥单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层背锥，硬地层复锥牙轮：主锥复锥牙轮：主锥+副锥副锥+背锥，软到中硬背锥，软到中硬a单锥；b、c复锥；1主锥；2副锥；3背锥abc牙牙 轮轮 移轴牙轮仅产生轴向滑动；移轴牙轮仅产生轴向滑动；滑动量的大小和偏移值滑动量的大小和偏移值s s成正比。成正比。移轴引起的滑动移轴引起的滑动 牙轮轴线相对于钻头轴线平移牙轮轴线相对于钻头轴线平移一段距离，这种方式称作一段距离，这种方式称作移轴移轴 。移轴引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石轴向滑动剪切掉齿圈之间

21、的岩石；超顶和复锥所引起的切线方向滑动剪切掉同一齿圈相邻牙齿同一齿圈相邻牙齿之间的岩石之间的岩石；移轴引起的轴向滑动使牙齿的内端面部分磨损内端面部分磨损；超顶和复锥引起的切线方向滑动使牙齿侧面磨损牙齿侧面磨损；对于极软到中硬地层的钻头，兼有移轴、超顶和复锥；中硬或硬地层钻头有超顶和复锥；对于极硬和研磨性很强的地层的钻头是纯滚动而无滑动纯滚动而无滑动。滑动分析滑动分析牙轮钻头结构：牙轮钻头结构：牙轮钻头由钻头体牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）及牙轮、牙抓（巴掌）及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、储油润滑密封系统、喷嘴等部分组成。喷嘴等部分组成。钻头直径牙轮轴线偏移值

22、牙轮轴线与钻头轴线夹角牙轮的形状与布置牙轮上牙齿的布置.牙轮钻头的基本参数牙轮钻头的基本参数钻头直径 原则：以最少的尺寸系列来满足钻井工作需要。我国目前已审订出牙轮钻头的直径系列。最小直径为97mm（3 7/8 in），最大尺寸为445mm（17 1/2 in）。钻头制造时规定了它的直径公差。牙轮轴线偏移值 牙轮轴线沿钻头旋转方向平移一段距离（或偏转一个角度）牙轮轴线的偏移值应根据岩层的特性来定。用偏移系数来表示；偏移系数为偏移值s与钻头直径之比值。.牙轮钻头的基本参数牙轮钻头的基本参数牙轮轴线与钻头轴线夹角 影响牙轮的空间体积大小和轴承受力状况。角为5l 59。软地层钻头角较大，硬地层钻头的

23、角较小。.牙轮钻头的基本参数牙轮钻头的基本参数牙轮的形状及布置（a）牙轮的几何形状及尺寸 牙轮的几何形状尺寸包括主锥角（2）、副锥角（2）、牙轮总高（H）、牙轮最大外径（d）、背锥角（2）。（b）牙轮上牙齿的布置 着重考虑牙轮及牙齿对井底的破碎效果；考虑到相邻牙轮的牙齿之间的啮合；牙轮钻头对井壁的切削和修整作用。.牙轮钻头的基本参数牙轮钻头的基本参数牙轮及牙齿的布置方式布齿原则：布齿原则：（1 1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；（2 2）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内；）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破

24、碎坑内；（3 3）牙齿磨损均匀。）牙齿磨损均匀。.牙轮钻头的基本参数牙轮钻头的基本参数牙轮布置方案：牙轮布置方案：（1）非自洗无滑动布置：各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层；（2）自洗不移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层；（3）自洗移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层；.牙轮钻头的基本参数牙轮钻头的基本参数非自洗自洗无移轴自洗移轴.牙轮钻头的基本参数牙轮钻头的基本参数齿间相互齿合产生自洗作用 对于牙齿的基本要求是破岩效率高、寿命长。要满足这两点，必须从两方面着手:一是牙齿的几何形状要合理；二是齿的材料要耐磨并有足够的

