鉆頭選型方法與鉆頭鉆頭選型方法與鉆頭選型軟件簡介

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1、鉆頭選型方法與鉆頭選型軟件簡介講義 寸國広山々學 China University of Petroleum 鉆頭選型方法與鉆頭 選型軟件簡介 授課教師：張輝 聯(lián)系電話：010—89733702, 13522990096 辦公地點：工程東樓317 E-mail: zhanghui3702@ 中國北京 主要內(nèi)容 研究意義及有關(guān)知識 鉆頭選型方法研究及應用 >2. 1影響鉆頭使用效果的因素； >2.2鉆頭類型優(yōu)選原則； >2.3牙輪鉆頭選型原則； >2.4 PDC鉆頭選型原則； >2.5鉆頭選型方法； 地層抗鉆特性評價與鉆頭選型軟件簡介 1研究意義及有關(guān)知識

2、 ＞鉆頭是破碎巖石的主要工具，是建立油氣通道的重要工具，在油氣鉆井中扮 演著十分重要的角色。 ＞鉆頭領(lǐng)域具有兩大核心技術(shù)，一是鉆頭的設(shè)計.加工和制造，二是鉆頭的合 理使用，這兩大技術(shù)同等重要。盡管一口井中鉆頭成本占總成本的比例很 小，但是鉆井實踐表明，鉆頭的合理使用對提高鉆進速度、降低鉆井成本起 著重要作用。 ＞對于深井.超深井，由于所鉆地層跨越的地質(zhì)年代較多，地層可鉆性變化 大，巖石強度變化大，進行起下鉆作業(yè)時間長，所耗費用大，因而鉆頭的合 理使用對于提高深井、超深井鉆井效率、降低鉆井成本具有更為重要的意 義。 ＞海洋鉆井中，由于鉆機作業(yè)費用十分昂貴，鉆頭的合理使用對降低鉆井成 本，

3、提高經(jīng)濟效益同樣具有十分重要的意義。 鉆頭 (1)鉆頭類型 ?按結(jié)構(gòu)及工作原理分類 刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、 PDC鉆頭.金剛石鉆頭; ?按功用分類 取芯鉆頭. 全面鉆進鉆頭. 擴眼鉆頭 ⑵鉆頭尺寸系列 3-3/4” 一 36” 常用尺寸：26”. 171/2”. 121/4”. 81/2” 鉆頭類型 從巖石切削機理的角度，石油鉆井所用的鉆頭主要可以分為： ＞①切削型鉆頭 包括刮刀鉆頭、PDC （聚晶金剛石復合片）鉆頭、TSP （熱穩(wěn)定 聚晶金剛石）鉆頭等； ＞②沖壓型鉆頭，即各種不同類型的牙輪鉆頭； ＞③研磨型鉆頭，如天然金剛石鉆頭，孕鑲金剛石鉆頭等。 破巖機理

4、 (1)牙輪鉆頭主要以沖擊.壓碎作用破碎巖石的； (2 )天然金剛石鉆頭是通過刮削或磨削作用破碎巖石的； (3) PDC鉆頭以切削作用破碎巖石，充分利用了巖石抗剪強 度較低的特點。 PDC偲頭 牙槍&頭 PDC偲頭 牙槍&頭 PDC偲頭 牙槍&頭 刮刀鉆頭  切削型鉆頭 工作原理：工作時其刀翼在 鉆壓作用下吃入巖石，并在 扭矩作用下剪切破碎巖石。 破巖方式：以刮削.擠壓和 剪切為主的方式 適用地層：松軟-軟地層 圖6-6刮刀鉆頭 碰撞一壓碎及小剪切

5、一大剪切 (3)大剪切：扭轉(zhuǎn)力繼續(xù)增大到某一極值, 刃前巖石沿剪切面產(chǎn)生大的剪切破碎，完成了 刮刀鉆頭破碎脆性巖石過程: (1) 碰撞：刃前巖石發(fā)生剪切破碎后，刀刃 在旋轉(zhuǎn)扭矩下向前推進，碰撞刃前巖石。 (2) 壓碎及小剪切：扭轉(zhuǎn)力增大，壓碎刃前 巖石，產(chǎn)生小剪切破壞。 _個破巖過程。 「兩翼（魚尾式）刮刀鉆頭 分類 「刀翼數(shù) < 三翼刮刀鉆頭 〔四翼刮刀鉆頭 最常用 J刀冀底刃的形狀 J平底式刮刀鉆頭 ［階梯式刮刀鉆頭 優(yōu)點：機械鉆速較高 缺點： 扭矩較大，控

6、制不當易造成井斜 刮刀鉆頭的壽命取決于刀翼的壽命 刮刀鉆頭的應用 ?刮刀鉆頭制造工藝簡單，成本低； ?刮刀鉆頭適用于松軟-軟地層，鉆速快 ?刮刀鉆頭容易磨損成錐形，造成縮徑和井斜; 刮刀鉆頭產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動，破壞鉆具和設(shè)備; 刮刀鉆頭目前逐漸被PDC鉆頭取代。 牙輪鉆頭 牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu) 牙輪鉆頭由鉆頭體、牙爪（巴掌） 牙輪及牙齒.軸承.儲油潤滑密封系 統(tǒng)、噴嘴等部分組成。 *52 D郴 水眼 牙輪鉆頭牙齒：銃齒、鑲

