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    打井機地熱鉆井中的鉆頭相關知識

    未來將存在著大量的地熱井需要進行鉆探,地熱鉆井與油氣鉆井在鉆遇的地層巖性上基本相同,因此油氣鉆井中根據不同地層選取合適鉆頭的經驗也可以借鑒到地熱鉆井中來。下面對鉆井中使用到的各類鉆頭作下簡單介紹.

    鉆頭分類

    鉆頭(zuàntóu)是石油鉆井的重要工具,是在開采石油時用于鉆取石油的,其工作性能的好壞將直接影響鉆井質量、鉆井效率和鉆井成本。

    按功用分為全面鉆進鉆頭、取心鉆頭和特殊工藝用鉆頭(比如擴眼鉆頭、定向造斜鉆頭等)。

    按類型可分為PDC鉆頭、金剛石鉆頭、牙輪鉆頭和刮刀鉆頭等四種;

    PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit)

    PDC鉆頭是聚晶金剛石復合片鉆頭的簡稱,亦稱聚晶金剛石切削塊鉆頭或復合片齒鉆頭。自從1973年美國通用電氣公司引入PDC切削塊,研制出第一個PDC鉆頭后,PDC鉆頭便以其鉆速快、壽命長、進尺高等優勢,在石油鉆井中得到了廣泛的應用。幾乎所有鉆頭制造商都采用了這一技術,開始生產自己的PDC鉆頭系列。中國某些油田利用金剛石聚晶復合片鑲焊在刮刀上,也獲得了良好的效果。

    PDC鉆頭基體有四種基本冠部外形:魚尾形、淺錐形、短拋物線形和拋物線形。     

    魚尾形PDC鉆頭的翼片很長,增加了復合片的出刃高度,同時也增加了鉆頭冠部與地層之間的間隙,使巖屑易于排向環形空間不致于粘附于鉆頭體,有利于射流的潔洗。這種鉆頭的最大特點是能減少泥包和與泥包相關的鉆井問題。魚尾形PDC鉆頭適用于轉盤鉆井的直井和定向井鉆進,適于鉆進粘性極高的泥頁巖層。   

    淺錐形PDC鉆頭在四種冠部形狀中,冠部面積最小,水力能量集中,易于清洗。由于其外形依靠較長的保徑和適當的扶正,因而在快速鉆進中,也能保持方位和井斜的穩定。這種鉆頭復合片密度不易過大,而且只能用于轉盤鉆井,適用于鉆進夾層。     

    短拋物線形鉆頭有一個帶錐度的冠部,其冠頂相當圓頓。這種設計可使鉆頭外側布置更多數量的切削齒,使鉆頭的磨損更為平衡。短拋物線形PDc鉆頭用于轉盤鉆井、井下動力鉆井及定向鉆井都比較穩定,最適合于鉆可能遇到硬夾層的地區。     

    拋物線形鉆頭的整個冠部載荷分布均勻,無明顯載荷過渡區,載荷不致過分集中。這種冠部外形可使鉆頭肩部及規徑部位布更多的切削齒,故最適合于高速井下動力鉆進。拋物線形鉆頭具有良好的磨損壽命,但該型鉆頭具有較大的冠部表面,要求較高的流量和水力能量來實現清洗和冷卻,鉆頭的鼻部在鉆夾層時局受損壞。

    1)PDC鉆頭的結構特點
    PDC鉆頭由鉆頭體、PDC切削齒和噴嘴等部分組成,按結構與制造工藝的不同分為鋼體和胎體兩大系列。

    剛體PDC鉆頭的整個鉆頭體都采用中碳鋼材料并采用機械 制造工藝加工成形。在鉆頭工作面上鉆孔,以壓入緊配合方式將PDC切削齒固緊在鉆頭冠部。鉆頭冠部采用表面硬化工藝(噴涂碳化鎢耐磨層、滲碳等)進行處理,以增強其耐沖蝕能力。

    優點:制造工藝簡單;

