技術(shù)員講義鉆頭

鉆頭d:\MyDocuments\動(dòng)畫(huà)與圖片\鉆頭鉆進(jìn)圖.swf動(dòng)畫(huà)與圖片\鉆頭鉆進(jìn)圖.swfd:\MyDocuments\動(dòng)畫(huà)與圖片\鉆進(jìn)鉆柱彎曲示意圖.swf動(dòng)畫(huà)與圖片\鉆進(jìn)鉆柱彎曲示意圖.swfd:\MyDocuments\動(dòng)畫(huà)與圖片\鉆頭振動(dòng)圖.swf動(dòng)畫(huà)與圖片\鉆頭振動(dòng)圖.swf牙輪鉆頭及其破巖原理金剛石鉆頭及其破巖原理鉆頭的正確使用內(nèi)容牙輪鉆頭及其破巖原理

(1)用途

牙輪鉆頭是使用最廣泛的鉆頭，適用于從軟到硬的各種地層。牙輪鉆頭破巖時(shí)扭矩小，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)鉆具及地面設(shè)備的危害小；工作刃較刮刀鉆頭長(zhǎng)，減少了磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造較刮刀鉆頭困難，成本較高。

(2)牙輪鉆頭的分類(lèi)

牙輪鉆頭有單牙輪鉆頭、雙牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭、多牙輪鉆頭等。其中使用最多的是三牙輪鉆頭，它的三個(gè)牙輪錐體按120o夾角對(duì)稱(chēng)分布。牙輪鉆頭還可分為全面鉆進(jìn)牙輪鉆頭、取心牙輪鉆頭、銑齒牙輪鉆頭、鑲齒牙輪鉆頭、滾動(dòng)軸承牙輪鉆頭、滑動(dòng)軸承牙輪鉆頭等。

(3)結(jié)構(gòu)及組成牙輪鉆頭的基本組成是鉆頭體。巴掌（牙爪）、牙輪、軸承、水眼（噴嘴）、儲(chǔ)油密封潤(rùn)滑系統(tǒng)。三牙輪鉆頭

a.鉆頭體與巴掌鉆頭體上部車(chē)有螺紋與鉆具相連，下部帶有三個(gè)巴掌與牙輪的軸頸相連，起支撐牙輪的作用。鉆頭體的底端中部鑲焊水眼板或安裝噴嘴。根據(jù)鉆頭體與巴掌的連接情況可將其分為有體式和無(wú)體式鉆頭。

有體式鉆頭是鉆頭體與巴掌分別制造，然后將巴掌焊接在鉆頭體下側(cè)的鉆頭。該種鉆頭直徑一般在346mm以上，其上部螺紋絕大多數(shù)為內(nèi)螺紋。無(wú)體式鉆頭是巴掌與三分之一鉆頭體做成一體，然后將加工好并裝接上牙輪的三部分合焊起來(lái)的鉆頭。該鉆頭直徑一般在311mm以下，其上部絕大多數(shù)為外螺紋。

牙輪在牙爪軸頸上的固定是在牙輪與軸頸組裝好后，通過(guò)牙爪下側(cè)背部的斜孔投入滾珠來(lái)完成的，最后插人銷(xiāo)子并焊死。

b.牙輪牙輪是一個(gè)外面帶有牙齒，內(nèi)腔加工成與軸頸相對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)體跑道或滑動(dòng)摩擦面的錐體。分單錐與多錐兩種結(jié)構(gòu)。單錐牙輪是指僅有主錐和背錐兩個(gè)不同錐度的牙輪。該牙輪適用于硬及研磨性較高的地層。復(fù)錐牙輪是指除主、背錐外還有1－2個(gè)副錐的牙輪。該牙輪適用于軟及中硬地層。

c.牙齒牙齒是鉆頭破巖的主要元件，要求其破巖效率高和工作壽命長(zhǎng)。為此，牙齒既要耐磨，又要有足夠的強(qiáng)度，還要有合理的幾何外形。牙輪鉆頭的牙齒有銑齒（鋼齒）、鑲齒（硬合金齒）兩種。

(a)銑齒銑齒是由牙輪毛胚銑削加工而成的牙齒。這種鉆頭叫銑齒鉆頭。銑齒斷面形狀主要是楔形。銑齒的齒形參數(shù)主要有齒尖角、齒高、齒頂削平度（鈍度）和外排齒形等。

齒尖角是牙齒橫斷面上兩邊界的夾角。為了利于吃入地層，其值應(yīng)小些，但太小則影響強(qiáng)度。一般軟地層阻力小，強(qiáng)度要求不高，為了加快鉆速，齒尖角應(yīng)比硬地層小些。齒尖角的常用范圍，軟地層為38o－40o；中硬地層為40o－42o；硬地層為42o－45o。齒尖角

齒高是齒根到齒頁(yè)的距離。一般齒越高吃入地層越深，鉆進(jìn)效率越高，但太高易使牙齒蹩斷。因此，不同巖性地層的破巖阻力不同，齒高不同，軟地層要比硬地層高些。齒高

齒頂削平度即齒尖的寬度。軟地層為加快鉆速，寬度要小些；硬地層為保證強(qiáng)度，寬度要大些。同時(shí)，還要根據(jù)鉆頭大小而定，一般小鉆頭齒尖寬度為0．75－1mm；大鉆頭齒尖寬度為2mm。齒頂削平度

牙齒的排布方式。牙齒在輪殼上的排列布置方式是影響鉆進(jìn)效率的重要因素。布齒時(shí)首先保證鉆頭每轉(zhuǎn)一圈牙齒全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起部分。根據(jù)巖性不同牙輪上齒圈的排列有自洗式和非自洗式。

