钻井与完井工程西南石油大学.ppt
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1、岩石的各向异性岩石的各向异性l l定义定义 岩石在垂直于层理和平行于层理方向上的力岩石在垂直于层理和平行于层理方向上的力岩石在垂直于层理和平行于层理方向上的力岩石在垂直于层理和平行于层理方向上的力学性质是不一样的。学性质是不一样的。学性质是不一样的。学性质是不一样的。力学性质包括力学性质包括力学性质包括力学性质包括 l l岩石的弹性常数岩石的弹性常数岩石的弹性常数岩石的弹性常数 l l岩石的泊松比岩石的泊松比岩石的泊松比岩石的泊松比 l l岩石的强度岩石的强度岩石的强度岩石的强度 l l岩石的机械钻速岩石的机械钻速岩石的机械钻速岩石的机械钻速钻头钻头基本要求基本要求l l钻头的结构(刮刀、牙轮
2、、钻头的结构(刮刀、牙轮、PDC)l l钻头的破岩原理钻头的破岩原理 l l重点掌握三牙轮钻头的运动分析及破重点掌握三牙轮钻头的运动分析及破岩原理岩原理 钻头钻头主要内容主要内容l l石油钻井用钻头类型石油钻井用钻头类型 刮刀钻头刮刀钻头刮刀钻头刮刀钻头(Drag bit)(Drag bit)牙轮钻头牙轮钻头牙轮钻头牙轮钻头(Cone rolling bit)(Cone rolling bit)金刚石钻头金刚石钻头金刚石钻头金刚石钻头 l l各型钻头的结构、破岩机理、合理使用各型钻头的结构、破岩机理、合理使用 l l钻头的选型钻头的选型钻头的类型钻头的类型 l刮刀钻头刮刀钻头 l牙轮钻头牙轮钻
3、头 l金刚石钻头金刚石钻头 天然金刚石钻头()天然金刚石钻头()人造聚晶金刚石钻头()人造聚晶金刚石钻头()热稳定聚晶金刚石钻头()热稳定聚晶金刚石钻头()l特殊用途钻头特殊用途钻头 取心钻头取心钻头(Coring bit)(Coring bit)扩眼钻头扩眼钻头(reamer)(reamer)刮刀钻头刮刀钻头刮刀钻头刮刀钻头(Drag bit)(Drag bit)刮刀钻头的破岩原理刮刀钻头的破岩原理破岩共同规律破岩共同规律破碎塑性岩石破碎塑性岩石刮刀钻头的破岩原理刮刀钻头的破岩原理破碎塑脆性岩石破碎塑脆性岩石撞击、压碎及小剪切、撞击、压碎及小剪切、大剪切大剪切刮刀钻头的破岩机理刮刀钻头的破岩
4、机理l l塑脆性岩石塑脆性岩石 刀翼向前推井碰撞刃前岩石刀翼向前推井碰撞刃前岩石刀翼向前推井碰撞刃前岩石刀翼向前推井碰撞刃前岩石 刀翼在扭力作用下压碎前方的岩石,使其刀翼在扭力作用下压碎前方的岩石,使其刀翼在扭力作用下压碎前方的岩石,使其刀翼在扭力作用下压碎前方的岩石,使其产生小剪切破碎施转力增大。产生小剪切破碎施转力增大。产生小剪切破碎施转力增大。产生小剪切破碎施转力增大。当扭力增大到极限值时,岩石沿剪切面产生当扭力增大到极限值时,岩石沿剪切面产生当扭力增大到极限值时,岩石沿剪切面产生当扭力增大到极限值时,岩石沿剪切面产生大剪切破碎,然后扭力突然减小。大剪切破碎,然后扭力突然减小。大剪切破碎
5、,然后扭力突然减小。大剪切破碎,然后扭力突然减小。刮刀钻头的使用刮刀钻头的使用l l刮刀钻头适用的地层刮刀钻头适用的地层 泥岩及页岩等软地层泥岩及页岩等软地层 l l参数配合参数配合 增加转速,适当减小钻压,提高排量增加转速,适当减小钻压,提高排量 三牙轮钻头三牙轮钻头l l三牙轮钻头的基本结构三牙轮钻头的基本结构 钻头本体钻头本体钻头本体钻头本体 l l有三片牙掌组装焊接在一起有三片牙掌组装焊接在一起有三片牙掌组装焊接在一起有三片牙掌组装焊接在一起,上部有连接丝扣。上部有连接丝扣。上部有连接丝扣。上部有连接丝扣。牙轮:由牙轮体和牙齿组成牙轮:由牙轮体和牙齿组成牙轮:由牙轮体和牙齿组成牙轮:由
