钻头受力分析及各个注意事项
PDC钻头损坏机理及合理使用(李长录)
PDC钻头的损坏机理及合理使用李长录（中国石油集团公司海洋工程有限公司钻井事业部，天津，大港，300280）摘要：PDC钻头在软到中等硬度地层中具有很好的破岩性能，机械钻速高，使用寿命长，钻井工作效率得到了大幅提升，综合经济效益显著，因而在钻井工程中得到了广泛应用。
但是由于PDC 钻头对于使用地层和工作条件敏感性强，在砾岩层及软硬交错等非均质地层中未能取得良好的使用效果，因此有必要针对砾岩层的地层性质，研究其主要失效形式和损坏机理以便于合理使用PDC 钻头，进而提高其使用寿命。
关键词砾岩层PDC钻头损坏机理合理使用引言PDC钻头具有钻速快、效率高等明显的优势。
但目前的PDC钻头只能有效地钻进软到中硬的比较均质的地层，而在砾岩层和软硬交错的等非均质地层中，或钻速低，或寿命短。
因此了解PDC钻头的损坏机理及合理使用对于节省钻井成本具有非常重要的意义。
1.PDC钻头钻进砾石层损坏机理分析1.1PDC钻头钻进砾岩的失效形式分析对于PDC 钻头，主要有磨损和冲击损坏两种失效形式[1]（1）磨损复合片主要由两部分组成，上面是聚晶金刚石层，下部是起支撑作用的碳化钨基底，由于材料性质的不同导致它们之间存在着残余应力和内部缺陷，在切削齿与岩石产生的摩擦力的作用下，金刚石微粒会从基底脱落，从而导致切削齿发生磨损，又称为磨粒磨损或研磨性磨损。
磨损表现为复合片切削刃逐渐被磨钝，磨损面逐渐增大，钻头机械钻速逐渐降低。
与其他失效形式相比，磨损是一种相对稳定的失效形式，贯穿于整个钻头的工作过程。
磨损速度主要取决于切削齿的受力、切削刃与岩石接触面上的温度、切削速度、岩石研磨性以及切削齿的耐磨性。
（2）冲击损坏这种形式的钻头损坏是由作用在切削齿上的冲击载荷引起，表现为切削齿碎裂或金刚石层剥落等。
冲击损坏主要有两种形式：①崩刃崩刃表现为切削齿刃面上金刚石层碎裂，主要由切削齿上的切向载荷引起是最常见的冲击损坏形式。
钻头的大部分钻压和扭矩都施加于复合片切削刃上，受力面积很小，当钻头钻进比较硬或者非均质性较强的地层时，PDC 切削刃会受到较大的沿钻头切向的冲击载荷，由于复合片脆性大，从而导致切削刃发生破裂，其裂纹起源于金刚石层圆柱面上。
钻削与钻头学习.pptx
第四节 先进钻型与结构特点简介
六、可转位浅孔钻
使用硬质合金可转位刀片—— 可高速、大进给切削，效率高。
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第五节 深 孔 钻
* 深孔加工概念：长径比L/D＞5的孔为深孔。 一般L/D＝5～10的深孔可用深孔麻花钻加工， L/D ＞20则必须使用深孔刀具。
* 深孔加工的难点：
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第一节 麻 花 钻
二、麻花钻的几何角度 2、钻头的刃磨角度
普通麻花钻只需 刃磨两个后面，控制 三个角度： （1）顶角2φ （2）外缘后角αf （3）横刃斜角ψ
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第一节 麻 花 钻
二、麻花钻的几何角度 2、钻头的刃磨角度 ——越靠近钻头中心，后角磨得越大： （1）使横刃获得较大前角，增加其锋利程度； （2）使切削刃各点的工作后角差较小。外缘后角αf
2.在车床上钻孔
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第六节 钻削方法及特点（补充）
二、钻头的装夹
1.直柄钻夹头
钻夹头的结构如图 所示，夹头体上有锥孔 与钻夹锥柄紧配；夹头 套与内螺纹圈紧配；钥 匙用来旋动夹头套；夹 爪用来夹紧钻头直柄； 内螺纹圈用来使爪伸出 或缩进。
1—夹头体 2—夹头套 3—夹头钥匙 4—夹爪 5—内螺纹圈
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第一节 麻 花 钻
二、麻花钻的几何角度 5、 几何角度小结
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第二节 钻削原理
一、切削用量与切削层参数
1.钻削用量
钻削背吃刀量（mm） 每刃进给量（mm／z） 钻削速度（m／min）
ap d / 2
fz f / 2
v (dn) /1000
2.切削层参数
钻削厚度（mm）
常见钻孔过程中容易发生的质量问题
常见钻孔过程中容易发生的质量问题及处理方法在钻孔过程中应防止坍孔、孔形扭歪或孔偏斜，甚至把钻头埋住或掉进孔内等事故。