非自潔式又稱(chēng)重疊式，其特點(diǎn)是各牙輪上可任意布置齒圈，不受相鄰牙齒的影響，故可加密齒圈。重疊式牙輪鉆頭適應(yīng)于硬及研磨性較高的地層。牙齒的加硬。鉆進(jìn)中，在鉆頭破碎巖石的同時(shí)牙齒逐漸被磨損，影響牙齒磨損的主要因素是地層巖石的研磨性、鉆井技術(shù)參數(shù)、牙齒材料與齒形、加工工藝技術(shù)等。

為了提高銑齒鉆頭的工作壽命，通常要對(duì)銑齒進(jìn)行加硬，即在鉆頭牙齒的工作面上加焊一層硬質(zhì)合金粉。兩側(cè)堆焊抗磨力強(qiáng)，適用于研磨性較高的地層；一側(cè)堆焊牙齒則能在不斷磨損中保持自銳。

(b)鑲齒（硬合金齒）鑲齒鉆頭是將硬合金材料加工成一定形狀的牙齒，鑲嵌并固定在輪殼的鉆頭上。由于牙齒硬度高、耐磨性強(qiáng)，故能適應(yīng)于堅(jiān)硬及高研磨性地層。目前的鑲齒鉆頭已適應(yīng)于從堅(jiān)硬地層到軟地層的不同地層。鑲齒的齒形是指牙齒出露在輪殼以外部分的形狀與高度。鑲齒齒形一般有楔形、錐形、球形、三棱形和拋射體形等。

d.牙輪鉆頭的軸承決定鉆頭工作壽命最關(guān)鍵的因素是軸承。通常軸承先于鉆頭牙齒及其他部分而報(bào)損（稱(chēng)為軸承的先期損壞），密封潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承鉆頭大大提高了牙輪鉆頭的使用壽命。目前普遍使用的是硬質(zhì)合金齒噴射式密封滑動(dòng)軸承牙輪鉆頭。(a)普通軸承（滾動(dòng)不密封軸承）牙輪鉆頭的普通軸承由牙爪軸頸、牙輪內(nèi)腔、滾動(dòng)體組成。在牙輪內(nèi)腔及軸頸上加工了相對(duì)應(yīng)的三個(gè)不同尺寸的滾動(dòng)體跑道，構(gòu)成三副軸承。大軸承主要承受由鉆壓引起的徑向載荷，小軸承起扶正及承受少量徑向載荷的作用，中間的滾珠軸承主要起鎖緊定位作用，它將牙輪及牙爪軸頸鎖在一起并承受部分軸向載荷。

此外，還有兩道承受牙輪軸向載荷的止推軸承，即小軸端部為第一道止推軸承，它由小軸端部堆焊耐磨合金，并在牙輪內(nèi)腔相對(duì)應(yīng)部位鑲裝耐磨合金；小軸頸底端的臺(tái)肩面為第二道止推軸承，它在小軸頸底端的臺(tái)后面堆焊耐磨合金，同時(shí)也在牙輪內(nèi)腔相對(duì)應(yīng)部位鑲裝耐磨合金。

常用的軸承結(jié)構(gòu)有：滾柱軸承一滾珠軸承一滑動(dòng)軸承和滾柱軸承一滾珠軸承一滾柱軸承兩種。前種結(jié)構(gòu)多用在直徑152－244mm的小尺寸鉆頭中，后一種結(jié)構(gòu)多用在直徑244mm以上的大尺寸鉆頭中。普通軸承由于沒(méi)有密封裝置，當(dāng)鉆頭在井內(nèi)工作時(shí)，洗井液與泥砂極易進(jìn)人牙輪內(nèi)腔，很快將軸承腔內(nèi)的潤(rùn)滑脂沖蝕掉，加劇了軸承磨損，導(dǎo)致普通牙輪鉆頭工作壽命很短。

(b)軸承的儲(chǔ)油密封潤(rùn)滑

牙輪鉆頭軸承的儲(chǔ)油密封潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)是在一牙輪巴掌的組合體上增加一套儲(chǔ)油密封系統(tǒng)。它由軸承腔的壓力補(bǔ)償系統(tǒng)和密封元件等組成。其作用是將牙輪內(nèi)腔與外界的洗井液分開(kāi)，并在鉆頭工作時(shí)，隨時(shí)向軸承腔補(bǔ)充潤(rùn)滑脂，從而改善軸承的工作條件。(c)滑動(dòng)軸承滑動(dòng)軸承鉆頭主要是指滑動(dòng)軸承取代大軸滾柱軸承的牙輪鉆頭。其結(jié)構(gòu)為滑動(dòng)軸承一滾珠軸承一滑動(dòng)軸承?；瑒?dòng)軸承把牙輪軸頸與滾柱的線接觸改變成滑動(dòng)摩擦面間的面接觸，承壓面積大大增加，比壓大大減小。同時(shí)，不存在滾柱對(duì)軸頸的沖擊作用。由于去掉了滾柱就可以把軸頸尺寸加大，牙輪殼體增厚，這樣提高了整個(gè)軸承的強(qiáng)度，從而有利于增大鉆壓，大大提高了鉆頭的工作壽命。

常用的滑動(dòng)軸承有軸頸軸承、帶固定村套的滑動(dòng)軸承和帶浮動(dòng)式襯套的滑動(dòng)軸承以及簡(jiǎn)易滑動(dòng)軸承。

e.牙輪鉆頭的水眼非噴射式鉆頭的水眼只起洗井液循環(huán)通道的作用，而噴嘴不僅循環(huán)洗井液，還能把洗井液轉(zhuǎn)化為高速射流。普通鉆頭在軟地層鉆進(jìn)時(shí)，為了防止鉆頭泥包，從水眼流出的洗井液均直接沖在牙輪上。噴射式鉆頭的水眼方向是使洗井液直射兩牙輪間的井底。

