盘式钻头及其破岩机理.docx

盘式钻头及其破岩机理3刘清友33吴泽兵马德坤(西南石油学院钻头研究室)刘清友等1盘式钻头及其破岩机理1天然气工业,1998;18(1):53～55摘要介绍了一种新型齿形结构的牙轮钻头———盘式钻头的结构特点、破岩机理以及国外(特别是前苏联)在盘式钻头方面所做的工作,包括破岩机理方面的研究、实验室和现场试验工作及其在生产实际中的使用情况。对盘式钻头的研究现状及其在目前生产中推广应用所存在的问题作了简要介绍。并对开展盘式钻头进一步研究的可行性和具体研究方向作了详细阐述。同时对开展盘式钻头研究的重要意义及盘式钻头将在我国石油勘探开发中的作用及应用前景作了阐述。主题词钻井盘式钻头破岩机理发展趋势研究随着我国油气资源的开发,对钻井工具也提出了一些新的要求。虽然一些特殊钻头(金刚石钻头、PDC钻头等)的出现,解决了部分复杂地层的钻井问题,但仍难以满足目前我国石油天然气钻探要求的需要。因此,研制一种既具有较长使用寿命,又能对付多种复杂地层且具有较高的机械钻速和较高机械进尺的新型钻头是目前石油天然气钻探中的重要任务之一。综合牙轮钻头的发展过程可以看出,虽然牙轮钻头的寿命有了大幅度提高,但由于近三十年来牙轮钻头在齿形结构上没有多大变化,而牙轮钻头的破岩效率与齿形结构有直接关系,因而牙轮钻头的机械钻速在一些特殊地层上没有多大提高。所以,要提高牙轮钻头在一些特殊地层和特殊环境下的机械钻速、钻井进尺,必须寻求新的齿形结构。盘式钻头就是一种全新齿形结构的牙轮钻头。1941年完成的,但不成功。当时是采用盘式多级扩孔钻钻矿井通风孔,不成功的原因在于它们结构不完善,以及这种钻具与被钻岩石不适应。1949年,美国使用特殊的三牙轮钻头作其冲击旋转钻井试验。这些钻头的特点在于:为了加强齿面,牙轮的保径齿圈制成截面为楔形的,一个齿紧挨一个齿的齿排列,而其余齿圈上的牙齿则用连续的环状凸棱代替。尽管这些试验的结果令人满意,但并没有关于继续在美国研究和将这种钻头用于实际钻井的报道。1951年,Д1Н1克依色列夫在矿场条件下,试验过一个牙轮和两个牙轮,齿面为一排或几排连续齿圈的三牙轮钻头。使用这种钻头,达到了足够高的机械钻速,并能保持井径。而鞑靼石油钻井科研院对直径不同的、具有圆弧状接触面积的圆盘形齿进行了静压入破岩效果研究,制造了一批为数不多的86K9T型的盘式钻头,与当时的普通牙轮钻头相比,机械进尺有大幅度提高。1968～1969年,在右比雷夫石油天然气勘探公司、布如鲁克尔石油公司和伏尔加管理局的水力专业公司进行了小批量、四种类型规格的盘式钻头的矿场试验。这些试验证明,盘式钻头的进尺提高了13%～40%,机械钻速提高了30%～40%。盘式钻头的发展概况对盘式钻头的研究在国外已作过一些工作,前苏联对盘式钻头方面作了大量的研究工作。美国、英国在60年代后期也在盘式钻头方面作了一些工作。前苏联利用圆盘式破岩工具的最初尝试是在3该项目属中国石油天然气总公司中青年创新基金项目。33刘清友,现在西南石油学院机械工程系攻读博士学位。主要从事石油机械的CAD/CAM,计算机仿真方面的教学科研工作。地址:(637001)四川省南充市。电话:(0817)2224433。·53·钻采工艺与装备天然气工业1998年1月不同规格类型的盘式钻头台架试验和工业试验结果都说明,与常规钻头相比,盘式钻头具有很大优越性。把这些钻头用于钻硬岩层,钻头进尺和机械钻速平均要增长50%,并大大降低破岩过程中的能耗。当用盘式牙轮钻头钻井时,所出现的楔形齿圈的自锐现象,决定了这种钻头在使用总期限内会有高的破碎能力。此后,他们针对在使用过程中出现的问题,诸如牙齿的磨损、轴承的寿命、齿面的强化等问题作了一些研究工作,并取得了一些成果。在1967～1970年期间,他们研制了各种改型的直径分别为145,151,190和214mm的盘式钻头,并作了台架试验和矿场试验。通过多种方案的实验得到了盘式钻头在不同岩石条件下的最佳齿形参数,包括齿形、齿间距、齿形角、齿圈刃宽和齿圈间距。并得到以下结果:①在整个钻进过程中,盘式钻头的机械钻速高于常规钻头约30%;②由于直径的磨损,常规牙轮钻头比盘式钻头报废早得多。例如,开钻后130min,常规钻头的直径就减小5mm。盘式钻头的直径在钻进结束时总共仅减小1mm;③机械钻速的提高和连续式楔形齿圈寿命的增加决定了盘式钻头钻井时钻头进尺的大大提高;④试验钻头扭矩的平均值约为常规钻头头,它改变了与岩石的作用特点及其破碎机理。盘式钻头的连续楔形齿圈沿岩块滚辗时,要形成同心圆环式的岩石破碎。这些破碎环分散为单个的圆环形岩屑,其大小取决于齿圈间距及岩石的机械物理性质。由于井底的圆环状破碎,增加了机械钻速和减小破岩过程中的能耗。根据对盘式三牙轮钻头在台架实验和矿场试验中的分析,盘式牙轮钻头与齿形牙轮钻头相比