[精选]石油钻井设备与工具--聚晶金刚石钻头.pptx
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1、第四节第四节 聚晶聚晶 石钻头石钻头 以以 石类材料为切削齿的钻头统称为石类材料为切削齿的钻头统称为 石钻头。石钻头。按照按照 石种类的不同,将石种类的不同,将 石钻头分为四类:石钻头分为四类:1 1、聚晶、聚晶 石复合片石复合片PDCPDC钻头钻头 2 2、热稳定聚晶、热稳定聚晶 石钻头石钻头TSPTSP 3 3、表镶、表镶 石钻头石钻头 4 4、孕镶、孕镶 石钻头石钻头聚晶聚晶 石复合片钻头石复合片钻头表镶 石钻头孕镶 石钻头一、一、石类材料简介石类材料简介1 1、切削齿对材料性能的要求、切削齿对材料性能的要求 1 1良好的机械力学性能。破岩需要良好的硬度、强度、韧良好的机械力学性能。破岩
2、需要良好的硬度、强度、韧性。性。2 2耐磨性。抵御岩石的磨损。耐磨性。抵御岩石的磨损。满足以上要求的材料有金属陶瓷、满足以上要求的材料有金属陶瓷、石,统称为超硬材石,统称为超硬材料。比方料。比方:硬质合金、单晶和聚晶硬质合金、单晶和聚晶 石等。石等。石是人类目前所知材料中最硬、抗压强度最强、抗磨石是人类目前所知材料中最硬、抗压强度最强、抗磨损能力最高的材料,因此它是作为钻头切削刃最理想的材料。损能力最高的材料,因此它是作为钻头切削刃最理想的材料。天然单晶 石2 2、石的种类石的种类 石按其成因可分为两大类:石按其成因可分为两大类:天然天然 石:单晶石:单晶 石石;人造人造 石:单晶或聚晶石:单
3、晶或聚晶 石、聚晶石、聚晶 石复合材料石复合材料。人造单晶 石聚晶 石聚晶 石复合材料复合片图1 爪型复合片图2 常规复合片聚晶金刚石层硬质合金3、石材料简介石材料简介1性能性能硬度硬度弹性模量弹性模量冲击韧性冲击韧性热胀系数热胀系数热传导系数热传导系数抗压强度抗压强度2 石的结构石的结构石墨 石 石为石墨的同素异形体。石的晶体类型:3、合成、合成 石机理与工艺石机理与工艺碳的相图 人造人造 石的是用石墨在某些金属触媒的作用下,在石的是用石墨在某些金属触媒的作用下,在5 510MPa10MPa压力及压力及1000C1000C2000C2000C高温条件下制成单晶高温条件下制成单晶 石。目前已能
4、合成直径石。目前已能合成直径3mm3mm或更大的大颗粒单晶或更大的大颗粒单晶 石,石,但成本较高但成本较高 。目前我国人造单晶目前我国人造单晶 石的产量已居世界第一位。石的产量已居世界第一位。合成合成 石的方法很多,主要有石的方法很多,主要有 高压法高压法:静压法静压法 动压法动压法 低压法低压法:CVDCVD法法 六面六面顶压顶压机机结结构原理构原理4、石材料的特点石材料的特点 优点:硬、耐磨优点:硬、耐磨 缺点:缺点:脆性较大,遇到冲击载荷会引起破裂。脆性较大,遇到冲击载荷会引起破裂。热稳定性较差,在高温下热稳定性较差,在高温下 石会燃烧变为二氧化碳和一氧化碳;在空石会燃烧变为二氧化碳和一