(4)牙輪鉆頭的工作原理鉆進(jìn)中牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)及破巖機(jī)理取決于鉆頭的結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)參數(shù)配合、井底狀態(tài)等多方面的因素。為了能夠根據(jù)不同地層巖性，合理選擇與使用鉆頭，就必須了解牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)及破巖機(jī)理。a.牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)，決定著牙輪與牙齒的運(yùn)動(dòng)，從而直接決定了牙齒對(duì)地層巖石的破巖作用。鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)有公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)、縱振、滑動(dòng)。鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)的同時(shí)牙輪在井底的運(yùn)動(dòng)也有公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)、縱振和滑動(dòng)。(a)公轉(zhuǎn)鉆頭繞井眼軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)叫鉆頭的公轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)盤(pán)或井下動(dòng)力鉆具的旋轉(zhuǎn)速度；鉆頭公轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪繞鉆頭軸線所做的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為牙輪的公轉(zhuǎn)。牙輪上各外排牙齒繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的線速度不同，輪殼上最外排牙齒的線速度最大。(b)自轉(zhuǎn)鉆頭繞其自身軸線所做的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)叫鉆頭的自轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速取決于鉆具的轉(zhuǎn)速；鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪繞巴掌軸所做的與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為牙輪的自轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速取決于公轉(zhuǎn)速度，并與牙齒對(duì)井底的作用有關(guān)，牙輪的自轉(zhuǎn)速度要比公轉(zhuǎn)速度快得多。牙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是巖石對(duì)牙齒產(chǎn)生阻力作用的結(jié)果。(c)縱振（軸向振動(dòng)）鉆進(jìn)中旋轉(zhuǎn)鉆頭時(shí)，輪齒與井底的接觸是單雙齒交替進(jìn)行，單齒著地時(shí)，牙輪的輪心處于高位置，雙齒著地時(shí)則處于低位置。這樣，就導(dǎo)致輪心不停地上升下降，即牙輪的縱振。牙輪的縱振使整個(gè)鉆頭沿軸向做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即鉆頭的縱振，其振幅就是輪心的垂直位移。振幅的大小與齒高、齒距等鉆頭結(jié)構(gòu)及巖性有關(guān)。在硬地層振幅較大，振動(dòng)嚴(yán)重，危害較大。除牙輪的單雙齒交替與井底接觸導(dǎo)致的縱振外，還會(huì)因井底不平造成振幅較大的振動(dòng)。(d)滑動(dòng)為了適應(yīng)破碎不同巖石的需要，在鉆頭工作時(shí)，使其產(chǎn)生一定的滑動(dòng)。鉆頭的滑動(dòng)就是牙輪的滑動(dòng)。通常情況下，軟地層鉆進(jìn)時(shí)鉆頭具有較大的滑動(dòng)量；在硬地層及高研磨性地層鉆進(jìn)時(shí)，所用鉆頭其滑動(dòng)量要盡量減小，以避免牙齒的迅速磨損。

鉆頭在井底工作時(shí)，上述四種運(yùn)動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生，鉆頭的運(yùn)動(dòng)是上述四種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。b.破巖的兩種作用

牙輪鉆頭在鉆壓作用下破碎巖石是靠沖擊壓碎作用和滑動(dòng)剪切用來(lái)完成的。

(a)沖擊壓碎作用

牙輪鉆頭在井底工作時(shí)，由鉆頭縱振所產(chǎn)生的輪齒對(duì)巖石的沖擊壓碎作用是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式。旋轉(zhuǎn)鉆頭時(shí)，牙齒以一定的速度沖擊壓入巖石，牙齒壓入巖石需要足夠的比壓與接觸時(shí)間。牙齒作用在巖石上的軸向載荷包括靜壓及沖擊載荷。

牙輪鉆頭破巖時(shí)，牙齒對(duì)巖石的沖擊載荷越大，沖擊次數(shù)越多，鉆頭破巖效率越高。但轉(zhuǎn)速太快必然大大縮短牙齒與巖石的接觸時(shí)間，要保證接觸時(shí)間大于巖石破碎所需的時(shí)間，才能有效破碎巖石。(b)滑動(dòng)剪切作用牙輪鉆頭工作時(shí)，由于摩擦阻力的影響使其在井底產(chǎn)生滑動(dòng)，而且轉(zhuǎn)速越快，滑動(dòng)量越大，對(duì)巖石的剪切破碎作用越大。此外，牙齒在軸向壓力作用下吃入地層，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭時(shí)隨著牙齒的移動(dòng)而使已破碎的巖石剔出，這一壓入破碎其實(shí)質(zhì)是剪切破碎。

軟及中硬地層中鉆進(jìn)，要求牙輪鉆頭具有更大的滑動(dòng)量以提高破巖效率。在設(shè)計(jì)制造牙輪鉆頭時(shí)，通常采用具有超頂、復(fù)錐、移軸結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭以增大鉆頭在井底工作時(shí)的滑動(dòng)量。

超頂所謂牙輪鉆頭的超頂是指牙輪的錐頂超過(guò)鉆頭中心的現(xiàn)象。錐頂超過(guò)鉆頭中心的距離叫做超頂距。牙輪的超頂距越大，鉆頭的滑動(dòng)剪切作用也越大。

復(fù)錐復(fù)錐牙輪的副錐頂（延伸線）是超頂?shù)?，主副錐頂間的距離叫錐頂距。錐頂距越大或兩個(gè)錐頂角的差值越大，鉆頭工作時(shí)牙輪在井底產(chǎn)生的滑動(dòng)量也越大。復(fù)錐牙輪產(chǎn)生滑動(dòng)的原因是復(fù)錐牙輪繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線速度呈折線分布，其與鉆頭公轉(zhuǎn)時(shí)的合成速度不為零，從而產(chǎn)生滑動(dòng)。