7、齒 銃齒—在牙輪錐面上直接銃出，楔形 硬質(zhì)合金鑲齒一鑲裝在牙輪錐面上，有多種齒形適用不同地 層。 fl B 0 0 隹勺曲 辻收忌 鐵齒牙輪鉆頭 鎮(zhèn)齒牙輪鉆頭 牙輪鉆頭的工作原理 牙輪鉆頭在井底的運動 ?公轉(zhuǎn)：牙輪隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。 ?自轉(zhuǎn)：牙齒繞牙輪軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)稱為自轉(zhuǎn)。 ?滑動：牙齒相對于井底的滑動，包括徑向（軸向）和切向（周向）滑動。 牙輪滑動對破巖的作用： 切向滑動剪切掉牙齒之間的巖石。 軸向滑動剪切掉齒圈之間的巖石。 ?縱

8、向振動：牙輪在滾動過程中，其中心上下波動，使鉆頭做上下往復運動。 引起縱向振動的原因： ?單.雙齒交替接觸井底，使牙輪中心上下波動； ?井底凹凸不平 牙輪產(chǎn)生滑動原因: (1)復錐：指牙輪由兩個 或更多錐面的錐體組成。 ⑵超頂：牙輪的錐頂超 過鉆頭的中心。(復錐產(chǎn)生 超頂效果) a-W; h c-X； I—主錐胃2—副錐；3—背錐 (3)移軸：牙輪的中心線 與鉆頭的軸線不相交。 牙輪布置 方案 單錐.不超頂，不移軸，用于硬地層 副錐、超頂，不移軸，用于中硬地層 副錐.超頂，移軸，用于軟地

9、層 趨頂引起切的瀚動 ll 副錐產(chǎn)生超頂效果 辜，雙齒交瞽接觸井底 引起縱向振動 移軸引起徑向滑動 牙輪鉆頭的破巖作用 (1) 沖擊、壓碎作用 縱向振動產(chǎn)生的沖擊力和靜壓力(鉆壓)一起使牙齒對 地層產(chǎn)生沖擊、壓碎作用，形成體積破碎坑。 (2) 滑動剪切作用 牙輪牙齒的徑向滑動和切向滑動對井底地層產(chǎn)生剪

10、切作 用，破碎齒間巖石。 (3 )射流的沖蝕作用 噴嘴噴出的高速射流對井底巖石產(chǎn)生沖蝕作用，輔助破碎 巖石。 分類 廠單牙輪鉆頭 牙輪數(shù)目 雙牙輪鉆頭 三牙輪鉆頭 多牙輪鉆頭 適用地層：軟到堅硬的各種地層。 PDC鉆頭破巖機理 ＞聚晶金剛石復合片鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bit)簡稱PDC鉆頭， ＞是將人造聚晶金剛石復合片鑲焊于鉆

11、頭體上而成的一種新型 切削型鉆頭。 刮刀片 切削齒 保徑塊 鉆頭柄 ＞ PDC主要以切削方式破碎巖石。 ＞切削刃在鉆壓作用下吃入地層，刃前巖石在 旋轉(zhuǎn)力作用下發(fā)生剪切破碎。 ＞切削塑性巖石和脆性巖石的過程類似于刮刀 鉆頭，由于多個切削齒同時工作，井底巖石 自由面多，因此破碎效率高。 ＞金剛石切削刃耐磨性高，鉆頭壽命長, 鉆頭進尺高。 PDC鉆頭的正確使用 A PDC鉆頭適應于軟到中硬的大段均質(zhì)地層，不適合鉆軟 硬交錯的地層和礫石層。 A與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭宜采用低鉆壓.高轉(zhuǎn)速鉆進。 A鉆頭下井前，井底要清潔，無金屬落物，新鉆頭鉆進時, 先用小

12、鉆壓和低轉(zhuǎn)速磨合井底。 A PDC鉆頭屬于整體式鉆頭，無任何活動部件，適合高轉(zhuǎn)速 的渦輪鉆井。 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù) 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù) J 切削結(jié)構(gòu) 水力結(jié)構(gòu) 丿 切削結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù) 水力結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù) 水力結(jié)構(gòu) < A 流道的結(jié)構(gòu) \ ) 噴嘴的分布及空間結(jié)構(gòu) \ 丿 ?金剛石材料鉆頭的IADC分

13、類法（P70） 笫一位字碼 笫二位字碼 —r /JU. Twf 第二位乎餌 第四位字碼 然體體體它 天胎鋼胎實 ,PDC切削齒; ,PDC切削齒; ,PDC切削齒; I ADC PDC鉆頭分類方法 7i IADC于1987年制定了一個適于用金剛石鉆頭的“ 定切削齒鉆頭分類標準",并于1992年進行了修 訂。這個標準主要根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)特點進行分類, 并沒有像牙輪鉆頭那樣考慮鉆頭適用的地層。但這 個在世界范圍內(nèi)的統(tǒng)一標準對金剛石鉆頭

14、的分類、 設(shè)計、制造、選型和使用都具有重要意義。 71 鉆頭分類號由四個字符組成，第一個字符用英文字母表示鉆頭 體的材料，第二至第四個字符用阿拉伯數(shù)字分別表示鉆頭的布齒 密度、聚晶金剛石復合片（以下簡稱PDC）的尺寸或切削齒的類 別、鉆頭的冠部輪廓形狀。 D：天然金剛石切削齒；M：胎體，PDC切削齒; S:鋼體，PDC切削齒；T：胎體，PDC切削齒； o:其它。  鉆頭體材料 PDC密皮 代號 （當任密數(shù)） PDCiSS徑代號 PDC曲頭冠部輪廊高度代號 鋼體 分級 代號 尺寸 rrm 短 〈＜58伽） 中 (58— 高 (> 114