25、强度。目前牙轮钻头的牙齿有铣齿铣齿（也称钢齿）和硬质合金齿（简称镶齿镶齿）两大类。2 2、牙轮钻头的牙齿、牙轮钻头的牙齿铣齿(也称钢齿)硬质合金齿(简称镶齿)2 2、牙轮钻头的牙齿、牙轮钻头的牙齿 铣齿牙轮钻头的牙齿与牙轮壳体成一体。铣齿牙轮钻头的牙齿主要是楔形。用于地层研磨性高的钻头，为了防止钻头直径磨小，外排齿做成 型、T型、或L型，称为保径齿。保径齿齿型 L型 T型 型 铣齿铣齿楔形齿：适用于高塑性的软地层以及中硬地层。锥形齿：以压碎方式破碎岩石，它的强度高于楔形齿。三棱形齿：适用于硬、脆地层和软、塑性地层的交错层。球形齿：以压碎和冲击的方式破碎高研磨性的坚硬地层。镶齿镶齿镶齿的齿镶齿的

26、齿形形 归纳为两类：一类端部为球面形球面形的如球齿、锥形齿及抛射体形齿，这类齿压入岩石时与球体压入岩石球体压入岩石相似。另一类楔形齿齿锋是圆弧形，在破碎岩石时相当于圆柱体沿母线压入岩石，岩石破碎所需压力与圆弧半径大小和齿锋长岩石破碎所需压力与圆弧半径大小和齿锋长度（齿宽）关度（齿宽）关。镶齿镶齿 硬质合金齿的材料是烧结碳烧结碳化钨类硬质合金化钨类硬质合金，硬质合金既应具有高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性，又有较好的韧性以抵抗钻进中的冲击载韧性以抵抗钻进中的冲击载荷荷。所以一般多采用粗粒碳化钨硬质合金来制造牙齿。硬质合金齿的材料硬质合金齿的材料镶齿镶齿 固齿工艺又叫镶齿工艺，目前多采用过盈配合镶

27、齿工艺。提高固齿强度的关键在于以下两点：首先牙轮基体材料要有一定的强度，齿圈表面要有适当的硬度，第二，镶齿过盈量要适当。室内研究及现场实验得出过盈量在0.040.07 mm范围内较好。固齿工艺固齿工艺镶齿镶齿 轴承结构 牙轮钻头每个牙轮一般有三副承受径向载荷的轴承三副承受径向载荷的轴承，外排是滚柱轴承滚柱轴承，内排是滑动轴承滑动轴承，中间的是滚珠轴承滚珠轴承。目前常用的轴承结构有两种，一种是滚柱-滚珠-滑动，另一种是滚柱-滚珠-滚柱。3 3、牙轮钻头的轴承、牙轮钻头的轴承钻头轴承的工作条件和磨损 45颗大滚柱轴承承受60%70%的钻压；牙爪轴承要承受多次冲击载荷的作用。这导致了轴承特别是轴颈的

28、严重接触疲劳剥落。泥浆中所含的砂粒、岩屑和轴承元件碎屑等固体硬颗粒，它们的棱角可在轴承元件的表面产生微切削和研磨等机械作用，又叫磨粒磨损磨粒磨损。3 3、牙轮钻头的轴承、牙轮钻头的轴承 喷嘴：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三牙轮钻头一般安装 3 3 个喷嘴个喷嘴，直径713mm。用卡簧固定在水眼内，并用o形圈密封。4 4、喷嘴、喷嘴国产牙轮钻头分类方法（1）按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8个系列（2）按地层分类：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 1 ，2，3 ，4，5

29、 ，6，7 国产三牙轮钻头类型及适应地层1.1.根据地层性质合理选择钻头类型，标准是每米根据地层性质合理选择钻头类型，标准是每米钻进成本最低。钻进成本最低。地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或地层较软时：选用牙齿高度大并带有超顶或移轴的钻头；移轴的钻头；地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移地层较硬时：选用牙齿高度小，无超顶或移轴的钻头；轴的钻头；2.2.优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。优选钻进参数：钻压、转速、水力参数等。本章主要内容本章主要内容一、海底一、海底 金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自锐的天然金刚石或人造金刚石为切削齿，在钻低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中