移軸移軸是牙輪軸線沿水平方向移動(dòng)一個(gè)距離，三個(gè)牙輪的軸線不交于鉆頭中心，而交成一個(gè)三角形，即為牙輪的移軸結(jié)構(gòu)。所交三角形的內(nèi)切圓半徑就是牙輪軸線的平移距離，稱(chēng)為移軸距。移軸距越大，鉆頭的滑動(dòng)剪切作用也越大。

(5)牙輪鉆頭的產(chǎn)品系列牙輪鉆頭是國(guó)內(nèi)外鉆井使用最多的鉆頭，為滿足不同深度、不同地層巖性、不同井身結(jié)構(gòu)等方面的要求，制定了牙輪鉆頭的系列標(biāo)準(zhǔn)，即牙輪鉆頭的直徑系列和結(jié)構(gòu)系列標(biāo)準(zhǔn)。a.牙輪鉆頭的直徑系列牙輪鉆頭的直徑要與相應(yīng)的套管尺寸相配合。下套管固井時(shí)，要保證套管外徑與井眼間有合適的間隙，以提高固井質(zhì)量；固井后繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)所用鉆頭直徑又要與套管內(nèi)徑配合好。直徑系列的確定必須根據(jù)各國(guó)的具體條件而定。b.牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)系列國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭分兩大類(lèi)，即鋼齒牙輪鉆頭和鑲齒鉆頭、八個(gè)系列，系列代號(hào)用專(zhuān)用漢語(yǔ)拼音字母表示，見(jiàn)表5-4-1(書(shū)P191)所示。鋼齒鉆頭的類(lèi)型及適用地層見(jiàn)表5-4-2（書(shū)P191）所示。國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)系列

類(lèi)別名稱(chēng)代號(hào)類(lèi)別名稱(chēng)代號(hào)鋼齒鉆頭普通鉆頭噴射鉆頭密封鉆頭密封噴射鉆頭密封噴射保徑鉆頭滑動(dòng)噴射鉆頭滑動(dòng)噴射保徑鉆頭YPMMPMPBHPHPB鑲齒鉆頭鑲齒普通鉆頭鑲齒密封鉆頭鑲齒滑動(dòng)鉆頭鑲齒密封噴射鉆頭鑲齒滑動(dòng)噴射鉆頭空氣鉆頭XXMXHXMPXHPK

國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭類(lèi)型及適用范圍代號(hào)（簡(jiǎn)化）1234567類(lèi)型新舊JR—RLZRMZCZYTYTKJY—鉆頭體顏色乳白黃淡蘭灰墨綠紅褐適用地層極軟軟中軟中中硬硬極硬適用巖性（舉例）泥巖石膏鹽巖軟頁(yè)巖軟石灰?guī)r白堊中軟頁(yè)巖中硬石膏中軟石灰?guī)r中軟砂巖中軟頁(yè)巖硬石膏中硬石灰?guī)r中硬白云巖硬頁(yè)巖硬石灰?guī)r硬白云巖砂巖石英巖石英砂巖石英巖隧石花崗巖(6)國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭型號(hào)的表示方法鉆頭直徑（用公制毫米或英寸數(shù)）鉆頭類(lèi)型（1.2.3.4.5.6.7為代號(hào)）鉆頭結(jié)構(gòu)系列字母代號(hào)（P、M、X……等）。國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭型號(hào)的表示

例如：244XHP5的意義是:244表示鉆頭直徑為244mm；XHP表示鉆頭結(jié)構(gòu)為鑲齒密封滑動(dòng)噴射式；5表示鉆頭適用于中硬地層。(7)入井前的檢查（1）把鉆頭倒置，將鉆頭規(guī)水平套在鉆頭直徑最大處。（2）用手順時(shí)針搬動(dòng)鉆頭規(guī)刻度盤(pán)手柄，直至搬不動(dòng)為止，此時(shí)與手柄相對(duì)的數(shù)字即為鉆頭直徑尺寸。（3）操作同刮刀鉆頭的結(jié)構(gòu)與使用單元中入井前檢查。（4）檢查噴嘴焊的是否牢靠。（5）把小于鉆頭水眼直徑的木棒，插入水眼看是否暢通。（6）用手轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)牙輪，檢查是否靈活，牙齒有無(wú)互咬現(xiàn)象。（7）將鉆頭放倒，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭，檢查主要焊口有無(wú)裂紋。（8）將鉆頭置于一平鋼板上，使三個(gè)牙輪牙齒與鋼板的接觸狀態(tài)相同，再用直尺測(cè)量其高差。φ349mm以上鉆頭高差不超過(guò)3mm，φ298.5mm以下鉆頭不超過(guò)2mm。(8)使用操作

a.根據(jù)所鉆地層巖性，合理選擇鉆頭類(lèi)型。

(a)淺井段疏松地層，選用牙齒長(zhǎng)的鉆頭。

(b)深井段選用進(jìn)尺多的鉆頭。

(c)起鉆后，如發(fā)現(xiàn)出井鉆頭的外排齒磨損嚴(yán)重，改選帶有保徑齒的鉆頭。

(d)易斜井段選用滑動(dòng)量小，牙齒短的鉆頭。用于軟地層：高、大、稀、尖、薄用于硬地層：矮、小、密、鈍、厚b.將牙輪鉆頭與上部鉆具連接好。c.平穩(wěn)下鉆，遇阻不能硬壓猛放，防止頓壞巴掌。d.鉆頭下至離井底7～8m時(shí)，開(kāi)泵循環(huán)鉆井液（排量由小到大，防止蹩泵）。e.待鉆頭到井底后，加壓20～30kN鉆進(jìn)（磨合及鉆新井底），磨合30～60min后，再一次加足鉆壓鉆進(jìn)。f.接單根下放鉆具時(shí)，在鉆頭接觸井底前啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，然后下放鉆具，禁止在鉆頭加壓狀態(tài)下啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)。g.鉆進(jìn)時(shí)，送鉆要均勻，禁止猛放猛壓防掉牙輪，把井打斜，并對(duì)鉆具和設(shè)備造成不良影響。（9）確定起鉆

