1、第四章 钻头与钻井参数设计第四章 钻头与钻井参数设计 .2第一节 牙轮钻头的分类 .2一牙轮钻头结构特点简介 .2二牙轮钻头的发展趋势 .9三牙轮钻头的分类 .10四常 用牙轮钻头的 IADC 分类 .14第二节 牙轮钻头的合理使用 .23一牙轮钻头的选型 .23二钻井参数的选择 .24三现场使用牙轮钻头的操作要点及注意事项 .29四确定合理的起钻时间 .31五钻头使用经济评价 .32第三节 金刚石钻头 .33一天然金刚石钻头 .33二聚晶金刚石复合片（PDC）钻头 .37三热稳定性聚晶金刚石（TSP）钻头 .44四全刚石钻头的分类方法 .45五常用全刚石钻头的选型表 .49第四节 钻头磨损分
2、析 .55一IADC 钻头磨损定级方法 .55二钻头磨损特征分析 .59第五节 水力参数设计 .63一钻井水力参数设计步骤与方洁 .63第六节 钻井液流变参数设计 .72一钻井液流变模式的选择 .72二钻井液流态的判别 .73三钻井液的携岩能力 .75四老屑浓度与有效钻井液密度 .77五选择钻井液流变参数的几个约束条件 .78附件一 标准的喷嘴尺寸及面积 .79附件二中国海上常用钻井泵的泵压和排量 .81参 考 文 献 .82第四章 钻头与钻井参数设计钻头和钻井参数是影响钻井速度、钻井时效和钻井成本的重要的可变因素。本章主要介绍的是牙轮钻头和金刚石钻头的分类、选型及磨损定级的方法，并结合现场实
3、践，对钻井水力参数、机械参数和钻井液流变参数进行优选设计。第一节 牙轮钻头的分类一牙轮钻头结构特点简介牙轮钻头有单牙轮、双牙轮和三牙轮钻头之分，而三牙轮钻头是石油钻井中用得最为广泛的一种。牙轮钻头一般由牙掌、牙轮、切削齿、轴承、锁紧元件、储油密封系统、喷嘴装置等部件组成。下面以三牙轮钻头为例，对其结构特点（见图41）作一简要介绍。1钢齿牙轮钻头与镶齿牙轮钻头（1）钢齿牙轮钻头钢齿钻头又称为铣齿钻头，其牙齿是在牙轮毛坯上直接铣削加工而成的，牙齿形状为楔形齿。钢齿钻头大多用于软的上部地层，研磨性较低的地层一般也选用钢齿钻头。为了提高牙齿的耐磨性或使牙齿有自锐作用，在牙齿的表面及保径面上均敷焊有一层
4、碳化钨粉。钢齿钻头可分为软、中、硬地层钻头三种，其详细的分类方法及适用地层见后面的 IADC分类。（2）镶齿牙轮钻头镶齿钻头，又称碳化钨硬质合金齿钻头，它是将端部形状不同的、圆柱形的烧结碳化钨硬质合金齿压入锻制的牙轮壳体上已精加工好的孔内而构成镶齿牙轮钻头。镶齿钻头的切削结构具有很高的抗磨损和承载能力，其使用寿命较长，尤其是破碎硬的、研磨性高的地层，如隧石、石英岩等，效果更好。这种钻头适用地层范围广，已在石油钻井得到了广泛的应用。目前国内外常用的镶齿钻头的硬质合金齿齿形有十多种，如球形、尖卵形、圆锥形、楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、边楔形、平顶形等等，如图42所示。针对不同的地层、不同的岩性，
5、要选择不同齿形的钻头。楔形齿，齿呈楔子状，对地层具有切削、挖掘作用。其齿顶角有60、65、70、75、90等，适用于软至中硬地层。齿顶角越大，适用的地层越硬。球形齿的端部是个半圆形球面，耐磨性最好。它以凿击和压碎作用破碎地层。这种齿钻硬至极硬地层的破岩效率较高。尖卵形、圆锥形齿，既有凿击和压碎作用，也有刮削和挖掘作用，其抗磨能力及强度都比楔形齿高，适用地层较广，在中硬地层使用效果最好。勺形齿齿形如勺子，切削地层时，靠向内凹的勺形面挖掘、刮削作用破岩。这种齿形改善了牙齿的受力状况，既提高了破岩效率，又增加了齿的强度，能在极软至中软地层中高效率地破岩。在勺形齿的基础上，又发展了偏顶勺形齿及圆锥形勺
