牙轮钻头技术交流.docx
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牙轮钻头技术交流
牙轮钻头技术交流内容
江钻技术开发部
一牙轮钻头工作原理与结构简介
二江钻牙轮钻头产品概述
三目前最新个性化产品
四四川油田钻头选型建议
五三牙轮钻头的使用
六国外钻头新技术简介
一三牙轮钻头工作原理与结构简介
在石油钻井中，牙轮钻头使用最多，并能适应各种地层的钻井。
牙轮与牙齿的运动，也决定牙齿对地层岩石的破碎作用。
（一）三牙轮钻头工作原理
1、钻头的公转
钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转的运动叫公转。
钻头的公转速度就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。
钻头公转时，牙轮也绕钻头轴线旋转，牙轮上各排牙齿绕钻头轴线旋转的线速度不同，外排齿的线速度最大。
2、钻头的自转
钻头旋转时，牙轮绕牙掌轴线作反时针旋转的运动叫自转。
牙轮的自转速度决定于钻头的公转转速，并与牙齿对井底的作用有关，是岩石对牙齿的吃入破碎作用产生阻力作用的结果，在纯滚动条件下，牙轮自转的转速是钻头公转转速的1.5倍。
3、钻头的纵振（轴向振动）冲击压碎作用
钻头工作时，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交替进行的。
单齿着地时，牙轮的轮心处于最高位置，双齿着地时轮心下降。
轮心位置的变化使钻头沿轴向作上下往复运动，就是钻头的纵向振动，它与牙齿的齿高、齿距等钻头结构参数及岩性有关。
软地层振幅小，硬地层振幅大。
振动频率与齿数和牙轮转速成正比。
4、钻头的滑动剪切破碎作用
破碎不同类型的岩石，要求钻头有不同的滑动量，滑动量由钻头结构参数决定。
软地层钻头滑动量大，硬地层应尽量小或不滑动，避免牙齿早期损坏。
但实际钻井中，即使设计的纯滚钻头仍然存在着滑动。
5、钻压对岩石破碎速度的影响
岩石的破碎过程分三个区段：
Ⅰ表面破碎阶段、Ⅱ疲劳破碎阶段、Ⅲ体积破碎阶段。
如下图左，表面破碎时，钻压远小于岩石硬度；随着钻压增大逐渐接近岩石的硬度，通过牙齿多次对岩石的冲击，使岩石出现微裂纹而产生体积破碎，为疲劳破碎；当钻压达到或超过岩石硬度时，牙齿每次冲击都能使岩石产生体积破碎，为体积破碎。
当产生体积破碎时，机械钻速迅速增加。
6、钻头转速对岩石破碎速度的影响
对于低塑性（大理石）和脆性（如花岗岩）岩石，机械钻速与钻头转速成正比；对于高塑性与多孔岩石（如白垩和多孔石灰岩），在低转速时，其相互关系已偏离直线（如上图右）。
岩石的塑性系数越大，需要牙齿接触岩石的时间越长。
当钻头型号选定后，对于具体岩层，存在一个最合理的钻压与转速的配合。
（二）江钻三牙轮钻头的结构
1、钻头的结构特点
如下图左，三牙轮钻头是由牙掌、牙轮、轴承、锁紧元件、储油密封装置、切削齿和流道喷嘴水力结构等二十多种零部件组成。
1）、牙掌:
钻头的由三片牙掌组焊在一起，上部加工有连接丝扣，下部加工成轴颈，与牙轮孔组成轴承副，中间内有流道、外有储油装置；
2）、切削结构:
包括牙轮和牙齿,分镶齿和钢齿两种。
牙轮的单锥、复锥，牙齿的形状、大小、齿数、长短取决于所钻地层的硬度，软地层采用复锥牙轮，牙齿大、尖、齿数少，硬地层采用单锥牙轮，牙齿小、短、齿数多；
3）、合金齿齿形:
根据不同地层岩性的破碎机理，各种钻头选择不同的齿形，如上图右：
4）、轴承:
有滑动和滚动轴承，分密封（橡胶密封和金属密封）与非密封两种，滑动轴承适合高钻压钻进，滚动轴承适合高转速钻进。
由牙轮内腔、跑道、轴颈和锁紧元件组成；
5）、储油补偿系统:
包括轴承密封圈、储油囊、保护杯、压盖等零件组成，如下图：
二江钻三牙轮钻头产品概述
目前，江钻已建立了一套成熟规范的科研体系、形成了具有特色的牙轮钻头研究开发手段，以市场为导向，先后开发出具有自主知识产权的等磨损齿技术、双流道技术、高速轴承技术、大井底覆盖技术、单牙轮钻头等多项技术。
产品历经更新换代，现有9个标准系列、600多个品种、尺寸系列覆盖3¾″～26″、可适用于软到极硬的各类不同地层的系列产品，可满足国内外钻井市场不同钻井工艺的需求。
第一代主导产品（1973～1984）
◆MP、HP、XHP等
第二代主导产品（1984～1990）
◆W、H、G系列牙轮钻头
◆HA、HAT、GA、GAT系列牙轮钻头
第三代主导产品（1991～1997）
◆HJ、GJ系列牙轮钻头
◆YA系列牙轮钻头
第四代主导产品（1998～2004）
◆FA、FJ系列牙轮钻头
◆S特殊结构（大井底覆盖系数）钻头
◆E系列牙轮钻头
◆YC系列牙轮钻头
目前最新个性化产品
1、HA系列牙轮钻头例如81/2HA517
2、GA系列牙轮钻头3、HJ系列牙轮钻头
4、GJ系列牙轮钻头5、YA系列单牙轮钻头
6、牙轮钻头附加结构特征
代号
附加结构特征
G
掌背强化
L
掌背扶正块
T
特别保径
H
金刚石复合齿保径
C
中心喷嘴
Y
圆锥形齿
K
宽齿钻头
X
凸顶楔齿
掌背强化掌背扶正块修边齿
三目前最新个性化产品
1、MotorDigger（MD高速马达钻头系列）
MotorDigger是为适应井下动力钻具或深井高温作业开发的高速油用钻头系列。
该系列融合了高速破岩领域先进的切削结构与保径技术、可靠的轴承系统、高效的水力结构配置。
MotorDigger系列是定向井、水平井、高温深井钻井的理想选择。
主要特征
（一）切削结构
1、采用了防壳体磨损的副齿技术
在每一主齿圈与齿槽之间布置一排副齿有效的提高了定向井、水平井钻井工艺下的牙轮壳体抗磨损能力。
2、高效切削齿型
牙轮主切削齿为低应力凸顶楔形齿和锥球齿，在软到中硬地层中可获得较高的钻速，具有较长的使用寿命。
3、保径结构：
（1）掌尖采用增强型敷焊
（2）全掌背保护
（3）双排背锥
（二）轴承系统
1、采用浮动轴承结构。
在降低轴承副相对线速度的同时，减少摩擦面温升，能有效提高高钻压或高转速钻井工艺条件下的轴承寿命和轴承可靠性。
2、采用高可靠性金属密封。
金属密封由一副金属密封环作为轴承轴向动密封，能够适应高速钻井工艺。
MotorDigger系列可以提供的产品型号：
2、Swifturn（SWT旋风系列钢齿钻头系列）
Swifturn旋风系列是最新开发的高性能油用钢齿钻头。
该系列采用了全新的齿型设计以及增强型齿面敷焊，与常规的钢齿钻头相比破岩效率更高、齿的寿命更长，并且钻头工作更加平稳、能有效减少冲击载荷对钻具的损伤。
Swifturn旋风系列钢齿钻头适合高转速，软或中硬地层钻进。
主要特征
（一）切削结构
1、采用了矢量布齿技术，根据牙齿在井底的运动轨迹，优化齿顶与地层的接触形式，提高牙齿压入、剪切地层的能力。
2、优化钢齿钻头露齿高度、齿长及齿顶宽。
3、全包齿加厚焊，齿顶超厚敷焊。
（二）密封轴承系统
密封形式可根据钻井工艺选择，默认的密封形式是橡胶密封，如果选择金属密封，该结构以附加特征M标识。
O型密封圈采用了更耐磨的高饱和丁晴橡胶，在密封区域外端增加了密封小凸台，提高了密封可靠性。
金属密封由一副金属密封环作为轴承轴向动密封,使密封更加可靠。