1）塌孔在成孔过程或成孔后，有时在排出的泥浆中不断出现气泡，有时护筒内的水位突然下降，这是塌孔的迹象。
其形成原因主要是土质松散、泥浆护壁不好、护筒水位不高等所致。
如发生塌孔，应探明塌孔位置，将砂和粘土的混合物回填到塌孔位置1m~2m，如塌孔严重，应全部回填，等回填物沉积密实再重新钻孔。
2）缩孔缩孔是指孔径小于设计孔径的现象。
是由于塑性土膨胀造成的，处理时可反复扫孔，以扩大孔径。
3）斜孔桩孔成孔后发现较大垂直偏差，是由于护筒倾斜和位移、钻杆不垂直、钻头导向部分太短、导向性差、土质软硬不一或遇上孤石等原因造成。
斜孔会影响桩基质量，并会造成施工上的困难。
处理时可在偏斜处吊放钻头，上下反复扫孔，直至把孔位校直；或在偏斜处回填砂粘土，待沉积密实后再钻。
4、在钻孔过程中钻头被卡住怎么办？1、质量问题及现象钻头在钻孔内，无法继续运转。
2、原因分析1）孔内出现梅花孔、探头石或缩孔。
2）下钻头时太猛，或钢丝绳松绳太长，使钻头倾倒卡在并壁上。
3）坍孔时落下的石块或落下较大的工具将钻头卡住。
4）出现缩孔后，补焊后的钻头尺寸加大，冲击太猛，冲锥被吸住。
5）使用冲击钻在粘土地层中进行钻孔时，冲程量过大，或泥浆太稠，冲锥被吸住。
3、预防措施1）对于上下能活动的卡钻，可以采用上下轻微提动钻头，并辅以转动钢丝绳，使钻头转动，以便提起。
2）下钻时不可太猛。
3）对钻头进行补焊时，要保证尺寸与孔径配套。
4）使用冲击钻进行施工时冲程量不宜过大，以防锥头倾倒造成卡钻。
4、处理措施1）当土质较好或在石质孔内卡钻时，可以采取小爆破振动使钻头松动，以便提起钻头。
2）钻头被卡住时，可上下左右试着进行轻提，将钻锥提起。
3）用千斤顶或滑轮组强提，但应注意孔口的牢固，以防孔口坍塌。
5、如何避免钻孔灌注桩护筒底部孔壁坍塌？1、质量问题及现象孔壁坍塌；钻机倾斜。
旋挖钻孔桩施工重点及难点分析
旋挖钻孔桩施工重点及难点分析旋挖钻机成孔是以带动钻头旋转逐进逐次取土的一种孔桩成孔施工工艺, 钻孔机械设备是采用履带底盘承载行走, 方便灵活, 通常采用水下浇筑混凝土的方式进行浇筑, 保证桩身质量。
干、湿环境, 素土、岩石或淤泥等土质均能施工, 在国外已有几十年的历史, 但国内是在进几年才逐渐被认识和应用。
其特点是作业效率高、工期短、尘土泥浆少, 安全隐患小。
1.定位放线定位放线要准确, 并经现场质量控制人员复核无误后方能埋设护筒, 且护筒的埋设应准确, 保证其平面定位与垂直度。
2.塌孔处理因场内地局部的回填深度达5m以上, 回填土质结构松散, 存在大量孤石, 且地势低下, 汇水面积大, 导致地下存留大量的地下滞水, 成孔过程中极易出现塌孔现象, 避免孔壁坍塌, 保证桩身质量是难点及重点。
3.孔位偏移控制因地下土质软硬不同、钻头受力不均等现象, 导致孔桩倾斜或偏位, 因此桩位及孔桩垂直度的控制是保证施工质量的重点及难点。
4.持力层控制成孔过程中应根据地勘资料及现场护筒口标高, 计算出孔桩开挖深度, 提前半小时通知地勘及甲方等相关单位对持力层进行确定, 若现场情况与地勘资料吻合, 经地勘单位现场人员确定后, 可按设计要求进行嵌岩；若现场情况与地勘资料不符, 则应经地勘单位现场人员根据现场实际情况, 重新确定进入中风化岩面的标高（孔深）, 我方按此进行嵌岩施工。
5.沉渣控制因机械成孔没有护壁, 不能下人, 孔底沉渣的清理及检测难度较大, 加之吊放钢筋笼时, 钢筋笼与孔壁摩擦, 不可避免的会掉入部分泥渣, 施工过程孔底沉渣的控制是难点及重点, 孔桩挖到设计及地勘建议开挖深度后进行清底, 并反复测梁其厚度, 将其控制在允许范围, 钢筋笼安装完毕后应再次测量, 若不满足要求, 应进行二次清底, 确保孔底沉渣在控制范围内。
6.水下混凝土浇筑混凝土浇筑采用水下混凝土浇筑方式进行施工, 导管安装要求导管连接严密、不漏水, 且导管应接到孔底。
第二节 钻柱
第二节钻柱一、钻柱的作用与组成二、钻柱的工作状态与受力分析三、钻柱设计一、钻柱的组成与作用（一）钻柱的组成钻柱(Drilling String)是水龙头以下、钻头以上钢管柱的总称。
它包括方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。
(一)钻柱组成(一）钻柱的组成钻柱是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头(Joint)及稳定器等井下工具。