    缺點:鉆頭體不耐沖蝕,切削齒難以固牢,目前應用較少。

    胎體PDC鉆頭的鉆頭體上部為鋼體,下部為碳化鎢耐磨合金 胎體,采用粉末冶金燒結工藝制造成型。用低溫焊料將PDC切削齒焊接在胎體預留窩槽上。

    優點:碳化鎢胎體硬度高,耐沖蝕,進尺高,因而胎體PDC鉆頭壽命長,目前應用比較廣泛。

    2)PDC鉆頭的工作原理
    PDC鉆頭是以切削方式破碎巖石。能自銳的切削齒在鉆壓的作用下很容易切入地層,在扭矩的作用下向前移動剪切巖石。多個PDC切削齒同時工作,井底巖石的自由面多,巖石在剪切作用下也容易破碎,因此破巖效率高,鉆進速度快。

    3)PDC鉆頭的正確使用
    PDC鉆頭在大段均質的軟到中硬地層中使用效果最好。不適合鉆礫石層和軟硬交錯地層。

    采用低鉆壓、高轉速、大排量鉆進,鉆頭使用效果好。

    鉆頭下井前,井底要清潔,確保無金屬落物。

    鉆頭剛下井時,要采用小鉆壓和低轉速跑和,待形成井底后恢復正常鉆進。

    PDC鉆頭屬于整體式鉆頭,無任何活動部件,適合高轉速的渦輪鉆井。

    金剛石鉆頭

    金剛石鉆頭是指靠鑲嵌在鉆頭胎體上的金剛石顆粒破碎巖石的鉆頭。金剛石是目前人類所知材料中硬度最大、耐磨性最高的材料,因此金剛石鉆頭用于硬的、高研磨性地層,可獲得比較高的鉆頭進尺。雖然金剛石比較昂貴,但金剛石鉆頭磨損,單只鉆頭進尺高,在當今的石油鉆井仍有較強的競爭力。目前,金剛石鉆頭在普通的旋轉鉆井以及渦輪鉆井和取芯作業中都得到了廣泛的使用,其中應用尤其廣泛是熱穩定聚晶金剛石齒(TSP)。

    1)金剛石鉆頭的結構特點
    金剛石鉆頭屬一體式鉆頭,整個鉆頭無活動部件,主要有鉆頭體,冠部,水力結構(包括水眼或噴嘴、水槽亦稱流道,排屑槽),保徑、切削刃(齒)五部分 ,??金剛石鉆頭的冠部是鉆頭切削巖石的工作部分,其表面(工作面)鑲裝有金剛石材料切削齒,并布置有水力結構,其側面為保徑部分(鑲裝保徑齒)它和鉆頭體相連,由碳化鎢胎體或鋼質材料制成,是20世紀80年代世界鉆井三大新技術之一,整個鉆頭沒有活動的零部件,結構比較簡單,具有高強度、高耐磨和抗沖擊的能力,現場使用證明,金剛石鉆頭在軟-中硬地層中鉆進時,有速度快、進尺多、壽命長、工作平穩、井下事故少、井身質量好等優點。金剛石鉆頭不但使用時間長,還可以重復利用,返廠修復的金剛石鉆頭使用起來和出廠的 金剛石鉆頭使用效果差不多,能大量的節約鉆井成本。

    2)金剛石鉆頭的工作原理
    金剛石鉆頭鉆進時,鉆頭表面上的多粒金剛石同時作用于巖石。金剛石破碎巖石的作用在不同性質的巖石中表現出不同的特性。在塑性地層(或巖石在應力作用下呈塑性的地層),金剛石在鉆壓的作用下吃入地層并在鉆頭扭矩的作用下使前方的巖石發生破碎或塑性流動,該破巖過程類似于"犁地"過程,故稱作"犁削"。

    在脆性較大的地層中鉆進時,金剛石破碎巖石的作用主要是"壓碎",在鉆壓和扭矩作用下所產生的應力可使刃下巖石沿最大剪應力面開裂,在金剛石移動的后部形成被壓裂了溝槽,這種情況下巖石破碎的體積遠大于金剛石吃入后破碎的體積,巖石破碎具有體積破碎的性質,破巖效率較高。

