1、,鉆頭基礎(chǔ)知識,1.鉆頭類型,1.按結(jié)構(gòu)及工作原理分類 刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、PDC鉆頭、金剛石鉆頭 2.按功用分類 全面鉆進鉆頭、取心鉆頭、擴眼鉆頭,2.鉆頭尺寸系列,國產(chǎn)鉆頭的直徑系列，共有15種。 常見： 17-1/2” ,12-1/4” , 8-1/2”, 6” 進口鉆頭尺寸 進口鉆頭直徑系列非常復(fù)雜， 例如美國休斯公司所產(chǎn)鉆頭從3 34到26共46種直徑系列。,3.工作指標(biāo),鉆頭進尺（米） 鉆頭工作壽命（小時） 機械鉆速（米/小時） 單位進尺成本（元/米）：,4.刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu),1).上鉆頭體、下鉆頭體（分水帽）、刀翼、水眼。 三刀翼的稱作三刮刀鉆頭 兩刀翼的稱作兩刮刀鉆頭或魚尾刮刀鉆

2、頭 四刀翼的稱作四刮刀鉆頭 2).刮刀鉆頭的應(yīng)用及特點 刮刀鉆頭制造工藝簡單，成本低； 刮刀鉆頭適用于低硬度高塑性地層，鉆速快，每米鉆進成本低； 刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜； 刮刀鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，破壞鉆具和設(shè)備； 刮刀鉆頭目前逐漸被PDC鉆頭取代。,5.牙輪鉆頭,牙輪鉆頭由鉆頭體、牙爪（巴掌）及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲油潤滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。,牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)圖,各種牙輪鉆頭,鋼齒牙輪鉆頭與鑲齒牙輪鉆頭,（1）鋼齒牙輪鉆頭 鋼齒鉆頭又稱為銑齒鉆頭，其牙齒是在牙輪毛坯上直接銑削加工而成的，牙齒形狀為楔形齒。 鋼齒鉆頭大多用于軟的上部地層，研磨性較低的地層一般也選用鋼齒

3、鉆頭。為了提高牙齒的耐磨性或使牙齒有自銳作用，在牙齒的表面及保徑面上均敷焊有一層碳化鎢粉。 鋼齒鉆頭可分為軟、中、硬地層鉆頭三種，其詳細的分類方法及適用地層見后面的 IADC分類。,鋼齒牙輪鉆頭與鑲齒牙輪鉆頭,（2）鑲齒牙輪鉆頭 鑲齒鉆頭，又稱碳化鎢硬質(zhì)合金齒鉆頭，它是將端部形狀不同的、圓柱形的燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金齒壓入鍛制的牙輪殼體上已精加工好的孔內(nèi)而構(gòu)成鑲齒牙輪鉆頭。 鑲齒鉆頭的切削結(jié)構(gòu)具有很高的抗磨損和承載能力，其使用壽命較長，尤其是破碎硬的、研磨性高的地層，如隧石、石英巖等，效果更好。這種鉆頭適用地層范圍廣，已在石油鉆井得到了廣泛的應(yīng)用。,鑲齒牙輪鉆頭,目前國內(nèi)外常用的鑲齒鉆頭的硬質(zhì)合金

4、齒齒形有十多種，如球形、尖卵形、圓錐形、楔形、勺形、錐勺形、偏頂勺形、邊楔形、平頂形等等，如圖42所示。針對不同的地層、不同的巖性，要選擇不同齒形的鉆頭。 楔形齒，齒呈楔子狀，對地層具有切削、挖掘作用。其齒頂角有60、65、70、75、90等，適用于軟至中硬地層。齒頂角越大，適用的地層越硬。 球形齒的端部是個半圓形球面，耐磨性最好。它以鑿擊和壓碎作用破碎地層。這種齒鉆硬至極硬地層的破巖效率較高。 尖卵形、圓錐形齒，既有鑿擊和壓碎作用，也有刮削和挖掘作用，其抗磨能力及強度都比楔形齒高，適用地層較廣，在中硬地層使用效果最好。,鑲齒牙輪鉆頭,鑲齒牙輪鉆頭,勺形齒齒形如勺子，切削地層時，靠向內(nèi)凹的勺形

5、面挖掘、刮削作用破巖。這種齒形改善了牙齒的受力狀況，既提高了破巖效率，又增加了齒的強度，能在極軟至中軟地層中高效率地破巖。 在勺形齒的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了偏頂勺形齒及圓錐形勺形齒。偏頂勺形齒的齒頂超前了其軸線一個距離，其凹面正對被切削的地層，改善了牙齒的受力分布，進一步提高了牙齒的破巖效率和工作壽命。 表4l列舉了幾種常用齒形及其適用的地層。,表41 適用不同地層的齒形,牙輪鉆頭軸承結(jié)構(gòu),兩大體系： （1）滾動軸承 （2）滑動軸承,（1）滾動軸承,滾動軸承（如圖43所示）的結(jié)構(gòu)形式有滾柱滾珠滾柱止推和滾柱滾珠小軸滑動止推兩種。前一種一般是用于12-1/4”以上的大尺寸鉆頭上。,（1）滾動軸承,滾動