30、广泛使用的一种高效钻头。类型类型按来源分按来源分按功用分按功用分按镶嵌方式分按镶嵌方式分按钻井方式分按钻井方式分天然金刚石钻头天然金刚石钻头人造金刚石钻头人造金刚石钻头全面钻进钻头全面钻进钻头表镶表镶孕镶孕镶转盘钻井转盘钻井涡轮钻井涡轮钻井取心钻头取心钻头金刚石钻头类型金刚石钻头类型1 1、金刚石钻头的结构、金刚石钻头的结构钢体钢体胎体胎体切削刃切削刃水眼与水槽水眼与水槽结构结构双锥阶梯形剖面软到中硬地层双锥形剖面较硬地层“B”型剖面硬地层带波纹的“B”型剖面坚硬地层钢体钢体 钢体是金刚石钻头的骨架。上部螺纹连接钻具，下部与胎体烧结。胎体胎体 镶嵌金刚石颗粒的基体胎体形状，主要指工作面的几何形

31、状和工作面积的大小，根据岩性设计的。1 1、金刚石钻头的结构、金刚石钻头的结构金刚石在钻头工作面上的排布方式软到中硬硬地层坚硬地层交错排列法圆周排列法脊圈排列法切削刃切削刃表镶式表镶式孕镶式孕镶式表孕镶式表孕镶式切削刃切削刃 1 1、金刚石钻头的结构、金刚石钻头的结构金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。水眼与水槽水眼与水槽1 1、金刚石钻头的结构、金刚石钻头的结构水眼和水槽的布置原则使金刚石钻头在钻进时，保证供给钻头工作面有足够的水力能量。用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于工作小，金刚石颗粒粗而稀，钻进时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。对于硬和坚硬地层，钻头工作面大、金刚石颗粒

32、细而密，且出刃低，钻压大，水槽应多、密、窄。1 1、金刚石钻头的结构、金刚石钻头的结构水眼与水槽水眼与水槽接触面积吃入深度出露高度金刚石钻头基体2 2、金刚石钻头破岩原理金刚石钻头破岩原理 、适用于硬、研磨性地层，涡轮钻井，深井钻井，取心作业。、寿命长，进尺高。、钻头下井前，井底打捞干净，确保没有金属落物。、先用小钻压、低转速跑合，然后用合适钻压和高转速钻进。、采用低钻压（30-50kN）、高转速、大排量钻进。3 3、金刚石钻头的正确使用、金刚石钻头的正确使用 (1)金刚石钻头是一体性钻头，可以使用高的转速低钻压（30-70kN)，适合与高转速的井下动力钻具一起使用，适合于定向钻适合于定向钻井

33、井。(2)金刚石钻头耐磨且寿命长，适合于深井及研磨性地层深井及研磨性地层使用。(3)在地温较高地温较高时，牙轮钻头的轴承密封易失效，金刚石钻头则不会出现此问题。(4)金刚石钻头的钻压低于牙轮钻头，因而在钻压受到限制在钻压受到限制(如防斜钻进)的情况下应使用金刚石钻头。(5)金刚石钻头结构设计、制造比较灵活，生产设备简单，因而能满足非标准的异形尺寸井眼非标准的异形尺寸井眼的钻井需要。4 4、金刚石钻头的特点金刚石钻头的特点 胎体PDC钻头钢体PDC钻头两类PDC钻头切削元件 PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。特特

