第三章 鉆進(jìn)工藝

現(xiàn)在的鉆井方法，主要是用機(jī)械方法破碎巖石，即：破碎巖石的工具就稱為鉆頭。鉆頭是破碎巖石形成井眼的主要工具，它直接影響著鉆井速度，鉆井質(zhì)量和鉆井成本。如果能用少量鉆頭迅速鉆完一口井，那將會(huì)使整個(gè)鉆進(jìn)過程中，起下鉆次數(shù)減少、建井速度加快、鉆井成本降低。因此，選擇破碎效率高、堅(jiān)固耐用的鉆頭，以及使用好鉆頭，就具有特別重要的意義。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝一、鉆頭類型1、刮刀鉆頭

刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。組成：刀翼（平底、正或反階梯形等）、水眼（噴咀）刀翼－35CrMO合金鋼提高耐磨性—在刀翼上焊接硬質(zhì)合金（碳化鎢）粉或片。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝適用于松軟一軟的地層，例如在泥巖、頁(yè)巖和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖等地層，可以取得很高的機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。但是在硬而研磨性高的地層中鉆進(jìn)，刀片吃入困難，鉆頭磨損快，機(jī)械鉆速低，有時(shí)還出現(xiàn)蹩跳現(xiàn)象，對(duì)鉆具和設(shè)備壽命有一定影響。

參數(shù)配合：增加轉(zhuǎn)速，適當(dāng)鉆壓，提高排量。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝破巖特點(diǎn)：刀翼和井底的接觸面積大，比壓低。2、牙輪鉆頭（有活動(dòng)元件，有公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）

牙輪鉆頭是石油鉆井中使用最廣泛的鉆頭。特點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)時(shí)具有沖擊、壓碎和剪切破碎巖石的作用；牙齒與井底的接觸面積小，比壓高；工作扭矩小。使用范圍：牙輪鉆頭能適用于多種性質(zhì)的巖石第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝三牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)：牙輪（帶牙齒的錐體－破巖）軸承密封牙齒本體牙爪（巴掌）

—下帶牙輪軸噴咀（水眼）接頭第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝銑齒鉆頭硬質(zhì)合金牙輪鉆頭的軸承結(jié)構(gòu)：三副承受徑向載荷的軸承滾柱－滾珠－滑動(dòng)滾柱－滾珠－滾柱軸承的儲(chǔ)油潤(rùn)滑和密封工作條件：承受壓和沖擊載荷磨損：泥漿中的雜質(zhì)、液體介質(zhì)的性質(zhì)對(duì)軸承的磨損影響較大。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)主錐、副錐（復(fù)錐）移軸超頂增加滑動(dòng)量第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝分類：銑齒（也稱鋼齒）和鑲齒（也稱硬質(zhì)合金齒）二大類。銑齒牙輪鉆頭的牙齒均為楔形齒，由牙輪毛胚直接銑削加工而成。齒上敷焊硬質(zhì)合金粉。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝保徑齒（外排齒）鑲齒的硬度和抗磨性比銑齒高，壽命比銑齒長(zhǎng)。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝適應(yīng)不同地層3、金剛石鉆頭

以金剛石做工作刃的鉆頭稱為金剛石鉆頭。分為天然和人造金剛石為最硬的材料，金剛石為碳的結(jié)晶體，晶體結(jié)構(gòu)—正四面體，C－C以共價(jià)鍵相連—結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，晶形—立方體、八面及十二面體等。缺點(diǎn)：脆性大、熱穩(wěn)定性差。計(jì)量單位：克拉（1克拉＝0.2g）人造金剛石：由石墨和觸媒金屬在1000℃～2000℃的溫度及5～10MPa條件下制成單晶金剛石。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝金剛石鉆頭品種主要有：1940年天然金剛石鉆頭1978年P(guān)DC鉆頭（聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）1983年巴拉斯鉆頭（Ballaset，熱穩(wěn)定聚晶金剛石鉆頭）1985年馬賽克鉆頭（Mosaic鉆頭）1987年大復(fù)合片PDC鉆頭第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝使用：最初只用在極硬地層和研磨性大的地層。目前人造金剛石鉆頭不斷改進(jìn)，擴(kuò)大了應(yīng)用地層的范圍。（成本高）金剛石鉆頭能在低鉆壓、高轉(zhuǎn)數(shù)下取得高鉆速和高進(jìn)尺。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝天然金剛石鉆頭用得較少，主要用聚晶金剛石鉆頭（1）金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)