6、軸承按密封方式可分為非密封滾動軸承與密封式滾動軸承。非密封滾動軸承的特點是能適應(yīng)較高的轉(zhuǎn)速，但軸承磨損快，工作壽命低，主要用于上部井眼鉆頭。而密封式滾動軸承是在牙輪底平面處安裝了密封元件（密封元件有“O”形圖密封、碟形橡膠圈密封和金屬密封），從而使軸承的工作壽命大為提高。密封滾動軸承的轉(zhuǎn)速范圍一般為100250rmin。 無論哪種滾動軸承，牙輪的大部分徑向載荷都是由滾柱槽承受的，小軸軸承主要起穩(wěn)定作用，只承受少量的徑向載荷。止推面和止推塊承受向外的軸向推力，滾珠軸承使牙輪掛在牙掌上并承受向里的軸向推力。,（2）滑動軸承,滑動軸承（如圖44）是為了與硬質(zhì)合金齒的壽命相匹配而設(shè)計的。它也有兩種結(jié)構(gòu)

7、，一是滑動滾動（滾珠）滑動止推；二是滑動滑動（卡簧）滑動止推。為了提高軸承的工作壽命，使軸承能在較高的溫度和壓力環(huán)境中良好地工作，摩擦副材料選用了高強度低碳合金鋼制作，對牙掌軸頸（大軸頸）還進行滲碳等硬化處理，以提高其表面硬度和耐磨能力。對牙輪內(nèi)孔跑道則鑲焊銅合金或其他減磨材料，以提高滑動副的抗咬合能力。,滑動軸承結(jié)構(gòu)圖,滑動軸承,滑動軸承可用各種密封圈作徑向或者端面密封。與滾動軸承相比，滑動軸承的承壓面積大，接觸疲勞應(yīng)力小，使用壽命較長。在常規(guī)的轉(zhuǎn)速條件下，滑動軸承能承受更高的鉆壓。但除金屬密封滑動軸承外，普通滑動軸承的轉(zhuǎn)速范圍一般在60140rmin，比滾動軸承低。 除了前面所談的兩種結(jié)構(gòu)

8、形式的滑動軸承外，瑞德工具公司還研制出了一種新型的滑動軸承，即帶浮動套的滑動軸承，如圖45所示。 浮動套軸承是在軸承大軸頸與牙輪內(nèi)孔之間加了兩個可作相對運動的浮動式襯套，并在小軸上套有兩個止推墊圈。浮動套與墊圈表面都作鍍銀處理，這樣大大地降低了摩擦力，又不致使耐磨能力減低，使軸承轉(zhuǎn)速和工作壽命大為提高。,滑動軸承,牙輪鉆頭的測量,牙輪鉆頭的分類,牙輪鉆頭的 IADC分類方法： IADC新的牙輪鉆頭的分類系統(tǒng)確立了有關(guān)牙輪鉆頭的四種設(shè)計特征的編碼標(biāo)準(zhǔn)，使牙輪鉆頭的分類方法更加成熟，更能體現(xiàn)牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計特征，走向了系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。按此標(biāo)準(zhǔn)，每個牙輪鉆頭的分類均可用四個與鉆頭設(shè)計特征相關(guān)的編碼

9、（數(shù)字的或字母的）來表示，即“IADC編碼”。 這個四位數(shù)的編碼依次代表牙輪鉆頭的：切削結(jié)構(gòu)系列、切削類型、軸承與保徑和鉆頭的附加設(shè)計特征。 IADC編碼的前三位是數(shù)字型的，第四位是字母型的。,（1）第一位編碼切削結(jié)構(gòu)系列（l8） 八種分類或系列數(shù)字代表著一般的鉆頭所適用的地層特征。系列13指的是鋼齒（或銑齒）鉆頭，48代表的是鑲齒（碳化鎢硬質(zhì)合金齒）鉆頭。不論是鋼齒鉆頭還是鑲齒鉆頭，隨著系列數(shù)字的增大，其所代表的地層硬度與研磨性也相應(yīng)增加。,（2）第二位編碼切削類型（l4） 每種切削結(jié)構(gòu)系列又可分為四個“類型”或硬度級別。類型1指的是專為某一系列中最軟的地層而設(shè)計的鉆頭，類型4則代表這一系列

