1、1,海 洋 石 油 工 程,李瑋 博士、副教授 TelE-mail:liwei,1,目 錄,海上鉆井發(fā)展?fàn)顩r及環(huán)境特點(diǎn) 海上鉆井裝置 海上鉆井主要系統(tǒng) 海底巖石與鉆頭破巖 井眼軌道設(shè)計(jì)與控制 優(yōu)選參數(shù)鉆井 海洋鉆井壓力預(yù)測(cè)與控制 海上鉆井工藝技術(shù),本章主要內(nèi)容,一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì) 二、海底巖石的研磨性與可鉆性 三、刮刀鉆頭及其破巖原理 四、牙輪鉆頭及其破巖原理 五、金剛石鉆頭及其破巖原理,一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì),一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì),巖石的力學(xué)性質(zhì),變形特征 強(qiáng)度特征,自生石英晶體,溶孔中絨球狀綠泥石,一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì),變形特征:指巖石在各種載荷作用下的變

2、形規(guī)律(包括巖石的彈性變形、塑性變形、粘性流動(dòng)和破壞規(guī)律)。 強(qiáng)度特征:指巖石在載荷作用下開始破壞時(shí)的最大應(yīng)力(強(qiáng)度極限)以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。,一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì),一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì),巖石試樣的鉆取及制備,(一)、應(yīng)力應(yīng)變曲線 (二) 、強(qiáng)度(簡(jiǎn)單應(yīng)力) (三) 、強(qiáng)度(復(fù)雜應(yīng)力),一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì),圖 典型應(yīng)力應(yīng)變曲線,OA段：曲線稍向上凹，這反映巖石試件內(nèi)部裂隙逐漸被壓密。 AB段：隨著巖石內(nèi)裂隙被壓密進(jìn)入AB段，它的斜率為常數(shù)或接近于常數(shù)，該直線的斜率稱為楊氏彈性模量E。,(一)、巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,BC段：B點(diǎn)為屈服極限，是巖

3、樣彈性行為到塑性行為過渡的點(diǎn)。C點(diǎn)為強(qiáng)度極限，是巖樣所能承受的最大應(yīng)力。C點(diǎn)以前的階段稱為破壞前階段，之后稱為破壞后階段。 特點(diǎn)：變形和荷載呈非線性關(guān)系，裂隙進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。卸載不能完全恢復(fù)，存在永久變形。 CD段：該段曲線呈下降形態(tài)，巖樣承受應(yīng)力的能力下降，而巖石的應(yīng)變?cè)黾樱瑤r石開始解體。,(一)、巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圖 典型應(yīng)力應(yīng)變曲線,巖石的強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度 抗彎曲強(qiáng)度,通常情況下：抗壓抗剪抗彎抗拉強(qiáng)度,強(qiáng)度獲取方法：對(duì)具體的巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),(二)、簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度,巖石抗壓縮強(qiáng)度指巖石抵抗外力壓縮的能力其大小等于在巖樣上施加軸向壓縮載荷直至破壞時(shí)單位面

4、積上的載荷，可通過單軸抗壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)來獲得。,三軸應(yīng)力機(jī),1、巖石抗壓縮強(qiáng)度,真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,1、巖石抗壓縮強(qiáng)度,*設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膴A緊機(jī)構(gòu)； *制備一定形狀的巖樣； *確保加載方向嚴(yán)格平行于巖樣軸線。,實(shí)驗(yàn)要求,測(cè) 量 方 法,間接抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn),直接抗拉伸強(qiáng)度試驗(yàn),2、巖石抗拉伸強(qiáng)度,破裂從圓的中心開始,沿加載直徑向上下擴(kuò)展。巖石的抗張強(qiáng)度可按下式計(jì)算：,巴西劈裂實(shí)驗(yàn),1. 常規(guī)三軸試驗(yàn),（a） （b） （c） （d） 圖1-10三軸巖石試驗(yàn)方法 （a）液壓作用下的壓（拉）試驗(yàn)（常規(guī)三軸試驗(yàn)）； （b）用三個(gè)液缸的柱塞進(jìn)行的三面壓縮試驗(yàn)（真三軸試驗(yàn)）； （c）液壓作用下的壓扭試驗(yàn)； (d）液

