回转钻进用钻头.ppt

回转钻进用钻头Drilling bits used in the rotary-table drilling
第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程
第二节硬质合金钻头
第三节钻探用金刚石及其孔底碎岩过程
第四节金刚石钻头和扩孔器
第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程
第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程
第七节全面钻头
第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit
一、钻探用硬质合金(hardmetal for drilling)
通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨架材料,钴为粘结材料。硬质合金钻进一般适用于软、中硬岩层钻进。
硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、八角柱状和针状等形状。薄片状:1-5级软岩;方柱状、八角柱状:4-7级中硬岩石;其中八角柱状:较硬岩层和裂隙发育;针状:自磨式钻头,在硬地层或研磨性岩石中使用。
表4-1 YG类硬质合金的性能表
合金牌号
化学成分(%)
物理机械性质
特性及用途
WC
Co
密度(g/cm3)
硬度(HRA)
抗弯强度(MPa)
YG3x
97
3
~
92
1050
耐磨性最好,冲击韧性最差,用于金属切削
YG4c
96
4
~
90
1400
适用于均质和软质互层地层中回转钻进
YA6
91~93
6
~
92
1400
加有少量TaC成分,提高了硬度
YG6
94
6
~

1400
适用于回转钻进,使用效果仅次于YG4c
YG6x
94
6
~
91
1350
细粒合金,强度接近YA6,耐磨性较YA6高
YG8
92
8
~
89
1500
地质勘探和石油回转钻进用主要品种
YG8c
92
8
~
88
1750
粗粒合金,冲击韧性较高适于冲击回转钻进
YG11c
89
11
~
87
2000
耐磨性最差,冲击韧性最高,适于冲击回转凿岩
YG15
85
15
~
87
2000
注:硬质合金中的附加字母“x”表示细粒合金,“c”表示粗粒合金。
二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程(Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit)
回转钻进的机械钻速vm=60nmh1
影响切入深度h1的主要因素有:轴向力大小,岩石的性质及岩屑被清除的速度。切削具的性质、几何形状及排布方式;钻头的转速与切削具的磨钝程度。
1、塑性岩石的孔底破碎过程
2、脆性岩石的孔底破碎过程
3、切入与切削同时作用下的碎岩过程
式中: Py—一个切削具上的轴向压力;S0—切削具与岩石的接触面积;
σ—岩石的临界抗压入强度(相当于在该条件下岩石的硬度)。
Py ≥σ. S0是切削具切入岩石的必要条件,否则,切削具在井底不能切入岩石,碎岩过程只能是切削具对岩石的表面磨蚀,碎岩效果很差。因此,在硬质合金钻进中,必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。
在塑性岩石中,-1所示。一个单斜刃的切削具在轴向压力的作用下,切入岩石的深度为。由于切削具后斜面的作用,使切削具的刀尖O并非垂直切入岩石,而是沿着与垂直线成γ角的线方向切入岩石。因此,在切入的过程中,在前面OB上产生的正压力及摩擦力( 等于摩擦
一、塑性岩石的碎岩情况:
岩石切入岩石底过程:
钻头上切削具切入岩石的必要条件是:切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于(和最小等于)岩石的抗压强度(压入硬度),即:
(-1)
f )。系数同理,在后斜面OA上产生正压力及摩擦力。各作用力平衡关系如下:
(-2)
(-3)
式中: b—切削具的宽度;
σn-OA面上的法线压强;
σ-垂直于AB的压强,它等于岩石的抗压入强度(压入硬度)。
将式(-5)代入式(-4)中,则有:
因此,切入深度h0为:
若设: 则有:
式中:v-由切削具刃尖角β和切削具与岩石的摩擦角φ所决定的一个系数。
在一般情况下,v=~。
根据切削具切入岩石的条件知:
-2 塑性岩石中的回转切削
Py-轴向压力; Px-水平力; h0-切入深度;
b-切削槽宽(切削具宽度)
-5 脆性岩石的回转切削过程
Py-轴向压力;Px-回转水平压力; β-刃角
h0-切入深度; abc-大剪