鉆井工程-5-鉆頭

1、鉆井工程鉆井工程主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：鉆頭的類型及工作原理 鉆頭的選型及分類方法 鉆頭的合理使用 概述概述 1. 1. 鉆頭類型鉆頭類型 按結(jié)構(gòu)及工作原理分類按結(jié)構(gòu)及工作原理分類: 刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、PDCPDC鉆頭、鉆頭、 金剛石鉆頭金剛石鉆頭 按功用分類按功用分類 全面鉆進(jìn)鉆頭、取心鉆頭、全面鉆進(jìn)鉆頭、取心鉆頭、 擴(kuò)眼鉆頭擴(kuò)眼鉆頭 2. 2. 鉆頭尺寸系列鉆頭尺寸系列 3-3/4 36 常用尺寸：常用尺寸：26 、171/2 、121/4 、 81/2 3. 3. 工作指標(biāo)工作指標(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)械鉆速（米機(jī)械

2、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)( 一、牙輪鉆頭（一、牙輪鉆頭（Roller BitRoller Bit） （一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)（一）牙輪鉆頭結(jié)構(gòu) 牙輪鉆頭由鉆頭體、牙抓（巴牙輪鉆頭由鉆頭體、牙抓（巴掌）掌） 及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、及牙輪軸、牙輪及牙齒、軸承、儲(chǔ)油潤滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。儲(chǔ)油潤滑密封系統(tǒng)、噴嘴等部分組成。1 1牙輪及牙齒牙輪及牙齒 （1 1）牙輪）牙輪 20CrMo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。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。 單錐牙輪：主錐單錐牙輪：主錐

3、+ +背錐，硬地層背錐，硬地層 復(fù)錐牙輪：主錐復(fù)錐牙輪：主錐+ +副錐副錐+ +背錐，軟到中硬背錐，軟到中硬 a單錐；單錐； b、c復(fù)錐；復(fù)錐； 1主錐；主錐； 2副錐；副錐； 3背錐背錐abc（2 2）牙齒）牙齒 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。 硬質(zhì)合金鑲齒硬質(zhì)合金鑲齒鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適應(yīng)不同地層。銑齒牙輪鉆頭銑齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭鑲齒牙輪鉆頭2 2軸承軸承 牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密牙輪鉆頭軸承有大、中、小和止推四副。根據(jù)軸承的密封與否，可分為密封和非密封兩類。根據(jù)

4、軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。封和非密封兩類。根據(jù)軸承副的結(jié)構(gòu)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滾柱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)一止推滑動(dòng)一止推 滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)滑動(dòng)滾珠滾珠滑動(dòng)滑動(dòng)止推止推 滑動(dòng)滑動(dòng)滑動(dòng)（卡簧）滑動(dòng)（卡簧）滑動(dòng)滑動(dòng)止推止推 密封圈密封圈滾柱止推臺(tái)階滑動(dòng)摩擦襯套滑動(dòng)摩擦副 為什么滑動(dòng)軸為什么滑動(dòng)軸承比滾動(dòng)軸承壽承比滾動(dòng)軸承壽命長？命長？3 3儲(chǔ)油潤滑密封系統(tǒng)儲(chǔ)油潤滑密封系統(tǒng) v儲(chǔ)油潤滑補(bǔ)償系統(tǒng)儲(chǔ)油潤滑補(bǔ)償系統(tǒng) v密封系統(tǒng)密封系統(tǒng)： v橡膠密封圈、金屬密封圈橡膠密封圈、金屬密封圈 v工作原理：工作

5、原理： 儲(chǔ)油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓儲(chǔ)油壓力補(bǔ)償系統(tǒng)（傳壓孔、壓力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔內(nèi)力補(bǔ)償膜、油杯等）保持軸承腔內(nèi)的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。的油壓與井內(nèi)鉆井液柱壓力相平衡。當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲(chǔ)油杯中的當(dāng)軸承腔內(nèi)油壓降低，儲(chǔ)油杯中的潤滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充潤滑油在鉆井液柱壓力作用下補(bǔ)充到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升到軸承腔內(nèi)；當(dāng)軸承腔內(nèi)的油壓升高，則流入儲(chǔ)油杯。其中，高，則流入儲(chǔ)油杯。其中，有效密有效密封是關(guān)鍵封是關(guān)鍵。 4 4噴嘴噴嘴 鉆井液流出鉆頭射向井底的流道。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)的水射高壓鉆井液流經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生高速流動(dòng)的水射