15、mm) M S 1 稀 30) 1 >24 1 ? ? ? ■ ?? ? .???夕? . ???? W?宀.... 、 ? 2 :?? ? ? ? ?* */ 9 ■ ? ?* . ??備? ? ? ? < ■ ? % ■? ? / . ? ? # ? ? 3 ■ ? ? 7 >? 4 2 14-24 3 <14 2 中 030-40) ，1 .? >24 2 14-24 3 <14 3 9 (>40-50) 1 >24 2 14-24 3 <14 4 高密 050) 1 >24 ? 2 14 ?2

16、4 3 <14 注 ，??：???「 1表中的"當SttS黴”用以衡世PDC鉆頭的布齒密度?！霎擲t齒數(shù)”的計算lil 215.9mm ＜S.5in）宜脛的鉆 頭、】3?Mmni（0.529in）宜徑的切炯齒為基準。當鉆頭宜徑、切削垃直徑與該茲準相序時應迸行折算. 貝體計界方法如下： ? ? % ? ? ?? ：」 16 乂 站；W： ? Z Q— "? . 式宇：Z―頭的當金齒如 D—頭宜徑： —鉆頭上切射齒的種類數(shù)〈招同宜徑的切削齒E入一類）； Z：?比一分別代表第?科齒的數(shù)S和直徑（不包括規(guī)徑面上的PDCtt）0 2當向一只鉆頭上出現(xiàn)幾種宜設(shè)的切削侑時.姑頭P

17、DC齒直輕代號的確定應以狡就最多的齒（不包抿規(guī)登 面上的圾〉.為依橋 ? ? . ?"?： ??：?：?= ?八?? .? ■ ? ?? ? ^ e 7 ? ? 表2夭然金剛石鉆頭和TSP鐵頭的分類 玄 ? ? ?"??? 牯頭體 材料 （胎體） 密度代號 （齒的粒度｝ - .、「 切削鉗分類代號 怙頭冠部輪驟鬲度找號 分類 代號 類別 扁平氏；. ??? f / ? :題■-; C< SSriWrt) ???? 中 {58—lHmm) 長 (> 114mm) 6 1 天侏全班石 ? ? ? ? * ?? ? 稀 2 丁

18、9 丄＜3粒巾?2學｛1克拉｝] 3 視合齒 7 1 吳蠶金剛石 中 2 TSP 2 3 [3-7驗心2g (1克竝)] 3 幄合齒 1 4 s 1 天撚金雨石 85 [>7MX).2g〈1 克拉)[ 2 TS? 3 捉合垃 4 孕壇 廠家PDC鉆頭型號的表示方法 刁鉆頭型號由鉆頭直徑代號、廠家命名型 號和IADC制定的鉆頭分類號三部分組 成。 各鉆頭廠家可以根據(jù)需要編制各自產(chǎn)品 的廠

19、家命名型號，同時應制定廠家命名 型號與IADC鉆頭分類號的對照表。 71示例：鉆頭型號8 1/2〃 R426/S231 其中，鉆頭直徑代號為8 1/2,表示全面鉆進鉆頭直 徑為215.9(8 1/2in); 刁廠家命名型號為R426; 刁IADC的鉆頭分類號為S231 （鉆頭體材料代號S表示鉆頭體為 鋼體式;布齒密度代號2表示為中等；PDC齒直徑代號3表示 PDC齒直徑為13.44mm;鉆頭冠部輪廓高度代號1表示為魚 尾形）。 川石■克里斯坦森金剛石鉆頭系列及命名原則 前綴代碼 數(shù)字代碼 后綴代 碼 說明 字母 第一位 第二位 第三位 字母 鉆頭系列

20、 切屑齒 尺寸 鉆頭冠部 形狀 布齒密度 供選擇 的特征 G 復合片 5 4 3 3 — 3 、、、 4 2 8 弋 弋 弋 1 - 9 1：長拋物線 9：平頂 1-3:低密度布齒 4-6：中密度布齒 7-9：高密度布齒 D, G, K, M, S, U, C1?3 1. 鉆頭系 列中首字 母為A表示 其具抗回 旋特征 2. 后綴為 XL為螺旋 刀翼，后 綴ST為側(cè) 鉆鉆頭 AG AR/R BD STR S 巴拉斯 2：三角聚晶 7：圓柱聚晶 N/A 1-3:低密度布齒 4-6:中密度布齒 7-9：高密度布齒 G CE P

21、 D 天然 金剛石 N/A N/A N/A G GE SM 固定齒鉆頭IADC磨損分級 ＞固定齒鉆頭包括一切非牙輪鉆頭，即切削件與鉆頭體 固接在一起，無相對運動的各類鉆頭。 ＞ 1992年IADC新的鉆頭磨損分級法增加了鉆頭材料、 PDC切削齒的密度、切削齒的尺寸或類型和冠部形狀 等內(nèi)容。 ＞新的IADC分級法的表格可適用于牙輪鉆頭和PDC鉆 頭，鉆頭磨損分級表見表2。 固定齒鉆頭IADC磨損分級 切削齒(結(jié)構(gòu)) (T) 軸承 (B) 規(guī)徑 (G) 備注 內(nèi)排齒 (I) 外排齒 (0) 磨損 特征 (D) 部位 (L) 規(guī)徑 (mm

22、) (G) 其他 特征 (0) 起鉆 原因 (R) 固足切削UriADCW損分級 IADC Dull Grading System for Fixed Cutter Bits 切削齒 Cutting Structure 軸承B 規(guī)徑C3 說明 Remarks 內(nèi)排齒 Inner Rows 外排齒 Outer Rows 熔損特征 Dull Characteristics 部位 L.ocation 軸承/密封 Bcaring/Scals 規(guī)徑 Gauge 1/16 其它特征 Ocher Characteri