5、壓作用下的兩面柱塞壓縮試驗(yàn)。,(三)、復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖石強(qiáng)度,1,P=2 = 3,3,P=1 = 2,（a）壓縮試驗(yàn),（b）拉伸試驗(yàn),1. 常規(guī)三軸試驗(yàn),庫(kù)侖剪切強(qiáng)度曲線,2. 三軸應(yīng)力下巖石的強(qiáng)度和變形的特點(diǎn),巖石的強(qiáng)度是隨作用于破壞面(或剪切滑動(dòng)面)的垂直(法向)壓應(yīng)力的增加而增大的。,庫(kù)侖莫爾強(qiáng)度理論,莫爾提出巖石的強(qiáng)度曲線是一系列不同圍壓下的極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線 畫在-平面上的巖石強(qiáng)度曲線變成了近似于斜率逐漸減小的拋物線，可適用于高圍壓的情況。,莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線,0,庫(kù)侖莫爾強(qiáng)度理論,卡爾曼在室溫下的試驗(yàn)結(jié)果（應(yīng)力-應(yīng)變曲線）,三軸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖中有X者為脆性破壞）,(四)、三

6、軸應(yīng)力作用下巖石機(jī)械性質(zhì)的變化,兩方面顯著變化,1、隨著圍壓的增大，巖石強(qiáng)度極限增大。 （）不同類型的巖石，增大幅度和倍數(shù)是不一樣的； （）圍壓對(duì)巖石強(qiáng)度的影響程度，并不是在所有壓力 范圍內(nèi)都相同。,2、隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破碎前所呈現(xiàn)的塑性也越大。,(四)、三軸應(yīng)力作用下巖石機(jī)械性質(zhì)的變化,巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（或稱臨界壓力）對(duì)深井鉆井的重要意義：,脆性破壞,塑性破壞,本質(zhì)差別,不同的破碎工具,不同的破碎方式,不同的破碎參數(shù),因此，確定巖石的脆塑性轉(zhuǎn)變的“臨界壓力”將為設(shè)計(jì)和合理選擇使用鉆頭提供科學(xué)依據(jù)。,(四)、三軸應(yīng)力作用下巖石機(jī)械性質(zhì)的變化

7、,巖心試樣力學(xué)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果,巖石的硬度（抗壓入強(qiáng)度）：巖石抵抗外力壓入的能力 平底圓柱壓模壓入巖石時(shí)，在壓頭下的巖體中發(fā)展了軸對(duì)稱分布的三向應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)使壓頭下巖石的強(qiáng)度會(huì)急劇增大，同時(shí)多數(shù)巖石具有塑性性質(zhì)。,(五)、巖石的抗壓入破碎強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)方法,抗壓入破碎強(qiáng)度測(cè)試儀器示意圖,測(cè)試方法 用加載能力為10 kN的小型液壓機(jī)； 壓頭上作用的載荷可由液壓系統(tǒng)的壓力指示計(jì)算得出； 壓入深度可由千分表（或百分表）指示讀出； 記錄下載荷與吃深的相關(guān)數(shù)據(jù)，事后繪制載荷-吃深曲線。,壓頭,z,z,r = ,z0,p,z,z,r,z,r = ,a,a,a,p,圓柱壓模壓入巖石的應(yīng)力狀態(tài)及分布,P-

