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1、第四部分钻井工程实验一钻头结构实验一、实验目的(1)了解刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头的结构及工作原理。(2)了解取心钻头的作用与分类0(3)了解钻头使用后的磨损及失效状况(4)加深学生对钻头在使用过程中应注意的事项的了解二、实验器材(1)各种钻头。(2)钻头实验架。三、结构及原理钻头按结构及工作原理可分成刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头；按功用可分为取心钻头、全面钻进钻头、扩眼钻头。1.刮刀钻头1)刮刀钻头的结构刮刀钻头如图4-1-1所示，其结构可分为4部分：上钻头体、下钻头体、刀翼和水眼，如图4-1-2所示。100(1)上钻头体：位于钻头上端，其上部加工有丝扣，用以连接钻柱o(2)下钻头体：
2、焊在上钻头体的下部，侧面开有装焊刀片的槽.(3)刀翼：破碎岩石的工作刃，结构特点如下：刀翼结构角：包括刃尖角3、切削角。、刃前角A刃后角3,如图4-1-3所示。刀翼背部几何形状：刀翼的厚度随距刀刃的距离的增加而逐渐增加，呈抛物图4-1-2三翼刮刀钻头1一上钻头体；2水眼;3下钻头体；4刀翼图4-1-3刮刀钻头刀翌结构图线形。刀翼底部几何形状：包括平底、正阶梯、反阶悌、反锥形。刀翼底刃的厚度b：一般作成内薄外厚，薄厚要适当。过薄，刃尖易断；过厚，影响吃入深度。刀翼长度：要适当，过长虽能增加钻头进尺，但不利于清洁井底和破碎地层。刀翼表面及侧翼：加工有硬质合金或金刚石，以提高其耐磨性。(4)水眼：钻
3、井液流向井底的通道，内安装喷嘴。2)刮刀钻头的破岩原理刮刀钻头的刀翼在钻压W和扭转力T的作用下，以正螺旋面吃入并切削地层，井底平面与水平面成。角。主要以切削、剪切和挤压方式破碎地层。钻塑性地层时，岩石硬度小，在钻压W作用下，刀翼或齿容易吃入地层；与此同时，刃前岩石在扭转力T的作用下，不断产生塑性流动，这与刀具切削软金属类似，如图414所示。图4-1-4刮刀钻头破碎塑性岩石过程钻塑脆性岩石时，刀翼在钻压u和扭转力r同时作用下，沿“角切入岩石，使其体积破碎，如图415所示。大体分碰撞、压碎及小剪切、大剪切3个过程，即刃前岩石沿剪切面破碎后，扭转力减小，刀翼向前推进，碰撞刃前岩石，如图415（八）所
4、示；刀翼在扭转力：的作用下压碎刃前岩石，使其产生小剪切破碎，扭转力增大，如图415-(b)所示；刀翼继续挤压刃前岩石，当扭转力增大到极限时，岩石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭转力又突然减小，如图415(C)所示。3个过程反复进行，形成刮刀钻头破碎塑脆性岩石的整个过程03)适用地层刮刀钻头结构简单，制造方便，在软地层中可以得到高的机械钻速和钻头进尺。但钻遇硬地层或软硬交错地层时，钻头吃入困难，钻井效率低。2.牙轮钻头按钻头上牙轮的个数可将牙轮钻头分成单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头、102四牙轮钻头。其中，用得最多的是三牙轮钻头.按牙齿材料可分为铳齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头，如图4-1-6所示。
5、1)牙轮钻头的结构牙轮钻头由壳体、巴掌(牙爪)、牙轮、牙齿、牙轮轴承、牙轮轴、水眼、储油三封补偿系统等组成，如图4-1-7所示。，“忧齿一牙轮都头他)幡齿二牙轮怯头图4-1-6三牙轮钻头图4-1-7牙轮钻头结构1一牙爪；2一牙轮；3-牙轮轴;4-止推块；S-衬套；6-镶齿；7一滚珠；8-镇铳合金；9一耐磨合金;10第二密封；11密封圈;12压力辛隍膜；13护膜杯；14一压盖;15一喷嘴;16一喷嘴密封圈;17一喷喷卡关;18一传压孔(1)壳体：上部车有丝扣，下接巴掌.(2)巴掌：上接壳体，下带牙轮轴。(3)牙轮：由合金钢制成的锥体，内有轴承跑道及台肩。牙轮锥面或铳出牙齿，或镶装硬质合金，有两种