a.新鉆頭入井后，鉆井每米成本逐步下降，當(dāng)每米成本上升時(shí)，應(yīng)立即起出鉆頭。

b.公式式中：Ct——鉆頭每米成本，元/m；

Cb——鉆頭成本，元；

Cr——鉆頭工作時(shí)設(shè)備使用成本，元/m；

Tr——起下鉆，換鉆頭時(shí)間，h；

T——鉆頭純進(jìn)時(shí)間，h；

H——鉆頭總進(jìn)尺，m。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。分類(lèi)按金剛石來(lái)源可分為天然金剛石鉆頭和人造金剛石鉆頭按功用可分為取心鉆頭和全面鉆進(jìn)鉆頭；按鑲嵌方式可分為表鑲和孕鑲兩類(lèi)；按鉆井方式則可分為轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井和渦輪鉆井用兩類(lèi)。

一、金剛石鉆頭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(1)鋼體

鋼體上部車(chē)有螺紋連接鉆具，下部與胎體燒結(jié)在一起。剛體有一體式的，也有由兩部分構(gòu)成的，即上部為合金鋼車(chē)有螺紋，下部為低碳鋼連接胎體。鋼體上下兩部分以螺紋連接在一起然后焊死。一、金剛石鉆頭(2)胎體

胎體是鑲嵌金剛石顆粒的基體，是由一定粒度的硬質(zhì)合金粉加上適當(dāng)?shù)囊兹劢饘僮髡澈蟿?，壓制燒結(jié)面而成。胎體形狀即工作剖面，主要是指工作面的幾何形狀和工作面積的大小，是根據(jù)適用不同巖性而設(shè)計(jì)的。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)硬地層一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭(3)切削刃

金剛石鉆頭的切削刃根據(jù)金剛石顆粒鑲裝在胎體上的形式有表鑲式、孕鑲式和表孕鑲式三種。表鑲式孕鑲式表孕鑲式把金剛石顆粒只鑲在胎體表面上層。顆粒大?。?.5~1.5粒/克拉，出刃高度：1/3~1/4，棱角不宜尖銳，以免鉆進(jìn)中崩裂。把金剛石顆粒均勻分布在鉆頭工作面胎體金屬層的一定厚度層內(nèi)，隨胎體磨損，金剛石顆粒不斷露出而不斷磨削巖石，并不斷自銳，不斷磨損，直到金剛石磨完為止。顆粒粒度：20~200粒/克拉，棱角越大越好，孕鑲層厚度：2~12mm。是在表鑲式鉆頭工作面上薄弱部分的胎體內(nèi)，孕鑲一層金剛石。破碎效果好，壽命長(zhǎng)。一、金剛石鉆頭一、金剛石鉆頭金剛石在鉆頭工作面上的排布方式交錯(cuò)排列法圓周排列法脊圈排列法軟到中硬硬地層堅(jiān)硬地層一、金剛石鉆頭(4)水眼與水槽

金剛石鉆頭的水眼與水槽是構(gòu)成鉆頭水動(dòng)力的通道。一、金剛石鉆頭水眼和水槽的布置原則：是使金剛石鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，保證供給鉆頭工作面足夠的水力能量，既能清除巖屑，又能很好地冷卻和潤(rùn)滑鉆頭上的金剛石。用于軟到中硬地層的金剛石鉆頭，由于其工作面小，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。而對(duì)于硬和堅(jiān)硬地層，由于鉆頭工作面大、金剛石顆粒細(xì)而密，且出刃低，鉆壓大，水槽則應(yīng)多、密、窄。表鑲式金剛石鉆頭通常采用的水槽結(jié)構(gòu)大體上可分為：逼壓式水槽、輻射形水槽、輻射形逼壓式水槽和螺旋形水槽四種。一、金剛石鉆頭2.金剛石鉆頭破巖原理

當(dāng)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。一、金剛石鉆頭對(duì)于脆性較大的巖石，在鉆壓和扭力的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力可使巖石沿剪切面產(chǎn)生裂縫,此時(shí),巖石破碎體積遠(yuǎn)大于金剛石吃入后位移體積。脆性較大的巖石其破碎深度可達(dá)金剛石壓入深度的2~5倍。接觸面積吃入深度出露高度金剛石鉆頭基體一、金剛石鉆頭金剛石破碎巖石的效果，除與巖石的性能有關(guān)外，還與井筒和地層孔隙流體的壓差有大小、鉆壓大小及金剛石幾何形狀、粒度和出露有關(guān)。接觸面積吃入深度出露高度金剛石鉆頭基體二、PDC鉆頭

聚晶金剛石復(fù)合片(PolycrystallineDiamondCompact)鉆頭，簡(jiǎn)稱(chēng)PDC鉆頭。它是用聚晶金剛石(薄圓片狀)做成小型切削塊鑲裝或燒結(jié)到鉆頭體上而形成的。使用于軟到中硬地層。二、PDC鉆頭1.PDC鉆頭結(jié)構(gòu)

PDC鉆頭為一整體式鉆頭，整個(gè)鉆頭沒(méi)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。二、PDC鉆頭（1）鉆頭基體

