金刚石钻头与PDC钻头.ppt

* * 第五节 金刚石钻头及其破岩原理 金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自锐的天然金刚石或人造金刚石为切削齿，在低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中广泛使用的一种高效钻头。 按金刚石来源可分为天然金刚石钻头和人造金刚石钻头 按功用可分为取心钻头和全面钻进钻头； 按镶嵌方式可分为表镶和孕镶两类； 按钻井方式则可分为转盘钻井和涡轮钻井用两类。 分类： 一、金刚石钻头 1、金刚石钻头的结构 钢体 胎体 切削刃 水眼与水槽 (1) 钢体 钢体上部车有螺纹连接钻具，下部与胎体烧结在一起。刚体有一体式的，也有由两部分构成的，即上部为合金钢车有螺纹，下部为低碳钢连接胎体。钢体上下两部分以螺纹连接在一起然后焊死。 (2) 胎体 胎体是镶嵌金刚石颗粒的基体，是由一定粒度的硬质合金粉加上适当的易熔金属作粘合剂，压制烧结而成。 胎体形状即工作剖面，主要是指工作面的几何形状和工作面积的大小，是根据适用不同岩性而设计的。 双锥阶梯形剖面 软到中硬地层 双锥形剖面 较硬地层 “B”型剖面 硬地层 带波纹的“B”型剖面 坚硬地层 (3) 切削刃 金刚石钻头的切削刃根据金刚石颗粒镶装在胎体上的形式有表镶式、孕镶式和表孕镶式三种。 金刚石在钻头工作面上的排布方式 交错排列法 圆周排列法 脊圈排列法 软到中硬 硬地层 坚硬地层 表镶式 孕镶式 表孕镶式 把金刚石颗粒只镶在胎体表面上层。 颗粒大小：0.5~1.5粒/克拉，出刃高度：1/3~1/4，棱角不宜尖锐，以免钻进中崩裂。 把金刚石颗粒均匀分布在钻头工作面胎体金属层的一定厚度层内，随胎体磨损，金刚石颗粒不断露出而不断磨削岩石，并不断自锐，不断磨损，直到金刚石磨完为止。 颗粒粒度：20~200粒/克拉，棱角越大越好，孕镶层厚度：2~12mm。 是在表镶式钻头工作面上薄弱部分的胎体内，孕镶一层金刚石。破碎效果好，寿命长。  (4) 水眼与水槽 金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。 水眼和水槽的布置原则： 是使金刚石钻头在钻进过程中，保证供给钻头工作面足够的水力能量，既能清除岩屑，又能很好地冷却和润滑钻头上的金刚石。 用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于其工作面小，金刚石颗粒粗而稀，钻进时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。 而对于硬和坚硬地层，由于钻头工作面大、金刚石颗粒细而密，且出刃低，钻压大，水槽则应多、密、窄。 表镶式金刚石钻头通常采用的水槽结构大体上可分为：逼压式水槽、辐射形水槽、辐射形逼压式水槽和螺旋形水槽四种。 2.金刚石钻头破岩原理 当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石使下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。 接触面积 吃入深度 出露高度 金刚石 钻头基体 对于脆性较大的岩石，在钻压和扭力的作用下所产生的应力可使岩石沿剪切面产生裂缝,此时,岩石破碎体积远大于金刚石吃入后位移体积。脆性较大的岩石其破碎深度可达金刚石压入深度的2~5倍。 金刚石破碎岩石的效果，除与岩石的性能有关外，还与井筒和地层孔隙流体的压差有大小、钻压大小及金刚石几何形状、粒度和出露有关。 二、 PDC钻头 聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact)钻头，简称PDC钻头。它是用人造聚晶金刚石复合片做成小型切削块镶嵌或烧结到钻头体上而形成的。使用于软到中硬地层。 （1）钻头基体 PDC钻头可分为钢体PDC钻头和碳化钨胎体PDC钻头。 钢体式PDC钻头的表面不耐冲蚀，规径易于磨小，而胎体式钻头的碳化钨合金耐冲蚀、耐磨损，允许使用较高的钻头压力降、较高钻井液含砂量，易于进行优化水力设计，具有较大的设计灵活性，鱼尾形钻头寿命较长。 PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。 1. PDC钻头结构 PDC钻头基体有四种基本冠部外形： 浅锥形 短抛物线形 抛物线形 刮刀片形 ， 浅锥形 短抛物线形 抛物线形 刮刀片形 翼片很长，增加了复合片出刃高度，增加了钻头冠部与地层之间的间隙，使岩屑易于排向环形空间不致于粘附于钻头体，有利于射流的清洗。 特点：能减少泥包和与泥包相关的钻井问题。 适用范围：转盘钻井的直井和定向钻井，钻进粘性极高的泥页岩层。 冠部面积最小，水力能量集中，易于清洗。其外形有较长的保径齿，能适当扶正。复合片密度不宜过大。 特点：快速钻进中，能保持方位和井斜。 适用范围：只适用于钻盘钻井，钻进夹层。