    在堅硬地層(如燧石、硅質白云巖等)中,一般采用將細顆粒金剛石包鑲在胎體內部的孕鑲式金剛石鉆頭鉆進,其破巖過程同砂輪的磨削相似。鉆頭上每一個包孕的金剛石都是小刃齒,鉆頭可看作有無數個刃的刀具。鉆頭鉆進巖石時,鉆頭上出露的棱角鋒利的金剛石刃齒以微切削、刻劃等方式來破碎巖石。磨削破巖屬于表面破碎,破巖效率較低。

    3)金剛石鉆頭的正確使用
    金剛石鉆頭適用鉆中到堅硬、研磨性地層和渦輪鉆井、深井超深井鉆井以及取芯作業。使用金剛石鉆頭前,井底要打撈干凈,保證沒有金屬落物。鉆頭剛下到井底時,要先用小鉆壓、低轉速跑合。然后采用相對較低的鉆壓(和牙輪鉆頭相比),較高的轉速和較大的排量鉆進。應盡量避免劃眼。如果必須進行劃眼,應采用低鉆壓和低轉速,操作要均勻,防止鉆頭規徑部分金剛石碎裂和過度磨損。

    牙輪鉆頭

    從1909年第一只牙輪鉆頭問世后,牙輪鉆頭便在全世界范圍內得到了最廣泛的應用。三牙輪鉆頭是目前旋轉鉆井作業中使用地最普遍的鉆頭。這種類型的鉆頭具有不同的牙齒設計和軸承結類型,牙輪鉆頭工作時切削齒交替接觸井底,破巖扭矩小,切削齒與井底接觸面積小,比壓高,易于吃入地層;工作刃總長度大,相對減少磨損,因此能夠適應各種類型地層。在鉆井作業中,根據所鉆地層性質正確選用合適結構的牙輪鉆頭,就可獲得令滿意的鉆進速度和鉆頭進尺。牙輪鉆頭是使用最廣泛的一種鉆井鉆頭。牙輪鉆頭能夠適應從軟到堅硬的多種地

    1)三牙輪鉆頭的基本結構
    鉆頭本體:有三 片牙掌組裝焊接在一起,上部有連接絲扣。

    牙輪:由牙輪體和牙齒組成 錐形的 金屬體。牙齒分銑齒和鑲齒兩種類型

    軸承及其儲油密封裝置

    噴嘴

    2)牙輪鉆頭的工作原理
    牙輪鉆頭在井底工作時,鉆頭整體圍繞鉆頭軸線旋轉稱之為公轉,三個牙輪則依其自己的軸線在井底滾動稱之為自轉。鉆頭承受的鉆壓通過牙齒作用在巖石上,使巖石破碎(壓碎作用)。牙輪在滾動過程中,以單齒、雙齒交替接觸井底,牙輪中心的位置忽高忽低,使鉆頭產生縱向振動。這種縱向振動使鉆柱不斷壓縮與伸張,下部鉆柱把這種周期性變化的彈性變形能通過牙齒轉化為對地層的沖擊作用力用以破碎巖石。這種沖擊、壓碎作用是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式。

    牙輪鉆頭除了對井底巖石產生沖擊、壓碎作用外,還對井底巖石產生剪切作用。牙輪在井底滾動的同時還產生牙齒對井底的滑動,牙齒的滑動對井底巖石形成剪切作用, 像刮刀鉆頭那樣刮削井底。牙齒的滑動主要是由牙輪的超頂、副錐和移軸布置引起的。牙輪的超頂布置復錐牙輪引起切線方向的滑動, 牙輪的移軸布置則引起軸向方向的滑動。一般地,鉆軟到中硬地層的鉆頭兼有超頂、復錐和移軸;鉆中硬到硬地層的鉆頭在設計上有超頂和復錐;鉆極硬和研磨性較強地層的鉆頭常采用單錐牙輪,不超頂也不移軸。