6、流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。流，清除井底巖屑，輔助破碎巖石。 三牙輪鉆頭一般安裝三牙輪鉆頭一般安裝 3 3 個(gè)噴嘴，個(gè)噴嘴，直徑直徑7 713mm13mm。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 o形形圈密封。圈密封。 5 5牙輪及牙齒的布置方式牙輪及牙齒的布置方式 布齒原則：布齒原則： （1 1）轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；）轉(zhuǎn)一周牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起； （2 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)；）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 3）牙齒磨損均勻。）牙齒磨損均勻。牙輪布置方案：牙輪布置方案： （

7、1 1）非自洗無滑動(dòng)布置：）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；各牙輪牙齒齒圈不嵌合，單錐、不超頂，不移軸，用于硬地層； （2 2）自洗不移軸布置：）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；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 3）自洗移軸布置：）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；各牙輪牙齒齒圈相互嵌合，副錐、超頂，移軸，用于軟地層； 非自洗非自洗自洗無移軸自洗無移軸自洗移軸自洗移軸牙輪及牙齒的布置牙輪及牙齒的布置齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用齒間相互齒合產(chǎn)生自

8、洗作用非自洗非自洗自洗無移軸自洗無移軸自洗移軸自洗移軸（二）牙輪鉆頭工作原理（二）牙輪鉆頭工作原理 1 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) 公轉(zhuǎn)：公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。 自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。牙齒繞牙輪軸線作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。 滑動(dòng)：滑動(dòng)：牙輪齒相對(duì)于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動(dòng)。牙輪齒相對(duì)于井底的滑移，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動(dòng)。 引起滑動(dòng)的原因：引起滑動(dòng)的原因： 超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動(dòng)超頂和復(fù)錐引起切向（周向）滑動(dòng) 移軸引起徑向（軸向）滑動(dòng)移軸引起徑向（軸向）滑動(dòng) 縱向振動(dòng)：縱向振動(dòng)：牙輪在滾動(dòng)過

9、程，其中心上下波動(dòng)，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。牙輪在滾動(dòng)過程，其中心上下波動(dòng)，使鉆頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 引起縱向振動(dòng)的原因：引起縱向振動(dòng)的原因： 單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動(dòng)；單、雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動(dòng)； 井底凹凸不平井底凹凸不平 超頂引起切向滑動(dòng)超頂引起切向滑動(dòng)副錐產(chǎn)生超頂效果副錐產(chǎn)生超頂效果單、雙齒交替接觸井底單、雙齒交替接觸井底 引起縱向振動(dòng)引起縱向振動(dòng)移軸引起徑向滑動(dòng)移軸引起徑向滑動(dòng)O a O a a O 2 2牙輪鉆頭的破巖作用牙輪鉆頭的破巖作用 （1 1）沖擊、壓碎作用）沖擊、壓碎作用 縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對(duì)地層產(chǎn)生沖縱向振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊

10、力和靜壓力（鉆壓）一起使牙齒對(duì)地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。 （2 2）滑動(dòng)剪切作用）滑動(dòng)剪切作用 牙輪牙齒的徑向滑動(dòng)和切向滑動(dòng)對(duì)井底地層產(chǎn)生剪切作用，牙輪牙齒的徑向滑動(dòng)和切向滑動(dòng)對(duì)井底地層產(chǎn)生剪切作用， 破碎齒間巖石。破碎齒間巖石。 （3 3）射流的沖蝕作用）射流的沖蝕作用 由噴嘴噴出的高速射流對(duì)井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。由噴嘴噴出的高速射流對(duì)井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎巖石。牙輪滑動(dòng)對(duì)破巖的作用牙輪滑動(dòng)對(duì)破巖的作用: : 牙輪的超頂和復(fù)錐引起的切向滑動(dòng)剪切掉牙齒之間的巖石。牙輪的超頂和復(fù)錐引起的切向滑動(dòng)剪切掉牙齒之間的巖石。 超頂引起的軸

