鉆井工程理論與技術(shù)第二章鉆進(jìn)工具--鉆頭(3學(xué)時(shí))

1、第二章第二章 鉆進(jìn)工具鉆進(jìn)工具第一節(jié)第一節(jié) 鉆頭鉆頭第二節(jié)第二節(jié) 鉆柱鉆柱第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭一、概一、概 述述二、牙輪鉆頭二、牙輪鉆頭三、金剛石鉆頭三、金剛石鉆頭四、四、PDC鉆頭鉆頭一、概一、概 述述1. 鉆頭分類鉆頭分類按結(jié)構(gòu)及工作原理分按結(jié)構(gòu)及工作原理分 刮刀鉆頭刮刀鉆頭 牙輪鉆頭牙輪鉆頭 PDC鉆頭鉆頭 金剛石鉆頭金剛石鉆頭按功用分按功用分 全面鉆進(jìn)鉆頭全面鉆進(jìn)鉆頭 取心鉆頭取心鉆頭 擴(kuò)眼鉆頭擴(kuò)眼鉆頭一、概一、概 述述2. 鉆頭尺寸系列鉆頭尺寸系列 3-3/4 36 in3. 鉆頭性能指標(biāo)鉆頭性能指標(biāo) 鉆頭進(jìn)尺（米）鉆頭進(jìn)尺（米） 鉆頭工作壽命（小時(shí)）鉆頭工作壽命（小時(shí)） 機(jī)械鉆

2、速（米機(jī)械鉆速（米/小時(shí)）小時(shí)） 單位進(jìn)尺成本（元單位進(jìn)尺成本（元/米）：米）：HttCCCtrbpm)( 第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭一、概 述二、牙輪鉆頭二、牙輪鉆頭三、金剛石鉆頭三、金剛石鉆頭四、四、PDC鉆頭鉆頭 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit） 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) （1） 牙輪及牙齒牙輪及牙齒 （2） 牙輪軸牙輪軸 （3） 軸承軸承 （4） 巴掌巴掌 （5） 鉆頭體鉆頭體 （6） 噴嘴噴嘴 （7） 儲油潤滑密封系統(tǒng)儲油潤滑密封系統(tǒng)a單錐；單錐； b、c復(fù)錐；復(fù)錐； 1主錐；主錐； 2副錐；副錐； 3背錐

3、背錐abc 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)1牙輪及牙齒牙輪及牙齒牙牙 輪：輪：20CrMo合金鋼錐體，錐面銑齒或合金鋼錐體，錐面銑齒或 鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。鑲裝硬質(zhì)合金齒，內(nèi)腔有軸承跑道。單單 錐：錐：主錐主錐+背錐，硬地層背錐，硬地層復(fù)復(fù) 錐：錐：主錐主錐+副錐副錐+背錐，軟到中硬背錐，軟到中硬 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）1牙輪及牙齒（牙輪及牙齒（Cone & tooth）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)銑齒銑齒在牙輪錐面上直接銑出，楔形。在牙輪錐面上直接銑出，楔形。鑲齒鑲齒鑲裝在牙輪錐面

4、上的硬質(zhì)合金齒，有多種齒形。鑲裝在牙輪錐面上的硬質(zhì)合金齒，有多種齒形。 結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成：牙輪內(nèi)腔、牙爪軸頸、牙輪內(nèi)腔、牙爪軸頸、軸承跑道、軸承跑道、鎖緊元件鎖緊元件 每個(gè)牙輪有大、中、小和止推每個(gè)牙輪有大、中、小和止推四付四付軸承。軸承。 大、小軸承承受徑向載荷；大、小軸承承受徑向載荷； 中軸承用來鎖緊和定位；中軸承用來鎖緊和定位； 止推軸承承受軸向載荷。止推軸承承受軸向載荷。 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)2. 軸軸 承（承（Bearing of Bit） 軸承分類：軸承分類： 按軸承副結(jié)構(gòu)分：按軸承副結(jié)構(gòu)分： 滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承滾動(dòng)

