文档介绍：第三节刮刀钻头及其破岩原理
刮刀钻头结构简单、制造方便,在泥岩和页岩等软地层中可以得到高的机械钻速和钻头进尺,在钻遇较硬地层或软硬交错硬夹层时,钻头吃入困难,钻井效率低。
1.    刀翼结构角
刀翼的结构角包括:刃尖角β、切削角α、刃前角φ和刃后角ψ
一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数
刃尖角β:
刀翼尖端前后刃之间的夹角,它表示刀翼的尖锐程度。
刃尖角β的确定原则:
在保证刀翼有足够强度的条件下,尽可能减小β角。一般岩石软时: β角可以稍小,平均β角为10º左右,甚至小到8º ~9º ;岩石较硬时, β角适当增大,平均β角为12º ~15º ;夹层多,井又较深时, β角应适当增大。
刃前角φ与切削角互为补角(φ=90°-α)。
刃后角ψ=α-β,当α角和β角确定后,刃后角就确定了。
刃后角必须大于井底角,如果刃后角小于井底角,刀翼以正螺旋面吃入切削地层,刀翼背部将直接和井底接触,将增加刀翼的承压面,影响钻速。
井底角:和井眼轴线垂直的平面与实际井底平面间的夹角。
切削角α:
刀翼前刃和水平面之间的夹角。
其它条件一定时, α角越大,吃入深度越深,但如α角过大,刃前岩石破碎困难,钻进时的蹩劲大。α角的大小应根据岩石性质来确定,一般软地层α角取小一些,硬地层α角取大一些。
松软地层: α=70º;软地层: α=70º~80º;中硬地层: α=80º~85º。
刮刀钻头刀翼底刃几何形状
2 刀翼几何形状
背部几何形状:
抛物线型,满足强度要求。即刀翼的宽度一定(为钻头直径的一半),刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应逐渐增厚,呈抛物线形。
刀翼底部形状:
平底、正阶梯、反阶梯和反锥等
刀翼底刃厚度b:
要适当,过薄,刃尖易折断;过厚增加承压面积,影响吃入深度。从等磨损考虑,底刃一般做成内薄外厚。
刀翼长度:
不要过长,加长刀翼固然可以增加刀翼的磨损量,从而增加钻头进尺,但刀翼过长,水眼至井底的距离增大,使射流对井底的冲击力减小,不利于清洗井底和破碎地层。目前国内各油田刀翼的磨损长度一般设计为50~70,如果正常磨损,可以不必设计这么长。
提高刮到钻头耐磨性:
目前国内一般采取选择高强度材质作为刀翼材料,在刀翼侧面、刀翼正面镶装或平铺硬质合金及孕镶金刚石(或人造金刚石)块等方法来提高钻头的耐磨性。
二、刮刀钻头破碎岩石的基本原理
根据摩尔强度理论,如果忽略摩擦力,当F力等于或大于剪切面积与岩石抗剪极限强度乘积时,岩石沿剪切面破碎。
塑性岩石硬度小,在钻压W的作用下容易吃入地层,刃前岩石在扭转力T作用下不断产生塑性流动。由于破碎岩石是在力W和T的同时作用下,因此,吃入深度要比力W单独作用时深得多。
在力W和T的同时作用下,垂直压强不必大于岩石硬度(大约比硬度小6~14倍即可)刀翼就可沿θ角切入岩石,使其产生体积破碎。这是因为,此时岩石的应力状态不同于刃前岩石的应力状态,刀翼吃入深度与岩石性质和力R的大小有关。
塑脆性岩石的破碎大体可分为:
碰撞、压碎及小剪切、大剪切三个过程
刃前岩石沿剪切面破碎后,T减小,刀翼向前推进,碰撞刃前岩石;
刀翼在扭力T作用下压碎前方的岩石,使其产生小剪切破碎,旋转力增大;
刀翼继续挤压前方的岩石(部分被压成粉状),当扭力T增大到极限值时,岩石沿剪切面产生大剪切破碎,然后扭力又突然变小。
刮刀钻头在钻进时,钻头不均匀地给进和刀翼不均匀剪切岩石,使钻头产生了扭转振动和横向振动,而钻柱的弹性变形所产生的较大位能又是促使振动进一步发展的条件。
扭转振动由于钻进时给进不均匀,使钻压和钻头吃入深度发生变化,使钻头的旋转速度在某一振幅和频率的平均值上变化。同时由于钻具也参与这种不均匀的旋转运动,在钻头上产生很大的动载和使工具在慢速旋转阶段承受很大的冲击。如果钻柱强迫振动频率接近自身扭转振动频率,就会产生有害于钻头和钻具的共振现象。
横向振动是由于刀翼不均匀地切削、破碎岩石过程中,钻头瞬时旋转轴心发生变化,导致刀翼切入或离开井壁而造成的。刀翼间歇地切入或离开井壁使得刮刀钻头形成的井眼形状为多角形的几率比圆形的要多,角顶数比刀翼数多一个。
采取在钻头上安装扶正器,是减小横向振动和获得圆形井眼的有效方法。
第四节牙轮钻头及其破岩原理
牙轮钻头是石油钻井中使用最多、适应性最强的钻头。按钻头上牙轮的个数可将牙轮钻头分为单牙轮钻头、两牙轮钻头、三牙轮钻头和四牙轮钻头,其中使用最多的是三牙轮钻头。
一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理
1、钻头的复合运动
牙轮钻头在钻头旋转运动过程中,由于牙轮钻头在运动过程中受到井底岩石对钻头牙齿的摩阻力,钻头牙轮要向钻头前进时相反的方向旋转,因此,钻头与井底接触母线上任意点的