5、氧化碳;在空气中,约在气中,约在455455860860之间,之间,石就要出现氧化燃烧;在惰性或复原性气体石就要出现氧化燃烧;在惰性或复原性气体中不会氧化燃烧,但约在中不会氧化燃烧,但约在1430C1430C时,时,石晶体出现同素异形转换变成石墨。石晶体出现同素异形转换变成石墨。对于聚晶对于聚晶 石复合片由于内部含有局部金属,由于金属材料的热膨胀系数远石复合片由于内部含有局部金属,由于金属材料的热膨胀系数远大于大于 石的热膨胀系数,急剧受热容易引起热裂。石的热膨胀系数,急剧受热容易引起热裂。因而,因而,石钻头的设计、制造和使用中必须防止石钻头的设计、制造和使用中必须防止 石材料经受高的冲石材料
6、经受高的冲击载荷并保证击载荷并保证 石切削齿的及时冷却石切削齿的及时冷却 。5、石切削齿1 1单晶单晶 石石 种类:天然、人造种类:天然、人造 特点:颗粒小。特点:颗粒小。2 2聚晶聚晶 石石 聚晶聚晶 石是将直径约石是将直径约1 1100um100um之间的人造之间的人造 石单晶石单晶微粉,参加一定配比的粘结金属或其他材料在高温高压下微粉,参加一定配比的粘结金属或其他材料在高温高压下聚合而成的大颗粒的多晶聚合而成的大颗粒的多晶 石材料。有石材料。有PDCPDC和和TSPTSP两类两类。聚晶聚晶 石复合片石复合片结构:结构:复合片为圆片状,复合片为圆片状,石层厚度一般小于石层厚度一般小于3 m
7、m3 mm,切,切削岩石时作为工作层,碳化钨基体对聚晶削岩石时作为工作层,碳化钨基体对聚晶 石薄层起石薄层起支撑作用。支撑作用。特点:特点:A A、石和硬质合金两种材料的有机结合,使石和硬质合金两种材料的有机结合,使PDCPDC既具有既具有 石的硬度和耐磨性,又具有硬质合金材料的石的硬度和耐磨性,又具有硬质合金材料的强度和抗冲击能力。强度和抗冲击能力。图1 爪型复合片图2 常规复合片聚晶金刚石层硬质合金B、自锐性、自锐性 由于由于 石的耐磨性是硬质合金的石的耐磨性是硬质合金的300倍以上,在钻进过程中硬质合金倍以上,在钻进过程中硬质合金磨损量大于磨损量大于 石层,使得石层,使得 石层始终保持一
8、定的出露量,整个复合片齿石层始终保持一定的出露量,整个复合片齿始终保持良好的锋利性。始终保持良好的锋利性。C C、热稳定性差、热稳定性差 聚晶聚晶 石复合片内部含有局部金属触媒,由于金属材料的热膨胀系石复合片内部含有局部金属触媒,由于金属材料的热膨胀系数远大于数远大于 石的热膨胀系数,急剧受热容易引起热裂。石的热膨胀系数,急剧受热容易引起热裂。同时由于同时由于 石层与硬质合金的热胀系数存在差异,受热也会造成石层与硬质合金的热胀系数存在差异,受热也会造成 石的脱层。石的脱层。其耐热温度其耐热温度700700。D D、脆性大,抗冲击韧性差、脆性大,抗冲击韧性差 石本身脆性大;石本身脆性大;硬质合金
9、层与硬质合金层与 石的弹性模量不同,冲击响应频率不同,受冲击载石的弹性模量不同,冲击响应频率不同,受冲击载荷作用时,荷作用时,石层受到的冲击不能完全由硬质合金层吸收,容易造成石层受到的冲击不能完全由硬质合金层吸收,容易造成 石层发生崩裂,因次适应地层受到限制。石层发生崩裂,因次适应地层受到限制。为提高为提高硬质合金层与硬质合金层与 石层之间的结合强度,增强石层之间的结合强度,增强复合片的耐冲击韧性,复合片的耐冲击韧性,对硬质合金层与对硬质合金层与 石层的结合方式进行了不同的处理,出现了多种结构的石层的结合方式进行了不同的处理,出现了多种结构的复合片。复合片。3、种类 常用的常用的PDCPDC直