6、牙轮体和牙齿组成 l l锥形的金属体。锥形的金属体。锥形的金属体。锥形的金属体。l l牙齿:分铣齿和镶齿两种类型牙齿:分铣齿和镶齿两种类型牙齿:分铣齿和镶齿两种类型牙齿:分铣齿和镶齿两种类型 轴承及其储油密封装置轴承及其储油密封装置轴承及其储油密封装置轴承及其储油密封装置 喷嘴喷嘴喷嘴喷嘴铣齿钻头 丝扣牙轮铣齿巴掌喷嘴三牙轮铣齿钻头三牙轮铣齿钻头l l 丝扣牙轮镶齿巴掌镶齿钻头 喷嘴l l 牙轮钻头的破岩机理牙轮钻头的破岩机理l l牙轮钻头在井底工作的复合运动牙轮钻头在井底工作的复合运动 钻头的公转(牵连速度)钻头的公转(牵连速度)牙轮绕牙轮轴的自转(相对运动)牙轮绕牙轮轴的自转(相对运动)轮
7、齿相对于岩石的滑动切削速度轮齿相对于岩石的滑动切削速度 钻头的纵向振动钻头的纵向振动岩轮钻头的冲击、压碎作用岩轮钻头的冲击、压碎作用l l钻进时,钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石钻进时,钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上,除此静载外,还有因钻头纵向振动造成的上,除此静载外,还有因钻头纵向振动造成的冲击载荷。冲击载荷。l l钻头的冲击载荷有利于破碎岩石,但也会使钻钻头的冲击载荷有利于破碎岩石,但也会使钻头轴承过早破坏,使牙齿特别是硬质合金齿崩头轴承过早破坏,使牙齿特别是硬质合金齿崩碎,造成钻柱的疲劳失效。因此,在钻井中,碎,造成钻柱的疲劳失效。因此,在钻井中,特别是钻硬地层时,要使用减震器。特别
8、是钻硬地层时,要使用减震器。牙轮钻头的冲击作用牙轮钻头的冲击作用牙轮钻头的剪切作用牙轮钻头的剪切作用l l通过牙轮在井底滚动的同时产生轮齿对井底通过牙轮在井底滚动的同时产生轮齿对井底岩石的滑动来实现。产生滑动的三个因素:超岩石的滑动来实现。产生滑动的三个因素:超顶、复锥和移轴。顶、复锥和移轴。超顶引起的滑动(滑动方向垂直于牙轮母线、超顶引起的滑动(滑动方向垂直于牙轮母线、超顶引起的滑动(滑动方向垂直于牙轮母线、超顶引起的滑动(滑动方向垂直于牙轮母线、即沿切线方向)即沿切线方向)即沿切线方向)即沿切线方向)移轴引起的滑动(滑动方向沿牙轴)移轴引起的滑动(滑动方向沿牙轴)移轴引起的滑动(滑动方向沿
9、牙轴)移轴引起的滑动(滑动方向沿牙轴)复锥引起的滑动复锥引起的滑动复锥引起的滑动复锥引起的滑动复锥牙轮包括主锥和副锥如主锥顶与钻头中心复锥牙轮包括主锥和副锥如主锥顶与钻头中心复锥牙轮包括主锥和副锥如主锥顶与钻头中心复锥牙轮包括主锥和副锥如主锥顶与钻头中心重合,则副锥顶必是超顶的,超顶引起切线方重合,则副锥顶必是超顶的,超顶引起切线方重合,则副锥顶必是超顶的,超顶引起切线方重合,则副锥顶必是超顶的,超顶引起切线方向上的滑移。向上的滑移。向上的滑移。向上的滑移。钻头运动方向和牙轮钻头运动方向和牙轮运动方向相反运动方向相反 存在一点存在一点M,其合成,其合成速度为速度为0,该点只有,该点只有滚动,没
10、有滑动。滚动,没有滑动。不同岩性的地层需要不同岩性的地层需要不同的滑动量,地层不同的滑动量,地层越软,塑性越大,牙越软,塑性越大,牙轮的滑动量就大,超轮的滑动量就大,超顶越大。顶越大。牙轮超顶牙轮超顶钻头的运动钻头的运动牙轮的运动牙轮的运动牙轮母线相牙轮母线相对于井底的对于井底的运动运动牙轮的移轴牙轮的移轴牙轮的移轴牙轮的移轴r x y x y VVyVx (x,y)牙轮的移轴牙轮的移轴l l对于牙轮顶点对于牙轮顶点对于牙轮顶点对于牙轮顶点OO,沿着,沿着,沿着,沿着牙轮轴线的速度为:牙轮轴线的速度为:牙轮轴线的速度为:牙轮轴线的速度为:l lVo=Vo=b*S b*S l lS S为移轴的距