5、軸承、滑動(dòng)軸承 根據(jù)軸承密封與否分：密封、非密封軸承根據(jù)軸承密封與否分：密封、非密封軸承 滾動(dòng)軸承有兩種結(jié)構(gòu)：滾柱滾動(dòng)軸承有兩種結(jié)構(gòu)：滾柱滾珠滾珠滾柱滾柱止推止推 滾柱滾柱滾珠滾珠滑動(dòng)滑動(dòng)止推止推 滑動(dòng)軸承有兩種結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)滑動(dòng)軸承有兩種結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)滾珠滾珠滑動(dòng)滑動(dòng)止推止推 滑動(dòng)滑動(dòng)卡簧卡簧滑動(dòng)滑動(dòng)止推止推 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)2. 軸軸 承（承（Bearing of Bit） 3儲油密封壓力補(bǔ)償系統(tǒng)儲油密封壓力補(bǔ)償系統(tǒng) 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆

6、頭（Roller Bit） 4噴嘴噴嘴 牙輪鉆頭一般安裝牙輪鉆頭一般安裝 34 個(gè)噴嘴，直徑個(gè)噴嘴，直徑714mm。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用。用卡簧固定在水眼內(nèi)，并用O形形圈密封。圈密封。 （一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)型：距井底標(biāo)準(zhǔn)型：距井底110140mm 中長噴嘴：比常規(guī)噴嘴長約中長噴嘴：比常規(guī)噴嘴長約38mm 長噴嘴：距井底約長噴嘴：距井底約25mm 中心噴嘴中心噴嘴 反噴嘴反噴嘴 空化噴嘴空化噴嘴 脈沖噴嘴脈沖噴嘴 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）5牙輪的布置方案牙輪的布置方案（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) 方案方案1：非自洗無滑動(dòng)布置：非自洗無滑

7、動(dòng)布置 特點(diǎn)：齒圈不嵌合特點(diǎn)：齒圈不嵌合 不超頂不超頂 不移軸不移軸 適用地層：硬適用地層：硬 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）5牙輪的布置方案牙輪的布置方案（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)方案方案2：自洗不移軸布置：自洗不移軸布置 特點(diǎn)：齒圈相互嵌合特點(diǎn)：齒圈相互嵌合 超頂超頂 不移軸不移軸 適用地層：中適用地層：中 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）5牙輪的布置方案牙輪的布置方案（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)方案方案3：自洗移軸布置：自洗移軸布置 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 齒圈相互嵌合齒圈相互嵌合 超頂超頂 移軸移軸 適用地層：軟適用地層：軟 二、牙輪鉆頭（

8、二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（二）牙輪鉆頭工作原理（二）牙輪鉆頭工作原理1. 牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)（1）鉆頭公轉(zhuǎn)（順時(shí)針，轉(zhuǎn)速）鉆頭公轉(zhuǎn)（順時(shí)針，轉(zhuǎn)速Nbrpm）:)/(60smNDVbbxbx（2）牙輪自轉(zhuǎn)（逆時(shí)針，轉(zhuǎn)速）牙輪自轉(zhuǎn)（逆時(shí)針，轉(zhuǎn)速ncrpm）:)/(60smnDVccxcx（3）滑動(dòng)）滑動(dòng)軸向滑動(dòng)、切向滑動(dòng)軸向滑動(dòng)、切向滑動(dòng)（4）縱向振動(dòng)）縱向振動(dòng)振動(dòng)頻率：振動(dòng)頻率：振動(dòng)周期振動(dòng)周期：z60DDnznmcbbcmT1c超頂距公轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn)時(shí)平衡時(shí)合速度副錐產(chǎn)生超頂效果副錐產(chǎn)生超頂效果c 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（二）牙輪鉆頭工作

9、原理（二）牙輪鉆頭工作原理1. 牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)OaaOaO 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（二）牙輪鉆頭工作原理（二）牙輪鉆頭工作原理1. 牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng) 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（二）牙輪鉆頭工作原理（二）牙輪鉆頭工作原理1. 牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng) 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit） 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（二）牙輪鉆頭工作原理（二）牙輪鉆頭工作原理2. 牙輪鉆頭的破巖機(jī)理牙輪鉆頭的破巖機(jī)理（1）沖擊、壓碎作用）沖擊、壓碎作用 牙輪