10、中最硬的地層。 （3）第三位編碼軸承與保徑（l7） 軸承和保徑設(shè)計分為七種。,（4）第四位編碼附加特征 共用十六個字母來分別代表鉆頭設(shè)計的“附加特征”。它包括一些特殊的切削結(jié)構(gòu)、軸承、水力分布方式和鉆頭體保徑等方面的結(jié)構(gòu)特征。有時在一個鉆頭的設(shè)計中同時具有好幾種“附加特征”，在IADC的編碼中，則只把最重要的一項表示出來。,牙輪鉆頭在井下工作情況判斷,正常情況 當(dāng)?shù)貙訋r性無變化時，正常鉆壓下，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動均勻，轉(zhuǎn)盤鏈條無上下跳動；鉆時正常無明顯變化；指重表、泵壓表指示平穩(wěn)；剎把無異常感覺。 軸承損壞 轉(zhuǎn)盤出現(xiàn)周期性蹩跳，鉆壓小蹩跳輕，鉆壓大則蹩跳重；鉆速下降，泵壓正常而指重表指針有擺動。,牙輪卡死

11、 轉(zhuǎn)盤負荷增大，轉(zhuǎn)盤鏈條跳動，方鉆桿有蹩勁，停轉(zhuǎn)盤打倒車；鉆速下降，指重表指針擺動嚴(yán)重。 掉牙輪 轉(zhuǎn)盤負荷增大，轉(zhuǎn)盤鏈條嚴(yán)重跳動，停轉(zhuǎn)盤打倒車；蹩鉆嚴(yán)重；指重表指針來回擺動；鉆速明顯下降或無進尺；上提鉆具變換方向下探方入有變化，高差約為一牙輪高度。,牙齒磨（脫）光 轉(zhuǎn)盤負荷減輕；方鉆桿無蹩跳；鉆速明顯下降或無進尺；指重表指示平穩(wěn)無擺動；泵壓正常。 鉆頭泥包 轉(zhuǎn)盤負荷增大有蹩跳現(xiàn)象；鉆速下降；上提鉆具有不同程度的掛卡；泵壓上升，嚴(yán)重時蹩泵,6.金剛石鉆頭（Diamond Bit),金剛石鉆頭按其使用地層可分為： 普通金剛石鉆頭、聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（簡稱PDC鉆頭）兩大類，其中聚晶金剛石復(fù)合片鉆

12、頭適用于軟至中硬地層，而普通金剛石鉆頭適用于及堅硬和研磨性高的地層。,金剛石鉆頭,1).金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu) 金剛石鉆頭為無活動部件的整體式鉆頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成。 2).金剛石鉆頭的應(yīng)用及優(yōu)缺點 金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，正四面體晶體結(jié)構(gòu)。在單位晶胞中，碳原子位于四面體的頂角及中心。每個碳原子與鄰近的四個碳原子形成四個共價鍵。因共價鍵結(jié)合力強，故金剛石具有極高的硬度（莫氏硬度10）、抗壓強度（8800MPa）和耐磨性鋼的9000倍）。 3).其缺點是： 脆性大，受沖擊載荷易碎裂； 具有熱敏性，高溫下（450以上）石墨化。,金剛石鉆頭,4

13、).金剛石鉆頭的破巖機理：概括地講，金剛石鉆頭以磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削金屬的過程。 對塑性地層，以“犁削”作用為主； 對脆性地層，以壓碎、剪切作用為主； 對堅硬地層，以刻劃、微切削作用為主。,5).金剛石鉆頭的正確使用 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，進尺高。 鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。 開始先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進。 采用大排量鉆進。,7. PDC鉆頭,優(yōu)點：PDC既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有碳化鎢合金的結(jié)構(gòu)強度和抗沖擊能力。 缺點：弱點是熱穩(wěn)定性差，350以上加速磨損。抗沖擊能力較差。,PDC鉆

14、頭的正確使用,PDC鉆頭適用于軟到中硬的大段均質(zhì)地層，不適合鉆軟硬交錯地層和礫石層。 與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進，正常鉆進時優(yōu)選鉆井參數(shù)，鉆壓3060KN，轉(zhuǎn)速217117r/min。每鉆進250300米，必須進行一次中途短起。 鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物。新鉆頭鉆進時，先用小鉆壓和低轉(zhuǎn)速磨合井底。 PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉(zhuǎn)速的渦輪鉆井。,PDC鉆頭的正確使用,由于金剛石抗沖擊性能差（脆性大），因此上下鉆臺不能碰撞硬物，井下不得有落物，井底有落物時應(yīng)起鉆，嚴(yán)禁頓鉆和溜鉆。 下鉆遇阻嚴(yán)禁強行下壓，應(yīng)接方鉆桿開泵沖劃，但不超過30米大段劃眼