8、巖石平均壓強(qiáng) a-壓頭底面的半徑 z-距巖石表面的深度-巖石泊松比,W0,O,C,E,D,W,載荷 W/N,W0,載荷 W/N,吃入深度/m,(b)塑脆性巖石,E,D,W,吃入深度/m,載荷 W/N,吃入深度/m,(a)脆性巖石,(c)塑性巖石,O,O,B,A,硬度,屈服極限,塑性系數(shù),壓入實(shí)驗(yàn)確定巖石的硬度和塑性系數(shù),通過大量的試驗(yàn)，可以根據(jù)上面所講的巖石的硬度和塑性將巖石進(jìn)行分類。,1、巖石按塑性系數(shù)的分類,巖石分類,參照我國(guó)石油鉆井使用的鉆頭類型，按巖石的硬度大小可將巖石分為六類十二級(jí)。,2、巖石按硬度的分類,巖石分類,本章主要內(nèi)容,一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì) 二、海底巖石的研磨性與可鉆性

9、三、刮刀鉆頭及其破巖原理 四、牙輪鉆頭及其破巖原理 五、金剛石鉆頭及其破巖原理,鉆井過程中，鉆井工具和巖石產(chǎn)生接觸和摩擦，從而在破碎巖石的同時(shí)，工具本身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍甚至損壞。巖石磨損這些材料的能力稱為巖石的研磨性。,測(cè)定巖石研磨性的方法,(一)、巖石的研磨性,鉆磨法,磨削法,微鉆頭鉆進(jìn)法,摩擦磨損法,各種巖石的研磨性,各種巖石的研磨性,巖石的研磨作用，包含有兩種不同的機(jī)理： 一種是類似于銼刀銼金屬的作用，稱之擦蝕。其特征是被磨蝕物體的硬度小于磨蝕物體，而后者表面又必須是粗糙的，它在前者的表面上剋削下碎屑末。,研磨作用的物理實(shí)質(zhì)：,另一種作用是類似于硯臺(tái)受墨的研磨，久而久之也要被磨

10、蝕，稱之磨損。對(duì)于鋼制工具而言，除了含有石英顆粒的巖石以外，巖石的磨蝕作用主要是以磨損的形式進(jìn)行的。,研磨作用的物理實(shí)質(zhì)：,研究巖石的磨蝕性及其規(guī)律，直接關(guān)系到機(jī)械和工具的壽命、生產(chǎn)的效率和成本； 作為改進(jìn)機(jī)具設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是采取合適工作參數(shù)的基礎(chǔ)。,研究巖石磨蝕性的意義：,巖石破碎的難易性稱為巖石的可鉆性，由此把巖石分為難鉆的和易鉆的。,研究可鉆性方法,生產(chǎn)工藝的指標(biāo),巖石機(jī)械性質(zhì),50年代史立涅爾壓入硬度法,60年代羅勞微鉆法(我國(guó)石油行業(yè)),(二)、巖石的可鉆性,可鉆性的單位采用在確定條件下的鉆頭進(jìn)尺或者機(jī)械鉆速.,可用抗壓強(qiáng)度，d指數(shù)、壓痕指數(shù)、縱波速度、抗鉆強(qiáng)度、實(shí)鉆速度、楊氏鉆速模

11、式中的地層可鉆性系數(shù)等幾十種.,微型鉆頭鉆進(jìn)法 采用直徑等于31.75mm（11/4 in）的微型鉆頭在小塊巖樣上進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。 以907.2 N的鉆壓，55 rpm的轉(zhuǎn)速鉆一個(gè)深度為2.381mm（3/32 in）的孔，根據(jù)所需的鉆時(shí)（s）計(jì)算出微鉆頭的鉆速。,(二)、巖石的可鉆性,每次試驗(yàn)后測(cè)出微型鉆頭齒的磨損高度，適過查表可查得所選用的鉆頭在該巖層中鉆進(jìn)的預(yù)計(jì)壽命、進(jìn)尺數(shù)及每米進(jìn)尺成本。 這種方法是用微型鉆頭的試驗(yàn)鉆速（m/h）作為確定巖石可鉆性的指標(biāo)。,(二)、巖石的可鉆性,當(dāng)以鉆速作為可鉆性指標(biāo)時(shí)，鉆進(jìn)的速度V與深度H、鉆進(jìn)時(shí)間T之間有如下關(guān)系：,為了統(tǒng)計(jì)研究方法的需要，對(duì)鉆時(shí)T作對(duì)