11、离为移轴的距离为移轴的距离为移轴的距离 l l移轴的牙轮是一个刚体,移轴的牙轮是一个刚体,移轴的牙轮是一个刚体,移轴的牙轮是一个刚体,在接触的母线上同时产在接触的母线上同时产在接触的母线上同时产在接触的母线上同时产生一轴向滑动速度生一轴向滑动速度生一轴向滑动速度生一轴向滑动速度牙轮钻头破岩机理牙轮钻头破岩机理l l牙轮钻头的剪切作用牙轮钻头的剪切作用 由移轴所引起的轴向滑动可以剪切掉齿圈间由移轴所引起的轴向滑动可以剪切掉齿圈间由移轴所引起的轴向滑动可以剪切掉齿圈间由移轴所引起的轴向滑动可以剪切掉齿圈间的岩石,而超顶和复锥所引起的切向方向上的的岩石,而超顶和复锥所引起的切向方向上的的岩石,而超顶
12、和复锥所引起的切向方向上的的岩石,而超顶和复锥所引起的切向方向上的滑动可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间滑动可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间滑动可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间滑动可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。滑动增加了牙齿的磨损。的岩石。滑动增加了牙齿的磨损。的岩石。滑动增加了牙齿的磨损。的岩石。滑动增加了牙齿的磨损。对于极软到中硬地层的钻头,一般兼有移轴、对于极软到中硬地层的钻头,一般兼有移轴、对于极软到中硬地层的钻头,一般兼有移轴、对于极软到中硬地层的钻头,一般兼有移轴、超顶和复锥;中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。超顶和复锥;中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。超顶和复锥
13、;中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。超顶和复锥;中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。极硬地层,所选钻头为纯滚动(单锥、不超顶、极硬地层,所选钻头为纯滚动(单锥、不超顶、极硬地层,所选钻头为纯滚动(单锥、不超顶、极硬地层,所选钻头为纯滚动(单锥、不超顶、不移轴)。不移轴)。不移轴)。不移轴)。牙轮钻头的结构和类型牙轮钻头的结构和类型l钻头直径钻头直径 l牙轮的轴线偏移量牙轮的轴线偏移量 软地层、高塑性的岩层,偏移值要大软地层、高塑性的岩层,偏移值要大 硬地层、低塑性的岩层,偏移值要小硬地层、低塑性的岩层,偏移值要小 极硬地层、高研磨性地层,无偏移量极硬地层、高研磨性地层,无偏移量 l牙轮轴线与钻头轴线的夹
14、角牙轮轴线与钻头轴线的夹角=51-55 软地层软地层 角较大,硬地层角较大,硬地层 角较小角较小 牙轮的形状及布置牙轮的形状及布置l l牙轮的几何形状及尺寸牙轮的几何形状及尺寸 主锥角、副锥角、牙轮总高主锥角、副锥角、牙轮总高主锥角、副锥角、牙轮总高主锥角、副锥角、牙轮总高 牙轮最大外径、背锥角牙轮最大外径、背锥角牙轮最大外径、背锥角牙轮最大外径、背锥角 l l牙轮的布置牙轮的布置 非自洗式非自洗式非自洗式非自洗式 自洗不移轴自洗不移轴自洗不移轴自洗不移轴 自洗移轴自洗移轴自洗移轴自洗移轴主锥角主锥角2 副锥角副锥角2 牙轮总高牙轮总高H 牙轮最大外牙轮最大外 径径d 背锥角背锥角2 牙轮的几