10、径为直径为13.4mm13.4mm、16mm 16mm、19mm19mm和和8mm8mm。目前目前PDCPDC正朝着大直径方向开展,最大的直径可达正朝着大直径方向开展,最大的直径可达50.8 mm50.8 mm,而且,而且 石层也有加厚的趋势,已有厚石层也有加厚的趋势,已有厚度达度达2.5mm2.5mm的的PDCPDC齿。齿。热稳定性聚晶热稳定性聚晶 石石Thermally Stable PolycrystallineTSP Diamond 与与PDCPDC的主要区别:将聚晶的主要区别:将聚晶 石中的金属粘结剂用酸石中的金属粘结剂用酸去除,使聚晶去除,使聚晶 石的耐温性大大提高。耐热温度到达石
11、的耐温性大大提高。耐热温度到达11501150。特点:颗粒较大,有一定的耐温性特点:颗粒较大,有一定的耐温性。热稳定聚晶 石二、二、PDC钻头钻头 PDC PDC钻头钻头Polycrystalline Diamond pact BitPolycrystalline Diamond pact Bit,即聚晶,即聚晶 石复石复合片钻头是随着合片钻头是随着PDCPDC复合材料的开展而开展起来的一类新型钻井工具。它复合材料的开展而开展起来的一类新型钻井工具。它是是 石油钻井工业石油钻井工业2020世纪世纪8080年代的一项重大技术成就。年代的一项重大技术成就。PDC PDC钻头在石油钻井中的应用使于钻
12、头在石油钻井中的应用使于7070年代中期。以锋利、耐磨、能够年代中期。以锋利、耐磨、能够自锐的聚晶自锐的聚晶 石复合片切削齿剪切破碎岩石。由于这种钻头在软到中硬地石复合片切削齿剪切破碎岩石。由于这种钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长,大大降低了钻井成本,所以层中机械钻速高、寿命长,大大降低了钻井成本,所以PDCPDC钻头广泛应用于钻头广泛应用于软到中硬地层的油井的钻进。软到中硬地层的油井的钻进。目前,目前,PDCPDC钻头的用量和在钻井中总进尺的比例逐年上升,迄今已到达钻头的用量和在钻井中总进尺的比例逐年上升,迄今已到达45%45%左右。左右。一钻头结构一钻头结构1 1、结构、结构2 2、
13、PDCPDC钻头分类钻头分类 按钻头体材料分类:钢体、胎体;按钻头体材料分类:钢体、胎体;按刀翼数量分类:按刀翼数量分类:3-123-12刮刀。刮刀。钢体钢体PDCPDC钻头钻头胎体胎体PDCPDC钻头钻头钻头结构参数钻头结构参数切削结构切削结构水力结构水力结构3 3、PDCPDC钻头结构参数钻头结构参数切削结构基本参数切削结构基本参数切削结构冠部形状刀翼的数量及结构切削齿的分布切削齿的空间位置保径结构水力结构水力结构流道的结构流道的结构喷嘴及空间结构喷嘴及空间结构水力结构基本参数:水力结构基本参数:二切削结构及参数二切削结构及参数1 1、冠部形状、冠部形状 钻头冠部形状是指钻头切削齿外部轮廓
14、的包络线。由内锥、外锥和鼻部钻头冠部形状是指钻头切削齿外部轮廓的包络线。由内锥、外锥和鼻部组成见图。组成见图。钻头冠部形状钻头冠部形状短抛物线短抛物线长抛物线长抛物线 钻头的冠部形状决定了钻头切削形成的井底形状,使得钻头的冠部形状决定了钻头切削形成的井底形状,使得切削齿接触井底的先后次序发生变化。切削齿接触井底的先后次序发生变化。由于最前端的切削齿鼻部齿在半无限体状态下破碎由于最前端的切削齿鼻部齿在半无限体状态下破碎岩石,所受的单位面积的切削力最大,而后序切削齿由于自岩石,所受的单位面积的切削力最大,而后序切削齿由于自由面形成,所受的单位面积的切削力逐次降低。因此钻头冠由面形成,所受的单位面积