11、向滑動(dòng)剪切掉齒圈之間的巖石。超頂引起的軸向滑動(dòng)剪切掉齒圈之間的巖石。（三）牙輪鉆頭類型（三）牙輪鉆頭類型 1. 1. 國產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法國產(chǎn)牙輪鉆頭分類方法 （1 1）按結(jié)構(gòu)分類：）按結(jié)構(gòu)分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共共8個(gè)個(gè)系列系列 系 列 名 稱類 別全 稱簡 稱代 號(hào)普通三牙輪鉆頭普通鉆頭Y噴射式三牙輪鉆頭噴射式鉆頭P滾動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭密封鉆頭MP滾動(dòng)密封軸承保徑噴射式三牙輪鉆頭密封保徑鉆頭MPB滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承鉆頭HP銑齒鉆頭滑動(dòng)密封軸承保徑噴射式三牙輪鉆頭滑動(dòng)保徑鉆頭HPB鑲硬質(zhì)合金齒滾動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭鑲齒密封鉆頭X

12、MP鑲齒鉆頭鑲硬質(zhì)合金齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭鑲齒滑動(dòng)軸承鉆頭XH（2 2）按地層分類）按地層分類：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY 1 ，2 ， 3 ， 4， 5 ， 6， 7 國產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層國產(chǎn)三牙輪鉆頭類型及適應(yīng)地層 類型代號(hào)：類型代號(hào)：數(shù)字?jǐn)?shù)字1 17 7，表明所適應(yīng)的地層，表明所適應(yīng)的地層 系列代號(hào)：系列代號(hào)：字母字母Y,P,MP,MPB,HP,HPB,XMP,XH ，表明結(jié)構(gòu)特征表明結(jié)構(gòu)特征 鉆頭直徑：鉆頭直徑：用英寸或毫米表示直徑大小用英寸或毫米表示直徑大小 v v例：例：用于中硬地層、直徑為用于中硬地層、直徑為8in(215.9mm)8in(215.9mm

13、)的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴的鑲齒滑動(dòng)密封軸承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：8XP5或或215.9XP5。 （3 3）型號(hào)表示方法）型號(hào)表示方法 2. IADC2. IADC分類法分類法 系列代號(hào)系列代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字1 18 8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； 1-31-3為銑齒，為銑齒，5-85-8為鑲齒。為鑲齒。地層等級(jí)代號(hào)地層等級(jí)代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字1 14 4表示所鉆地層再分為表示所鉆地層再分為4 4個(gè)等級(jí)個(gè)等級(jí)；鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號(hào)鉆頭結(jié)構(gòu)特征代號(hào)用數(shù)字用數(shù)字1 19 9表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征，其中中1 17 7表示鉆頭軸承及保徑特征；表示

14、鉆頭軸承及保徑特征；附加結(jié)構(gòu)特征代號(hào)附加結(jié)構(gòu)特征代號(hào)用英文字母表示鉆頭附加特征。用英文字母表示鉆頭附加特征。祥見書祥見書P66-67. P66-67. 例如：例如：341S341S表示適用于中等研磨性或研磨性表示適用于中等研磨性或研磨性4 4級(jí)硬地層非密封級(jí)硬地層非密封 滾動(dòng)軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。滾動(dòng)軸承的標(biāo)準(zhǔn)銑齒鉆頭。 537C537C表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的表示適用于底抗壓強(qiáng)度的軟到中硬的3 3級(jí)地層滑動(dòng)級(jí)地層滑動(dòng) 密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。密封軸承保徑帶中心噴嘴鉆頭。國產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號(hào)表示法國產(chǎn)三牙輪鉆頭分類、型號(hào)表示法 鉆頭直徑鉆頭直徑類型代號(hào)類型代號(hào)系列代號(hào)系列代號(hào) 例