牙掌轴承表面堆焊硬合金层，牙轮轴承镀银，提高了承载能力和抗咬合能力。
Swifturn系列可以提供的产品型号：
四四川油田钻头选型建议
1、江钻牙轮钻头的选型建议
层位
钻井工艺
推荐钻头型号
备注
上沙溪庙组
上部软地层
转盘
HA447GX
HA517GX
HJT517GK
也可根据需要选用HJ447GX和HJ517GX
空气钻井
Q537CG
Q537CGKQ617CGY
Q627CGY
䦋㌌㏒㧀좈琰茞ᓀ㵂Ü
下沙溪庙组
上部硬地层
转盘
HJT517GK
HF537GH
石英砂含量高的硬研磨性地层应选用复合齿钻头HJT537GHK或HJ617GH
千佛崖组
-须家河组
螺杆
FJS517GL
FJS537GL
根据地层情况可选用复合齿FJS537GHL或E537GH系列三牙轮钻头
雷口坡组
层位
钻井工艺
推荐钻头型号
备注
嘉陵江组
下部软地层
转盘
HJT537G
该层位PDC使用效果优于牙轮钻头，但也可参造推荐选用牙轮钻头。
飞仙关组
螺杆
FJS537GL
长兴组
下部硬地层
转盘
HF537GH
HF547GHHF617GH
可根据用户需要设计不同齿形（勺形齿、锥楔齿、锥球齿等）和增强钻头保径功能（复合齿外排背锥保径）。
龙潭组
茅口组
栖霞组—梁山组
螺杆
FJS617GLFJS537GL
用户可根据需要选择增强钻头保径功能（复合齿外排背锥保径）。
黄龙组
志留系
2、GK宽齿钻头
结构特点：
1）、采用宽顶勺形齿为主切削齿，提高了牙齿的井底破碎体积和井底覆盖率；
2）、同时在钻头设计中采用优化的钻头结构参数，提高牙齿在井底的剪切滑移距离，可增大钻头对塑性岩石的破碎体积功。
3）、可提供的尺寸和型号
钻头尺寸范围：
61/2″-171/2″；
型号：
IADC为517和537型号钻头后附加GK特征。
4）、钻头的使用参数
钻压：
0.35～1.05KN/mm钻头直径（塑性地层推荐0.65～1.05KN/mm钻头直径）
转速：
40～220转/分（塑性地层推荐50～80转/分）
3、HRFighter（HF硬地层钻头系列）
HRFighter是江钻针对硬地层开发的新型油用钻头系列。
该系列融合了硬地层破岩领域先进的切削与保径结构设计、材料技术。
尤其材料技术的进步，提高了切削元件的耐磨性与抗冲击性，有效地解决了硬地层钻进过程中易缩径、机械钻速低、牙轮壳体易磨损等问题。
HRFighter系列是石灰岩、砂岩、石英岩以及花岗岩等坚硬地层实现高效、安全钻进的理想选择。
主要特征
（一）切削结构
HRFighter系列硬地层钻头是通过钻头试验台架机大量模拟钻进硬岩石试验，结合现场钻头钻进硬地层失效形式，利用计算机模拟仿真得出的一套先进切削结构，保证钻头每颗齿均衡最大化工作。
保径结构：
（1）掌尖采用增强型敷焊。
（2）全掌背保护。
（3）双排背锥。
（二）密封轴承系统
采用金属密封。
金属密封由一副金属密封环作为轴承轴向动密封,使密封更加可靠。
牙掌轴承表面堆焊硬合金层，牙轮轴承镀银，提高了承载能力和抗咬合能力。
金刚石复合齿保径（H特征）：
在研磨性强的地层，钻头外排、背锥、掌背镶金刚石复合齿，会取得更好的使用效果。
HRFighter系列可以提供的产品型号：
3、FJS三牙轮钻头
FJS系列轴承融合了金属密封和浮动轴承两项代表轴承发展方向的技术，大幅度地提高了轴承寿命、可靠性、稳定性，该轴承能适应螺杆、涡轮等高转速复合钻井工艺中的应用。
南方海相地层多含石英砂，地层研磨性强，出现齿槽磨损几率比较高，采用有副齿功能的FJS系列三牙轮钻头，在有效保护齿槽的同时，还能提高钻头机械钻速。