10、鉆頭工作時(shí)，牙輪滾動(dòng)，單齒與雙牙輪鉆頭工作時(shí)，牙輪滾動(dòng)，單齒與雙齒交替接觸井底，使鉆頭產(chǎn)生縱向振動(dòng)。齒交替接觸井底，使鉆頭產(chǎn)生縱向振動(dòng)。鉆頭縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊載荷和鉆壓通過鉆頭縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊載荷和鉆壓通過牙齒作用在巖石上，對井底巖石產(chǎn)生沖擊牙齒作用在巖石上，對井底巖石產(chǎn)生沖擊壓碎作用，形成體積破碎坑穴。壓碎作用，形成體積破碎坑穴。 （2）滑動(dòng)剪切作用）滑動(dòng)剪切作用 牙輪鉆頭的超頂、復(fù)錐和移軸結(jié)構(gòu)，使牙輪鉆頭的超頂、復(fù)錐和移軸結(jié)構(gòu)，使牙輪在井底滾動(dòng)的同時(shí)還產(chǎn)生牙齒對井底牙輪在井底滾動(dòng)的同時(shí)還產(chǎn)生牙齒對井底的滑動(dòng)，剪切齒間巖石。的滑動(dòng)，剪切齒間巖石。 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller

11、Bit）（三）牙輪鉆頭磨損與分級（三）牙輪鉆頭磨損與分級 1. 牙齒磨損牙齒磨損 銑齒：根據(jù)齒的磨損高度與原齒高之比劃分磨損等級。銑齒：根據(jù)齒的磨損高度與原齒高之比劃分磨損等級。 鑲齒：根據(jù)甭碎和掉落的齒數(shù)與原有齒數(shù)之比劃分磨損等級。鑲齒：根據(jù)甭碎和掉落的齒數(shù)與原有齒數(shù)之比劃分磨損等級。牙齒磨損代號牙齒磨損代號銑銑 齒齒鑲鑲 齒齒T1T2T3T4T5T6T7T8齒高磨掉齒高磨掉1/8齒高磨掉齒高磨掉2/8齒高磨掉齒高磨掉3/8齒高磨掉齒高磨掉4/8齒高磨掉齒高磨掉5/8齒高磨掉齒高磨掉6/8齒高磨掉齒高磨掉7/8齒高全磨光齒高全磨光1/8的齒甭碎或掉落的齒甭碎或掉落1/8的齒甭碎或掉落的齒甭碎

12、或掉落1/8的齒甭碎或掉落的齒甭碎或掉落1/8的齒甭碎或掉落的齒甭碎或掉落1/8的齒甭碎或掉落的齒甭碎或掉落1/8的齒甭碎或掉落的齒甭碎或掉落1/8的齒甭碎或掉落的齒甭碎或掉落所有齒全甭碎或掉落所有齒全甭碎或掉落 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit） 2. 軸承磨損軸承磨損 軸承磨損以鉆頭使用時(shí)間與軸承壽命（小時(shí)）之比分級。軸承磨損以鉆頭使用時(shí)間與軸承壽命（小時(shí)）之比分級。 軸承壽命用使用過的同類鉆頭的資料統(tǒng)計(jì)得到。軸承壽命用使用過的同類鉆頭的資料統(tǒng)計(jì)得到。軸承磨損代號軸承磨損代號磨損情況磨損情況B1B2B3B4B5B6B7B8軸承壽命已用掉軸承壽命已用掉1/8軸承壽命已用掉軸承

13、壽命已用掉2/8（輕度磨損）（輕度磨損）軸承壽命已用掉軸承壽命已用掉3/8軸承壽命已用掉軸承壽命已用掉4/8（中等磨損）（中等磨損）軸承壽命已用掉軸承壽命已用掉5/8軸承壽命已用掉軸承壽命已用掉6/8（軸承晃動(dòng)）（軸承晃動(dòng)）軸承壽命已用掉軸承壽命已用掉7/8軸承壽命已用完（軸承卡死或擔(dān)子掉落）軸承壽命已用完（軸承卡死或擔(dān)子掉落）（三）牙輪鉆頭磨損與分級（三）牙輪鉆頭磨損與分級 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit） 3. 直徑磨損直徑磨損 原直徑：原直徑：I 直徑磨?。褐睆侥バ。篛+直徑磨小值（直徑磨小值（in）例如：例如：T2B4I T6B6O 1/2（三）牙輪鉆頭磨損與分級（三

