钻井手艺（牙轮篇）
PDC加一度螺杆以复合钻的样式到达了造斜点后，起钻换牙轮钻头，过程两者钻进的进尺和钻时，寿命及起出钻头的情景相比。领会了一把它们之间的不同。加深了回忆。PDC是低钻压高转速，正常在本质职掌中，咱们用4到5吨打，间或要把井斜打起来，咱们才加5到6吨的钻压。而响应的钻盘转速咱们正常采取二档高速，理论上的便是r/min。而牙轮钻头正向反，要采取高钻压，低转速。而本质现场哄骗确实是高钻压，然则转速并非是低转速。定向的过程中，螺杆带着牙轮回头就有很高的转速了，而加之复合钻，牙轮曾经不在是低钻速了(一档高速r/min)。本身曾经试过用二档低速和一档高速打钻，一样的钻压来打统一地层(螺杆带牙轮钻头)，发觉低转速钻时要高于高转速的钻时。这解释牙轮也需求高转速，不过这个转速不能是PDC的二档高速。相比前口井的钻时与响应地层的纪录，也发觉了这个”潜规定”。。。。
一．根本讲解
过程叙言，读者应当大抵知道本篇想讲解甚么。自然是牙轮钻头的科学破岩方法。
根本的牙轮的钻头的特点与布局。
上图中牙轮钻头的储油光滑和密封系统既能保证轴承获得光滑，又能够有用地避让钻井液体(包含钻井液相和固相以及搀合在钻井液中的各式岩屑)加入钻头的轴承内。大幅度地升高了轴承以及钻头的哄骗寿命。
钻头处事时，牙轮上的牙齿在破灭地层的同时遭到地层的反做使劲，造成牙轮沿轴线方位造成高频振荡，造成轴承腔表里的压差，使轴承腔内造成抽吸和排液效用。由于密封圈的效用，钻井液不会被抽吸到轴承腔内，轴承腔内的油脂也不会流出钻头，而储油腔内的光滑油脂则会被抽吸到轴承腔内。储油密封系统还过程传压孔，压力赔偿膜使轴承腔内的光滑油脂的压力与钻头外的钻井液压力一致，使密封圈在较小的压差下处事，以保证密封功效。
上图为牙轮钻头的布局示用意。参照此图分离现场哄骗的牙轮钻头，能够加深明白。
牙轮钻头轴承由牙轮内腔，轴承跑道，牙掌轴井，锁紧元件等构成。轴承副有大，中，小和止推轴承四个。
对于牙轮的轴承布局，它是决议钻头寿命是非的要害要素之一，按布局不同分为震动轴承和滑动轴承两大类。滑动轴承的争持面是面来往，承压面积大，来往压应力较小，轴承寿命较长。由于不必滚柱，可加大轴颈直径和增进轮壳厚度，使轮壳强度增进。
中轴承的效用是锁紧牙轮，中轴承假设磨损，则牙轮会从轴颈上分别，于是中轴承稀奇要害，纵使中轴承磨损后没有到达牙轮从颈上分别的水准，但中轴承也得到了定位效用，牙轮和轴颈之间松动，会加重轴承磨损。正常用滚珠轴承做为中轴承是由于工艺原由。于是比年来有些钻头用卡簧替代滚珠轴承，如此能够进一步增进大轴承的面积，同时简化轴承布局及加工工艺。
牙轮钻头的轴承蒙受着由钻柱原料和孔底振荡造成的很大载荷，是最简单磨损的薄弱枢纽，务必增强光滑和爱护。
上图别离为自洗不移轴和自洗移轴的铣齿和镶齿钻头的布齿计划。
铣齿牙轮钻头的牙齿均为契形齿，由牙轮毛坯直接铣削加工而成。牙轮因移轴等布局使牙齿在井底有轴向滑动，故需求敷焊牙齿的内端面，牙齿在井底滑动很小，不足焊碳化钨粉，而是直接对牙齿表面渗碳，淬火责罚。如此能够避让敷焊层剥落，增进牙齿的韧性。
用于钻进软和中硬（部份硬岩）的岩石。钻进塑性和粘结性岩石时，常采取自洗式牙轮钻头。镶齿式牙轮钻头是把用粉末冶金办法做成的硬质合金镶嵌体做为齿冠，要紧用于钻进硬和坚忍（乃绝顶硬）岩石。
镶齿的硬度和抗磨性比铣齿高，寿命比铣齿长。稀奇是在高研磨性的极硬地层中钻进，镶齿更显示出其优秀性。
镶齿的齿形：暂时国表里罕用的镶齿齿形大抵有六种。保径办法大多采取增强规径齿保径。这些齿比中央齿圈和轮尖处牙齿的碳化钨含量高，硬度大，抗磨性强。正常保径齿的齿刃高较短，牙齿直径较小，布齿较密，使其不易折断和不易磨损。外排齿的每颗牙齿都过程打磨，外侧的水准面与井壁平行，使外排齿与井壁由点来往变成面来往，不易磨损，进而更好地起到保径效用。