    3)牙輪鉆頭的分類及選用

    牙輪鉆頭生產廠商眾 多,這些鉆頭廠商提供了多種類型和結構的鉆頭。為了便于牙輪鉆頭的選擇和使用, 國際鉆井承包商學會(IADC)制定了全世界統一的牙輪鉆頭分類標準及編號方法。

    IADC規定,每一類鉆頭用三位數字代表,個數字意義如下:

    第一位數字表示牙齒類型及適鉆地層:

    1- 銑齒,軟地層;2- 銑齒,中到中硬地層;3- 銑齒,硬、研 磨性或半研磨性地層;4- 備用;5- 鑲齒,軟到中等地層;6- 鑲齒,中硬地層;7- 鑲齒,硬、研磨性或半研磨性地層;8- 鑲齒,極硬、高研磨性地層。

    第二位數字表示所鉆地層再細分為1,2,3,4四個硬度等級。

    第三位數字表示鉆頭的結構特征:

    1- 無密封滾動軸承;2- T型外排齒保徑;3- 規 徑上有鑲齒保徑;4- 密封滾動軸承;5- 密封滾動軸承,規徑上有鑲齒保徑;6- 密封滑動軸承;7- 密封滑動軸承,規徑上有鑲齒保徑;8- 定向井造斜鉆頭;9- 其它。

    刮刀鉆頭

    刮刀鉆頭是旋轉鉆井使用最早的一種鉆頭,從十九世紀開始采用旋轉鉆井方法的時候就開始使用這 種鉆頭,而且直到現在某些油田仍在使用。這種鉆頭主要用在軟地層和粘軟地層,具有很高的機械鉆速和鉆頭進尺。刮刀鉆頭最大的優點是結構簡單,制造方便,成本低,各油田可自行設計和制造。

    1)刮刀鉆頭的結構
    刮刀鉆頭由鉆頭體、刮刀片、分水帽和噴嘴四部分組成。鉆頭體是刮刀鉆頭焊接刮刀片和分水帽的 本體,采用中碳鋼材料 加工而成。下端焊接 刮刀片和分水帽,上端車有絲扣和鉆柱連接 。刮刀片又稱刀翼,是刮刀鉆頭主要工作部 件。

    2)刮刀鉆頭工作原理
    刮刀鉆頭以切削方式破碎巖石。刮刀鉆頭在 軟的塑性地層工作時,其切削過程類似于刀具切削軟金屬。刀片在鉆壓的作用下吃入地層,與此同時刀刃前面的巖石在扭轉力的作用下不斷產生塑性流動, 井底巖石被層層剝起 。刮刀鉆頭鉆進脆性較大的地層時,破碎巖石的過程則分為碰撞 、壓碎及小剪切和大剪切三個階段:

    碰撞:刃前巖石破碎后,巖石對刀片的扭轉 阻力減小, 刀片向前推進,碰撞刃前巖石;

    壓碎及小剪切:刀片在扭轉 力作用下壓碎前方的巖石,使其產生小剪切破碎;

    扭轉力增大:刀片繼續 擠壓前方巖石,當扭轉力增大到極限值時,巖石沿剪切面產生大剪切破碎,然后扭轉力突然減小 。

    碰撞、壓碎及小剪切、大剪切這三個過程反復進行,形成刮刀鉆頭破碎塑脆性巖石的全過程。

    3)刮刀鉆頭的正確使用
    刮刀鉆頭適用于軟地層和粘軟地層。鉆進時需要適當控制鉆壓與轉速,注意防斜、防蹩、防止刀翼斷裂。由于刮 刀鉆頭在軟地層中的機鉆速較快,巖屑量較大,宜采用 大排量鉆進,充分清洗井底和冷卻鉆頭。刮刀鉆頭鉆進時 ,刀翼外側線速度較高,磨損速度較快,鉆頭容易磨損成錐形,此時要特別注意防斜和防止井徑縮小。

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