（二）钻柱的作用(见动画)(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭矩；(4)起下钻头；(5)计量井深；(6)观察和了解井下情况(钻头工作情况、井眼状况、地层情况)；(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试(Drill-Stem Testing),又称中途测试。
1. 钻杆(1)作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。
(2)结构：管体+接头，由无缝钢管制成。
1. 钻杆(3)连接方式及现状：a.细丝扣连接，对应钻杆为有细扣钻杆。
b.对焊连接，对应钻杆为对焊钻杆。
1. 钻杆(4)管体两端加厚方式：常用的加厚形式有内加厚(a)、外加厚(b)、内外加厚(c)三种.(a) (b) (c)（5）规范壁厚：9 ～11mm 外径：长度：根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类："21,"21 ,"21,"87 ,835139.70 ,500.127 430.1144101.60390.88 273.00 230.60第一类 5.486～6.706米(18～22英尺)；第二类8.230～9.144米(27～30英尺); 第三类11.582～13.716米(38～45英尺)。
常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12（6）钢级与强度钻 杆 钢 级物 理 性 能D E95（X）105（G）135（S）MPa379.21517.11655.00723.95930.70最小屈服强度lb/in2550007500095000105000135000 MPa586.05723.95861.85930.791137.64最大屈服强度lb/in285000105000125000135000165000 MPa655.00689.48723.95792.90999.74最小抗拉强度lb/in295000100000105000115000145000钢级：钻杆钢材等级，由钻杆最小屈服强度决定。
钻柱分析
钻柱一、钻柱的作用与组成二、钻柱的工作状态与受力分析三、钻柱设计一、钻柱的组成与功用（一）钻柱的组成钻柱(Drilling String)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。
（二）钻柱的功用(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭矩；(4)起下钻头；(5)计量井深。
(6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；(7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。
1. 钻杆（1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。
（2）结构：管体+接头（3）规范：壁厚：9 ～ 11mm外径：长度：根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类：第一类 5.486～ 6.706米(18～22英尺)；第二类 8.230～ 9.144米(27～30英尺);第三类 11.582～13.716米(38～45英尺)。
常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12•丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。
•钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。
•钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）； NC系列•内平式：主要用于外加厚钻杆。
特点是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻力小；但外径较大，容易磨损。
贯眼式：主要用于内加厚钻杆。
其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力大于内平式，但其外径小于内平式。
正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。