为了休整井壁和避让背锥磨损，在牙轮背锥上镶装平顶形齿。当规径齿磨损后，它也能起保径效用。
上面来讲解下喷嘴。暂时国表里哄骗的喷嘴有六种：椭圆出口喷嘴，圆弧出口喷嘴，双圆弧出口喷嘴，锥形流道喷嘴，流线形喷嘴和等变速型喷嘴。为了升高射流攻击功效，请求射流流束麋集性好，即半分散角a小，等速核长度要长，为了使液流过程喷嘴时能量损失小，请求流量系数要大。
上面是各个喷嘴的示用意
从上表中，能够看出来流线形喷嘴和等变速喷嘴为最佳的。
上图是咱们现场哄骗的牙轮喷嘴，.5MM的一开钻头的喷嘴要比这个大。上图中央的喷嘴是实心的，有意候咱们为了升高在软地层的水利破岩功效，就哄骗两个喷嘴而堵住此外一只喷嘴。
牢固喷嘴的办法就不讲了，有特意的卡簧和卡簧钳。
二．牙轮钻头的处事旨趣
牙轮钻头的疏通学，动力学和岩石破灭力学是牙轮钻头破灭岩石的根本理论，它们钻研牙轮钻头的疏通形态，受力形态和破灭岩石的规律。
牙轮钻头疏通学钻研的目标是钻头处事过程中，钻头各部份稀奇是牙齿的疏通轨迹，速率和加快率。钻头钻进时，钻头牙齿不光要绕牙轮扭转，还要绕钻头轴线扭转。与此同时，牙齿在井底尚有滑动，还要随钻头在笔直于井底平面方位上做纵向振荡。
牙轮的疏通要紧包含：牙齿随牙轮绕钻头轴线扭转；牙齿绕牙轮轴线扭转；牙轮震动引发牙轮及钻头造成纵向振荡。在牙轮震动过程中，牙齿瓜代地以单齿或双齿来往井底，使牙轮轴线在笔直井底方位上做高低的纵向振荡。振荡的频次与牙轮齿数及牙轮转速成正比。振荡的振幅与牙轮的半径成正比与齿数成反比。振荡的攻击速率与牙轮的半径及转速成正比，与齿数成反比。
上图为起钻后的钻头的哄骗处境。
三．牙轮钻头动力学
牙轮钻头动力学的钻研目标是钻头各部份的受力形态。井底样式解析解释牙轮钻头的疏通形态不光与齿面布局相关，还与岩石性质，钻井参数相关。这解释牙轮钻头的疏通形态和受力形态时互相影响的。
1.牙轮钻头处事受力解析：钻头钻进时，轮齿瓜代地以单齿或双齿来往井底，使牙轮轴造成纵向振荡。三个牙轮轴的振荡传给钻头，使钻头也造成纵向振荡。在屡屡纵振中，钻头上即将收缩下部钻柱；钻头下行下部钻柱恢还原长，其位能转折为钻头的动载荷。因此钻头处事时，钻头轮齿效用到岩石上的力不光有静载荷，尚有动载荷，即钻头牙齿攻击破灭岩石时，钻头遭到的岩石反力也应即是静载荷(巨细即是钻压)与动载荷(巨细即是钻头与下部钻柱加快下落而造成的动载荷)之和。本质钻进时，钻头布局，井底岩石性质，钻进参数，下部钻柱的尺寸及泵压的脉动等都对动载荷有影响。乃至当牙轮轴的振荡频次与钻头钻柱系统的自振频次雷同时，还会涌现共振，使钻头振幅很大，造成极大的攻击载荷。
钻头在井下处事时，除了遭到纵向的载荷和动载荷外，还要遭到钻柱传来的扭矩的效用。当钻压较大，牙齿吃入岩石较深，尤为是牙齿在井底滑动较大时，钻头遭到的扭矩就更大。别的，钻头背锥和裙部与井壁争持，钻头要遭到井壁的争持力矩。钻头水眼内喷出泥浆，钻头还要遭到液流的喷发反力的效用等等。总之钻头在井底处事时，受力处境极为繁杂，暂时还不能无误祈望。
2.在井下实测钻头受载的处境：平常钻进时钻压的改革时常是在均匀钻压的25-50%规模内；有意最大钻压到达均匀钻压的3.5倍。平常钻进时，钻头的纵向振幅正常较小，小于或即是1.6毫米。而钻头处事不稳定时，振幅增大到25.4毫米，振荡大时钻头会短功夫离开井底。当钻杆以自振频次振荡时，有或者产生共振。
四．钻头牙齿对岩石的破灭效用
牙轮钻头要紧以牙齿对岩石的攻击，压碎效用和剪切效用来破灭岩石。硬和极硬地层要紧靠牙齿对岩石的攻击，压碎效用来破灭，极软和软地层要紧靠牙齿对岩石的剪切效用来破灭，中软，中，中硬地层靠这两种效用同时破灭地层。
1．攻击，压碎效用
钻头钻进时，当钻头向井底方位振荡，牙齿对岩石的总载荷为钻压(静载)和动载荷之和。钻压使牙齿压碎岩石，称为压碎效用；动载荷使牙齿攻击破灭岩石，称为攻击效用。因此总载荷对岩石的破灭效用称为攻击，压碎效用。
