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钻井行业钻头类型及适用范围

导读:

水井钻机施工过程中,钻头主要用于破碎岩石,钻头质量直接影响着钻井速度、钻井成本及井眼质量。水井钻机选用钻速快且使用寿命长的钻头能大大降低钻井成本。水井施工钻头主要分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、硬质合金钻头、PDC钻头和特种钻头等多种类型,这些钻头有各自的破岩原理和适用地层。近年来,水井钻机产品不断创新使钻头研发技术也得到了飞速的发展,目前已有一些新型PDC钻头和混合型钻头能广泛的运用于各种地层,但研发更高耐磨、高韧性的材料和更好的钻头轴承以及更结合实际运用的个性化设计的钻头是钻头技术发展的难题。这也是未来钻头发展的努力方向。

正文:

钻井行业钻头类型及适用范围

钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具,钻头的使用效率和寿命决定着最终的钻井费用。 钻头设计经历了最早期的刮刀钻头,到目前广泛使用的牙轮钻头,再到具有广阔前景的金刚石钻头,随着材料科技的发展和钻头技术的提高,市场上还出现了许多新型钻头。下面我们就来具体介绍一下它们。

1.刮刀钻头

刮刀钻头图片

刮刀钻头适用于松软至软的各类土层以及泥岩、泥质砂岩、页岩等塑性和塑脆性地层中钻进。刮刀(翼片)钻头可按刮刀片数目分为两刀片钻头、三刀片钻头、四刀片钻头。

刮刀钻头主要以切削、剪切和挤压方式破碎地层。这几种破岩方式主要是克服岩石的抗剪强度.它比克服岩石的抗压强度来破岩的方式更为容易,岩石破碎大体分为以下三个过程:

(1)刃前岩石沿剪切面破碎后,扭转力矩减小,切削刃向前推进,碰撞刃前岩石。

(2)在扭转力矩的作用下压碎前方的岩石,使其产生小剪切破碎,扭转力矩增大。

(3)刀翼继续压挤前方的岩石(部分被压成粉末),当扭转力矩增大到极限值时,岩石沿剪切面破碎,然后扭转力矩突然变小;碰撞、压碎及小剪切、大剪切这三个过程反复进行,形成破碎塑脆性岩石的全过程。

2.牙轮钻头

钻井作业中应用广泛的牙轮钻头

在钻井作业中,牙轮钻头目前使用最广泛的一类钻头。牙轮钻头通过牙轮旋转产生的压碎、冲击和剪切来破碎岩石。其牙齿与岩石的接触面积少、工作扭矩小、工作刃总长度长等特点,使其能适用于各种软地层和硬地层。

牙轮钻头是由牙爪、牙轮、壳体、轴承、永眼和储油密封补偿系统等部分组成。牙轮钻头有镶齿和铣齿两大类,在硬度和使用寿命上,镶齿比铣齿的性能更好,但价钱更贵;根据地层岩性的不同又可分为七种类型,其中JR、R、ZR三种型号适用于极软到中软地层,Z型、ZY型适用于中到中硬地层,Y型、JY型适用于硬到极硬地层。按轴承结构不同,又可分为普通轴承、滚动密封轴承和滑动密封轴承。

3. 金刚石钻头

金刚石钻头图片

采用金刚石材料作为切削刃的钻头统称为金刚石钻头,它的品种较多,适用于由软到硬的各类地层。

金刚石钻头包括天然金刚石钻头和PDC钻头。市场上主要使用的是PDC钻头,它是由人工合成的金刚石复合片牙齿组成,这些牙齿烧结在金刚石钻头的固定刀翼上。金刚石钻头的破岩原理主要是切削元件的切削破岩。随着超硬材料的研发和高温高压物理烧结技术的进步,聚晶人造金刚石复合片、大尺寸复合片及热稳定聚晶金刚石切削块等新材料被创造出来,从而大大提高了金刚石钻头的运用范围。现在的金刚石钻头能使用于海洋、深井、超深井以及定向丛式井钻井,其新产品的发展空间不可想象。

4. 新型钻头

新型钻头图片

近年来,国内外的石油钻头生产公司和超硬材料科研单位对新型钻头的发明做出了巨大的贡献,推出了一些新产品。如美国休斯公司的混合钻头。其形状既有PDC钻头的固定刀翼,又有牙轮钻头牙轮。其固定刀翼和牙轮上能烧结了各种硬度的牙齿,使得混合钻头兼具牙轮钻头和PDC钻头的优点。在实际运用中,混合钻头比普通牙轮钻头更有攻击性和更高钻进效率,比普通PDC钻头更稳定,适用于各种深部复杂地层。但成本相当昂贵。

结束语:

钻头成本占钻井成本的三分之一,水井钻机正确的选择和使用钻头是降低钻井成本的最有效措施。 从多年的实践经验来看,钻井机往往由于钻头选型不当,使得钻井速度慢、成本高。水井钻机正确地选择钻头,一方面要对现有钻头的工作原理与结构性能特点有清楚的了解;另一方面面还应对所钻地层的岩石物理性能有充分的认识,对岩石的硬度、塑脆性、研磨性、可钻性等要做到心中有数,从而正确的选择钻头。


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