23、stics 屈鉆城因 Reason Pulled 牛 ▲ 牛 牛 X 牛 牛 牛 O tWft! No Wear 8 齒麻禿 No Useable 周定齒?鉆頭 Fixed Cutter Bits BT 切削Mi腸裂 Broken C uller BU站頭泥包Bailee! Up CR心綁炳凹Cored CT 切炯齒旳裂 Chippeti Cutter ER 沖 Erosion HC 熱裂紋 Heat Checking JD 碎塊 Junk Damage LN 抻^咬 PJi Lost Nozzle LT 抻(AT Cmter OCitt-L O

24、ft Ccikci Wetu PN堵噴吠?/水ifi Plugged Nozzle KG規(guī)徑倒圜 Rounded Gauge RO 出環(huán)形粧Ring Out WO估頭全叭拗Wasted Out Bit WT切削伙"f?擁 Worn Cutter NO無找它爐?揪特征 No Major/Oher Characteristics NR 不備4年用 Not Rerunnable RR可再使用Rerunnable C內(nèi)供Cone N鼻部Nxe I外俅Taper S friW Shoulder G規(guī)徑Gauge A 企部 all Areas 無磨抑In Gauge 1 鄲扌

25、UndergMUge 1/16 Up to 1/16 2/16 1/16 to 2/16 3/16 2/16 to 3/16 4/16 3/16 to 4/Hi fiH Aft[ Change Botolc A^^tnbly CM 處PI!泥豹 Condition Mud CP 取心何 W C ore Point L)P估毘堵舉Drill Plug DMF 71 卜 T達失效 rXiwnholc Motor Failure DTF 井卜工只失效 DowhIhjIc Tool Failure DSF 鉆紅失效 DrillMrinK Failure D

26、ST中途測試 Drill Stem Test HP 井眼問越 f lole Pn)blcmN HR El到規(guī)溝時問Houis FMMkJxi改變 Fonnation Change LOG 測井 Run L.ogs PP集壓變 化 Pump pressure PR 站連丿用因 Penetration Rate RIG鉆機修理Rig Repair TO鉆達設(shè)計井深Total Depth TQ扭矩變化Torque TW鉆住扭斷Twist Off WC 氣候城P9 Weather Conditions WO 鉆林沖蝕 Washout Drillstring 內(nèi)夕卜扌昨切削俯區(qū)域INNER &

27、OUTER AREA 金MldWi頭施部 FIXED CUTTER BIT PROFILES 陽G NE N 碑何：I MW 栓弟切削情燒抄!特征STUD CUTTER lJ林釵合片磨損特征CYLINDER CUTTER ZIhz}-o_I i_ n 內(nèi)外排切削齒區(qū)域 A內(nèi)區(qū)齒排（I）表示鉆頭半

28、徑2/3以內(nèi)各齒排算術(shù)平均磨損情況; A外區(qū)齒排（0）表示鉆頭半徑2/3以外各齒排的算術(shù)平均磨損情況。 ＞才艮據(jù)各個齒的相對磨損量的平均值計算磨損情況 實例： 即（4+3+2+1+0） /5=2。因此磨損分級記錄表中內(nèi)排區(qū)（I）填寫2級 磨損。 鉆頭冠部區(qū)域劃分 C內(nèi)錐Cone N鼻部Nose T外樹Taper S 肩部 Shoulder G規(guī)徑Gauge A 全部 all Areas 2鉆頭選型方法研究 A鉆頭種類較多，各有特點：同一種鉆頭，結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，適 應性不同；同一種型號，廠家不同，鉆頭性能不同。 A選擇哪一種類型的鉆頭，

29、同種鉆頭選擇哪一種型號的鉆頭， 同一種型號選擇哪一個廠家的鉆頭，直接關(guān)系到鉆井成本。 ＞鉆頭選型的實質(zhì)是在地層和鉆頭之間扌艮據(jù)鉆頭使用效果建立 起對應關(guān)系，做到"鉆頭與地層的對號入座二 如何優(yōu)選出既 與所鉆地層相適應又比較經(jīng)濟的鉆頭，以實現(xiàn)安全、高效. 優(yōu)質(zhì)鉆井，一直是人們長期致力研究的課題。 2鉆頭選型方法研究 > 2. 1影響鉆頭使用效果的因素; >2.2鉆頭類型優(yōu)選原則； >2. 3牙輪鉆頭選型原則； >2.4 PDC鉆頭選型原則； >2.5鉆頭選型方法 >地層綜合系數(shù)法； >地層劃分方法； >鉆頭通用選型方法； >鉆頭性能評價新方法； 2.1影響鉆頭使用

30、效果的因素 ⑴地層因素 ＞所鉆地層巖石的機械力學特性； 地層條件：地層的均質(zhì)性、地層的完整 性，地層造斜特性、井深、地層溫度 等。 2.1影響鉆頭使用效果的因素 ⑵鉆井方式 ＞旋轉(zhuǎn)鉆井 ＞動力鉆具 ＞復合鉆井 ＞鉆井方式?jīng)Q定了轉(zhuǎn)速的大小。 2.1影響鉆頭使用效果的因素 (3)軌跡控制 造斜、穩(wěn)斜 ⑷井眼尺寸 (5)地質(zhì)設(shè)計要求 如巖屑錄井、取芯等。 2?2鉆頭類型的優(yōu)選 ＞鉆頭類型 ＞鉆頭型號 ＞鉆頭廠家 2?2鉆頭類型的優(yōu)選 鉆頭\特性 牙輪鉆頭 PDC鉆頭 TSP鉆頭 單晶金剛石鉆頭 切削齒