12、數(shù)變換，便可得巖石可鉆性級(jí)值（Kd）與微鉆時(shí)之間的關(guān)系式：,(二)、巖石的可鉆性,油礦地層可鉆性分級(jí)和適用的鉆頭類型表,微牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值分級(jí),(二)、巖石的可鉆性,本章主要內(nèi)容,一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì) 二、海底巖石的研磨性與可鉆性 三、刮刀鉆頭及其破巖原理 四、牙輪鉆頭及其破巖原理 五、金剛石鉆頭及其破巖原理,牙輪鉆頭,PDC鉆頭,金剛石鉆頭,刮刀鉆頭,常用尺寸：26 、171/2 、121/4 、 81/2 ,各種鉆頭,各種鉆頭,刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)： 上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、 刀翼、水眼。,兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭或魚尾刮刀鉆頭 三刀翼的稱作三刮刀鉆頭 四刀翼的稱作四刮刀鉆頭,三、刮刀鉆

13、頭及其破巖原理,刮刀鉆頭特點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。 在軟地層中，可以得到高的機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。 在較硬地層中，鉆頭吃入困難，鉆井效率低。,刮刀鉆頭特點(diǎn),1. 刀翼結(jié)構(gòu)角,刀翼結(jié)構(gòu)角,刃尖角,切削角,刃前角,刃后角,(一)、刮刀鉆頭刀翼的幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù),2. 刀翼幾何形狀,背部幾何形狀,拋物線型,刀翼的厚度隨距刀刃的距離增加應(yīng)逐漸增厚，呈拋物線形。,刀翼底部形狀,平底,正階梯,反階梯,反錐,(一)、刮刀鉆頭刀翼的幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)摩爾強(qiáng)度理論，如果忽略摩擦力，當(dāng)F力等于或大于剪切面積與巖石抗剪極限強(qiáng)度乘積時(shí)，巖石沿剪切面破碎。,(二)、刮刀鉆頭破碎巖石的基本原理,1.塑性巖石,泥巖

14、頁(yè)巖 鹽巖 膏巖,塑性巖石硬度小，在鉆壓W的作用下容易吃入地層，刃前巖石在扭轉(zhuǎn)力T作用下不斷產(chǎn)生塑性流動(dòng)。因此，吃入深度要比力W單獨(dú)作用時(shí)深得多。,(二)、刮刀鉆頭破碎巖石的基本原理,2.塑脆性巖石,刮刀鉆頭破碎塑脆性巖石過程,A,A,A,砂泥巖 砂巖 大理石,碰撞,壓碎及小剪切,大剪切,(二)、刮刀鉆頭破碎巖石的基本原理,本章主要內(nèi)容,一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì) 二、海底巖石的研磨性與可鉆性 三、刮刀鉆頭及其破巖原理 四、牙輪鉆頭及其破巖原理 五、金剛石鉆頭及其破巖原理,1909年就出現(xiàn)了第一個(gè)牙輪鉆頭。 1925年，出現(xiàn)了自潔式牙輪鉆頭。 1933年出現(xiàn)了滾動(dòng)軸承的三牙輪鉆頭。 1935年經(jīng)進(jìn)

15、一步改進(jìn)，出現(xiàn)了移軸三牙輪鉆頭。 1949年開始發(fā)展噴射鉆井。 1951年成功地使用了鑲硬質(zhì)合金齒的鉆頭。 1960年試制成功了密封潤(rùn)滑軸承。 1968年研究成功了密封潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承鉆頭。,牙輪鉆頭的發(fā)展,牙輪鉆頭分類,單牙輪鉆頭,兩牙輪鉆頭,三牙輪鉆頭,四牙輪鉆頭,牙輪鉆頭是使用最多的鉆頭，占鉆頭總數(shù)的70%。,牙輪鉆頭的分類,單牙輪鉆頭特點(diǎn)：牙輪的轉(zhuǎn)速比鉆頭轉(zhuǎn)速低得多，僅為鉆頭轉(zhuǎn)速的1/2l/5，能適應(yīng)大幅度的轉(zhuǎn)速變化。這種鉆頭工作時(shí)對(duì)井底的滑動(dòng)作用很大，因而有較大的切削作用。 兩牙輪鉆頭的優(yōu)點(diǎn)：噴嘴的安裝位置較充裕，噴嘴可以向下接近井底以充分發(fā)揮鉆頭的水力作用。 四牙輪鉆頭有兩個(gè)牙輪破碎井