14、）牙輪鉆頭磨損與分級4. 4. 我國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)我國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（1）牙齒磨損）牙齒磨損 四級：四級：Y1、Y2、Y3、Y4 銑齒：磨掉高度與新齒高度之比銑齒：磨掉高度與新齒高度之比 鑲齒：斷、掉齒數(shù)與總齒數(shù)之比鑲齒：斷、掉齒數(shù)與總齒數(shù)之比（2）軸承磨損）軸承磨損 級別級別 密封軸承密封軸承 普通軸承普通軸承 Z1 密封完好，用手不易轉(zhuǎn)動(dòng)密封完好，用手不易轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，軸承不曠轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，軸承不曠 Z2 密封尚好，用手容易轉(zhuǎn)動(dòng)密封尚好，用手容易轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活但曠，徑轉(zhuǎn)動(dòng)靈活但曠，徑12mm，軸，軸3mm，軸向，軸向2mm Z4 牙輪掉或快要掉落牙輪掉或快要掉落 牙輪卡死，軸承完全不能用牙輪卡死

15、，軸承完全不能用 （3）直徑磨損）直徑磨損 代號代號“J”，在右下角用數(shù)，在右下角用數(shù) 字表示直徑磨損的毫米數(shù)。字表示直徑磨損的毫米數(shù)。 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（三）牙輪鉆頭磨損與分級（三）牙輪鉆頭磨損與分級系列代號：用數(shù)字系列代號：用數(shù)字18表示鉆頭牙齒特征及適鉆地層；表示鉆頭牙齒特征及適鉆地層；地層等級代號：用數(shù)字地層等級代號：用數(shù)字14表示所鉆地層再分為表示所鉆地層再分為4個(gè)等級；個(gè)等級；鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號：用數(shù)字鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號：用數(shù)字19表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中中17表示鉆頭軸承及保徑特征；表示鉆頭軸承及保徑特征；附加結(jié)構(gòu)特征代號：用英文字

16、母表示鉆頭附加特征。附加結(jié)構(gòu)特征代號：用英文字母表示鉆頭附加特征。例如：例如：341S表示適用于中等研磨性或研磨性硬地層、表示適用于中等研磨性或研磨性硬地層、4級、非級、非 密封滾動(dòng)軸承、標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。密封滾動(dòng)軸承、標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。 537C表示適用于低抗壓強(qiáng)度的軟到中硬、表示適用于低抗壓強(qiáng)度的軟到中硬、3級地層、滑級地層、滑 動(dòng)密封軸承保徑、帶中心噴嘴鉆頭。動(dòng)密封軸承保徑、帶中心噴嘴鉆頭。 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（四）牙輪鉆頭類型及選擇（四）牙輪鉆頭類型及選擇IADC編碼編碼 二、牙輪鉆頭（二、牙輪鉆頭（Roller Bit）（五）牙輪鉆頭合理使用（五）牙輪鉆頭合理

17、使用1. 從軟到硬各種地層，都有相應(yīng)鉆頭類型與之對應(yīng)。使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)從軟到硬各種地層，都有相應(yīng)鉆頭類型與之對應(yīng)。使用時(shí)，應(yīng)根據(jù) 所鉆地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類型。所鉆地層性質(zhì)合理選擇鉆頭類型。2. 鉆壓在鉆壓在1.362.7噸噸/英寸范圍內(nèi)，鉆速與所加鉆壓成正比。一般常用最英寸范圍內(nèi)，鉆速與所加鉆壓成正比。一般常用最 佳范圍：佳范圍：1.822.27噸噸/英寸。英寸。3. 增加轉(zhuǎn)速，可提高鉆速，但軸承和牙齒磨損加快。常用轉(zhuǎn)速范圍：增加轉(zhuǎn)速，可提高鉆速，但軸承和牙齒磨損加快。常用轉(zhuǎn)速范圍： 55rpm110rpm。4. 在排量滿足攜帶巖屑要求的前提下，盡可能提高泵壓，以充分利用在排量滿足攜帶巖屑要求

18、的前提下，盡可能提高泵壓，以充分利用 高壓水射流的破巖作用，提高鉆速。高壓水射流的破巖作用，提高鉆速。第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭一、概 述二、牙輪鉆頭三、金剛石鉆頭三、金剛石鉆頭四、四、PDC鉆頭鉆頭 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）孕鑲式孕鑲式表鑲式表鑲式 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）（一）金剛石的物理機(jī)械性質(zhì)（一）金剛石的物理機(jī)械性質(zhì) 正四面體晶體結(jié)構(gòu)p優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：極高的硬度：極高的硬度（莫氏硬度（莫氏硬度10） 極高抗壓強(qiáng)度極高抗壓強(qiáng)度（8800MPa） 極高的耐磨性極高的耐磨性(鋼的鋼的9000倍）倍）u缺缺 點(diǎn)：點(diǎn)： 脆性大，受沖擊載荷