31、材料 及性能 硬質(zhì)合金齒，強 度高、抗沖 擊，耐磨性 較差。 聚晶金剛石與硬質(zhì) 合金復合而 成，耐磨、能 自銳，抗沖擊 性能較差，熱 穩(wěn)定性較差。 熱穩(wěn)定性聚晶金剛 石，耐磨，抗沖 擊性能較差，熱 穩(wěn)定性較高，形 狀多樣但尺寸較 小。 單晶金剛石，耐 磨，顆粒 小，熱穩(wěn)定 性較差。 破巖方式 沖擊與剪切 剪切 犁切 微剪切或磨削 破巖效率 較高 高 較高 低 鉆頭壽命 短 長 較長 長 地層適應性 各類地層 軟至中硬均質(zhì)地層 較硬至硬均質(zhì)地層 硬至極硬地層 鉆井參數(shù) 大鉆壓，低轉(zhuǎn)速 小鉆壓，中轉(zhuǎn)速 小鉆壓，高轉(zhuǎn)速 中鉆壓，高轉(zhuǎn)速 鉆井

32、方式適 應性 轉(zhuǎn)盤，動力鉆具 轉(zhuǎn)盤，動力鉆具及 復合鉆井 復合鉆井 復合鉆井 定向性能 較好 最好 好 井眼尺寸 較大井眼 無限制 無限制 無限制 事故率 高 低 低 低 錄井限制 無 有 有 有   TSP鉆頭 PDC鉆頭 丨 丨 牙輪鉆頭 各種類型鉆頭的使用范圍 單晶金剛石鉆頭 地層碩度級別 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 鉆頭類型定性選擇原則 ⑴根據(jù)地層條件、鉆井方式、井眼軌跡控制要求、井 眼尺寸以及地質(zhì)要求選擇合適的鉆頭類型。 (2)在多種類型鉆頭都適宜的情況下，要選

33、擇機械鉆速 高、壽命長、安全性好的鉆頭。 (3)在軟至中硬地層，PDC鉆頭和牙輪鉆頭都可選用; > 如果地層均質(zhì)，應盡量選用PDC鉆頭。因為PDC鉆頭機械鉆速高，安 全可靠。 > 但如果地層破碎，軟硬變換頻繁夾層多，應選用牙輪鉆頭。因為在 這樣的地層，PDC鉆頭易發(fā)生沖擊破壞，影響鉆頭使用效果。 2.3牙輪鉆頭選型原貝U A牙輪鉆頭的設(shè)計參數(shù)（包括齒高、齒距、 齒寬、移軸距、牙輪布置等等），是根據(jù) 不同地層的需要設(shè)計的，因此應根據(jù)不 同的地層選用不同的鉆頭。 2.3牙輪鉆頭選型原貝U (1)地層的軟硬程度和研磨性 ＞地層的巖性和軟硬不同，對鉆頭的要求及破碎

34、機理也不同。軟地層應選 擇兼有移軸、超頂、復錐三種結(jié)構(gòu)，牙輪齒形較大、較尖，齒數(shù)較少的 銃齒或鑲齒鉆頭，以充分發(fā)揮鉆頭的剪切破巖作用；隨著巖石硬度增 大，選擇鉆頭的上述三種結(jié)構(gòu)值應相應減小，牙齒也要減短.加密。 ＞研磨性地層會使牙齒過快磨損，機械鉆速迅速降低，鉆頭進尺少，特別 容易磨損鉆頭的保徑齒、背錐以及牙掌的掌尖，使鉆頭直徑磨小，更嚴 重的是會使軸承外露、軸承密封失效，加速鉆頭損壞。因此，鉆研磨性 地層，應該選用有保徑齒的鑲齒鉆頭。 2.3牙輪鉆頭選型原貝U (2)井深 ＞淺井段巖石一般較軟，同時起下鉆所需時間較短，應選用 能獲得較高機械鉆速的鉆頭； ＞深井段地層一般較硬

35、，起下鉆時間較長，應選用有較高總 進尺(鉆頭壽命長)的鉆頭。 2.3牙輪鉆頭選型原貝U ⑶地層的自然造斜性能 ＞在易斜地層鉆進時，地層因素是造成井斜的客觀因素，而 下部鉆柱的彎曲以及鉆頭的選型不當則是造成井斜的技術(shù) 因素。在易斜地層鉆進，應選用不移軸或移軸量小的鉆 頭；同時，在保證移軸小的前提下，所選的鉆頭適應的地 層應比所鉆地層稍軟一些，這樣可以在較低的鉆壓下提高 機械鉆速。 2.3牙輪鉆頭選型原貝U ⑷地層的均質(zhì)性 ＞在軟硬交錯地層鉆進時，一般應按其中較硬的巖石選擇鉆 頭，這樣既在軟地層中有較高的機械鉆速，也能順利地鉆 穿硬地層。在鉆進過程中鉆井參數(shù)要及時調(diào)整