16、底外緣部分，而另兩個(gè)牙輪破碎井底中間部分，它適于鉆軟到中硬地層。,各種牙輪鉆頭的特點(diǎn),1、鉆頭的復(fù)合運(yùn)動(dòng),牙輪鉆頭在鉆頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，由于牙輪鉆頭在運(yùn)動(dòng)過程中受到井底巖石對(duì)鉆頭牙齒的摩阻力，鉆頭牙輪要向鉆頭前進(jìn)時(shí)相反的方向旋轉(zhuǎn)。 鉆頭與井底接觸母線上任意點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)為該點(diǎn)隨鉆頭運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的速度(稱為牽連速度)與該點(diǎn)隨牙輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的速度(稱為相對(duì)速度)的矢量和(稱為絕對(duì)速度)。,(一)、三牙輪鉆頭破碎巖石的基本原理,2.鉆頭的沖擊和壓碎作用,由于牙輪鉆頭的縱向振動(dòng)，鉆頭對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊和壓碎，單雙齒著地的頻率為：,(一)、三牙輪鉆頭破碎巖石的基本原理,3.牙輪對(duì)地層的剪切作用,剪切作用主

17、要是通過牙輪在井底滾動(dòng)的同時(shí)，還產(chǎn)生輪齒對(duì)井底巖石的滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。 產(chǎn)生滑動(dòng)的主要因素有三個(gè)，即超頂、復(fù)錐和移軸。 當(dāng)牙輪錐頂不與鉆頭軸線重合時(shí)，就有滑動(dòng)產(chǎn)生。,(一)、三牙輪鉆頭破碎巖石的基本原理, 超頂牙輪產(chǎn)生切線方向的滑動(dòng)； 滑動(dòng)速度大小與超頂距c成正比； 存在一個(gè)純滾動(dòng)點(diǎn)，在該點(diǎn)兩側(cè)的滑動(dòng)方向相反。,超頂引起的滑動(dòng),牙輪錐頂超過鉆頭軸線，這種特點(diǎn)稱作超頂 。,復(fù)錐引起的滑動(dòng),復(fù)錐牙輪包括主錐（錐頂角2）和副錐（錐頂角2），如主錐頂與鉆頭中心重合，則副錐頂必是超頂?shù)摹?如前述，超頂會(huì)引起切線方向滑動(dòng)，所以復(fù)錐同樣會(huì)產(chǎn)生切線方向的滑動(dòng)。,單錐牙輪：主錐+背錐，硬地層 復(fù)錐牙輪：主錐+副錐+

18、背錐，軟到中硬,牙 輪, 移軸牙輪僅產(chǎn)生軸向滑動(dòng)； 滑動(dòng)量的大小和偏移值s成正比。,移軸引起的滑動(dòng),牙輪軸線相對(duì)于鉆頭軸線平移一段距離，這種方式稱作移軸 。, 移軸引起的軸向滑動(dòng)剪切掉齒圈之間的巖石； 超頂和復(fù)錐所引起的切線方向滑動(dòng)剪切掉同一齒圈相鄰牙齒之間的巖石； 移軸引起的軸向滑動(dòng)使牙齒的內(nèi)端面部分磨損； 超頂和復(fù)錐引起的切線方向滑動(dòng)使牙齒側(cè)面磨損； 對(duì)于極軟到中硬地層的鉆頭，兼有移軸、超頂和復(fù)錐； 中硬或硬地層鉆頭有超頂和復(fù)錐； 對(duì)于極硬和研磨性很強(qiáng)的地層的鉆頭是純滾動(dòng)而無滑動(dòng)。,滑動(dòng)分析,牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)： 牙輪鉆頭由鉆頭體、牙抓（巴掌）及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲(chǔ)油潤(rùn)滑密封系統(tǒng)、噴嘴等