切削元件胎體（硬質(zhì)合金粉燒結(jié)）鋼體接頭噴嘴（或水眼）特點(diǎn)：一體式、無(wú)活動(dòng)部件。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝（2）鉆頭切削元件

金剛石鉆頭有四種基本的切削元件。

聚晶金剛石復(fù)合片PDC鉆頭及大復(fù)合片鉆頭的切削元件。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝1/2in---1in、11/2in、2in上為聚晶層采用鈷為粘結(jié)劑燒結(jié)下為硬質(zhì)合金（焊結(jié)而成）硬質(zhì)合金具有抗沖擊性粒度：1～100μm厚度（0.6～0.635mm）聚晶金剛石復(fù)合片是在16OO℃，6～8萬(wàn)大氣壓的壓力下由六面頂及雙面頂壓機(jī)一次燒結(jié)出來(lái)的復(fù)合材料。復(fù)合片上部為聚晶金剛石薄層（0.6～0.635mm）是切削元件鋒銳的刃口，硬度及耐磨性極高，但抗沖擊韌性差。下部為碳化鎢基片，其耐磨性僅為金剛石聚晶層的1/100，所以在鉆井過程中易于形成“自銳”，同時(shí)其抗沖擊性好，為金剛石層提供良好的彈性依托。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝適用中軟地層（鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的磨擦熱不大）

熱穩(wěn)定聚晶塊（TSP鉆頭）巴拉斯鉆頭切削元件

熱穩(wěn)定聚晶塊是在復(fù)合片的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新材料。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝適應(yīng)較廣地層。采用化學(xué)方式使鈷和金剛石之間形成C-C連接馬賽克切削塊

由熱穩(wěn)定聚晶塊拼合成復(fù)合片的尺寸，然后以持殊工藝燒結(jié)于鉆頭胎體上。它既有熱穩(wěn)定聚晶塊的耐高溫性質(zhì)，又同時(shí)兼具復(fù)合片的切削能力。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝天然金剛石天然金剛石鉆頭的切削元件金剛石鉆頭使用的金剛石分為五種：優(yōu)級(jí)（P）、標(biāo)準(zhǔn)級(jí)（R）、特優(yōu)級(jí)（SP）、立方體鉆石、黑鉆石。天然金剛石鉆頭第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝適應(yīng)于破碎型地層金剛石鉆頭水力結(jié)構(gòu)要點(diǎn)第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝要求鉆頭上的水道設(shè)計(jì)合理，達(dá)到良好的冷卻效果。熱穩(wěn)定性差—“燒毀”4、其他鉆頭（1）取心鉆頭取心鉆頭是鉆出巖心的工具，它的切削刃分布在同一個(gè)園心的環(huán)形面積上，對(duì)巖石進(jìn)行環(huán)形破碎，形成巖心。使用最多的是金剛石取心鉆頭。取心鉆頭第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝5.下一代鉆頭第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝帶有光纖傳輸系統(tǒng)的激光機(jī)械式三牙輪旋轉(zhuǎn)鉆頭

5.下一代鉆頭第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝激光機(jī)械式三牙輪鉆頭橫截面

5.下一代鉆頭第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝裝備有激光機(jī)械的切屑齒鉆頭（cutterbit）

1、刮刀鉆頭的破巖機(jī)理刀翼受力：垂直向下力（鉆壓）、扭矩力（旋轉(zhuǎn)）產(chǎn)生向下的垂直運(yùn)動(dòng)和水平的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)軌跡：點(diǎn)—螺旋線，刀翼—螺旋面刀翼以螺旋面吃入地層—井底面與水平面形成一定角度。P和T的合力R可分解為：與剪切面平行和垂直的分力。二、破巖機(jī)理第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝1、牙輪鉆頭的破巖機(jī)理（1）沖擊、壓碎作用