36、，在軟地層 鉆進時，可適當降低鉆壓并提高轉(zhuǎn)速；在硬地層鉆進時可 適當提高鉆壓并降低轉(zhuǎn)速。 2.4 PDC鉆頭選型原貝U > 根據(jù)地層強度確定PDC切削塊直徑（1/2〃或3/4〃 ）。一般而言， 對于軟到中硬地層，選用直徑較大的PDC復合片，采用低密度或中 等密度布齒的鉆頭。對于中硬到堅硬地層，選用直徑小的PDC復合 片，采用中等密度或高密度布齒的鉆頭。 > 對地層研磨性不太強的地層，可以選用一般的PDC鉆頭鉆進。對研 磨性較強的地層，宜選用耐磨性好的特殊加工的PDC鉆頭或天然金 剛石鉆頭。 > PDC鉆頭鉆進井段較長，穿越的層位比較多，應按預期鉆遇強度最 高的地層進行選型。

37、> PDC鉆頭適合軟到中硬地層.均勻地層，不適合含礫石.黃鐵礦. 燧石、花崗巖、硬夾層地層，對硬地層應采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆 進。TSP鉆頭適合中等至硬地層鉆井。天然金剛石鉆頭適合研磨性 強.中到堅硬地層。 > 在鉆頭型號和地層相匹配的情況下，PDC鉆頭應該配合 螺桿或渦輪鉆具使用才能取得更為滿意的機械鉆速和進 尺。 > 對于定向井而言，在研磨性較高的穩(wěn)斜井段鉆進時除了 要保證所選的PDC鉆頭切削齒具有高的耐磨性以外，還 要保證所選的鉆頭具有較好的保徑效果（一般選用相對 較短的保徑長度），以期得到較高的機械鉆速和進尺。 2.4 PDC鉆頭選型原貝U 2.4

38、 PDC鉆頭選型原貝U 在PDC鉆頭選型方面，應注 意鉆頭的輪廓和布齒方 式，下表是常用的PDC鉆頭 輪廓及適用范圍。其中， 淺錐形適合于軟-中均 質(zhì)、可鉆性變化幅度小的 地層，有硬夾層的地層適 合采用短拋物線形鉆頭， 長拋物線形適用于軟地 層。 輪廓形狀 適用范圍 彈道形 PDC鉆頭、軟地層、井下動力鉆 具及轉(zhuǎn)盤鉆井、耐磨 淺內(nèi)錐 PDC鉆頭、軟-中、均質(zhì)及過渡 帶地層，適用范圍廣 深內(nèi)錐 PDC鉆頭，中軟地層、井斜控制 長錐 PDC鉆頭、中-中硬、夾層及過 渡帶地層 中錐 TSP鉆頭、中-中硬地層 短錐 TSP鉆頭、中-中硬地層 拋物線形 中

39、-中硬地層，耐磨 圓形 硬地層、耐磨 準平頂形 PDC、TSP鉆頭，軟-硬地層， 側(cè)鉆造斜 2?5鉆頭選型方法 目前，鉆頭選型方法大致可以分為3種：鉆頭使用效果評價 法、巖石力學參數(shù)法、綜合法。 2.5.1鉆頭使用效果評價法 該方法從某地區(qū)已鉆的鉆頭資料入手，分地層對鉆頭的使用情況進行統(tǒng)計，把反 映鉆頭使用效果的一個或多個指標作為鉆頭選型的依據(jù)。 2.5.2巖石力學參數(shù)法 該方法根據(jù)待鉆地層的某一個或幾個巖石力學參數(shù)，結(jié)合鉆頭廠家的使用

40、說明進 行鉆頭選型。 2. 5. 3綜合法 該方法把鉆頭使用效果和地層巖石力學性質(zhì)結(jié)合起來進行選型。 2.5.4存在問題及研究不足 2.5.1鉆頭使用效果評價法 ⑴每米鉆井成本法：每米鉆井成本越少，鉆頭越優(yōu)。c/ym ⑵比能法：鉆頭比能越低，鉆頭的破巖效率越高，鉆頭越優(yōu)。S/券+篇 ⑶經(jīng)濟效益指數(shù)法：指數(shù)越大，鉆頭越優(yōu)"一牙 (4)綜合指數(shù)法：綜合指數(shù)越大，鉆頭越優(yōu)。不同地區(qū)需重新確定各項系數(shù)。 E = alR + a1(\- Bf)+a4F + a^T + #+才+ (5)模糊綜合評判法：樊順利、郭學增等人以所研究的所有鉆頭作為評判對象集，選 擇鉆速.純鉆時間.深度.鉆

41、頭成本以及鉆頭新度組成因素集，根據(jù)隸屬函數(shù)對每個 對象作單因素評判，形成單因素評判矩陣，然后再結(jié)合各因素權(quán)重對各評判對象進行 優(yōu)劣排序。 ⑹灰類白化權(quán)函數(shù)聚類法：王越之將鉆頭進尺、純鉆時間、機械鉆速和鉆頭成本 作為鉆頭使用效果的評價指標，應用灰類白化權(quán)函數(shù)法，根據(jù)聚類值的大小對鉆頭的 優(yōu)劣進行評價。 2. 5. 1鉆頭使用效果評價法(續(xù)) (7)灰關(guān)聯(lián)分析法：王俊良.劉明等人將鉆頭進尺.純鉆時間、機械鉆速和鉆頭成 本作為鉆頭使用效果的評價指標，應用灰關(guān)聯(lián)分析法，根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小對鉆頭進 行優(yōu)劣排序。 ⑻屬性層次分析法：畢雪亮、閻鐵等人將屬性識別理論和層次分析方法相結(jié)合， 在屬性測度的基