15、：用于中硬地層、直徑為例：用于中硬地層、直徑為81/2”(215.9mm)”(215.9mm)的鑲齒滑動(dòng)密封軸的鑲齒滑動(dòng)密封軸承承噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為：噴射式三牙輪鉆頭的型號(hào)為： 81/2” ” HP5HP5或或215.9215.9HP5HP5。 目前常用的牙輪鉆頭型號(hào)目前常用的牙輪鉆頭型號(hào) P2, P3, HP2, HP3 銑齒銑齒 XHP2, XHP3 ,XHP4鑲齒鑲齒 J1, J2, J3 銑齒銑齒 J11, J22, J33,J44，J55 鑲齒鑲齒 （四）牙輪鉆頭的正確使用（四）牙輪鉆頭的正確使用 1. 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)成本根據(jù)地層性質(zhì)合理選擇

16、鉆頭類型，標(biāo)準(zhǔn)是每米鉆進(jìn)成本最低。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；地層較硬時(shí)：選用牙齒高度小，無超頂或移軸的鉆頭； 2. 2. 優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)等。二二、金剛石鉆頭（、金剛石鉆頭（Diamond Diamond Bit) Bit) （一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)（一）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu) 金剛石鉆頭為無活動(dòng)部件的整金剛石鉆頭為無活動(dòng)部件的整體式鉆體式鉆 頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑頭。由鋼體、胎體（冠部和保徑部分）、水眼及水槽

17、、金剛石切削刃等部部分）、水眼及水槽、金剛石切削刃等部分組成分組成。1. 1. 鋼體鋼體 鋼體是金剛石鉆頭的骨架。上部柱體車制絲扣和鉆柱連接，下部銑鋼體是金剛石鉆頭的骨架。上部柱體車制絲扣和鉆柱連接，下部銑成爪形和胎體燒結(jié)在一起。成爪形和胎體燒結(jié)在一起。 2. 2. 胎體胎體 胎體是鑲嵌金剛石的基體，為硬質(zhì)合金材料，用粉末冶金技術(shù)燒胎體是鑲嵌金剛石的基體，為硬質(zhì)合金材料，用粉末冶金技術(shù)燒結(jié)在鉆頭鋼體上。結(jié)在鉆頭鋼體上。 常用剖面形狀：常用剖面形狀： 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 3. 3. 水眼和水槽水眼和水槽 鉆井液由水眼流出，經(jīng)

18、過水槽流過鉆頭表面，清洗井底，冷卻和鉆井液由水眼流出，經(jīng)過水槽流過鉆頭表面，清洗井底，冷卻和潤滑金剛石。常用水力結(jié)構(gòu)：潤滑金剛石。常用水力結(jié)構(gòu)：4. 4. 金剛石金剛石 （1 1）特性）特性 金剛石為碳在高溫高壓下形成的結(jié)晶體，正四面體晶體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(gè)碳原子與鄰近的四個(gè)碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵。中心。每個(gè)碳原子與鄰近的四個(gè)碳原子形成四個(gè)共價(jià)鍵。 因共價(jià)鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬度（莫氏因共價(jià)鍵結(jié)合力強(qiáng)，故金剛石具有極高的硬度（莫氏 硬度硬度1010）、抗壓強(qiáng)

19、度（）、抗壓強(qiáng)度（8800MPa8800MPa）和耐磨性鋼的）和耐磨性鋼的90009000倍）。倍）。 其缺點(diǎn)是：其缺點(diǎn)是： 脆性大，受沖擊載荷易碎裂；脆性大，受沖擊載荷易碎裂； 具有熱敏性，高溫下（具有熱敏性，高溫下（450450以上）石墨化。以上）石墨化。 熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭（TSPTSP） TSPTSP鉆頭的熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗鉆頭的熱穩(wěn)定性、耐磨性和抗沖擊能力都高于一般的金剛石鉆頭。沖擊能力都高于一般的金剛石鉆頭。（2 2）兩類金剛石材料）兩類金剛石材料 天然金剛石：天然金剛石：非洲產(chǎn)，品種有：卡邦非洲產(chǎn)，品種有：卡邦(Carnon(Carnon) )、包爾茲、