2.剪切效用
钻头在极软或软地层中钻进时，牙齿易吃入地层。由于牙齿在井底有确定滑动，使牙齿在井底挪移一小段间隔，剪切刮挤掉这一小段的岩石。这类破岩效用称为剪切效用。
牙轮安排计划：
非自洗无滑动安排：各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥，不超顶，不移轴，用于硬地层；
自洗不移轴安排：各牙轮牙齿齿圈互相嵌合，副锥，超顶，不移轴，用于中硬地层；
自洗移轴安排：各牙轮牙齿齿圈互相嵌合，副锥，超顶，移轴，用于软地层；
因地层的原由造成的断齿：钻头初期多为背锥齿、外排齿和次外排碎断生效，要紧原由是钻头哄骗钻压较低，钻遇强度高于合金齿强度的燧石结核，造成跳钻严峻，在未哄骗减震器和有掉块的处境下，使得线速率最大的外排齿和与井壁来往的背锥齿，受反常攻击载荷而部份先期碎断，随后进展到整颗齿和整排齿碎断，后期碎断断口磨平，造成外排齿至背锥磨牙轮体成圆弧状的特点。
五．牙轮钻头的正当哄骗
钻头典型的选型对钻井速率影响很大，通常由于钻头选型欠妥，使得钻井速率慢成本高。切确的取舍钻头，一方面要对现有钻头的处事旨趣与布局特点明白的明白，另一方面还应对所钻进的地层岩石物理板滞能有充足的明白，地层岩石物理板滞功用主若是指岩石的硬度，塑脆性，研磨性，可钻性以及埋没深度，上覆岩层压力，孔隙压力与浸透性等岩层性质的明白，由于纵使统一种岩性，其物理板滞功用差别也很大，因此仅依据岩性按钻头产物目录来断定钻头典型是不足所有的，还应汇集临近井雷同地层钻过的钻头材料及上一个钻头的磨损解析，分离本井的详细处境来取舍。
1.研磨性地层的选型：研磨性地层会使牙齿过快磨损，板滞钻速低沉很快，钻头进尺少，稀奇会磨损钻头的规径齿以及牙轮背锥与爪尖，使钻头直径磨小轴承外露，加快钻头的毁坏，这时最佳采用镶齿钻头。
2.浅井段与深井段钻头的典型的取舍：为了到达最佳的经济功效，在浅井段应采用板滞钻速较高典型的钻头，深井段应当斟酌哄骗寿命长的钻头。如上部的松软地层可采用喷发式的P1或P2型钻头，深部的软地层可采用简单滑动喷发式HP2型钻头，如此可到达低沉每米成本的宗旨，稀奇是在海洋钻井与钻机成本较高的井队，经济功效更为显然。
3.深部软地层的选型：依据临盆理论懂得,约在米下列井深碰到泥岩，页岩等软地层岩石时，通常采用硬地层钻头时，钻头板滞钻速很低，如哄骗软地层钻头钻进时，又易造成过量断齿的局面，人们征象地称这类地层为”橡皮地层”，这是由于软岩石在深部处于各向高压形态时，岩石物理板滞能就要改革，岩石的硬度增大，塑性也增大。于是哄骗要紧靠攻击破灭岩石的硬地层钻头典型时，破灭岩石功效差，板滞钻速慢，而用软地层钻头加大刮挤效用来破灭岩石时，易断齿，钻头哄骗寿命短，因此这时最佳办法是用低固相优良轻泥浆，取舍中硬地层钻头典型，通常功效较好。
4.易井斜地层的选型：地层倾角较大是造成井斜的客观要素，而下部钻柱的委曲与钻头典型取舍欠妥，是造成井斜的手艺要素。对于钻头典型与井斜的关连，往昔通常不被人们所明白，过程理论解析与尝试得出，移轴典型的钻头，在歪斜地层钻进时易造成井斜，因此应采用不移轴或移轴量很小的钻头，同时，保证移轴小的前提下，还应选比地层岩石功用较软典型的钻头，如此能够在较低的钻压下升高板滞钻速。
5.软硬交叉地层的选型：正常应取舍镶齿钻头中加高契形齿或加高锥球齿，如此既在软地层中有较高的板滞钻速，也能保证对待硬地层，但在钻头钻进时的钻压及钻速上应有差别，钻进软地层时可升高转速低沉钻压，在硬地层井段应升高钻压低沉钻速，到达更好的经济功效(做家：这一段或者有些题目，众人应当本身做解析领会)。
总之，取舍钻头典型的宗旨是保证井身原料的前提下，到达每米成本最低的经济目标。
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