19、部分組成。,(二)、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和類型,鉆頭直徑,牙輪軸線偏移值,牙輪軸線與鉆頭軸線夾角,牙輪的形狀與布置,牙輪上牙齒的布置,.牙輪鉆頭的基本參數(shù),(二)、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和類型,鉆頭直徑 原則：以最少的尺寸系列來滿足鉆井工作需要。 我國(guó)目前已審訂出牙輪鉆頭的直徑系列。最小直徑為97mm（3 7/8 in），最大尺寸為445mm（17 1/2 in）。 鉆頭制造時(shí)規(guī)定了它的直徑公差。 牙輪軸線偏移值 牙輪軸線沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平移一段距離（或偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度） 牙輪軸線的偏移值應(yīng)根據(jù)巖層的特性來定。 用偏移系數(shù)來表示；偏移系數(shù)為偏移值s與鉆頭直徑之比值。,.牙輪鉆頭的基本參數(shù),牙輪軸線與鉆頭軸線夾角

20、影響牙輪的空間體積大小和軸承受力狀況。 角為5l 59 。 軟地層鉆頭角較大，硬地層鉆頭的角較小。,.牙輪鉆頭的基本參數(shù),牙輪的形狀及布置 （a）牙輪的幾何形狀及尺寸 牙輪的幾何形狀尺寸包括主錐角（2）、副錐角（2）、牙輪總高（H）、牙輪最大外徑（d）、背錐角（2 ） 。 （b）牙輪上牙齒的布置 著重考慮牙輪及牙齒對(duì)井底的破碎效果； 考慮到相鄰牙輪的牙齒之間的嚙合； 牙輪鉆頭對(duì)井壁的切削和修整作用。,.牙輪鉆頭的基本參數(shù),牙輪及牙齒的布置方式 布齒原則： （1）轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起； （2）牙輪在重復(fù)滾動(dòng)時(shí)應(yīng)使牙齒不落入別的牙齒的破碎坑內(nèi)； （3）牙齒磨損均勻。,.牙輪

21、鉆頭的基本參數(shù),牙輪布置方案： （1）非自洗無滑動(dòng)布置： 各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂，不移軸，用于硬地層； （2）自洗不移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，不移軸，用于中硬地層； （3）自洗移軸布置： 各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，移軸，用于軟地層；,.牙輪鉆頭的基本參數(shù),.牙輪鉆頭的基本參數(shù),齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用,對(duì)于牙齒的基本要求是破巖效率高、壽命長(zhǎng)。要滿足這兩點(diǎn)，必須從兩方面著手: 一是牙齒的幾何形狀要合理； 二是齒的材料要耐磨并有足夠的強(qiáng)度。 目前牙輪鉆頭的牙齒有銑齒（也稱鋼齒）和硬質(zhì)合金齒（簡(jiǎn)稱鑲齒）兩大類。,2、牙輪鉆頭的牙齒,銑齒(也稱鋼齒),硬質(zhì)合

22、金齒(簡(jiǎn)稱鑲齒),2、牙輪鉆頭的牙齒, 銑齒牙輪鉆頭的牙齒與牙輪殼體成一體。 銑齒牙輪鉆頭的牙齒主要是楔形。 用于地層研磨性高的鉆頭，為了防止鉆頭直徑磨小，外排齒做成 型、T型、或L型，稱為保徑齒。,銑齒,楔形齒：適用于高塑性的軟地層以及中硬地層。 錐形齒：以壓碎方式破碎巖石，它的強(qiáng)度高于楔形齒。 三棱形齒：適用于硬、脆地層和軟、塑性地層的交錯(cuò)層。 球形齒：以壓碎和沖擊的方式破碎高研磨性的堅(jiān)硬地層。,鑲齒,鑲齒的齒形,歸納為兩類： 一類端部為球面形的如球齒、錐形齒及拋射體形齒，這類齒壓入巖石時(shí)與球體壓入巖石相似。 另一類楔形齒齒鋒是圓弧形，在破碎巖石時(shí)相當(dāng)于圓柱體沿母線壓入巖石，巖石破碎所需壓