15、何形状尺寸牙轮的几何形状尺寸牙轮的布置方式牙轮的布置方式牙轮的布置方式牙轮的布置方式牙轮钻头牙轮钻头牙轮钻头牙轮钻头非自洗非自洗 布齿方案布齿方案自洗不移轴自洗不移轴 布齿方案布齿方案自洗移轴自洗移轴 布齿方案布齿方案牙轮钻头牙轮钻头l牙轮上牙齿的布置牙轮上牙齿的布置 钻头每转一周中,牙齿应全部破碎井底钻头每转一周中,牙齿应全部破碎井底 牙牙轮轮在在重重复复滚滚动动时时应应使使牙牙齿齿不不致致落落入入别别的的齿齿已破碎的旧坑内。已破碎的旧坑内。各各牙牙轮轮齿齿圈圈上上的的牙牙齿齿数数应应使使每每齿齿均均匀匀地地承承担担破破碎碎井井底底岩岩石石的的任任务务。所所以以外外圈圈齿齿数数应应多多些些,
16、内圈齿应少些。内圈齿应少些。l l布齿的一般原则布齿的一般原则 长而稀疏的钢齿用来钻进软地层,稀疏布齿长而稀疏的钢齿用来钻进软地层,稀疏布齿长而稀疏的钢齿用来钻进软地层,稀疏布齿长而稀疏的钢齿用来钻进软地层,稀疏布齿有利于钻头的清洗。有利于钻头的清洗。有利于钻头的清洗。有利于钻头的清洗。密而短的镶齿适合于钻硬地层。密而短的镶齿适合于钻硬地层。密而短的镶齿适合于钻硬地层。密而短的镶齿适合于钻硬地层。牙轮钻头的牙齿牙轮钻头的牙齿l对于牙齿的基本要求是破岩效率高、寿命长。为满对于牙齿的基本要求是破岩效率高、寿命长。为满足这一要求,一是牙齿的几何形状要合理;二是齿的足这一要求,一是牙齿的几何形状要合理
17、;二是齿的材料要耐磨并有足够的强度。材料要耐磨并有足够的强度。l目前牙轮钻头的牙齿有铣齿(也称钢齿)和硬质合目前牙轮钻头的牙齿有铣齿(也称钢齿)和硬质合金齿(简称镶齿)两大类。金齿(简称镶齿)两大类。牙轮钻头的牙齿(铣齿)牙轮钻头的牙齿(铣齿)l铣铣齿齿牙牙轮轮钻钻头头的的牙牙齿齿与与牙牙轮轮壳壳体体成成一一体体,它它是是由由牙牙轮轮毛毛坯坯经经过过铣铣削削加加工工形形成成,为为了了提提高高牙牙齿的耐磨性,在齿面上敷焊硬质合金粉。齿的耐磨性,在齿面上敷焊硬质合金粉。l铣铣齿齿的的齿齿型型主主要要是是楔楔形形齿齿。外外排排保保径径齿齿可可作作成成 型、型、T T型、型、L L形。形。牙轮钻头的牙
18、齿(镶齿)牙轮钻头的牙齿(镶齿)l l楔形齿楔形齿 适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地层,齿尖角同层,齿尖角同层,齿尖角同层,齿尖角同65656565 90909090 不等,齿尖角小的适不等,齿尖角小的适不等,齿尖角小的适不等,齿尖角小的适合软地层,齿尖角大的适合较硬的地层。合软地层,齿尖角大的适合较硬的地层。合软地层,齿尖角大的适合较硬的地层。合软地层,齿尖角大的适合较硬的地层。l l锥形齿:锥形齿:分单锥各双锥两种,以压碎方式破碎岩石,分单锥各双锥两种,以压碎方式破碎岩石
19、,分单锥各双锥两种,以压碎方式破碎岩石,分单锥各双锥两种,以压碎方式破碎岩石,60606060 70707070 中等锥形齿用来钻中硬地层,如灰中等锥形齿用来钻中硬地层,如灰中等锥形齿用来钻中硬地层,如灰中等锥形齿用来钻中硬地层,如灰岩、白云岩。岩、白云岩。岩、白云岩。岩、白云岩。90909090 锥及锥及锥及锥及120120120120 双锥型齿适用于研双锥型齿适用于研双锥型齿适用于研双锥型齿适用于研磨性高的坚硬地层,如硬砂岩、石英岩。磨性高的坚硬地层,如硬砂岩、石英岩。磨性高的坚硬地层,如硬砂岩、石英岩。磨性高的坚硬地层,如硬砂岩、石英岩。牙轮钻头的牙齿(镶齿)牙轮钻头的牙齿(镶齿)l l
20、三棱齿:三棱齿:在双锥形齿的锥面上每隔在双锥形齿的锥面上每隔在双锥形齿的锥面上每隔在双锥形齿的锥面上每隔120120120120 削出一个平削出一个平削出一个平削出一个平面而成,适用于硬脆地层和软、塑性地层的交面而成,适用于硬脆地层和软、塑性地层的交面而成,适用于硬脆地层和软、塑性地层的交面而成,适用于硬脆地层和软、塑性地层的交错层。错层。错层。错层。球形齿:强度和耐磨性较高,以压碎和冲击的球形齿:强度和耐磨性较高,以压碎和冲击的球形齿:强度和耐磨性较高,以压碎和冲击的球形齿:强度和耐磨性较高,以压碎和冲击的方式破碎高研磨性的坚硬地层,如燧石、石英方式破碎高研磨性的坚硬地层,如燧石、石英方式破