如下图，取心岩样充分说明此井钻头出现了钻头偏心磨损，与计算机模拟的结论相吻合。
1）、可提供的尺寸和型号
钻头尺寸范围：
57/8″-171/2″，可根据用户不同的钻井需要设计制造。
2）、钻头的使用参数
主要适应高转速的钻井参数，最高转速可以达到300rpm。
钻压与常规钻头相同。
4、Q系列气体钻井牙轮钻头
Q系列牙轮钻头是为适应以气体作为循环介质的欠平衡钻井工艺而开发的新型钻头，其切削与保径结构、轴承系统、喷射系统等方面采用了独特的设计，有效地解决了常规钻头在气体钻井工艺下轴承寿命短、耐磨性差、纯钻时间短、可靠性低等问题。
在含水量较少的硬地层、严重漏失或者低压地层的一系列气体钻井实践中表明：
Q系列牙轮钻头具有机械钻速高、长寿命和保径效果好的优良性能。
Q系列可以提供的产品型号：
尺寸
型号
6
Q627CGY
61/8
Q627CGY
61/4
Q617CGY、Q627CGY、Q637CGY
61/2
Q627CGY
77/8
Q617CGY、Q627CGY、Q637CGY
81/2
Q617CGY、Q637CGY
83/4
Q627CGY、Q637CGY
11
Q617CGY、Q627CGY、Q637CGY
川东油田311井段井空气钻井使用对比资料
井号
型号
厂家
下深
起深
地层
进尺
纯钻时
钻速
七北101
HA537
江汉
472.00
675.52
沙溪庙
203.52
34.83
5.84
黄金1井
HA537G
江汉
974.00
1144.41
沙溪庙
170.41
20.75
8.21
黄金1井
HJ537G
江汉
2161.44
2306.36
沙溪庙
144.92
37.67
3.84
平均
172．85
31.08
5.56
黄金1井
CQ617CGY
江汉
1144.41
1590.32
沙溪庙
445.91
54.33
8.20
东升1井
HJ627CGY
江汉
1229.77
2073.35
沙溪庙
843.58
76.39
11.04
HJ627CGY
江汉
2073.35
3064.52
沙溪庙
991.17
71.62
13.84
平均
760.22
67.45
11.27
黄金1井
HJT537GK
江汉
1590.32
2161.44
沙溪庙
571.12
60.33
9.46
HJT537GK
江汉
2306.36
2518.33
沙溪庙
211.97
38.23
5.54
东升1井
HJT537GK
江汉
700.0
1229.77
遂宁组
529.77
35.87
14.77
平均
437.62
44.81
9.77
七北101
KQC275
唐山
675.52
1587.00
沙溪庙
911.48
51.60
17.66
七北101
KQC275
唐山
1587.00
1752.00
165
11.20
14.74
东升1井
KQC275F
唐山
3064.52
3276.18
沙溪庙
211.66
26.15
8.09
平均
429.38
29.65
14.48
06年1至2月，江钻对中石化南方公司在老君1井、大湾2井空气钻井使用GK钻头进行了跟踪。
老君1井从762m采用空气钻进至井深3253.70m，进尺2491.70m，钻进层位沙溪庙、千佛崖、自流井，平均机械钻速11.37m/h，与普光地区同井段相比，平均机械钻速提高7.52~8.86倍。
大湾2井空气钻井井段584~1244.14m，进尺661.14m，钻进层位沙溪庙，平均机械钻速7.38m/h，与普光地区同井段相比，平均机械钻速提高3倍以上。