23、力與圓弧半徑大小和齒鋒長(zhǎng)度（齒寬）關(guān)。,鑲齒,硬質(zhì)合金齒的材料是燒結(jié)碳化鎢類硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金既應(yīng)具有高的硬度和耐磨性，又有較好的韌性以抵抗鉆進(jìn)中的沖擊載荷。所以一般多采用粗粒碳化鎢硬質(zhì)合金來制造牙齒。,硬質(zhì)合金齒的材料,鑲齒,固齒工藝又叫鑲齒工藝，目前多采用過盈配合鑲齒工藝。 提高固齒強(qiáng)度的關(guān)鍵在于以下兩點(diǎn)： 首先牙輪基體材料要有一定的強(qiáng)度，齒圈表面要有適當(dāng)?shù)挠捕龋?第二，鑲齒過盈量要適當(dāng)。室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出過盈量在0.040.07 mm范圍內(nèi)較好。, 固齒工藝,鑲齒, 軸承結(jié)構(gòu) 牙輪鉆頭每個(gè)牙輪一般有三副承受徑向載荷的軸承，外排是滾柱軸承，內(nèi)排是滑動(dòng)軸承，中間的是滾珠軸承。 目前常用的

24、軸承結(jié)構(gòu)有兩種，一種是滾柱-滾珠-滑動(dòng)，另一種是滾柱-滾珠-滾柱。,3、牙輪鉆頭的軸承,鉆頭軸承的工作條件和磨損 45顆大滾柱軸承承受60%70%的鉆壓； 牙爪軸承要承受多次沖擊載荷的作用。 這導(dǎo)致了軸承特別是軸頸的嚴(yán)重接觸疲勞剝落。 泥漿中所含的砂粒、巖屑和軸承元件碎屑等固體硬顆粒，它們的棱角可在軸承元件的表面產(chǎn)生微切削和研磨等機(jī)械作用，又叫磨粒磨損。,3、牙輪鉆頭的軸承,噴嘴：鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動(dòng)的水射流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。 三牙輪鉆頭一般安裝 3 個(gè)噴嘴，直徑713mm。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用o形圈密封。,4、噴嘴,國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭分類方

25、法 （1）按結(jié)構(gòu)分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8個(gè)系列,(三)、牙輪鉆頭類型,（2）按地層分類：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 1 ，2 ， 3 ， 4， 5 ， 6， 7,國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層,(三)、牙輪鉆頭類型,1. 根據(jù)地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類型，標(biāo)準(zhǔn)是每米鉆進(jìn)成本最低。 地層較軟時(shí)：選用牙齒高度大并帶有超頂或移軸的鉆頭； 地層較硬時(shí)：選用牙齒高度小，無超頂或移軸的鉆頭； 2. 優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。,(四)、牙輪鉆頭的正確使用,本章主要內(nèi)容,一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì) 二、海底巖石的研磨性與可鉆性 三、刮刀鉆頭及其破巖原理 四、牙輪鉆頭