19、易碎裂；脆性大，受沖擊載荷易碎裂； 具有熱敏性，在空氣中約在具有熱敏性，在空氣中約在455860出現(xiàn)出現(xiàn)石墨化。但在碳化鎢或石墨中燒結(jié)時(shí)氧化速度石墨化。但在碳化鎢或石墨中燒結(jié)時(shí)氧化速度可降低可降低5090% 典型晶形 金剛石金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，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，碳原子正四面體晶體結(jié)構(gòu)。在單位晶胞中，碳原子位于四面體頂角及中心。每個(gè)碳原子與鄰近位于四面體頂角及中心。每個(gè)碳原子與鄰近四個(gè)碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵，結(jié)合力極強(qiáng)。四個(gè)碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵，結(jié)合力極強(qiáng)。 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)（二

20、）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)金剛石金剛石水眼水眼 水槽水槽冠部冠部保徑保徑鋼體鋼體排排屑屑槽槽胎體胎體鋼體鋼體接頭接頭金剛石金剛石胎體胎體 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)1. 鉆頭鉆頭冠部形狀冠部形狀 a雙錐階梯形；雙錐階梯形； b雙錐形；雙錐形； c“B”形；形； d脊圈式脊圈式“B”形形 軟到中硬地層軟到中硬地層 內(nèi)錐角內(nèi)錐角5060 外錐角外錐角50100 中到中硬地層中到中硬地層 內(nèi)錐角內(nèi)錐角6070 外錐角外錐角4060 硬地層硬地層 內(nèi)錐角內(nèi)錐角90 硬硬堅(jiān)硬地層堅(jiān)硬地層 內(nèi)錐角內(nèi)錐角90 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Dia

21、mond Bit）（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)2. 水力結(jié)構(gòu)水力結(jié)構(gòu)常用水槽結(jié)構(gòu)：常用水槽結(jié)構(gòu)： 逼壓式逼壓式 輻射型輻射型 輻射逼壓式輻射逼壓式 螺旋形螺旋形 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)3. 金剛石及布置金剛石及布置（1）天然金剛石）天然金剛石 卡邦（卡邦（Carbon） 黑色金剛石，巴西及非洲，性能最好，最貴黑色金剛石，巴西及非洲，性能最好，最貴 巴拉斯（巴拉斯（Ballas） 多晶金剛石，非洲產(chǎn)，性能及價(jià)格次于卡邦多晶金剛石，非洲產(chǎn)，性能及價(jià)格次于卡邦 包爾茲（包爾茲（Boartz） 硬度很高，但解理性強(qiáng)，

22、有內(nèi)裂紋和應(yīng)力硬度很高，但解理性強(qiáng)，有內(nèi)裂紋和應(yīng)力 剛果金剛石剛果金剛石 硬度次于包爾茲，但產(chǎn)量高（硬度次于包爾茲，但產(chǎn)量高（60%），價(jià)格便宜），價(jià)格便宜目前使用最廣泛的產(chǎn)品：熱穩(wěn)定聚晶，耐溫目前使用最廣泛的產(chǎn)品：熱穩(wěn)定聚晶，耐溫1200，有圓片、圓柱、立，有圓片、圓柱、立 方體、三角聚晶等多種形狀。方體、三角聚晶等多種形狀。石墨石墨500010000MPa10002000金剛石單晶金剛石單晶金剛石聚晶金剛石聚晶高溫高壓下高溫高壓下金屬觸媒金屬觸媒（2）人造金剛石聚晶）人造金剛石聚晶 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

23、3. 金剛石及布置金剛石及布置（3）金剛石粒度）金剛石粒度 軟地層：軟地層：2粒粒/克拉，粒徑約克拉，粒徑約4mm左右左右 中硬地層：中硬地層：34粒粒/克拉，粒徑約克拉，粒徑約3.6mm左右左右 中硬到硬地層：中硬到硬地層： 58粒粒/克拉，粒徑約克拉，粒徑約2.52.9mm 硬到堅(jiān)硬地層：硬到堅(jiān)硬地層：1015粒粒/克拉，粒徑約克拉，粒徑約2.0mm左右左右 孕鑲鉆頭，孕鑲鉆頭，60400粒粒/克拉，粒徑克拉，粒徑1.20.6mm，硬至堅(jiān)硬地層。，硬至堅(jiān)硬地層。（4）出露高度）出露高度軟地層：軟地層：1/3金剛石粒徑金剛石粒徑中硬地層：中硬地層：1/31/5金剛石粒徑金剛石粒徑硬地層：硬地