6、形齿。偏顶勺形齿的齿顶超前了其轴线一个距离，其凹面正对被切削的地层，改善了牙齿的受力分布，进一步提高了牙齿的破岩效率和工作寿命。表4l列举了几种常用齿形及其适用的地层。表41 适用不同地层的齿形齿 形 破 岩 机 理 地层球形尖卵形圆锥形楔形勺形凿击、压碎凿击、压碎凿击、压碎、挖掘、刮削挖掘、刮削挖掘、刮削硬、极硬硬中硬、硬软至中硬极软至中软2轴承结构（1）滚动轴承滚动轴承（如图43所示）的结构形式有滚柱滚珠滚柱止推和滚柱滚珠小轴滑动止推两种。前一种一般是用于311.1mm 以上的大尺寸钻头上。滚动轴承按密封方式可分为非密封滚动轴承与密封式滚动轴承。非密封滚动轴承的特点是能适应较高的转速，但轴
7、承磨损快，工作寿命低，主要用于上部井眼钻头。而密封式滚动轴承是在牙轮底平面处安装了密封元件（密封元件有“O”形图密封、碟形橡胶圈密封和金属密封），从而使轴承的工作寿命大为提高。密封滚动轴承的转速范围一般为100250rmin。无论哪种滚动轴承，牙轮的大部分径向载荷都是由滚柱槽承受的，小轴轴承主要起稳定作用，只承受少量的径向载荷。止推面和止推块承受向外的轴向推力，滚珠轴承使牙轮挂在牙掌上并承受向里的轴向推力。（2）滑动轴承滑动轴承（如图44）是为了与硬质合金齿的寿命相匹配而设计的。它也有两种结构，一是滑动滚动（滚珠）滑动止推；二是滑动滑动（卡簧）滑动止推。为了提高轴承的工作寿命，使轴承能在较高的
8、温度和压力环境中良好地工作，摩擦副材料选用了高强度低碳合金钢制作，对牙掌轴颈（大轴颈）还进行渗碳等硬化处理，以提高其表面硬度和耐磨能力。对牙轮内孔跑道则镶焊铜合金或其他减磨材料，以提高滑动副的抗咬合能力。滑动轴承可用各种密封圈作径向或者端面密封。与滚动轴承相比，滑动轴承的承压面积大，接触疲劳应力小，使用寿命较长。在常规的转速条件下，滑动轴承能承受更高的钻压。但除金属密封滑动轴承外，普通滑动轴承的转速范围一般在60140rmin，比滚动轴承低。除了前面所谈的两种结构形式的滑动轴承外，瑞德工具公司还研制出了一种新型的滑动轴承，即带浮动套的滑动轴承，如图45所示。浮动套轴承是在轴承大轴颈与牙轮内孔之
9、间加了两个可作相对运动的浮动式衬套，并在小轴上套有两个止推垫圈。浮动套与垫圈表面都作镀银处理，这样大大地降低了摩擦力，又不致使耐磨能力减低，使轴承转速和工作寿命大为提高。3牙轮锁紧方式（1）钢球锁紧钢球锁紧如图46所示，是在组装牙轮和牙掌时，将一排钢球从塞销孔道装进轴承跑道，再用塞销封住钢球通道，使钢球能在轴承跑道内自由滚动，既锁住了牙轮还能承受轴向载荷。钢球锁紧的轴承能承受较高的转速，但由于钢球与轴承的接触应力大，轴承失效快，容易掉牙轮。（2）卡簧锁紧卡簧锁紧元件是一个开口的弹性钢丝挡圈，如图47。挡圈的外径比牙轮内孔的卡簧槽大。卡簧放入牙轮内腔之后，靠自身的弹性锁紧牙轮，并与牙掌轴颈组成一
10、对滑动副，实现了全滑动的轴承。卡簧锁紧的特点是零件少，轴承结构简单，增加了滑动轴承的工作面积，轴承的工作寿命较长，但不能承受高转速。（3）丝扣环锁紧除上述两种常见的牙轮锁紧方式之外，瑞德工具公司还研制出了一种新的锁紧元件哈夫丝扣环锁紧元件，如图48所示。丝扣环锁紧实际上是由两个半圆形钢圈组成。这两个钢圈带有丝扣，装入轴承的锁紧槽内组成一个整环，用一个顶针从牙轴背后进入轴承环上的狭槽，暂时将环固定不动，再将牙轮通过丝扣和牙掌上紧，直至密封。取出顶针后，轴承锁紧环便能自由转动，如牙轮上的一个整体部件，而且牙轮工作时的旋转方向与丝扣环相反，使轴承紧压密封，保证了牙轮不会从丝扣环上脱落。丝扣环锁紧牙轮