21、碎高研磨性的坚硬地层,如燧石、石英方式破碎高研磨性的坚硬地层,如燧石、石英岩、玄武岩、花岗岩。岩、玄武岩、花岗岩。岩、玄武岩、花岗岩。岩、玄武岩、花岗岩。抛射体形齿:它是环形齿的变形,齿较高但有抛射体形齿:它是环形齿的变形,齿较高但有抛射体形齿:它是环形齿的变形,齿较高但有抛射体形齿:它是环形齿的变形,齿较高但有一定强度,适用高研磨性的坚硬地层。一定强度,适用高研磨性的坚硬地层。一定强度,适用高研磨性的坚硬地层。一定强度,适用高研磨性的坚硬地层。牙轮钻头的牙齿(镶齿)牙轮钻头的牙齿(镶齿)l l平顶性齿:平顶性齿:齿形园柱体,端部有倒角,只用在牙轮的背齿形园柱体,端部有倒角,只用在牙轮的背齿形
22、园柱体,端部有倒角,只用在牙轮的背齿形园柱体,端部有倒角,只用在牙轮的背锥上,以防止牙轮背锥磨损,从而维持规径大锥上,以防止牙轮背锥磨损,从而维持规径大锥上,以防止牙轮背锥磨损,从而维持规径大锥上,以防止牙轮背锥磨损,从而维持规径大小。小。小。小。斜楔形齿:基本是楔形,但齿刃部分为一端窄斜楔形齿:基本是楔形,但齿刃部分为一端窄斜楔形齿:基本是楔形,但齿刃部分为一端窄斜楔形齿:基本是楔形,但齿刃部分为一端窄,一端宽。用在中硬到软地层钻头的外排齿上。,一端宽。用在中硬到软地层钻头的外排齿上。,一端宽。用在中硬到软地层钻头的外排齿上。,一端宽。用在中硬到软地层钻头的外排齿上。宽的一边耐磨性大,装在钻
23、头外缘,以切削井宽的一边耐磨性大,装在钻头外缘,以切削井宽的一边耐磨性大,装在钻头外缘,以切削井宽的一边耐磨性大,装在钻头外缘,以切削井壁防止钻头磨小。壁防止钻头磨小。壁防止钻头磨小。壁防止钻头磨小。牙轮钻头牙齿破岩机理牙轮钻头牙齿破岩机理l l外力超过岩石的抗压强度后,钻头齿下形成外力超过岩石的抗压强度后,钻头齿下形成细岩粉的楔子细岩粉的楔子 l l增大外力,楔中的岩石发生剪切破坏。增大外力,楔中的岩石发生剪切破坏。l l形成破碎区形成破碎区 l l由于压差的不同,岩石表现出的同的破坏特由于压差的不同,岩石表现出的同的破坏特性。性。牙轮钻头的轴承牙轮钻头的轴承l结构:三副承受径向载荷的轴承结
24、构:三副承受径向载荷的轴承 滚柱滚珠滑动滚柱滚珠滑动 滚柱滚珠滚柱滚柱滚珠滚柱 l工工作作条条件件和和磨磨损损:承承压压(钻钻压压60-70%60-70%),承承受冲击载荷(牙轴颈)受冲击载荷(牙轴颈)l磨磨损损:泥泥浆浆中中的的杂杂质质、液液体体介介质质的的性性质质对对轴轴承的磨损影响较大。承的磨损影响较大。l轴承的储油润滑和密封轴承的储油润滑和密封 l l 牙轮钻头的轴承牙轮钻头的轴承形式代号,由表2-6规定的数字表示 系列名称代号,用表4-12规定的字表示(该表有误)钻头直径,用数字表示 215.9 XHP-R 215.9 XHP-R 表示用于表示用于软地地层、直径、直径215.9mm2
25、15.9mm、镶齿滑滑动轴承承钻头国产牙轮钻头表示方法国产牙轮钻头表示方法国产三牙轮钻头形式与适应地层国产三牙轮钻头形式与适应地层IADC钻头的命名钻头的命名lIADCIADC统一一编号号 三位数字三位数字 第第一一位位:表表示示牙牙齿齿的的特特征征及及适适用用地地层层(1-81-8)第第二二位位:表表示示所所钻钻地地层层再再由由软软到到硬硬分分为为四个等级(四个等级(1-41-4)第三位:表示钻头结构特征(第三位:表示钻头结构特征(1-91-9)牙轮钻头的合理使用牙轮钻头的合理使用l牙轮钻头的选型牙轮钻头的选型 钻头结构、特点、作用原理钻头结构、特点、作用原理 地层岩石性质:地层岩石性质:l
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