24、層：1/51/6金剛石粒徑金剛石粒徑堅(jiān)硬地層：堅(jiān)硬地層：1/61/10金剛石粒徑金剛石粒徑軟地層軟地層 硬地層硬地層堅(jiān)硬地層堅(jiān)硬地層 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)3. 金剛石及布置金剛石及布置（5）金剛石布置）金剛石布置 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)（二）金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)4. 保徑設(shè)計(jì)保徑設(shè)計(jì)常用保徑方式：拉槽式、平鑲式、組合式常用保徑方式：拉槽式、平鑲式、組合式保徑齒材料：天然金剛石保徑齒材料：天然金剛石保徑部分長度：保徑部分長度：60100mm（三）金剛

25、石鉆頭的破巖機(jī)理（三）金剛石鉆頭的破巖機(jī)理 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit） 在塑性地層中，如泥巖、泥質(zhì)砂巖、石膏等，以切削作用破碎巖石，在塑性地層中，如泥巖、泥質(zhì)砂巖、石膏等，以切削作用破碎巖石， 類似于金屬的切削過程。類似于金屬的切削過程。 在脆性地層中，如石英砂巖等，金剛石破碎巖石的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為脆在脆性地層中，如石英砂巖等，金剛石破碎巖石的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為脆 性體積破碎，巖屑尺寸約為金剛石出露部分的性體積破碎，巖屑尺寸約為金剛石出露部分的24倍，破巖效率很高。倍，破巖效率很高。 在堅(jiān)硬巖石中，如燧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等，一般用孕鑲鉆在堅(jiān)硬巖石中，如燧石、硅質(zhì)

26、白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等，一般用孕鑲鉆 頭鉆進(jìn)，金剛石以微切削、刻劃方式破碎巖石，類似于砂輪磨。頭鉆進(jìn)，金剛石以微切削、刻劃方式破碎巖石，類似于砂輪磨。（1）適用于硬的、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井、取心作業(yè)；）適用于硬的、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井、取心作業(yè)；（2）鉆頭下井前，井底打撈干凈，無金屬等硬材料；）鉆頭下井前，井底打撈干凈，無金屬等硬材料；（3）開始鉆進(jìn)時(shí)，先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，完成井底造型；）開始鉆進(jìn)時(shí)，先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，完成井底造型；（4）鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選：合適鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量。）鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選：合適鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量。（四）金剛石鉆頭的正確使用（四）金剛石鉆頭的正確

27、使用 三、金剛石鉆頭（三、金剛石鉆頭（Diamond Bit）第一節(jié)第一節(jié) 鉆鉆 頭頭一、概 述二、牙輪鉆頭三、金剛石鉆頭四、四、PDC鉆頭鉆頭胎體胎體PDC鉆頭鉆頭鋼體鋼體PDC鉆頭鉆頭 四四、PDC鉆頭鉆頭Polycrystalline Diamond Compact Bit 四四、PDC鉆頭鉆頭（一）聚晶金剛石復(fù)合片（一）聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）1. 結(jié)構(gòu)及尺寸結(jié)構(gòu)及尺寸直徑（直徑（mm)適用地層適用地層24極軟極軟19軟軟16中中13中硬中硬8硬硬 四四、PDC鉆頭鉆頭（一）聚晶金剛石復(fù)合片（一）聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）2. 物理機(jī)械性質(zhì)物理機(jī)械性質(zhì)（1）極高的硬度（鋼的）極高的硬