15、的切削力逐次降低。因此钻头冠部形状对切削齿的受力有较大的影响。部形状对切削齿的受力有较大的影响。同时内锥影响钻头的稳定性,外锥影响钻头的布齿数量同时内锥影响钻头的稳定性,外锥影响钻头的布齿数量和布齿密度;内外锥结构对流道形状也有较大的影响。和布齿密度;内外锥结构对流道形状也有较大的影响。冠部形状参数冠部形状参数:对于通常采用的圆弧形冠部,其形状可由内锥角对于通常采用的圆弧形冠部,其形状可由内锥角 和外锥和外锥圆弧半径圆弧半径r r两个参数确定图两个参数确定图。冠部形状参数确定方法冠部形状参数确定方法 冠部内锥角冠部内锥角 的大小影响钻头的稳定性,内锥角的大小影响钻头的稳定性,内锥角 越小钻头越
16、稳定。随着地层硬度的增加,内锥角逐渐减越小钻头越稳定。随着地层硬度的增加,内锥角逐渐减小、内锥高度增加,以保持钻头的稳定性。内锥深度与小、内锥高度增加,以保持钻头的稳定性。内锥深度与内锥角有关,按内锥角的大小将内锥深度分为浅锥和深内锥角有关,按内锥角的大小将内锥深度分为浅锥和深锥两种,对应关系为:锥两种,对应关系为:内锥角内锥角130130浅锥浅锥 内锥角内锥角130130深锥深锥 一般根据地层软硬变化取值范围为一般根据地层软硬变化取值范围为120170120170。钻头的外锥弧半径决定了摆放切削齿的总数量、切钻头的外锥弧半径决定了摆放切削齿的总数量、切削齿的切削体积和流道的形状,因此外锥圆弧
17、半径与钻削齿的切削体积和流道的形状,因此外锥圆弧半径与钻头齿的磨损和携岩效果密切相关。头齿的磨损和携岩效果密切相关。圆弧半径确实定原则为:在保持携岩流道畅通的前圆弧半径确实定原则为:在保持携岩流道畅通的前提下,尽量减小圆弧半径。同时要考虑钻头转速,一般提下,尽量减小圆弧半径。同时要考虑钻头转速,一般转速越快外锥部位磨损越严重,需要增加圆弧长度以增转速越快外锥部位磨损越严重,需要增加圆弧长度以增加切削齿的数量。常规钻头外锥圆弧半径由冠部高度系加切削齿的数量。常规钻头外锥圆弧半径由冠部高度系数确定:数确定:冠部高度系数定义为:冠部高度系数定义为:冠部高度即为钻头圆弧部位冠部高度即为钻头圆弧部位的总
18、高度。的总高度。按照冠部高度系数将冠部圆按照冠部高度系数将冠部圆弧半径大小分为四级如图,弧半径大小分为四级如图,具体分级描述如下:具体分级描述如下:冠部圆弧半径大冠部圆弧半径大小分级小分级 冠部高度系数与适用条件的对应关系为:冠部高度系数与适用条件的对应关系为:2 2、布齿密度与布齿间距布齿密度与布齿间距 布齿密度定义为单位长度内切削齿的总面布齿密度定义为单位长度内切削齿的总面积,也可用两个切削齿之间的切削弧长表示积,也可用两个切削齿之间的切削弧长表示如图。布齿密度的大小由冠部形状、刀翼数如图。布齿密度的大小由冠部形状、刀翼数量和布齿间距决定。在冠部形状、刀翼数量确量和布齿间距决定。在冠部形状