42、礎(chǔ)上，通過分析判斷準則和屬性判斷矩陣，建立了鉆頭優(yōu)選屬性層 次模型。該方法考慮鉆頭進尺.鉆頭壽命.平均機械鉆速和單位進尺鉆頭成本等四 個指標，根據(jù)鉆頭記錄，按層位為新井選擇鉆頭類型。 2.5.2巖石力學參數(shù)法 ⑴模糊聚類法：該方法以地層巖石力學性質(zhì)中影響鉆頭鉆速及磨損的主要指標 （巖石可鉆性.研磨性.硬度.塑性系數(shù)和抗壓強度）為研究對象，按各地層間對 應巖性的相似程度進行模糊動態(tài)聚類，建立好動態(tài)聚類圖后，根據(jù)所鉆地層與已知 地層的親疏關(guān)系，參照最接近的已知地層的鉆頭使用情況選用鉆頭。 ⑵灰關(guān)聯(lián)聚類法：楊進、高德利等人利用灰關(guān)聯(lián)聚類分析方法，將巖石硬度、可 鉆性、塑性系數(shù)、抗壓強

43、度和抗剪強度所歸屬的巖石類別聚類為一個綜合巖石特性 參數(shù)，來綜合定量描述巖石力學特性的差異，為鉆頭選型提供科學的依據(jù)。 ⑶灰類白化權(quán)函數(shù)聚類法：陳德光.唐念登等人利用灰類白化權(quán)函數(shù)聚類法， 將巖石按硬度.可鉆性.抗壓強度等參數(shù)進行聚類，為鉆頭選型提供可靠的依據(jù)。 ⑷巖石內(nèi)摩擦角法：J.R. Spaar, L?W?Ledgerwood研究表明，巖石研磨性和內(nèi)摩 擦角有很好的相關(guān)性。巖石內(nèi)摩擦角低于36。，則認為地層研磨性不太強，可以選 用一般的PDC鉆頭鉆進。如果巖石內(nèi)摩擦角高于36。,則宜選用耐磨性好的特殊加工 的PDC鉆頭或天然金剛石鉆頭。 2. 5. 3綜合法 ⑴巖石聲波時差法：原

44、理為統(tǒng)計某區(qū)塊所有已鉆井的鉆頭資料，按層段挑選出使 用效果最好的鉆頭，借助聲波時差曲線得到最優(yōu)鉆頭所對應的的橫波時差的界限， 進一步得出整個地區(qū)以橫波時差優(yōu)選鉆頭的選型摸板，以指導新井的鉆頭選型。 (2)有圍壓抗壓強度法：該方法將獲得最佳使用效果的PDC鉆頭的有圍壓抗壓強度 范圍作為鉆頭選型的依據(jù)。 ⑶剪切強度法：該方法以PDC鉆頭使用資料數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，根據(jù)所鉆井段的平均 剪切強度，以每米鉆井成本最低為標準進行鉆頭選型。 ⑷人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：該方法將影響鉆頭使用效果的主要因素作為輸入神經(jīng)元，將 鉆頭型號作為輸出神經(jīng)元，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測結(jié)果進行鉆頭選型。 ⑸地層綜合系數(shù)法：本課題組提出了一

45、種綜合考慮所有巖石力學特性參數(shù)并把它 們綜合成一個系數(shù)并以此為依據(jù)進行鉆頭選型的方法。該方法將研究井的巖石力學 參數(shù)與標準井進行比較，根據(jù)地層可鉆性綜合系數(shù)的大小進行定性.定量鉆頭選 型。 2.5.4存在問題及研究不足 ＞鉆頭使用效果評價法：該方法以鄰井鉆頭使用資料為基礎(chǔ)，當鄰井鉆頭本身選用不 當，或設(shè)計井與鄰井地質(zhì)條件相差較大時，該方法不能給出理想的選型結(jié)果；對新探 區(qū)鉆頭使用資料比較少時，鉆頭選型有較大盲目性；鉆頭評價指標的選取主觀性強。 ＞巖石力學參數(shù)法：該方法從巖石的力學性質(zhì)入手，尋求與巖石的力學性質(zhì)相匹配的 鉆頭。當與某地層相適應的鉆頭有若干類時，選擇哪一種型號鉆頭就無所適從；

46、當?shù)?層巖石的力學性質(zhì)未知時，鉆頭選型無法進行。如何把地層進行合理細致地分類是問 題的關(guān)鍵。 ＞綜合法：該方法將鉆頭使用效果和地層的巖石力學性質(zhì)結(jié)合起來進行選型。鉆頭在井 下受多種力學因素的影響，單憑一個或幾個力學參數(shù)彳艮難選出真正適合本地區(qū)的鉆 頭。地層綜合系數(shù)法是針對某一區(qū)塊進行的，受區(qū)域限制。 ＞研究不足：PDC鉆頭抗沖擊性差，對軟硬交錯地層、夾層.過渡層等非均質(zhì)地層十分 敏感，然而地層又大都是非均質(zhì)的，因此，前人在進行PDC鉆頭選型時對地層的非均質(zhì) 性考慮不夠。另外，諸多選型方法具有區(qū)域性，缺少一種綜合考慮地層非均質(zhì)性、可 鉆性和研磨性的通用的鉆頭選型方法。 常規(guī)鉆頭選型方法或