使用资料如表2、表3。
老君1井空气钻井钻头使用资料
尺寸
型号
厂家
下深
起深
地层
进尺
钻速
纯钻时
314
HJT537GK
江汉
762
1147.32
溪庙组
385.32
16.69
23
314
HJT537GK
江汉
1147.32
1885.38
溪庙组
738.06
11.41
64.65
314
HJT537GK
江汉
1885.38
2344.08
溪庙组
458.70
11.61
39.5
314
HJT537GK
江汉
2699.80
3253.70
自流井
553.90
9.51
58.23
大湾1井空气钻井钻头使用资料
尺寸
型号
厂家
下深
起深
地层
进尺
钻速
纯钻时
316.5
HJT537GK
江汉
584
1244.14
自流井组
660.14
7.38
89.37
经过空气钻井钻头使用跟踪分析,Q型空气钻头与空气锤相比各有优势：
1、空气锤平均进尺429.38m、钻速14.48m/h，特点是不易井斜，但保径能力不强，导致新钻头下入需划眼,对增压设备要求较高；
2、使用Q型空气钻头空气钻头平均进尺760.22m、钻速11.27m/h，综合指标较好，保径能力强，但钻速略低于空气锤；
3、使用普通537牙轮钻头，平均进尺172.85m、钻速5.56m/h，HJT537GK钻头平均进尺437.62m、钻速9.77m/h。
使用牙轮钻头岩屑较大，不利于岩屑上返，钻速较低，保径能力强不易缩径，并且对设备要求低于空气锤。
五三牙轮钻头的使用
1、选型：
针对地层岩性特点，尽量选用对路的钻头；
2、合理选用钻井参数，根据钻头的结构、岩性特点和钻井条件、设备、钻具等优选钻压和转速，在易斜井段钻进要按防斜设计执行；
3、使用喷射钻头，在正常井段下，不允许取掉喷嘴入井，必须进行水力参数设计，按高压喷射条件来优选喷嘴组合，并满足入口流速小于21.4米/秒条件；
4、喷嘴安装前，先清洗喷嘴内外面，涂抹润滑脂，再轻压装入，防止损坏密封圈，禁止使用有缺陷的喷嘴；
5、井底必须清洁，当井下有碎铁和硬质合金碎断齿较多时，要磨铣和打捞干净，新钻头要带随钻捞杯方能入井；
6、有条件时使用减振器；
7、采用优质洗井液，搞好泥浆净化，含砂量小于0.3%，在管线上必须安装过滤装置，防止堵喷嘴；
8、上卸钻头必须使用钻头盒，用吊钳紧扣和松扣，紧扣要适当，不允许用转盘上卸扣。
上紧后上提，检查钻头外观上有无损伤；
9、下钻速度不得过快，特别是不规则和复杂井段落；
10、下钻完或钻进时上提钻具后恢复钻井时，钻头距井底至少2米，开泵冲洗井底，然后旋转下放到底；
11、新钻头入井，应轻压、低转速，钻井0.3-0.5米，跑合牙轮后再逐渐加至所需钻压；
12、要精心操作，做到不溜、不顿，送钻平稳均匀。
严禁加压启动转盘和猛停、猛合转盘。
新钻头到底、井下不正常、钻头使用到后期，必须司钻操作；
13、钻进中要注意钻压、转速、泵压、机械进尺和井下情况的变化，发现异常，及时分析处理，特别要加强钻头使用后期的判断，正确决定起钻时间，起出的钻头应控制在10%-20%范围内，深井、复杂井起出的钻头新度不低于20%-30%；
14、起钻时就首先减小钻压再停转停泵，防止钻具拉伸使钻头加压，损坏轴承。
钻头起至复杂井段，应采用低速；遇卡应倒划眼上提，不得硬起；
15、钻进中起钻依据与新度控制：
1）钻头成本曲线开始上升；
2）用于扩眼钻头，使用时间已接近该井段同类钻头正常使用时间1/4（研磨性地层）-1/2（非研磨性地层）；
3）钻头在非研磨性地层钻进，其使用时间已到该地层同类钻头平均钻时2/3，再钻遇研磨性的砂岩、黄铁矿和燧石时；