19、、刀翼数量确定的条件下,布齿密度取决于布齿间距的大小。定的条件下,布齿密度取决于布齿间距的大小。布齿间距定义为刮刀上相邻两切削齿之间的间隙宽度图。布齿间距定义为刮刀上相邻两切削齿之间的间隙宽度图。为使切削齿准确定位,切削齿之间不能接触,因为使切削齿准确定位,切削齿之间不能接触,因此需要一定的布齿间距。布齿间距由冠部圆弧半径、此需要一定的布齿间距。布齿间距由冠部圆弧半径、切削齿长度、切削齿直径、齿前角、切削齿后部距离切削齿长度、切削齿直径、齿前角、切削齿后部距离决定如图。决定如图。3 3、切削齿空间结构参数切削齿空间结构参数 PDCPDC钻头切削齿空间结构由四个基本参数确定:齿前角、侧转角、装钻
20、头切削齿空间结构由四个基本参数确定:齿前角、侧转角、装配角和位置角如图配角和位置角如图。齿前角齿前角 石复合片绕水平直径线旋转一个角度,切削齿切削平面和石复合片绕水平直径线旋转一个角度,切削齿切削平面和切削齿轴线所成的角称作齿前角。切削齿轴线所成的角称作齿前角。研究说明,齿前角的大小与破岩效果密切相关,齿前角绝对研究说明,齿前角的大小与破岩效果密切相关,齿前角绝对值越大,下部的岩石多向压缩应力增加,压碎的岩石比例增大,值越大,下部的岩石多向压缩应力增加,压碎的岩石比例增大,不易形成较大体积的剪切破碎,破岩效率降低;而齿前角变小,不易形成较大体积的剪切破碎,破岩效率降低;而齿前角变小,一方面复合
21、片后部趋于平缓,切削齿不易深度吃入地层,另一方一方面复合片后部趋于平缓,切削齿不易深度吃入地层,另一方面由于切削齿受拉、弯应力相对增加,易造成复合片崩裂。因此面由于切削齿受拉、弯应力相对增加,易造成复合片崩裂。因此齿前角存在最优值如图。齿前角存在最优值如图。最优值的大小与地层特性、切削齿的性能等因最优值的大小与地层特性、切削齿的性能等因素有关。一般而言,对于较硬地层,齿前角绝对值素有关。一般而言,对于较硬地层,齿前角绝对值取大值。对于软地层齿前角绝对值应较小,一般在取大值。对于软地层齿前角绝对值应较小,一般在-10-10到到-30-30度范围内。中心部位切削齿由于回转度范围内。中心部位切削齿由
22、于回转半径很小,受力状态复杂,齿前角绝对值较大,其半径很小,受力状态复杂,齿前角绝对值较大,其它部位切削齿的齿前角根据地层条件确定,其选择它部位切削齿的齿前角根据地层条件确定,其选择范围见表:范围见表:侧转角侧转角 由于切削齿有一定的厚度,当其在切槽中旋转时,由于切削齿有一定的厚度,当其在切槽中旋转时,由于其切削刃局部集中在复合片前部由于其切削刃局部集中在复合片前部1-2mm1-2mm,其后,其后部支撑局部会在环槽内与地层产生摩擦磨损如图,部支撑局部会在环槽内与地层产生摩擦磨损如图,影响机械钻速,同时侧转角还对岩粉的运移产生影响。影响机械钻速,同时侧转角还对岩粉的运移产生影响。摩擦磨损的局部在
23、角摩擦磨损的局部在角a范围内。为防止上述情况,需要范围内。为防止上述情况,需要将复合片沿其中心线旋转一定的角度将复合片沿其中心线旋转一定的角度b,此角度即为侧,此角度即为侧转角如图。转角如图。装配角装配角 切削齿柱轴线与钻头轴线成一角度,此角称切削齿柱轴线与钻头轴线成一角度,此角称作装配角。装配角为确定参数,由钻头的冠部形作装配角。装配角为确定参数,由钻头的冠部形状和齿径向半径决定。状和齿径向半径决定。位置角位置角 切削齿位置角为切削齿在钻头圆周上所处的切削齿位置角为切削齿在钻头圆周上所处的方位角如图。方位角如图。切削齿位置角由其所处的刀翼位置、刀翼形切削齿位置角由其所处的刀翼位置、刀翼形状确
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