20、包爾茲(Boarz(Boarz) )、 巴拉斯巴拉斯(Ballas(Ballas) )。 人造金剛石單晶和聚晶人造金剛石單晶和聚晶： 石墨石墨500010000MPa10002000金剛石單晶金剛石單晶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（3 3）金剛石顆粒在胎體上的鑲裝方式）金剛石顆粒在胎體上的鑲裝方式 有表鑲式和孕鑲式有表鑲式和孕鑲式。表鑲式金剛石鉆頭所用的金剛石顆粒一般表鑲式金剛石鉆頭所用的金剛石顆粒一般0.50.51.51.5粒粒/ /克拉。克拉。 孕鑲式金剛石鉆頭是把金剛石顆粒與鉆頭胎體燒結(jié)在一起。孕鑲式金剛石鉆頭是把金剛石顆粒與鉆頭胎體燒結(jié)在一起。 適合于對(duì)

21、付極硬地層，而且成本比表鑲式低得多。一般孕鑲層的厚度適合于對(duì)付極硬地層，而且成本比表鑲式低得多。一般孕鑲層的厚度 2 212mm12mm，金剛石顆粒棱角越尖越好。，金剛石顆粒棱角越尖越好。（4 4）金剛石粒度、出刃和排列方式）金剛石粒度、出刃和排列方式 粒度粒度： 0.5 0.5 15 15粒粒/ /克拉（克拉（0.2g)0.2g) 出刃出刃： 最大出刃量為直徑的最大出刃量為直徑的1/3 1/3 排列方式排列方式： a a 鉆頭外形；鉆頭外形；b b交錯(cuò)排列；交錯(cuò)排列；c c圓周排列；圓周排列；d d脊圈排列脊圈排列 （二）金剛石鉆頭的破巖機(jī)理（二）金剛石鉆頭的破巖機(jī)理 概括地講，金剛石鉆頭以

22、磨削（研磨）方式破碎巖石，類似于砂輪磨削概括地講，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。金屬的過程。 (1)(1) 在鉆進(jìn)某些硬地層時(shí)，在鉆壓作用下壓入巖石，使與金剛石接觸的巖石在鉆進(jìn)某些硬地層時(shí)，在鉆壓作用下壓入巖石，使與金剛石接觸的巖石 處于極高的應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性；處于極高的應(yīng)力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性； (2)(2)在塑性地層在塑性地層( (或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層或巖石在應(yīng)力作用下呈塑性的地層) )， 使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動(dòng)，使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動(dòng)， 脫離巖石基體，形成巖屑，稱作犁削。脫離巖石基體，形成巖屑，稱作犁削。 (3)

23、(3)在脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)為在脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力使巖石表現(xiàn)為脆性破碎，即屬于以剪力和張力形式破碎巖石。脆性破碎，即屬于以剪力和張力形式破碎巖石。 (4)(4)在堅(jiān)硬巖石在堅(jiān)硬巖石( (如隧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等如隧石、硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等) )中，是要靠金剛石的中，是要靠金剛石的棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來破碎巖石。棱角實(shí)現(xiàn)微切削、刻劃等方式來破碎巖石。 （三）金剛石鉆頭的正確使用（三）金剛石鉆頭的正確使用 1. 1. 適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井，適用于硬、研磨性地層，渦輪鉆井，深井鉆井， 取心作業(yè)。

24、壽命長，進(jìn)尺高。取心作業(yè)。壽命長，進(jìn)尺高。 2. 2. 鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。鉆頭下井前，井底打撈干凈，確保沒有金屬落物。 3. 3. 先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高先用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速跑合，然后用合適鉆壓和高 轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。 4. 4. 采用低鉆壓（采用低鉆壓（3 30-50kN0-50kN）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。）、高轉(zhuǎn)速、大排量鉆進(jìn)。 三三、PDCPDC鉆頭（鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact Polycrystalline Diamond Compact BitBit）胎體胎體PDCPDC鉆頭鉆頭鋼體鋼體PDCPD

25、C鉆頭鉆頭兩類兩類PDCPDC切削元件切削元件（一）（一）PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1. 1. 切削元件切削元件聚晶金剛石復(fù)合片（聚晶金剛石復(fù)合片（PDCPDC）特特 性性 PDCPDC既具有金剛石的硬度和耐磨性。既具有金剛石的硬度和耐磨性。 弱點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，弱點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，350350以上加以上加速磨損?？箾_擊能力較差。速磨損。抗沖擊能力較差。13.4， 192. 2. 工作剖面形狀工作剖面形狀 特點(diǎn)特點(diǎn) 內(nèi)外錐有利于鉆內(nèi)外錐有利于鉆頭穩(wěn)定；頭穩(wěn)定； 外錐較長，可多外錐較長，可多布齒，使磨損均勻；布齒，使磨損均勻； 鉆硬夾層，冠部鉆硬夾層，冠部齒易早期損壞。齒易早期損壞。 適合