6、或多种锥度，即单锥、复锥，如图4-1-8所示。牙轮推顶有可能超过钻头中心，超过的距离即为牙轮超顶距，如图4-1-9中C即为超顶距。(4)牙齿：分铳齿及镶齿。铳齿：铳加T而成，楔形。相关参数有齿高、齿距、齿尖角等，如图4-1-10所示为提高牙齿的耐磨性，通常在齿面上敷焊硬质合金。在钻软地层时，牙齿间易积存岩屑，产生泥包O为解决这一问题，在布齿时，使各牙轮的牙齿齿圈互相嗤合，一个图4-1-9副推及主锥引起超顶I一钻头中心轴线；2牙轮中心轴线；一超顶距牙轮的齿圈间积存的岩屑由另一牙轮的齿圈牙齿剔除，此即为牙轮钻头的自洗。其所对应的钻头为自洗牙轮钻头，如图4-1-11所示。山而做知的硬质合金粉图4-1
7、-10铳齿结构示意图1齿尖角；一齿顶距镶齿：材料为硬质合金，通过粉末冶金的方法压制烧结而成。体部（镶于齿孔内部分）圆柱形，外部（壳体以外部分）形状即齿形，因所钻岩石性能、齿的材料性质等不同而不同，如图4-1-12所示。（5）牙轮轴承：由牙轮内腔、轴承跑道、牙掌轴颈、锁紧元件等组成。轴承和牙齿一样，也是决定钻头寿命长短的一个重要因素，是钻头的薄弱环节。牙轮钻头轴承有大、中、小和止推4副，中轴承锁紧牙轮根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类；根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类，如图4-1-13所示。滚动轴承结构：滚柱一滚珠一滚柱一止推；滚柱一滚珠一滑动一止推。滑动轴承结构：滑动一
8、滚珠一滑动一止推；滑动一滑动（卡关）一滑动一止推。（6）牙轮轴：小轴端部为第一道止推轴承；小轴颈部台肩为第二道止推轴承。图4-1-11牙轮布置方案Uiift小曲帆能用勺顺A|UffiJfsME三窗勺服妨於解图4-1-13钻头轴承结构(7)水眼：钻井液由钻柱内部进入井底的通路。非喷射式钻头的水眼仅在钻头体的适当位置开孔并焊上水眼套；喷射式钻头则要在水眼处安装硬质合金喷嘴，且对水眼有关的钻头结构有特殊要求，如流动阻力小、射流特性好、有利于清除岩屑等。105(8)储油密封补偿系统：该系统由传压孔、压力补偿膜、油杯、密封件等组成,能保持轴承腔内的油压与井内钻井液柱压力相平衡。当轴承腔内油压降低时，储油
9、杯中的润滑油在钻井液柱压力作用下补充到轴承腔内，使压力升高，起到压力补偿的作用；当轴承腔内的油压升高时，则润滑油流入储油杯，存储润滑脂。该系统在起到储存和向轴承腔内补充润滑脂作用的同时，还可防止钻井液进入轴承腔和防止漏失润滑脂。其中，有效密封是关键。2)牙轮钻头的基本参数(1)钻头直径4:如图4-1-14所示。(2)牙轮轴线偏移值：是指牙轮轴线沿钻头旋转方向平移一段距离S,如图4-1-15所示(3)牙轮轴线与钻头轴线夹角:如图4-1-14所示。(4)牙轮几何形状尺寸：牙轮几何形状尺寸包括主锥角2,副推角2,背锥角27、牙轮总高匕牙轮最大外径4,如图4-1-14所示。图4-1-14牙轮钻头结构参
10、数图4-1-15牙轮钻头的牙轮移轴3)牙轮钻头的破岩机理(1)冲击、压碎作用。纵向振动产生的冲击力和静压力(钻压)一起使牙齿对地层产生冲击、压碎作用，形成体积破碎坑。纵向振动是指牙轮在运动过程中，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。引起纵向振动的原因一是单、双齿交替接触井底；二是井底凹凸不平。(2)滑动剪切作用。牙轮牙齿的径向滑动和切向滑动对井底地层产生剪切作用，破碎齿间岩石。牙轮的超顶和复锥引起的切向滑动剪切掉牙齿之间的岩石。移轴引起的轴向滑动剪切掉齿圈之间的岩石O(3)射流的冲蚀作用.由喷嘴喷出的高速射流对井底岩石产生冲蚀作用，辅助破碎岩石。4)适用地层从极软到极硬、研磨性很强的地层均可