PDC鉆頭可分為鋼體PDC鉆頭和碳化鎢胎體PDC鉆頭。鋼體式PDC鉆頭的表面不耐沖蝕，規(guī)徑易于磨小，而胎體式鉆頭的碳化鎢合金耐沖蝕、耐磨損，允許使用較高的鉆頭壓力降、較高鉆井液含砂量，易于進(jìn)行優(yōu)化水力設(shè)計(jì)，具有較大的設(shè)計(jì)靈活性，魚(yú)尾形鉆頭壽命較長(zhǎng)。PDC鉆頭基體有四種基本冠部外形：淺錐形短拋物線形拋物線形魚(yú)尾形二、PDC鉆頭淺錐形短拋物線形拋物線形魚(yú)尾形翼片很長(zhǎng)，增加了復(fù)合片出刃高度，增加了鉆頭冠部與地層之間的間隙，使巖屑易于排向環(huán)形空間不致于粘附于鉆頭體，有利于射流的清洗。特點(diǎn)：能減少泥包和與泥包相關(guān)的鉆井問(wèn)題。適用范圍：轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井的直井和定向鉆井，鉆進(jìn)粘性極高的泥頁(yè)巖層。冠部面積最小，水力能量集中，易于清洗。其外形有較長(zhǎng)的保徑齒，能適當(dāng)扶正。復(fù)合片密度不宜過(guò)大。特點(diǎn)：快速鉆進(jìn)中，能保持方位和井斜。適用范圍：只適用于鉆盤(pán)鉆井，鉆進(jìn)夾層。有一個(gè)帶錐度的冠部，冠頂相當(dāng)圓頓?？梢允广@頭外側(cè)布置更多數(shù)量的切削齒。特點(diǎn)：鉆頭的磨損更為平衡。適用范圍：轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井、井下動(dòng)力鉆井及定向鉆井都比較穩(wěn)定，最適合于鉆可能遇到硬夾層的地區(qū)。冠部載荷分布均勻，無(wú)明顯載荷過(guò)渡區(qū)，載荷不致過(guò)分集中。這種冠部外形可使鉆頭及規(guī)徑部位布更多的切削齒。特點(diǎn)：具有良好的壽命；要求較高的流量和水力能量來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗和冷卻，鉆頭的鼻部在鉆夾層時(shí)易受損壞。適用范圍：高速井下動(dòng)力鉆進(jìn)。二、PDC鉆頭（2）鉆頭切削齒

聚晶金剛石復(fù)合片是經(jīng)過(guò)特殊工藝將金剛石微粒粘結(jié)在一起形成的復(fù)合材料。復(fù)合片上部為聚晶金剛石薄層，其厚度為0.500~0.635mm，是切削齒鋒利的刃口，硬度及耐磨性極高，當(dāng)抗沖擊性較差。復(fù)合片下部為碳化鎢基片，聚晶金剛石片與碳化鎢基片之間的有機(jī)結(jié)合，使得PDC齒既具有金剛石的硬度和耐磨性，又具有碳化鎢的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的抗沖擊能力。二、PDC鉆頭PDC齒具有良好的自銳性，聚晶金剛石晶粒在切削巖石的過(guò)程中不斷脫落，形成刃面的晶粒更新自銳。此外，碳化鎢基片先磨損，形成鋒利的刃口，同時(shí)具有良好的抗沖擊性能為金剛石提供良好的彈性依托。標(biāo)準(zhǔn)切削齒牙嵌式切削齒環(huán)嵌式切削齒鑿形切削齒倒角切削齒凸圓形切削齒齒狀碳化鎢基柱按形狀二、PDC鉆頭標(biāo)準(zhǔn)切削齒二、PDC鉆頭二、PDC鉆頭圓柱狀和栓銷(xiāo)狀切削齒是兩種基本類(lèi)型，圓柱狀是標(biāo)準(zhǔn)切削齒，使用最普遍。其它幾類(lèi)切削齒都是以標(biāo)準(zhǔn)切削齒為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的。標(biāo)準(zhǔn)切削齒很容易受沖擊載荷而損壞，使金剛石薄片與碳化鎢基片分離，或者產(chǎn)生大塊金剛石薄層破裂，在鉆硬地層時(shí)效果不理想。牙嵌式切削齒

在增加了金剛石薄層厚度的同時(shí)，增加了金剛石層與碳化鎢基片的接觸面積，提高了切削齒的研磨性和強(qiáng)度。環(huán)嵌式切削齒

是牙嵌式切削齒的特殊形式，在嵌牙的外緣增加了一周聚晶金剛石環(huán)。不僅提高了切削齒的耐磨強(qiáng)度，還提高了耐沖擊強(qiáng)度。二、PDC鉆頭鑿形切削齒

通過(guò)改變切削齒的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)提高切削齒吃入深度目的的齒形，可在堅(jiān)硬的研磨性地層提高鉆速。倒角切削齒通過(guò)分散作用在切削刃上的力，及增加金剛石與地層的接觸面積，改善PDC層的破碎強(qiáng)度和研磨強(qiáng)度。凸圓形切削齒

可以使剛產(chǎn)生的巖屑失去平衡，有效防止泥包鉆頭現(xiàn)象。齒狀碳化鎢基柱

是在碳化鎢基柱圓周加工出齒狀，增加基柱與鉆頭體之間的緊配合強(qiáng)度，以防止基柱轉(zhuǎn)動(dòng)而脫落。二、PDC鉆頭（3）切削齒的排列方向