其特点是接头内径<加厚处内径<管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。
三种类型接头均采用V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺寸等都有很大的差别。
金刚石钻头基本知识
第一章金刚石钻头基本知识第一节概述金刚石钻头的发展历史金刚石钻头是不同于牙轮钻头的另一类钻井破岩工具，其使用可以追溯到19世纪60年代。
最初人们以天然金刚石为切削元件制作打炮眼和挖掘隧道的工具，后来出现了用于石油钻井的钢体鱼尾式天然金刚石全面钻进钻头和取心钻头。
早期的金刚石钻头是将天然金刚石冷镶在低碳钢上的。
由于天然金刚石来源有限，价格昂贵，加之本身尺寸、性能方面的原因以及当时落后的制造工艺，大大限制了金刚石钻头在石油钻井工业中的应用。
随着粉末冶金技术的发展，出现了采用烧结碳化钨作为钻头体的胎体式金刚石钻头。
这种技术的出现使金刚石钻头的制造水平大大提高。
胎体式金刚石钻头具有耐冲蚀、耐磨损的特点，具有良好的使用性能，其制造工艺也不复杂，因此一经出现就迅速推广开来。
人造聚晶金刚石的研制成功，对金刚石钻头技术的发展起了巨大的推动作用。
人造聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）的出现一度被称为20世纪80年代钻井工业技术的一大突破，这种新技术对石油钻井业的发展产生了巨大的影响。
现场使用证明，软到中等硬度地层钻井用PDC钻头具有机械钻速高、进尺多、寿命长、工作平稳、井下事故少、井身质量好等优点，并能与井下动力钻具配合用于高速钻井。
合理使用金刚石钻头可以大大缩短建井周期，降低钻井成本，提高钻井经济效益。
金刚石钻头的发展前景经过近二十多年的发展，金刚石钻头已经成为继牙轮钻头之后的又一重要破岩工具。
时至今日，PDC钻头在石油钻头市场所占的份额越来越大，几乎每年以30%的速度侵吞牙轮钻头市场。
随着新的设计理论、设计方法和材料等技术的发展，PDC钻头的适用范围也在不断扩展，以前被认为不适用于PDC钻头的地层现在也广泛使用，比如我国中原油田的文留区块的沙二至沙三地层由于地质情况复杂、夹层多，可钻性差，以前一直被认为是PDC钻头的禁区，在这里钻的井除了取心之外用的都是牙轮钻头。
可是从2000年开始，PDC钻头在这个区块的使用量逐渐增多，效果也很好，而2001年底我公司的一只8 1/2 BK542-4型PDC钻头更在该区块的文－133井创下了1600米（东营组）入井，打到3390米（沙三上）完井，纯钻时间小时，进尺1790米，平均机械钻速米的好指标。
钻杆扶正器钻具组合详解
单扶组合的力学分析
• 单扶组合的钻头受力分析：
Q ( F )2 Po2
tg F Po
– 此只能定性说明问题，不可定量 计算。
tg F Fi Ff Fc Fb
Po
Po
P sin Ff M c / L 0.5W sin P cos
• 减小第一和第二扶正器之间的距离，B ； • 减小后，在第二扶正器之上，在加一个扶正器，C ；
多扶组合的力学特性
• 多扶增斜组合的结构：
– 柔性多扶增斜组合：
• 柔性组合A ，使用1根小尺寸钻铤。国外称作“giligan”。 若标准增斜组合的增斜率为20/30m ，则“giligan”增斜 率可达到30/30m 。
• 使用多扶组合的必要性：
– 1. 单扶组合仅用于增斜和降斜。由于单扶稳斜组合性能的 不稳定性，稳斜组合都是多扶正器组合。
– 2. 对于增斜、降斜组合，由于以下原因，也广泛使用多扶 组合：
• 单扶组合的钻柱可能大段与井壁接触，产生粘附卡钻 或压差卡钻的可能性较大，而多扶组合可大大减小钻 柱与井壁的接触；
扶正器钻具组合
1. 单扶组合的力学分析； 2. 单扶组合的力学特性； 3. 多扶组合的力学特性； 4. 扶正器组合使用注意事项； 5. 实用扶正器钻具组合；
转盘钻扶正器组合
• 此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼 内改变井斜，即进行增斜、降斜或稳斜。
• 此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧 妙地使用扶正器，得到各种性能的组合。
• 20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。 运用数学、力学和计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、 纵横连续梁法、加权余量法等等方法，且都需要使用较复杂的 计算机程序。