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钻进工具 - 金刚石钻头

发布日期:2021-01-04 13:00 作者:老哥稳论坛

  第二章钻进工具 第一节、钻头 一、钻头概述 二、牙轮钻头 三、金刚石钻头和刮刀钻头 第二节、钻柱 三、金刚石钻头和刮刀钻头 金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。 由钻头体、冠部、水力结构(水眼及水 组成。1、金刚石钻头的总体结构 金刚石钻头分为天然金刚石钻头、聚晶 金刚石复合片钻头(PDC钻头)、热稳 定性聚晶金刚石钻头(TSP钻头) 三、金刚石钻头和刮刀钻头(1)钻头体,钢制材料,连接钻柱 (2)冠部是切削岩石的工作部分,有 切削齿(由胎体和刚体相连) 1、金刚石钻头的总体结构 三、金刚石钻头和刮刀钻头(3)金刚石钻头的水力结构 天然金刚石钻头和TSP钻头,钻井液从中心水孔流 出,由表面水槽分散冷却 PDC钻头,钻井液从水眼流出,经分流元件分散到 钻头各处,水眼位臵和数量由钻头结构而定。 (4)保径部分,有拉槽式、平镶式和组合式 1、金刚石钻头的总体结构 三、金刚石钻头和刮刀钻头 (5)金刚石钻头的切削刃 天然金刚石(最硬、抗压强度最大,抗磨损能力最高)。 弱点:脆性大,热稳定性差 0.5粒/克拉-15粒/克拉 卡邦(Carnon)、伯尔兹(Boarz)、巴拉斯(Ballas)、刚果金刚石 PDC(钴粘合、与碳化钨结合) 特点:抗磨性和强度,要高于天然金刚石,但是抗冲击的能力差 TSP(滤钴粘合)巴拉斯钻头 特点:耐磨性高于PDC钻头,抗冲击能力强 1、金刚石钻头的总体结构 三、金刚石钻头和刮刀钻头 1、金刚石钻头的总体结构 PDC钻头 三、金刚石钻头和刮刀钻头 1、金刚石钻头的总体结构 TSP巴拉斯钻头 三、金刚石钻头和刮刀钻头 2、天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 (1)冠部的几何特征 冠部的形状 适用的地层 双锥阶梯形 双锥形较硬和致密岩石 硬地层带波纹的B形 坚硬地层 三、金刚石钻头和刮刀钻头 2、天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 (2)水力结构(水孔-水槽式) 三、金刚石钻头和刮刀钻头 2、天然金刚石钻头和TSP钻头的结构 (3)金刚石的粒度和排列方式 硬地层 坚硬地层 软地层 切入地层深度:软 1/10,硬1/100 最大出刀不超过1/3 粒度: 3-6粒/克拉硬地层 12粒/克拉 坚硬小于12粒/克拉 三、金刚石钻头和刮刀钻头 3、PDC钻头的结构 胎体PDC钻头与钢体PDC钻头胎体PDC钻头:碳化钨烧制而成,在窝槽上焊接复合片 钢体PDC钻头:与钻头体一致,复合片焊接在切削齿上, 再将切削齿镶嵌在钻头体上 三、金刚石钻头和刮刀钻头 3、PDC钻头的结构 胎体PDC钻头与钢体PDC钻头钢体PDC钻头 胎体PDC钻头 三、金刚石钻头和刮刀钻头 3、PDC钻头的结构 (2)冠部的几何形状 内锥、顶部、侧面、肩部和保径 顶部:硬地层(大半径、宽顶部)软地层(小半径) 侧面:直线(外侧部尖,吃入性好) 弧线(高钻速、高抗磨) 保径:(与井斜控制能力有关) 三、金刚石钻头和刮刀钻头 3、PDC钻头的结构 (3)水力结构和切削刃的分布 刮刀式、单齿式、组合式 刮刀式:将切削齿沿着从钻头中心附近到保径部位的直线 整体度高、抗冲击能力强、易于清洗和冷却、排泄好、抗泥包能力强。