PDC鉆頭設(shè)計(jì)中用負(fù)前角、側(cè)偏角和切削齒出露高度來(lái)規(guī)定切削齒的排列方向。負(fù)前角又稱(chēng)后傾角，它是指復(fù)合片層面與巖石工作面垂線之間的夾角。采用適當(dāng)?shù)呢?fù)前角，可以大大改善切削齒的抗沖擊性。一般負(fù)前角取值范圍為0°~25°。軟地層：取0或較小負(fù)前角值；硬地層，負(fù)前角應(yīng)較大，以保證有效切削，并防止沖擊載荷引起切削齒的損壞。二、PDC鉆頭側(cè)偏角是指切削齒面與鉆頭徑向平面之間的夾角，有側(cè)偏角的鉆頭比無(wú)側(cè)偏角的鉆頭鉆進(jìn)性能好，鉆速快，并可以改善鉆頭的清洗和巖屑的及時(shí)排除；減少巖屑粘附切削齒的機(jī)會(huì)。實(shí)驗(yàn)表明，側(cè)偏角為-15°時(shí)粘附機(jī)會(huì)最小。切削齒的出露高度與所鉆巖性有關(guān)，可分為全出露和部分出露兩種。全部出露：適于鉆軟地層；部分出露：使于鉆硬地層，可以提高切削齒剛度，有利于延長(zhǎng)PDC鉆頭的壽命。二、PDC鉆頭（4）噴嘴水道及排屑槽噴嘴出口形狀、射流噴嘴方向、流道的設(shè)計(jì)，以及排屑槽的形狀和布置都是PDC鉆頭設(shè)計(jì)中重要組成部分。噴嘴的配置和取向基本原則：每個(gè)噴嘴或水眼能清洗和冷卻一組復(fù)合片。按噴嘴的形狀可將噴嘴分為：標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、扇射式噴嘴、矩形噴嘴和六角形噴嘴。排屑槽的形狀主要有楔形、扇形、半圓形。二、PDC鉆頭2.PDC鉆頭破巖原理PDC鉆頭是以切削齒對(duì)地層進(jìn)行切削來(lái)破碎巖石，整個(gè)切削過(guò)程，與金屬切削過(guò)程很相似。巖石的切削過(guò)程實(shí)質(zhì)：是一種擠壓過(guò)程，在擠壓過(guò)程中，巖石主要以滑移變形方式成為切屑。二、PDC鉆頭

當(dāng)巖石開(kāi)始接觸切削齒的刀刃最初瞬時(shí)，接觸點(diǎn)的壓力使巖石內(nèi)部產(chǎn)生彈性應(yīng)力和應(yīng)變；當(dāng)切削刃逼近巖石時(shí)，巖石內(nèi)部彈性應(yīng)力逐漸增大，在巖石內(nèi)某一位置，剪應(yīng)力達(dá)到巖石的屈服強(qiáng)度，因而，巖石開(kāi)始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移（OA面，該面左邊代表彈性變形區(qū)，右邊代表塑性變形區(qū)）。二、PDC鉆頭巖石經(jīng)過(guò)OA面在當(dāng)切削刃移動(dòng)時(shí)，滑移變形越來(lái)越大，當(dāng)巖石移到OE面時(shí)，將不在沿OE面滑移（如1、2面），而是一起沿切削齒前傾面流出，所以稱(chēng)OA為初始滑移線，而稱(chēng)OE為終止滑移線。當(dāng)巖石沿前傾面流出時(shí)，由于受到切削齒前傾面的壓力和摩擦，切削的底層（靠近前傾面的一層）產(chǎn)生較大的擠壓和剪切變形，結(jié)果，下層膨脹，切削向前傾相反方向流出，離開(kāi)前傾面而成為切屑。PDC鉆頭的破巖機(jī)理可概括為：PDC鉆頭切削齒在鉆壓作用下能自銳地吃入地層，在扭矩作用下向前移動(dòng)剪切巖石。PDC鉆頭不存在由于壓差作用引起的巖屑清除障礙；因此，破巖效率高。二、PDC鉆頭的使用1．下鉆前的準(zhǔn)備（1）上一個(gè)鉆頭起出后，立即蓋好井口，防止物體落井。（2）了解上一個(gè)鉆頭的損壞情況。即直徑磨損；切削齒的磨損及斷、碎、裂；對(duì)損壞比較嚴(yán)重或因嚴(yán)重?fù)p壞而導(dǎo)致直徑減少的鉆頭，要用磨鞋和打撈籃處理井眼。（3）搬運(yùn)鉆頭要小心。最好從包裝箱取出后放在膠合板或膠墊上，嚴(yán)禁在鉆臺(tái)鋼板上滾動(dòng)。（4）查看鉆頭直徑、螺紋牙型是否正確，噴嘴是否暢通。（5）裝卸鉆頭要用合適的鉆頭裝卸器。二、PDC鉆頭的使用2．下鉆下鉆要細(xì)心。在通過(guò)封井器或縮徑井段時(shí)要放慢速度，防止保徑部分的金剛石復(fù)合片損壞。如果需要在縮徑井段擴(kuò)眼，須向上稍提方鉆桿，并盡可能加大排量，以約60r／min的轉(zhuǎn)速，使鉆頭緩慢地穿過(guò)縮徑井段，鉆壓不大于10kN。當(dāng)鉆頭下到井底時(shí)，要注意觀察懸重表和鉆柱扭矩。扭矩突然增大，說(shuō)明鉆頭到達(dá)井底。然后將鉆頭上提0.2－0.3m，同時(shí)循環(huán)鉆井液，并緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)5min，以確保井底干凈。二、PDC鉆頭的使用3．鉆進(jìn)

開(kāi)始鉆進(jìn)前，將轉(zhuǎn)速提高到60r/min，使鉆頭接觸井底，用10kN的鉆壓在井底造型．一般鉆進(jìn)0.5－1m。在軟地層鉆進(jìn)，即使鉆壓在10－20KN，鉆速也很高，此時(shí)不必加大鉆壓和提高轉(zhuǎn)速。一般轉(zhuǎn)速在100－150r/min之間，效果最好。二、PDC鉆頭的使用

在硬地層中，井底造型要耐心，鉆進(jìn)第一米，可能用時(shí)較長(zhǎng)。在完成井底造型前，只有少數(shù)切削齒接觸井底，急于加壓會(huì)導(dǎo)致PDC鉆頭切削齒過(guò)載而損壞。井底造型完成后，可提高轉(zhuǎn)速，一般為80－100r/min，然后逐漸增加鉆壓，直到獲得滿意的機(jī)械鉆速為止。如果鉆壓增大后，發(fā)現(xiàn)扭距不增加、鉆速不提高，說(shuō)明PDC鉆頭不適應(yīng)地層。

