第三讲：钻井方法与破岩工具

● 1925年，出现了牙齿相互交错啮合 的两牙轮钻头，有效防止了泥包。 但轴颈间滑动摩擦副的寿命很低。
● 1932年，装有滚动轴承的两牙轮钻 头问，大大提高了轴承寿命。
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3.2 牙轮钻头
一、 牙轮钻头的发展历程
1933年，滚动轴承三牙轮钻头问世。三牙轮钻头与两牙轮钻头 相比的突出优点： （1）在不减少井底覆盖率的前提下，各牙轮上各齿圈之间的距 离增大，有利于冲洗牙轮，防止泥包； （2）更充分利用了宝贵的空间，提高了钻头总的承载能力； （3）钻头上有三圈外排齿切削井壁，提高了保径能力； （4）钻头稳定好，钻出的井眼质量好。
3.破岩工具
（2）改进的牙轮钻头
传统的牙轮钻头不能承受冲击载荷，主要表现在钻头巴掌脱落和 钻头牙 齿容易遭到损坏。将传统的牙轮钻头加以改进，主要是增强 巴掌焊缝和 牙齿，提高其承受冲击载荷的能力，可用于冲旋钻井。
八十年代中期, 国外研制了空气钻井牙轮钻头。 它采用非移轴设计, 使 用较硬的硬质合金齿和敞式轴承。IADC编码为619、639 和539。 机械钻 速较高, 但寿命较短。
承在高速下的早期失效,使其在性能上与 井下动力钻具相匹配，满足定向井和超 深井钻井时提高机械钻速和降低钻井成 本的需要。 ② 牙轮+PDC混合型钻头 ③ 冲击钻井牙轮钻头
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3.2 牙轮钻头
二、 牙轮钻头结构设计
1.牙齿与牙轮 2.轴承及密封系统 3.巴掌(牙爪）与钻头体 4.压力补偿储油润滑系统 5.喷嘴
空气锤钻井适合地层不出水的干燥地层。 与空气锤相比，液动冲击锤的冲击力较小，破岩效率相对较低。
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第三讲 钻井方法与破岩工具
3.1 钻井方法（Drilling Method） 3.2 牙轮钻头（Roller/Cone Bit） 3.3 PDC钻头（PDC Bit） 3.4 金刚石钻头（Diamond Bit） 3.5 钻头类型优选
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3.1 钻井方法
二、 旋转钻井法
3. 旋转钻井破岩工具
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3.1 钻井方法
三、 冲击-旋转钻井法
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3.1 钻井方法
三、 冲击-旋转钻井法
1.工作原理
冲击—旋转钻井是在旋转钻进 的基础上加入一个井下冲击器。在 钻进中，地面以动力带动整个钻具 旋转，并通过钻具给钻头一定的轴 向压力；同时井下冲击器以一定的 频率进行冲击，给钻头齿施加一个 附加冲击载荷。钻头在加压旋转和 冲击共同作用下破碎岩石。
冲击频率：1000~1500次/min； 风压：3MPa 风量：6”—48~52m3/min;
8-1/2”/9-1/2”—75~90m3/min； 12-1/4”/17-1/2”—100~120m3/min 钻压：1~2t 转速：20~50rpm
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3.1 钻井方法
三、 冲击-旋转钻井法
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3.2 牙轮钻头
一、 牙轮钻头的发展历程
1998年, Baker Hughes公司推出了第1代单金属浮动密封 (SEMS)
的高速牙轮钻头; 2003年对其进行改进, 推出了第2代产品( SEMS2), 2005年中期在市场上推出了使用第2代技术的MXL系 列牙牙轮钻头发展方向： 轮①钻研头制转高速转提速高牙到轮2钻00头~4, 0避0免rp牙m轮。钻头轴
70年代,发明了金属密封轴承，采用金属密封环作为轴承轴向动 密封，与常规橡胶圈密封钻头相比 ，钻头寿命提高了35%。
80 年代末，Smith 推出覆盖金刚石的镶齿用于背锥齿和外排齿，
大大增强了钻头的保径能力。1995年Hughes 正式推出GT
(Gauge
Trimmer)系列,加强了保径钻头保径，提高了机械钻速。
2.破岩工具——钎头
一字型
十字型
柱齿型
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3.1 钻井方法
一、 旋转钻井法
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3.1 钻井方法
二、 旋转钻井法
1. 转盘钻
1900年,德国发明了旋转钻机。
turntable
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3.1 钻井方法
二、 旋转钻井法
2. 井下动力钻
井下动力钻具
涡轮钻具（turbo drill） 螺杆钻具（helicoid hydraulic drill） 电动钻具（electric drill）
第三讲 钻井方法与破岩工具
3.1 钻井方法（Drilling Method） 3.2 牙轮钻头（Roller/Cone Bit） 3.3 PDC钻头（PDC Bit） 3.4 金刚石钻头（Diamond Bit） 3.5 钻头类型优选
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3.1 钻井方法
顿钻钻井法（冲击钻）（Percussion Drilling）
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3.1 钻井方法