34、 性性 PDCPDC既具有金刚石的既具有金刚石的硬度和耐磨性。硬度和耐磨性。弱点是弱点是热稳定性差，热稳定性差，350350以上加速磨损。抗以上加速磨损。抗冲击能力较差。冲击能力较差。13.4，191 1、PDC PDC钻头结构钻头结构 特点特点 内外锥有利于钻头内外锥有利于钻头稳定；稳定；外锥较长，可多布外锥较长，可多布齿，使磨损均匀；齿，使磨损均匀；钻硬夹层，冠部齿钻硬夹层，冠部齿易早期损坏。易早期损坏。适合中等均质地层适合中等均质地层特点特点 钻头表面积较小钻头表面积较小，水力集中，清，水力集中，清洗效果好；洗效果好；载荷分布较均匀载荷分布较均匀；用于钻石灰岩、用于钻石灰岩、白云岩等较硬

35、地白云岩等较硬地层。层。特点特点 侧向推力指向钻头侧向推力指向钻头中心，有利于防斜中心，有利于防斜；钻头外部表面积大钻头外部表面积大，可布置较多切削，可布置较多切削齿，利于提高寿命齿，利于提高寿命。用于软地层。用于软地层。特点特点 冠顶较宽且较平冠顶较宽且较平缓，载荷分布较均缓，载荷分布较均匀。匀。外侧采用圆弧，外侧采用圆弧，布齿面积较大。布齿面积较大。用于硬地层。用于硬地层。双锥形双锥形浅锥形浅锥形抛物线形抛物线形B B 形形PDCPDC钻头基体冠部外形钻头基体冠部外形标准切削齿标准切削齿牙嵌式切削齿牙嵌式切削齿 增加金刚石薄层厚度、金刚石层与碳化钨基片的接触面积，提高研磨性和强度。环嵌式切

36、削齿环嵌式切削齿 嵌牙外缘增加一周聚晶金刚石环，提高耐磨、冲击强度。钻头切削齿钻头切削齿 凿形切削齿凿形切削齿倒角切削齿倒角切削齿凸圆形切削齿凸圆形切削齿齿状碳化钨基柱齿状碳化钨基柱钻头切削齿钻头切削齿 PDC钻头设计中用负前角、侧偏角和切削齿出露高度规定排列方向。负前角又称后倾角侧偏角切削齿的出露高度复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹角。切削齿面与钻头径向平面之间的夹角。与岩性有关，分全出露和部分出露两种。切削齿的排列方向切削齿的排列方向 后倾角（负前角）后倾角（负前角）：起到保护切削齿，延长寿命的作用起到保护切削齿，延长寿命的作用。取值。取值0 0-20-20，软地层小一些，硬地层大一些。

37、，软地层小一些，硬地层大一些。侧倾角（旁锋刀面角）侧倾角（旁锋刀面角）：钻头旋转时，切削刃面对切屑钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。=15=15左右。左右。切削齿的排列方向切削齿的排列方向 喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，以及排屑槽的形状和布置都是PDC钻头设计中重要组成部分。喷嘴的配置和取向基本原则：每个喷嘴或水眼能清洗和冷却一组复合片喷嘴水道及排屑槽喷嘴水道及排屑槽 PDC钻头是以切削 齿对地层进行切削来破碎岩石，整个切削过程，与金属切削过程很相似。岩石的切削过程实质：是一种挤压过程，在挤压过程中，岩石主要以滑移变

38、形方式成为切屑。2 2、PDCPDC钻头破岩原理钻头破岩原理 PDCPDC钻头的破岩机理可概括为：钻头的破岩机理可概括为：PDCPDC钻头切削齿在钻压作钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。在切削刃移动时，岩石经过OA面滑移变形越来越大，当岩石移到OE面时，将不在沿OE面滑移（如1、2面），而是一起沿切削齿前倾面流出，所以称OA为初始滑移线，而称OE为终止滑移线。2 2、PDCPDC钻头破岩原理钻头破岩原理 PDC钻头适用于软到中硬的大段均质地层，不适合钻软硬 交错地层和砾石层。与牙轮钻头相比，PDC钻头宜采用低钻压、高转速钻进。钻头下井前，井底要清洁，无金属落物。新钻头钻进时，先用小钻压和低转速磨合井底。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。3 3、PDCPDC钻头的正确使用钻头的正确使用