二、PDC鉆頭的使用

接單根后，要以最大排量洗井，把鉆頭緩慢地放到井底，以防止鉆頭撞擊井底而損壞。隨著井深的增加和PDC鉆頭復(fù)合片的磨損，機(jī)械鉆速一般要下降。磨平的PDC鉆頭復(fù)合片能承受更大的鉆壓，PDC鉆頭切削齒吃入地層的深度減少，此時(shí)應(yīng)增加鉆壓，以保持機(jī)械鉆速的增加。二、PDC鉆頭的使用4．鉆頭清洗在鉆進(jìn)軟而粘的地層時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)泥包。其現(xiàn)象一般是鉆速突然下降，泵壓上升。當(dāng)鉆頭提離井底時(shí)上述現(xiàn)象消失。此時(shí)需要把鉆頭提離井底，然后在大排量和正常轉(zhuǎn)速下，把鉆頭恰好送到井底，并停留10－15min，讓鉆井液充分清洗鉆頭。也可以在高轉(zhuǎn)速下，較頻繁地將鉆頭反復(fù)提離井底，將泥包物帶起，從鉆頭表面甩掉。鉆頭的正確使用鉆頭使用所涉及的因素

１．鉆頭檢查驗(yàn)收

２．鉆頭裝卸

３．下鉆，劃眼

４．探井底

５．鉆水泥塞和套管附件

６．井底造型

７．試鉆確定最優(yōu)鉆井參數(shù)

８．接單根

９．判斷與鉆頭有關(guān)的鉆井跡象

１０．掌握最佳起鉆時(shí)機(jī)

１１．起鉆及鉆頭磨損分級(jí)１．鉆頭檢查驗(yàn)收１）．外觀檢查；

２）．鉆頭裝卸器，噴嘴，噴嘴扳手，鉆頭類(lèi)型及系列號(hào)；

３）．與鉆具組合的匹配；

４）．鉆井方案，鉆壓，轉(zhuǎn)速等；

５）．鉆頭搬運(yùn)等．２．鉆頭裝卸１）．匹配的鉆頭裝卸器以免損傷鉆頭；

２）．裝卸時(shí)防止井口工具落井；

３）．涂絲扣油，放單流閥；

４）．推薦扭矩上扣，PDC鉆頭與牙輪有不同的緊扣要求．

如65/8”REG,牙輪:28000—32000ft.lbs;

PDC:41050—50750ft.lbs.３．下鉆，劃眼１）．通過(guò)防噴器組，套管頭，縮徑井段，大狗腿度，臺(tái)肩及套管鞋處要控制下放速度；

２）．輕劃通過(guò)縮徑井段，PDC鉆頭更要小心，劃眼前必須開(kāi)泵；

３）．下鉆要平穩(wěn)，避免壓力激動(dòng)；

４）．最后一個(gè)單根或立柱要大排量劃眼到井底；

５）．開(kāi)泵前在井口放鉆桿濾清器．４．探井底１）．劃眼接近井底時(shí)，監(jiān)測(cè)鉆壓和扭矩，如鉆壓和扭矩增加時(shí)，表明已接觸井底或沉沙；

２）．若有沉沙，提起鉆具，大排量旋轉(zhuǎn)鉆具劃到井底，確保沉沙或落物已清洗；

３）．在清洗沉沙后上下活動(dòng)鉆具；

４）．無(wú)動(dòng)力鉆具，劃眼按0.2噸/英寸及40-60轉(zhuǎn)/分鐘要求操作；

５）．動(dòng)力鉆具，劃眼按0.2噸/英寸及盡量慢的轉(zhuǎn)速操作．５．鉆水泥塞及套管附件１）．在循環(huán)和旋轉(zhuǎn)鉆具時(shí)要經(jīng)常上下活動(dòng)鉆具以利于清洗鉆頭；

２）．控制鉆壓，避免鉆頭損壞，如切削齒及軸承密封；

３）．監(jiān)測(cè)泵壓變化，防止堵噴嘴；

４）．遇到跳鉆或扭矩變化劇烈時(shí)，調(diào)整轉(zhuǎn)速；

５）．小鉆壓，低轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定扭矩，

動(dòng)力鉆具，適當(dāng)排量，

非動(dòng)力鉆具，大排量．６．井底造型１）．小鉆壓，低轉(zhuǎn)速，大排量，小扭矩；

２）．井底造型與鉆頭類(lèi)型及鉆具組合等有關(guān)；

３）．牙輪鉆頭，按0.2噸/英寸及40-60轉(zhuǎn)/分鐘要求操作，至少鉆進(jìn)3—6英寸；

４）．PDC鉆頭，低于2噸鉆壓及60--100轉(zhuǎn)/分鐘要求操作，至少鉆進(jìn)3—5英尺后方可加壓和提高轉(zhuǎn)速．

７．試鉆確定最佳鉆井參數(shù)１）．試鉆是確定最優(yōu)鉆壓和轉(zhuǎn)速組合獲得很快機(jī)械鉆速的有效手段；

２）．在地層變化，機(jī)械鉆速變化，扭矩變化，人員變化以及作業(yè)參數(shù)變化如泥漿性能，水力學(xué)變化時(shí)要進(jìn)行試鉆；

３）．試鉆轉(zhuǎn)速?gòu)牡娃D(zhuǎn)速開(kāi)始，鉆壓以推薦的鉆頭所承受的最大鉆壓為上線；

４）．在不同的鉆壓和轉(zhuǎn)速組合都能獲得很高的機(jī)械鉆速時(shí)，取不跳鉆的低鉆壓－轉(zhuǎn)速組合以延長(zhǎng)鉆頭壽命；

５）．最優(yōu)的鉆壓和轉(zhuǎn)速以線性終點(diǎn)