11、适用。3 .金刚石钻头金刚石钻头按切削齿材料可分为天然金刚石钻头、聚晶金刚石复合片（PDC）钻头、热稳定聚晶金刚石（TSP）钻头，如图4-1.16所示。图4-1-16金刚石钻头1 ）金刚石钻头总体结构金刚石钻头为无活动部件的整体式钻头。由钻头体、冠部、水力结构（包括水眼或喷嘴）、保径结构、切削齿等部分组成，如图4-1-17所示。天健今刚右法金TSPttPDCtt图4-1-17金刚石钻头结构(1)钻头体：上部柱体车制丝扣和钻柱连接，下部与冠部胎体烧结在一起(钢质冠部与钻头体则一体化).(2)冠部：与钻头体相连，由碳化鸽胎体或钢质材料制成，是钻头切屑岩石的工作部分o其工作面镶装有金刚石材料切削齿，
12、且布置有水力结构；侧面镶装保径齿，为保径部分。(3)水力结构：提供钻井液流出的通道。水力结构分两类，一类用于天然金刚石和TSP钻头，另一类用于PDC钻头。对于前者，钻井液从中心水孔流出，经钻头表面水槽分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿，最后携带岩屑从侧面水槽及排屑槽流入环空。对于后者，钻井液从水眼中流出，经各分流元件分散到钻头工作面各处冷却、清洗、润滑切削齿。(4)保径：在钻头侧面镶装金刚石，保证井径不致缩小。所镶金刚石密度视岩石研磨性及硬度而定。(5)切削齿：按材料分为天然金刚石、聚晶金刚石复合片(PDc)、热稳定聚晶金刚石(TSP)；按镶装在胎体上的形式分为表镶式、孕镶式、表孕式。
13、2 )天然金刚石钻头、热稳定聚晶金刚石(TSP)钻头结构(1)冠部剖面几何形状常用冠螂面几何形状包括：双推阶梯形、双锥形、B形、脊圈式B形，如图4-1-18所示。图41-18金刚石钻头不同冠部形状（八）双雄阶梯形体)双慢形(2)水力结构。均采用水孔-水槽式水力结构。钻井液从水孔中流出，经水槽流过钻头工作面，冲洗每一粒金刚石的岩屑，并冷却每一粒金刚石。常用的水力结构有4种类型：逼压式水槽、辐射形水槽、辐射形逼压式水槽、螺旋形水槽，如图4-1-19所示。(3)金刚石粒度及排列粒度：根据地层而定，地层软，粒度大；地层硬，粒度小。排列：常见方式有交错排列、圆周排列、脊圈排列3种，如图4-1-20所示。
14、3)聚晶金刚石复合片(PDC)钻头结构PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化鸽合金的结构强度和抗冲击能力其弱点是热稳定性差，350节以上加速磨损；抗冲击能力较差钻头分胎体PDC图4-1-20金刚石在钻头上的不同排列方式钻头和钢体PDC钻头o(1)冠部剖面几何形状。F包括内推、外推、顶部、侧面、肩部及保径5要素。(2)水力结构。采用水眼或喷嘴供给钻井液，通过切削齿的排列分配钻井液的方式保证切削齿的清洗、冷却和润滑。(3)切削齿排列及布齿方式。一般有3种：刮刀式、单齿式、组合式，如图4-1-21所示。(4)切削齿工作角0包括后倾角a及侧倾角,如图4-122所示。后倾角:起到保护切削齿，延长寿
15、命的作用；（八）制刀式（b）单钝式（C）W合式图4-1-21PDC钻头切削齿排列及分布形式侧倾角:在钻头旋转时，切削刃面对切屑产生向外侧的推力，有利于向外排除岩屑。三4-1-22PDC钻头切削齿工作角4）金刚石钻头工作原理（1）PDC钻头破岩机理。PDC钻头主要以切削方式破碎岩石o切削刃在钻压作用下吃入地层，刃前岩石在旋转力作用下发生剪切破坏。切削塑性岩石和脆性岩石的过程类似于刮刀钻头。由于多个切削齿同时工作，井底岩石自由面多，因此破岩效率高0金刚石切削刃耐磨性高，钻头寿命长，单只钻头进尺高。（2）天然金刚石钻头和TSP钻头破岩机理。在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性。在塑性地层（或岩石在应力作用下呈塑性的地层），使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，脱离岩石基体，形成岩屑，称为犁削。在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力形式破碎岩石O