鉆頭在井底工作時(shí)，鉆頭及其牙輪繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)（亦稱“公轉(zhuǎn)”－順時(shí)針）。由于地層對(duì)牙齒的阻力，也使牙輪同時(shí)繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)（亦稱“自轉(zhuǎn)”－反時(shí)針）。牙輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙齒交替以單雙齒輪流接觸井底。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝井底鉆頭在鉆壓、轉(zhuǎn)速下破碎巖石，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)是一個(gè)復(fù)雜的問題。復(fù)合運(yùn)動(dòng)及螺旋軌跡。地層、鉆頭視為剛體分析

牙輪以單齒接觸井底時(shí)，牙輪中心在0位置；雙齒著地時(shí)，輪心降低到01；單齒再次接觸井底，輪心又升高到0位置。如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)，牙輪軸心高度周期性的升高，降低，使鉆頭產(chǎn)生縱向振動(dòng)，振幅是軸心的垂直位移h。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝牙輪鉆頭在井底破巖時(shí)，牙齒作用在巖石上的力，不僅有鉆壓產(chǎn)生的靜載荷，還有因縱向振動(dòng)而使牙齒以很高速度沖向巖石所產(chǎn)生的動(dòng)載荷，前者使牙齒壓碎巖石，稱為壓碎作用；后者使牙齒沖擊破碎巖石，稱為沖擊作用。與牙輪尺寸、齒數(shù)及齒高等有關(guān)軸承、牙齒易磨損破壞（2）剪切作用

在軟和中硬地層中，除了要求牙齒對(duì)井底巖石有壓碎、沖擊作用外，還要有剪切刮擠的作用才能有效地破碎巖石，剪切刮擠作用來(lái)自牙輪在井底的滑動(dòng)。具有超頂、復(fù)錐、移軸等結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭，可使牙輪在井底產(chǎn)生滑動(dòng)。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝單錐超頂滑動(dòng)示意圖第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝假定：牙輪—光滑圓錐井底、牙輪—?jiǎng)傮w2、金剛石鉆頭的破巖機(jī)理(1)天然金剛石鉆頭破巖方式

當(dāng)鉆硬地層時(shí)：金剛石在鉆壓作用下吃入巖石—巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)—呈塑性—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遠(yuǎn)大于金剛石吃入巖石的體積。金剛石破巖特點(diǎn)第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝（2） PDC鉆頭破巖方式鉆頭是在鉆壓和高速旋轉(zhuǎn)下擠壓（在井下環(huán)境中巖石具有一定的彈性和塑性）和切削巖石。整個(gè)切削過程，與金屬切削過程很相似，其破巖機(jī)理類同于刮刀鉆頭。PDC鉆頭破巖特點(diǎn)第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝

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。由此可以看出，PDC鉆頭充分利用了巖石抗剪強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，同時(shí)不存在類似于牙輪鉆頭破巖時(shí)因壓差引起的重復(fù)切削問題，因此，破巖效率比普通刮刀鉆頭及牙輪鉆頭要高。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝1、國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭系列標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭型號(hào)表示方法見圖4-21。三、鉆頭系列標(biāo)準(zhǔn)第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝形式代號(hào)，由表4-14規(guī)定的數(shù)字表示系列名稱代號(hào)，用表4-12規(guī)定的字表示鉆頭直徑，用數(shù)字表示215.9（81/2）×XHP2表示用于軟地層、直徑215.9mm、鑲齒滑動(dòng)軸承鉆頭國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭系列第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝2、國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)鉆頭統(tǒng)一編號(hào)