26、及其破巖原理 五、金剛石鉆頭及其破巖原理,金剛石鉆頭是以鋒利、耐磨和能夠自銳的天然金剛石或人造金剛石為切削齒，在鉆低鉆壓下即可獲得較高的鉆速和鉆頭進(jìn)尺，是石油鉆井中廣泛使用的一種高效鉆頭。,三、金剛石鉆頭及其破巖原理,類型,按來源分,按功用分,按鑲嵌方式分,按鉆井方式分,天然金剛石鉆頭人造金剛石鉆頭,全面鉆進(jìn)鉆頭,表鑲,孕鑲,轉(zhuǎn)盤鉆井,渦輪鉆井,取心鉆頭,金剛石鉆頭類型,1、金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu),鋼體,胎體,切削刃,水眼與水槽,(一)、金剛石鉆頭,結(jié)構(gòu),雙錐階梯形剖面,軟到中硬地層,雙錐形剖面,較硬地層,“B”型剖面,硬地層,帶波紋的“B”型剖面,堅(jiān)硬地層,鋼體 鋼體是金剛石鉆頭的骨架。上部螺紋連

27、接鉆具，下部與胎體燒結(jié)。 胎體 鑲嵌金剛石顆粒的基體胎體形狀，主要指工作面的幾何形狀和工作面積的大小，根據(jù)巖性設(shè)計(jì)的。,1、金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu),切削刃,表鑲式,孕鑲式,表孕鑲式,切削刃,1、金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu),金剛石鉆頭的水眼與水槽是構(gòu)成鉆頭水動(dòng)力的通道。,水眼與水槽,1、金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu),水眼和水槽的布置原則,使金剛石鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)，保證供給鉆頭工作面有足夠的水力能量。,用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于工作小，金剛石顆粒粗而稀，鉆進(jìn)時(shí)鉆速快，巖屑多而粗，因此水槽應(yīng)寬而少。,對(duì)于硬和堅(jiān)硬地層，鉆頭工作面大、金剛石顆粒細(xì)而密，且出刃低，鉆壓大，水槽應(yīng)多、密、窄。,1、金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu),水眼與水槽,當(dāng)

28、鉆某些硬地層時(shí)，鉆頭上的每粒金剛石在鉆壓作用下壓入巖石使 下面的巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)，呈現(xiàn)塑性，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下 產(chǎn)生切削作用，破碎巖石的體積大體上等于金剛石吃入巖石的位移體積。,2、金剛石鉆頭破巖原理,、適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，取心作業(yè)。 、壽命長(zhǎng)，進(jìn)尺高。 、鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。 、先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。 、采用低鉆壓（30-50kN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。,3、金剛石鉆頭的正確使用,(1)金剛石鉆頭是一體性鉆頭，可以使用高的轉(zhuǎn)速低鉆壓（30-70kN)，適合與高轉(zhuǎn)速的井下動(dòng)力鉆具一起使用，適合于定向鉆井。 (

29、2)金剛石鉆頭耐磨且壽命長(zhǎng)，適合于深井及研磨性地層使用。 (3)在地溫較高時(shí)，牙輪鉆頭的軸承密封易失效，金剛石鉆頭則不會(huì)出現(xiàn)此問題。 (4)金剛石鉆頭的鉆壓低于牙輪鉆頭，因而在鉆壓受到限制(如防斜鉆進(jìn))的情況下應(yīng)使用金剛石鉆頭。 (5)金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造比較靈活，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，因而能滿足非標(biāo)準(zhǔn)的異形尺寸井眼的鉆井需要。,4、金剛石鉆頭的特點(diǎn),胎體PDC鉆頭,鋼體PDC鉆頭,兩類PDC鉆頭切削元件,(二)、PDC鉆頭（聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）,PDC鉆頭為一整體式鉆頭，整個(gè)鉆頭沒有活動(dòng)零部件，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，大致由鉆頭基體、鉆頭切削齒、噴嘴及排屑槽等幾部分組成。,特 性 PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性。 弱點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，350以上加速磨損。抗沖擊能力較差。,13.4， 19,1、 PDC鉆頭結(jié)構(gòu),特點(diǎn) 內(nèi)外錐有利于鉆頭穩(wěn)定； 外錐較長(zhǎng)，可多布齒，使磨損均勻； 鉆硬夾層，冠部齒易早期損壞。 適合中等均質(zhì)地層,特點(diǎn) 鉆頭表面積較小，水力集中，清洗效果好； 載荷分布較均勻； 用于鉆石