47、者通過鉆頭的實際使用效果（如鉆頭進尺＞ 每米成 本、機械鉆速等參數(shù)），或者通過地層巖石力學的一個或幾個參數(shù)來進行，但 由于鉆頭在井下受多種地層力學特性參數(shù)的影響，常規(guī)方法難以選出最適合 本地區(qū)的鉆頭型號。提出了一種綜合考慮所有巖石力學特性參數(shù)并把它們綜 合成一個系數(shù)（地層綜合系數(shù)）并以此為依據(jù)進行鉆頭選型的方法。具體步 驟： ＞對研究區(qū)塊的地層巖石力學特性進行評價； ＞根據(jù)鉆頭使用資料選出各地質(zhì)層位表現(xiàn)最優(yōu)的鉆頭，并依此為依據(jù)，建立 該區(qū)塊的“標準井； ＞比較待鉆井與“標準井^的地層可鉆性，給出待鉆井的鉆頭選型結(jié)果。 ＞地層巖石力學性質(zhì)評價； ＞鉆頭性能評估；（根據(jù)鉆頭使用效

48、果） ＞地層可鉆性綜合值求??； ＞給出鉆頭選型結(jié)果。 一口井乃至一個地區(qū)的鉆頭使用效果如何，需要對鉆頭使用效果進 行事后評價?？梢杂勉@頭效益指數(shù)對鉆頭的使用效果進行評價， Eb Eb —鉆頭效益指數(shù)，（加2/力）/元 V —鉆頭機械鉆速，mlh F 一鉆頭總進尺，m 5 —鉆頭費用，元/只 應用該模型，可以建立某一 地區(qū)鉆頭的優(yōu)選系列，為該 區(qū)新井鉆頭優(yōu)選提供指導。 用該方法評估鉆頭吋，效益 指數(shù)越大說明該只鉆頭表現(xiàn) 越好。因此，應優(yōu)先選用效 益指數(shù)高的鉆頭。

49、 鉆頭選型方法：地層綜合系數(shù)法 標準井：是一 口假想井，該 井的各地質(zhì)層 位從上到下都 是由各層位表 現(xiàn)最優(yōu)（效益 指數(shù)最大）的 鉆頭鉆成的. ARM 研究井：按地質(zhì)層位對地層各種巖石力 學特性參數(shù)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計內(nèi)容為：最 大值、最小值、平均值、差值最大值、 峰值個數(shù)； max = max( (max_5), A7?A/(max+5), A7?M(min_5), A/?M(min+5)) h 叫一 RM ARM (max 一5)二 RM y [RMmaxRW * AMminRw 十 RM小耐十十 HFrw 十 ^PRW 1 F — 心 1 AM

50、 max ST AMminST RM 曲丁 A^MmaxST HF$丁 NP$t r r ~ ~k Rd /=! "=%-5 avST RW研究井參數(shù)，ST標準井參數(shù)；最大值、最小值、平均值、 差值最大值、地層厚度和峰值個數(shù)；K為參與評價的巖石力學 參數(shù)個數(shù)；n為不為零的參數(shù)個數(shù)。   SS(MPa) UCS(MPa) IFA(degrees) RH(MPa) 0 65 130 19

51、5260 325 0 65 130 195 260 24 28 32 36 40 44 48 0 800 160024003200 (E)da)d 500000 4— EMdeo coep Vsh(溝 RockDR PdcDR 1.2 1.4 1.6 1.80 20 40 60 80 100 2 4 6 8 2 4 6 8 10 0 500000 11 富古6井巖石力學參數(shù)計算結(jié)果 SS —抗剪強度；UCS 一無圍壓抗壓強度；IFA —內(nèi)摩擦角；RH —巖石硬度；coep —塑性系數(shù); Vsh -泥質(zhì)含量；RockDR —牙輪巖石可鉆性；PdcDR — PDC鉆頭巖石

52、可鉆性 QL E刁*門| 地質(zhì) 層位 鉆頭 型號 效益指數(shù) 效益指數(shù) 最大鉆頭 所在的井 延長組 HJ517 0.2855 富古2井 HA437 0.1877 紙坊組 H517 0.0767 富古1井 HA517 0.0487 和尚 H517 0.0313 富古1井 溝組 HA537 0.0273 劉家 HA537 0.0281 富古3井 溝組 H517 0.0209 石千 HA537 0.0192 富古2井 峰組 H517 0.015

53、8 地質(zhì) 層位 鉆頭 型號 效益指數(shù) 效益指數(shù) 最大鉆頭 所在的井 上石盒 HA537 0.0182 富古3井 子組 HJ537 0.0157 下石盒 HJ537GL 0.0171 富古2井 子組 HA537 0.0170 山西組 HJ537GL 0.0195 富古2井 HA537 0.0153 太原組 HA537 0.00634 富古1井 本溪組 HJ537GL 0.0177 富古2井 馬家 HA537 0.0109 富古3井 溝組 HJ537GL 0.0013

54、 序號 地口 可鉆性綜合值 鉆頭直徑 牙輪鉆頭型號 PDC鉆頭型號 1 444.5 P2 — 2 延長組 1.47 215.9 HJ527、HJ517Y G536XL、G547 3 紙坊組 1.42 215.9 HJ527、 H517 4 和尚溝組 3.21 215.9 HJ537G、HA537 5 劉家溝組 1.11 215.9 HJ537、HA537 6 石千峰組 1.40 215.9 HA537、HJ527G 7 上石盒子組 1.21 215.9 HJ527G、HA537 G535、AG435 8 F石盒子組 1.10 215.9 HJ527G、HA537 9 山西組 1.06 215.9 HJ537GL、HA537 10 太原組 1.25 215.9 G536XL、G547 11 本溪組 1.14 215.9 有黃鐵礦 12 馬家溝組 0.90 215.9 HJ547G、HJ537G BD449、S278 試驗井鉆頭用量比本區(qū)塊所有井都少，節(jié)約的鉆頭用量在14.29%?100%之間。 試驗井平均機械鉆速比鄰井高20%o