11、的优点是：丝扣环锁紧元件是作为整体部件附在牙轮上，不会从牙轮脱落，从而降低了掉牙轮的风险。由于不用担心掉牙轮，使用者能将钻头用得更合理、更彻底，而不必在钻头未用到家时过早地起钻。丝扣环与轴承是面接触，而不是传统的滚动点接触或线接触。接触面积增大，轴承受力均匀，不易发生疲劳破坏。能承受更高的转速增大了牙轮壳体的厚度，牙轮抵抗碎裂的强度增大，能更深地嵌入牙轮体内部，增强了切削结构，降低了掉牙齿的可能性。在定向井等环境比较恶劣的井中，这种锁紧方式的钻头能承受更高的侧向载荷，提高了恶劣条件下的钻井能力。4密封元件密封元件是影响轴承密封及使用效果的主要零件之一，一般分三种：（1）蝶形橡胶密封圈，如图 4
12、9 所示。这种密封圈形状如蝶形，外层是橡胶，中间是一蝶形波纹弹簧片。弹簧片与橡胶硫化成一体，增强了密封圈的弹力及耐磨性。蝶形密封圈多用于滚动轴承钻头，它起端面密封的作用（2）O形橡胶密封圈，见图 410。它是用耐油、耐酸碱、耐高温而富弹性的丁睛橡胶制成，其横截面为圆形。O 形橡胶密封圈既用于滑动轴承钻头，也用于滚动密封轴承钻头，起着径向密封的作用。（3）金属密封环，如图411所示。它是美国休斯公司研制的新式密封元件。金属密封环由上、下两个金属环组成，上环处于牙轮内，其外径小于牙轮密封槽的直径。下环装在牙掌上，其内径大于牙掌大轴密封面的直径。两个环可以在牙轮与牙掌之间浮动。上、下两个金属环靠两个
13、O 形橡胶增能圈固定于牙轮和牙掌的密封面上，橡胶圈产生压缩和拉伸变形，向金属环施加轴向压力，保证了两个金属环的密封面始终接触着。金属环发生磨损后，橡胶圈还能以其弹力继续压紧它们，实现了面密封和动密封。金属环的抗温、耐压能力强，抗磨损性能好，加上与橡胶圈之间的巧妙配合，使金属密封的牙轮钻头能在高转速及恶劣条件下工作，大大地提高了钻头的各项工作指标。5喷嘴（1）普通喷嘴的型式代号及型号表示方法常用的喷嘴有标准型和保护盖型两种，如图412所示。标准型喷嘴没有凸台保护锁紧挡圈，装卸较方便，常用于软地层钢齿钻头。而保护盖型喷嘴的顶部有凸台保护，可以减少钻井液中的研磨性物质对锁紧挡圈的冲蚀。保护盖型喷嘴能
14、在高压喷射条件下长时间工作，安全可靠。喷嘴的型式代号以英文字母表示，如表42所示。表42 喷嘴型式代号钻头尺寸mm（in ）喷嘴型式 95.2120.6（3 3/4 4 3/4）142. 9171.4（5 5 86 3 4）193.7200.0（7 5 87 7 8）212.7349.2（8 3 813 3 4）374.6660.4（14 3 426）标准型 B F H K L保护盖型 R N T W x如L18表示的是用于直径为374.6660.4rnm（14 3/426in）钻头的标准型喷嘴，其水眼直径为 18 /32（14.29mm）。而W11则是指用于直径为212.7349.2mm（8
15、 3 813 3/4in）钻头的保护盖型喷嘴，其水眼直径为 11 32in（8 .73mm）。（2）新型喷嘴简介加长喷嘴和中长喷嘴加长喷嘴，如图413所示。它有一段加长管，使喷嘴出口与井底的距离更近。普通喷嘴出口离井底距离一般为110140mm，而加长喷嘴离井底的距离与喷嘴直径之比为2.54，使喷嘴液流出口更接近井底。加长喷嘴主要用于软地层钻头及直径大于241.3mm的大尺寸钻头上，它能提供更大的喷射冲击能量，使井底钻屑更易于清除，防止了钻头泥包，提高了破岩效率。统计资料表明，在相同的钻井条件下，使用加长喷嘴的钻头机械钻速可提高3050。中长喷嘴又称半加长或微加长喷嘴，其作用机理与加长喷嘴是一