28、度（鋼的914倍，硬質(zhì)合金的倍，硬質(zhì)合金的35倍）；倍）；（2）較高的抗壓強(qiáng)度（鋼的）較高的抗壓強(qiáng)度（鋼的34倍）；倍）；（3）良好的自銳性（碳化鎢基體比聚晶層）良好的自銳性（碳化鎢基體比聚晶層磨損速度磨損速度快）；快）；（4）抗沖擊韌性比天然金剛石好，比硬質(zhì)合金差。聚晶層經(jīng)受沖擊）抗沖擊韌性比天然金剛石好，比硬質(zhì)合金差。聚晶層經(jīng)受沖擊 載荷作用易碎裂。尤其是新復(fù)合片剛開始接載荷作用易碎裂。尤其是新復(fù)合片剛開始接 觸巖石，鋒銳觸巖石，鋒銳 邊刃邊刃 很容易碎裂。很容易碎裂。（5）對溫度較敏感。對溫度較敏感。350左右，磨損速度顯著加快；左右，磨損速度顯著加快； 700 左右，左右， 強(qiáng)度失效。

29、強(qiáng)度失效。 四四、PDC鉆頭鉆頭（二）（二）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 刮刀式刮刀式 在軟地層中，吃入性能好，排屑在軟地層中，吃入性能好，排屑能力強(qiáng)，清洗冷卻效果好，不易泥能力強(qiáng)，清洗冷卻效果好，不易泥包。包。 單齒式（散布式）單齒式（散布式） 布齒區(qū)域大，布齒密度高，但布齒區(qū)域大，布齒密度高，但排屑能力較差，容易泥包。適合排屑能力較差，容易泥包。適合于較硬地層。于較硬地層。 組合式（混合式）組合式（混合式） 清洗、冷卻和排屑能力較好，清洗、冷卻和排屑能力較好，布齒密度較高，吃入性能較好。布齒密度較高，吃入性能較好。適合于中到中硬地層。適合于中到中硬地層。 四四、PDC鉆頭鉆頭（二）（二）

30、PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1） 內(nèi)錐（內(nèi)錐（Cone） 內(nèi)錐的主要作用是抵抗鉆頭橫向力，防內(nèi)錐的主要作用是抵抗鉆頭橫向力，防止鉆頭橫移，維持鉆頭穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。止鉆頭橫移，維持鉆頭穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。一般地，軟地層，內(nèi)錐深一些；一般地，軟地層，內(nèi)錐深一些； 硬地層，內(nèi)錐淺一些。硬地層，內(nèi)錐淺一些。（2） 冠頂（冠頂（Nose） 冠頂是鉆頭最先吃入地層的部位，而且冠頂是鉆頭最先吃入地層的部位，而且總是最先接觸地層的變化?？偸亲钕冉佑|地層的變化。 一般地，軟地層，冠頂半徑小一些，以一般地，軟地層，冠頂半徑小一些，以提高鉆頭吃入地層的能力；而硬地層或軟提高鉆頭吃入地層的能力；而硬地層或軟硬交錯(cuò)地層，冠頂半徑大

31、一些，以使切削硬交錯(cuò)地層，冠頂半徑大一些，以使切削齒受力較均勻，避免單齒受力過大而先期齒受力較均勻，避免單齒受力過大而先期損壞。損壞。1. 鉆頭剖面形狀鉆頭剖面形狀 四四、PDC鉆頭鉆頭（二）（二）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 鉆頭剖面形狀鉆頭剖面形狀（3） 外錐或側(cè)翼（外錐或側(cè)翼（Taper or Flank） 分直線和曲線兩種。較硬地層，需分直線和曲線兩種。較硬地層，需要較多切削齒，外錐應(yīng)長一些；較軟地要較多切削齒，外錐應(yīng)長一些；較軟地層，外錐可短一些。層，外錐可短一些。 （4） 肩部（肩部（Shoulder） 肩部是從側(cè)翼向保徑過渡的部位。它肩部是從側(cè)翼向保徑過渡的部位。它是鉆頭冠

32、部旋轉(zhuǎn)半徑最大的部位，磨損是鉆頭冠部旋轉(zhuǎn)半徑最大的部位，磨損也就最嚴(yán)重，受沖擊載荷最大。也就最嚴(yán)重，受沖擊載荷最大。 （5）保徑（）保徑（Gauge）：）： 60100mm，金剛石、，金剛石、PDC圖圖3-1 PDC鉆頭冠部剖面形狀鉆頭冠部剖面形狀I(lǐng)ADC分類分類中中 錐錐 型型平平 底底 型型長長 錐錐 型型淺淺 錐錐 型型內(nèi)錐內(nèi)錐冠頂冠頂外錐外錐肩部肩部保徑保徑內(nèi)錐內(nèi)錐冠冠頂頂外錐外錐肩部肩部保徑保徑內(nèi)錐內(nèi)錐冠頂冠頂外錐外錐肩部肩部保徑保徑內(nèi)錐內(nèi)錐冠頂冠頂肩部肩部保徑保徑PDC鉆頭剖面形狀的鉆頭剖面形狀的IADC分類分類 四四、PDC鉆頭鉆頭（二）（二）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）