适合粘性和软地层 三、金刚石钻头和刮刀钻头 3、PDC钻头的结构 (3)水力结构和切削刃的分布 单齿式:将切削刃单个布臵在钻头工作面上,适当位臵布 臵水眼,钻井液流出,切削刃受到清洗和冷却。 布齿区域大、布齿密度高,可提高钻头使用寿命,水力控 制能力低。 组合式:直线刮刀和单齿相结合的方式,适当位臵布臵水 眼。具有较好的清洗、冷却和排屑能力,布齿密度高。中 硬地层。 三、金刚石钻头和刮刀钻头 3、PDC钻头的结构 (3)水力结构和切削刃的分布 布齿原则: 布齿密度随地层硬度增大而增大; 切削齿的布臵和刀翼分布和有利于提高钻头的稳定性; 切削齿和刀翼的布臵有利于提高水力清洗和冷却效果。 三、金刚石钻头和刮刀钻头 3、PDC钻头的结构 (4)切削刃的工作角 后倾角(负前角)α:起到保护切削齿,延长寿命的作用。 取值10~30,软地层小一些,硬地层大一些。 侧倾角(旁锋刀面角)β:钻头旋转时,切削刃面对切屑产 生向外侧的推力,有利于向外排除岩屑。 三、金刚石钻头和刮刀钻头 4、金刚石钻头的工作原理 切削(剪切)破碎岩石。 软的塑性地层破碎过程: 吃入岩石连续切削, 硬的脆性地层破碎过程: 吃入岩石碰撞 挤压及小剪切大剪切。 (1)PDC钻头工作机理 三、金刚石钻头和刮刀钻头 4、金刚石钻头的工作原理 概括地讲,金刚石钻头以磨削(研磨)方式破碎岩石,类似 于砂轮磨削金属的过程。 (2)天然金刚石钻头和TSP钻头的工作原理 在塑性地层中,如泥岩、泥质砂岩、石膏等,以切削作用破碎 岩石,类似于金属的切削过程。 在脆性地层中,如石英砂岩等,金刚石破碎岩石的特点主要表 现为脆性体积破碎,以剪力和张力破岩,破岩效率高。 在坚硬岩石中,如燧石、硅质白云岩、硅质石灰岩等,一般用 孕镶钻头钻进,金刚石以微切削、刻划方式破碎岩石。 三、金刚石钻头和刮刀钻头 5、金刚石钻头的特点 (1)一体性,适应于高钻速和定向井钻井 (2)使用正确时,耐磨寿命长,适用于深井和研磨性地层 (3)高温情况下,不会出现轴承密封失效 (4)适用于小井眼钻井 (5)设计制造灵活 (6)PDC钻头是切削钻头,有着自锐特点 (7)受热稳定性限制 (8)抗冲击载荷性能差 (9)价格昂贵 三、金刚石钻头和刮刀钻头 6、金刚石钻头的选型原则和分类 选型原则 (1)天然金刚石钻头适合于硬和坚硬的地层钻井,TSP钻 头适合于具有研磨性和中等硬度至硬地层钻井 (2)PDC钻头适合于软到中硬的地层,适合均质地层 (3)以每米成本最低作为选型标准 (4)收集钻头的资料和磨损分析 (5)按照产品说明的适用性选择 三、金刚石钻头和刮刀钻头 6、金刚石钻头的选型原则和分类 IADC 第一位字码 第二位字码 第三位字码 第四位字码 切削齿的种类 钻头体材料 钻头冠部形状 钻头水力结构 特点 切削齿的大小和 切削齿的密度 1-9,01-9,R、X、 1-9,0D—天然金刚石 S—PDC切削刃 O—其他1-9和0中的钻头 形状代码,D为钻 头直径,G为锥 体高度 R-放射式流道 X-分流式流道 O-其他形式流 切削齿的大小和切削齿的密度 三、金刚石钻头和刮刀钻头7、金刚石钻头的使用 井底要求清洁 避免划眼 钻井参数和选择 转速;尽可能高些排量:满足携岩要求 三、金刚石钻头和刮刀钻头 8、刮刀钻头 上钻头体、下钻头体、刀翼、水眼 三、金刚石钻头和刮刀钻头 8、刮刀钻头 破岩机理:切削、 剪切、挤压方式, 塑性地层易吃入, 刃前岩石产生流动, 切削 塑脆性岩石,碰 撞、压碎、小剪切 和大剪切 塑脆性岩石 适用于松软和软地层


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