26、中等均質(zhì)地適合中等均質(zhì)地層。層。 特點(diǎn)特點(diǎn) 鉆頭表面積較小，鉆頭表面積較小，水力集中，清洗效水力集中，清洗效果好；果好； 載荷分布較均勻；載荷分布較均勻； 用于鉆石灰?guī)r、用于鉆石灰?guī)r、白云巖等較硬地層。白云巖等較硬地層。 特點(diǎn)特點(diǎn) 側(cè)向推力指向鉆頭側(cè)向推力指向鉆頭中心，有利于防斜；中心，有利于防斜； 鉆頭外部表面積鉆頭外部表面積大，可布置較多切大，可布置較多切削齒，利于提高壽削齒，利于提高壽命。命。 用于軟地層用于軟地層。 特點(diǎn)特點(diǎn) 冠頂較寬且較平冠頂較寬且較平緩，載荷分布較均緩，載荷分布較均勻。勻。 外側(cè)采用圓弧，外側(cè)采用圓弧，布齒面積較大。布齒面積較大。 用于硬地層。用于硬地層。 雙錐形雙

27、錐形淺錐形淺錐形拋物線形拋物線形B B 形形3. 3. 切削齒布置切削齒布置 刮刀式布齒方式：刮刀式布齒方式：特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、特點(diǎn)是整體強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑抗沖擊能力強(qiáng)、易于清洗和冷卻、排屑好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地好、抗泥包能力強(qiáng)。適用于粘性或軟地層。層。 單齒式布齒方式：單齒式布齒方式：布齒區(qū)域大、布齒布齒區(qū)域大、布齒密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但密度高，可以提高鉆頭的使用壽命，但水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。水力清洗能力低，容易在粘性地層泥包。適用于硬地層。適用于硬地層。 組合式切削齒的布置，組合式切削齒的布置，具有較好的清具有較好的清洗、冷卻和

28、排屑能力，布齒密度較高。洗、冷卻和排屑能力，布齒密度較高。這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地這種布齒方式的鉆頭多用于中等硬度地層。層。 布齒原則：布齒原則： 等切削體積等切削體積 等磨損等磨損 等功率等功率 4. 4. 切削齒工作角切削齒工作角 后傾角（負(fù)前角）后傾角（負(fù)前角）：起到保護(hù)切削齒，延長壽命的作用。取值起到保護(hù)切削齒，延長壽命的作用。取值0 0- - 2020，軟地層小一些，硬地層大一些。，軟地層小一些，硬地層大一些。 側(cè)傾角（旁鋒刀面角）側(cè)傾角（旁鋒刀面角）：鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削刃面對(duì)切屑產(chǎn)生向外側(cè)的鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削刃面對(duì)切屑產(chǎn)生向外側(cè)的 推力，有利于向外排除巖屑。推力，有利于向外排除巖屑。 =15=15左右。左右。 5.5.噴嘴噴嘴流道系統(tǒng)流道系統(tǒng) 冷卻和清洗效果嚴(yán)重影響冷卻和清洗效果嚴(yán)重影響PDCPDC鉆頭的鉆速和壽命。鉆頭的鉆速和壽命。 噴嘴數(shù)量一般比三牙輪鉆頭多。噴嘴位置和流道結(jié)構(gòu)根據(jù)切削齒位噴嘴數(shù)量一般比三牙輪鉆頭多。噴嘴位置和流道結(jié)構(gòu)根據(jù)切削齒位置確定。置確定。（二）（二）PDCPDC鉆頭破巖機(jī)理鉆頭破巖機(jī)理 PDCPDC鉆頭主要以切削方式破碎巖石。鉆頭主要以切削方式破碎巖石。 切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在旋轉(zhuǎn)力作用下