16、样的。它仅比常规喷嘴加长了约38mm（1.5in）。与加长喷嘴相比，中长喷嘴制造工艺简单，较易实现。中长喷嘴钻头可提高机械钻速1030。中心喷嘴中心喷嘴如图414所示，一般用在大尺寸钻头上。有的是在装有加长喷嘴的钻头中心加一个扩散型的中心喷嘴，以更好地清洗牙齿，防止泥包。而有的则只是在钻头中心装一只单喷嘴（这个中心喷嘴一般就用标准的牙轮钻头喷嘴），其出口离井底很近，可把水力能量集中作用于井底中心。液流冲击井底中心后，向四周散射再上返，上、下液流互不干扰，使岩屑能顺利离开井底而被清除，从而提高了破岩效率。通过扩散型的中心喷嘴和标准牙轮钻头的中心喷嘴的压力降是不同的。在对装有中心喷嘴的钻头计算其水
17、力参数时，应注意这一点。反喷嘴反喷嘴的主要特点是钻头三个喷嘴中的两个喷嘴加长并朝下，而第三个则反向朝上，如图415所示。反向喷嘴能使该喷嘴附近的井底压力降低，形成一个低压区，与正喷嘴形成的井底高压联合作用，能改善井底流场，增强对上返岩屑的举升作用。与常规喷嘴相比，反喷嘴可使机械钻速提高1520。振荡脉冲射流喷嘴常规的喷嘴是连续射流的，射流的持续能量和冲击力都较小。而振荡脉冲射流喷嘴（如图416）则一改连续射流为振荡脉冲射流，其射流产生的瞬时冲击力为连续射流滞止压力的1.22.5倍，有效喷射距离是连续射流等速核长的1.72.0倍。脉冲射流使水力破岩效率大为提高。在相同条件下，振荡脉冲喷嘴能提高钻
18、速1550，提高进尺1015。气穴喷嘴液体内部都充满着气泡。在低压区，气泡会长大，而到了高压区后气泡会溃灭，并释放出巨大的能量。气穴喷嘴就是根据这一原理而研制的，如图417所示。液流经过喷嘴内的锥形段被收缩，再从短圆柱孔流出，通过加大上游压力，圆柱段内的气穴区扩大并延伸到出口外，释放出巨大的能量而破坏井底岩石。试验证明，这种喷嘴能较明显地提高钻速。二牙轮钻头的发展趋势随着海洋钻井、定向井、水平井、丛式井和多底井的日益增多，如何提高钻井速度和效率，降低钻井综合成本，以及满足各类井下动力钻具等新工艺、新技术的需要，是牙轮钻头面临的重大挑战。为了提高钻井速度和进尺，牙轮钻头也相应地由过去的低速密封滑
19、动轴承、非密封滚动轴承钻头发展到中等转速的金属密封滑动轴承、浮动套轴承钻头。这些新型钻头的使用寿命长、进尺多，降低了钻井综合成本。为适应井下动力钻具高转速的要求，对原来的滚动轴承加以改进，发展了金属密封的新型滚动轴承钻头，如休斯公司的MAX系列钻头。这种钻头的最高转速可达350转分，完全能满足井下动力钻具的需要，对提高钻井效率和钻井速度起了积极作用。对牙轮钻头的保径也作了较大改进，由过去的镶硬质合金保径齿发展到今天的在牙轮背锥上用金刚石保径齿强化、牙掌掌背镶硬质合金齿强化以及对掌背硬敷焊强化等等，这些技术大大减轻了钻头体的磨损，使牙轮钻头在硬的、研磨性地层中的使用寿命延长了，工作效率提高了。瑞德公司研制的丝扣环锁紧轴承牙轮钻头，延长了轴承寿命，降低了掉牙轮的可能性，也使钻井成本大为降低。而休斯克里斯坦森公司新研制出的一种新型牙轮钻头，则是在原来牙轮钻头的外排切削齿根部之间加镶了一种比较小的、能自锐的“修边齿”（Gage trimmertrimmer Pad），如图418所示。修边齿改进了钻头牙轮外缘与井壁的接触状况，保护了牙轮壳体不受冲蚀，抑制了规径的磨损。而且它还能减少钻头破碎地层后在井壁上的残留岩石脊棱（Uncut rib rock ），使井壁更加光洁。有了修边齿之后，钻头能更有效地破碎地层，大大地提高了机械钻速