牙輪鉆頭的類型和結(jié)構(gòu)比較繁雜，各廠家生產(chǎn)的鉆頭雖各有代號(hào)，但大都采用國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)(IADC)牙輪鉆頭編號(hào)，以便識(shí)別和選用。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝IADC鉆頭編碼用三位數(shù)字代表第一位數(shù)字表示牙齒特征及所適用地層:1─銑齒，軟地層（低抗壓強(qiáng)度；高可鉆性）2─銑齒，中到中硬地層（高抗壓強(qiáng)度）3─銑齒，硬地層（中等研磨性）4─鑲齒，軟地層（低抗壓強(qiáng)度和高可鉆性5─鑲齒，軟到中硬地層（低抗壓強(qiáng)度）6─鑲齒，中硬地層（高抗壓強(qiáng)度）7─鑲齒，硬地層（中等研磨性）8─鑲齒，極硬地層（高研磨性）第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝第二位數(shù)字表示所鉆地層再由軟到硬分為四個(gè)等級(jí)。第三位數(shù)字表示鉆頭結(jié)構(gòu)特征：1─標(biāo)準(zhǔn)型滾動(dòng)軸承2─用空氣清洗和冷卻的滾動(dòng)軸承3─滾動(dòng)軸承保徑鉆頭4─密封滾動(dòng)軸承5─密封滾動(dòng)軸承保徑齒6─密封滑動(dòng)軸承7─密封滑動(dòng)軸承及保徑齒8─定向井鉆頭9─其他第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝?yán)?：321第一位數(shù)字3表示鋼齒、硬地層；第二位數(shù)字表示硬地層2級(jí)；第三位數(shù)字1表示標(biāo)準(zhǔn)軸承。例2：817第一位數(shù)字8表示鑲齒、極硬地層；第二位數(shù)字1表示極硬地層1級(jí)；第三位數(shù)字表示滑動(dòng)軸承、保徑齒。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝3、金剛石鉆頭

金剛石鉆頭目前還沒有統(tǒng)一的系列標(biāo)準(zhǔn)，一般均為各生產(chǎn)廠家只有系列標(biāo)準(zhǔn)。以川石.克里斯坦森公司為例，其金剛石鉆頭系列見表4-13。

第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝1、選擇鉆頭時(shí)考慮的因素

1)研磨性地層的選擇。最好選用鑲齒鉆頭。2)淺井段與深井段鉆頭類型的選擇。在淺井段應(yīng)選用機(jī)械鉆速較高的鉆頭類型，深井段應(yīng)考慮使用壽命長(zhǎng)的鉆頭。3)深部軟地層的選型。用低固相優(yōu)質(zhì)輕鉆井液，選擇中硬地層鉆頭類型，往往效果較好。“橡皮地層”—（經(jīng)驗(yàn)）4)易井斜地層的選型。應(yīng)選用不移軸或移軸量很小且比地層巖石性能較軟類型的鉆頭——提高鉆速（經(jīng)驗(yàn)）。5)軟硬交錯(cuò)地層的選型。一般應(yīng)選擇鑲齒鉆頭中加高楔形齒或加高錐球齒。鉆進(jìn)軟地層時(shí)可提高轉(zhuǎn)速降低鉆壓，在硬地層井段應(yīng)提高鉆壓降低轉(zhuǎn)速。四、鉆頭選擇第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝2、按鉆頭產(chǎn)品目錄選擇鉆頭類型牙輪鉆頭：第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝

例：某井井深4000m，石灰?guī)r地層，試選用國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭類型。根據(jù)國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭產(chǎn)品目錄，適合一般石灰?guī)r地層的鉆頭類型有3型和4型?？紤]到井深較大，建議選用4型國(guó)產(chǎn)三牙輪鉆頭。金剛石鉆頭價(jià)格高昂，要取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，關(guān)鍵在于根據(jù)地層巖性（硬度、研磨性、硬夾層的多少及分布）及井隊(duì)的裝備條件（鉆機(jī)及鉆井液的工作能力、是否配備井下動(dòng)力鉆具籌），準(zhǔn)確選用對(duì)號(hào)的金剛石鉆頭。金剛石鉆頭的選用可參考下表4-14。第三節(jié)鉆頭第三章鉆進(jìn)工藝金剛石鉆頭：3、最低成本是鉆頭選型與合理使用的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于鉆頭的