15、。在下鉆到最后兩單根時，接方鉆桿沖劃到井底并開大排量循環(huán)，將井底循環(huán)干凈。然后，用小鉆壓，低轉(zhuǎn)速鉆進0.5米，進行井底造型。,PDC鉆頭的選擇, 根據(jù)鉆井方式選擇鉆頭：直井應(yīng)選擇鉆速快、壽命長的鉆頭；定向井選擇造斜或穩(wěn)斜性能好、適合于配井底馬達的高轉(zhuǎn)速鉆頭。 根據(jù)地層情況選擇鉆頭：包括所鉆地層的類型、硬度、巖性等。 根據(jù)鉆井條件選擇鉆頭：如設(shè)備能力 根據(jù)鉆井參數(shù)選擇鉆頭：,PDC鉆頭冠部輪廓形狀有拋物線型、圓形和錐形三種，其中： 拋物線型：適用于各種軟地層，具有進尺多，機械鉆速高，穩(wěn)定性好的特點，適合于轉(zhuǎn)盤及井下動力鉆具。 圓形：工作面積小，水力集中，清洗較好，有利于鉆穿硬夾層，在轉(zhuǎn)盤鉆井中常

16、用。 錐形：吃入性好，穩(wěn)定性強，適合于轉(zhuǎn)盤及高轉(zhuǎn)速下動力鉆具鉆井。,8.取心鉆頭,取心鉆頭的功用是環(huán)形破碎地層，形成巖心。目前，常用的有刮刀取心鉆頭、領(lǐng)眼式硬質(zhì)合金取心鉆頭、硬質(zhì)合金取心鉆頭和金剛石取心鉆頭等。 為了提高巖心收獲率，除在下部使用扶正器外，首先要求取心鉆頭工作穩(wěn)定。因此鉆頭的切削元件要對稱分布，其耐磨性應(yīng)一致，以免在鉆進時發(fā)生歪斜，從而破壞及折斷巖心。同時要求鉆頭底面（井底）與巖心爪的距離盡可能短些，使巖心形成后很快就能進入內(nèi)巖心筒被保護起來，從而避免破壞和沖蝕。,IADC鉆頭磨損定級表,八位數(shù)表示法：,（1）內(nèi)排齒：指所有的從鉆頭中心到2/3半徑范圍內(nèi)的齒。 （2）外排齒：指距

17、離鉆頭中心線2/3半徑范圍之外的齒。 第（1）和第（2）欄用數(shù)字0-8呈線性描述切削齒的磨損情況，具體如下：,A鋼齒鉆頭 0-無磨損或斷齒，即為新齒； 8-全部齒磨損或斷完。 B鑲齒鉆頭 測量出因磨損掉齒或斷齒的齒的數(shù)量： 0-無磨損、掉齒或斷齒，即為新齒； 8-全部鑲齒磨損、掉齒或斷完。 C金剛石鉆頭 對脫落、磨損或斷齒的齒的數(shù)量： 0-無脫落、磨損或折斷的切削刃； 8-全部切削刃脫落、磨損或拆斷完。,(3)磨損特征（僅用于與編碼相關(guān)的切削結(jié)構(gòu)）： BC-牙輪破裂 LN-掉噴嘴 BF-聯(lián)結(jié)失效 LT-掉齒/刃 BT-切削齒、刃斷裂 OC-偏心磨損 BU-鉆頭泥包 PB-鉆頭縮徑 CC-牙輪有

18、裂痕 PN-噴嘴/流道堵塞 CD-牙輪卡死 RG-規(guī)徑磨圓 CI-牙輪打架 RO-磨出環(huán)形槽 CR-鉆頭“取心” RR-鉆頭可再用 CT-切削齒、刃破碎 SD-掌尖磨損 ER-沖蝕 SS-自銳磨損 FC-齒頂磨平 TR-齒間磨損 HC-熱裂紋 WO-沖涮 JD-碎屑損壞 WT-牙齒/切削齒磨損 LC-掉牙輪 NO-無磨損特,(4)位置： 牙輪 金剛石切削刃 N-頂部齒圈 C-內(nèi)錐 M-中間齒圈 N-冠部/鼻部 G-規(guī)徑齒圈 T-外錐 A-全部齒圈 S-肩部 G-規(guī)徑 A-所有部位,(5)軸承/密封 不密封軸承 呈線性預(yù)測軸承壽命（0-軸承未用；8-全部壽命用完或無剩余壽命）。 密封軸承 E-密封有效 F-密封無效 N-不能定級 X-金剛石鉆頭（無軸承）,（6）規(guī)徑：（以1英寸或25.4mm的分數(shù)值來表示） I-規(guī)徑無磨損 1/16-規(guī)徑磨損1/16英寸（1.6mm） 2/16-