三、 冲击-旋转钻井法
4.冲击—旋转钻井的应用
冲击破岩的主要特点是在瞬间可对岩石产生很大的冲击力。岩 石越硬，冲击载荷作用时间越短，冲击力越大。因此，冲击破 岩方法适用于硬的、脆性岩石和硬的、研磨性地层。
井底压差对冲击破岩效果影响显著。因此，在欠平衡，尤其是 空气钻井的钻井条件下，冲击破岩钻井破岩效率高。
① 平底钻头（Flat Bottom） 用于相对较软的地层。
② 凹底钻头（Concave） 应用最广泛，有利于防斜。
③ 锥底钻头（Convex） 用于极硬、研磨性极高的地层。
④ 复合型钻头 结合锥底和凹底钻头的特点设计。
平底钻头 锥底钻头
凹底钻头
复合型钻头
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3.1 钻井方法
三、 冲击-旋转钻井法
2.井下冲击锤（Downhole percussion Hammer）
（2）液动冲击锤
射吸式冲击器由喷嘴、活塞冲 锤、活塞套、外壳、砧子等部分组 成。利用高压射流的卷吸作用使活 塞冲锤上、下腔产生交变压力差推 动活塞往复运动的无阀液动冲击器 。
喷嘴
上腔 冲锤 活塞 活塞套
上接头 射流元件 缸体 活塞 冲锤 外壳
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3.2 牙轮钻头
一、 牙轮钻头结构设计
1. 牙齿与牙轮
（2）牙轮（cone)
类型 单锥牙轮—硬地层 复锥牙轮—软地层
设计参数 主锥角(2φ)、副锥角(2θ)、 背锥角(2γ)、总高(H)、背锥高度(h)、最大外径(d)。
设计原则 在有限空间内尽力加大牙轮体积，以加大轴承尺寸和布齿空间。
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2002 年,美国能源部资助的世界第一例使用泥浆驱动的液动冲击器与不同 钻头配合,在不同钻井参数和岩层构造下作了深井凿岩比较,结果发现在相同 条件下使用牙轮钻头不如使用冲击类专用钻头的钻速快,即使牙轮钻头没有 损坏,其对冲击能量的传递效率也远不如平底钻头等冲击类专用钻头。
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3.1 钻井方法
三、 冲击-旋转钻井法
P ah （a为与岩石弹性有关的比例系数）
最大作用力发生在表面位移最大（hmax）的时刻，即钻头下落速
度降到零的时刻。
此时的变形位能为：
U
1 2
Pmax
·hmax
1 2
ahm2ax
由条件U =Tk 不难确定hmax：hmax v
m a
最大作用力： Pmax v am
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3.1 钻井方法
一、 顿钻（冲击）钻井法
m
U 的平衡方程式来表达： Tk＝U
Tk
1 2
m
v
2
v
hmax
U Pz (h)dh
0
式中：m — 钻头和冲击钻杆的质量；
h
v0 — 钻头同岩石碰撞时的速度；
hmax——钻头侵入岩石的最大深度；
Pz(h)——岩石抵抗钻头侵入的阻力。
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3.1 钻井方法
一、 顿钻（冲击）钻井法
1.工作原理
假定作用力与表面的位移成正比（弹性变形）：
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3.2 牙轮钻头
一、 牙轮钻头结构设计
1. 牙齿与牙轮
（1）牙齿（tooth) ① 铣齿（钢齿，steel tooth）
齿形为楔形，表面硬化处理以提高耐磨性。 一般用于软的、弱研磨性地层。
主要设计参数： 齿高—钻头越大，齿越大，露出越高；
地层越软，露出越高； 齿尖角—软地层40~43°，硬地层44~48° 齿顶平宽—0.75~2mm
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3.2 牙轮钻头
一、 牙轮钻头结构设计
规径齿
保径齿
1. 牙齿与牙轮
（1）牙齿（tooth)
② 镶齿（硬质合金齿，insert tooth）
勺形齿：极软至中软地层 楔形齿：软至中硬地层 锥形齿：中硬地层 尖卵形齿：硬地层 球齿：硬至坚硬地层
主切削齿
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一、 牙轮钻头结构设计
1. 牙齿与牙轮
（2）牙轮（cone)
3.破岩工具
（3）金刚石加强齿钻头
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3.1 钻井方法
三、 冲击-旋转钻井法
4.冲击—旋转钻井的破岩特点
① 冲击载荷比静载荷能更有效地破碎脆性硬岩石
冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达到极高值，局部应力集中，在岩石内容 易产生微裂纹。并且冲击速度越大，岩石脆性越大，越有利于裂隙发育。裂纹 的发育，降低了岩石表面的机械强度。当冲击载荷足够大时，应力很快接近或 超过强度极限，产生脆性破坏，表现为岩石大体积崩离。
井下冲击锤 冲击载荷
井下冲击锤是旋转冲击钻井的核心 工具。按照驱动方式的不同，分为气 动冲击锤和液动冲击锤两种。
钻压（静载）
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3.1 钻井方法
三、 冲击-旋转钻井法
2.井下冲击锤（Downhole percussion Hammer）
（1）气动冲击锤（空气锤）
主要由缸套（外壳）、活塞冲击锤、配气机 构和接头等部分组成。空气经空压机和增压机 加压后,进入空气锤的配气机构，在活塞上下两 腔形成压力差来推动活塞上下往复运动,实现对 钻头的冲击做功,达到提高破岩效率的目的。