4）钻井参数和地层岩性未变，钻时超过上1米的1.5倍；
5）转盘扭矩增加；
6）正常钻进中出现蹩跳钻；
7）正常钻进中发现砂样中有找不到原因的铁屑；
8）正常钻进中岩性未变，钻速加快（一般为钻头直径磨小）；
9）钻过石英砂岩、黄铁矿和燧石等研磨性地层的钻头，再钻非研磨性地层，其使用时间接近同类钻头在非研磨性地层平均使用时间的1/3，或不到1/3但已有蹩跳现象；
10）新钻头在石英砂岩、黄铁矿、燧石中钻进，其使用时间已到同类钻头的平均时间1/2-1/3；
11）钻进中泵压下降地面未发现其它原因；
12）顿钻、溜钻吨数超过该尺寸钻头最大允许钻压1倍和严重卡钻；
13）因处理井涌、井喷，泥浆内有硫化氢，或在深井高温高压条件下，浸泡2-3天以上的。
六国外钻头新技术简介
面对日益复杂的钻井环境和不断发展的钻井技术，美国各大主要钻头制造商纷纷推出其独具特色的新型钻头产品，钻头设计和制造技术的发展迅猛而稳健。
下面就近来美国各大石油钻头及工具公司的最新技术分别加以介绍。
一、休斯．克里斯坦森公司的新型MXL三牙轮钻头
休斯．克里斯坦森公司的新型MXL长寿命马达钻井钻头在墨西哥湾和其它高成本钻井环境中大幅改善了钻井经济性。
这种钻头在密封可靠性、切削结构耐用性、及其可配置水力系统方面进行了大幅改进，使其实现更长的井下工作时间。
这些改进包括一种新型的硬质合金牌号，它能够有效提高耐磨性，以便更好的应用于各种具体的钻井用途；革新性的牙轮保护齿，这种齿可以保护牙轮钢体材料免受岩屑的磨蚀，从而既保证了切削结构的整体性，同时又不牺牲钻头的机械钻速（ROP）。
在钻头水力结构方面，MXL钻头拥有几种不同的水力结构使之可以就各种具体用途达到优化效果。
一种是标准水力结构。
这种结构为标准喷嘴配置，钻井液被导向各牙轮间并朝着井壁的角部区域。
第二种为2、3号喷嘴偏置型。
这种结构的喷嘴的主要目标是清洗牙轮外排齿及其附近区域并同时冲洗牙轮的背面，主要水力能量都集中在钻头的切削结构上。
再有一种水力结构就是多排清洗型。
这种水力结构可清洗牙轮上的多排齿，并能够在井底产生很高的湍动能量。
MXL三牙轮钻头TCT系列两牙轮钻头
二、史密斯钻头公司适用于研磨性地层的高性能FH系列三牙轮钻头
FH系列牙轮钻头的优良性能包括机械钻速高、具有优良的耐用性和可靠性，这些优良性能来自于下列因素：
（1）具有向地层施加最大钻压的钢齿和镶齿几何形状；
（2）大幅度提升了镶齿材料的耐用性；
（3）通过坚固耐用的镶齿和轴承材料实现可靠性；
（4）具有高效清洗和水力能量集中的水力系统。
TCT系列两牙轮钻头：
在直井防斜中，TCT两牙轮钻头能够以较小的钻压（WOB）提高机械钻速（ROP）。
在对钻压有限制的大位移井和大斜度井中，TCT钻头能够以较低的钻压获得最大机械钻速。
在定向井中，TCT钻头能够提供与聚晶金刚石（PDC）钻头或三牙轮钻头相同的指标。
该钻头上钢齿/镶齿的数量少于相同的三牙轮钻头，使每颗钢齿/镶齿的载荷更高，从而提高机械钻速。
这种钻头的轴承组件承载面积较大，从而优化了力的分布，减小了密封载荷并延长了钻头寿命。
TCT钻头能够使用4个外侧喷嘴再加1个中心喷嘴，其矢量喷嘴结构优化了对牙轮的清洗和岩屑的返排。
TCT钻头的4点稳定结构减小了钻头的振动并提高了机械钻速。
该钻头结合使用了牙掌稳定垫和碳化钨镶齿掌背保护等特征，使钻头不但稳定且能钻出全井径井眼。
注：
如有不足之处，敬请批评指正！
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