33、布齒設(shè)計(jì)原則）布齒設(shè)計(jì)原則p 井底覆蓋良好；井底覆蓋良好；p 內(nèi)疏外密，各切削齒磨損均勻；內(nèi)疏外密，各切削齒磨損均勻；p 布齒密度隨地層硬度增大而增大；布齒密度隨地層硬度增大而增大；p 同一刀翼上各切削齒的安裝互不干涉；同一刀翼上各切削齒的安裝互不干涉；p 切削齒的布置和刀翼分布和有利于提高鉆頭的穩(wěn)定性；切削齒的布置和刀翼分布和有利于提高鉆頭的穩(wěn)定性；p 切削齒和刀翼的布置有利于提高水力清洗和冷卻效果。切削齒和刀翼的布置有利于提高水力清洗和冷卻效果。2. 布齒設(shè)計(jì)布齒設(shè)計(jì) 四四、PDC鉆頭鉆頭（二）（二）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2. 布齒設(shè)計(jì)布齒設(shè)計(jì) 四四、PDC鉆頭鉆頭（二）（二）PD

34、C鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）布齒設(shè)計(jì)方法）布齒設(shè)計(jì)方法 等磨損布齒等磨損布齒 同軌布齒同軌布齒 變密度布齒變密度布齒軌道布齒的井底剖面軌道布齒的井底剖面 四四、PDC鉆頭鉆頭（二）（二）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3. 切削齒工作角設(shè)計(jì)切削齒工作角設(shè)計(jì)后傾角：后傾角：1025側(cè)轉(zhuǎn)角：側(cè)轉(zhuǎn)角：015 后傾角較小，鉆頭吃入性能較好；后傾角較小，鉆頭吃入性能較好； 后傾角較大，鉆頭承受沖擊載荷的能力較強(qiáng)；后傾角較大，鉆頭承受沖擊載荷的能力較強(qiáng)； 目前多采用變后傾角設(shè)計(jì)；目前多采用變后傾角設(shè)計(jì)； 對刀翼式鉆頭，側(cè)轉(zhuǎn)角沒有太大意義。對刀翼式鉆頭，側(cè)轉(zhuǎn)角沒有太大意義。 四四、PDC鉆頭鉆頭（二）（二

35、）PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4. 水力設(shè)計(jì)水力設(shè)計(jì)（1）水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 噴嘴數(shù)量、位置、傾斜角度及噴嘴數(shù)量、位置、傾斜角度及方位、流道形狀等。方位、流道形狀等。（2）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)）水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 噴嘴直徑、鉆井泵工作參數(shù)、噴嘴直徑、鉆井泵工作參數(shù)、鉆頭水力參數(shù)。鉆頭水力參數(shù)。 目前仍處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。目前仍處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。噴嘴噴嘴開放式水槽結(jié)構(gòu)開放式水槽結(jié)構(gòu) 四四、PDC鉆頭鉆頭（三）（三）PDC鉆頭破巖機(jī)理鉆頭破巖機(jī)理 切削（剪切）破碎巖石。切削（剪切）破碎巖石。 軟的塑性地層破碎過程：軟的塑性地層破碎過程： 連續(xù)切削，類似車刀切削金屬的過程連續(xù)切削，類似車刀切削金屬的過程。 硬的脆性地層破碎過程：硬的脆性地層破碎過程： 碰撞碰撞 壓碎及小剪切壓碎及小剪切大剪切。大剪切。 四四、PDC鉆頭鉆頭（四）（四）PDC鉆頭分類鉆頭分類第一位字碼第一位字碼第二位字碼第二位字碼第三位字碼第三位字碼第四位字碼第四位字碼鉆頭體材料鉆頭體材料切削齒密度切削齒密度切削齒尺寸切削齒尺寸剖面形狀剖面形狀S鋼體鋼體M胎體胎體150 1 24 mm 219 mm 313.3 mm 48 mm1平底平底2短錐短錐3中錐中錐4長錐長錐 CUTTER STRUCTUREBGREMARKSINNER