岩石与钻头.ppt

《岩石与钻头.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石与钻头.ppt（46页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、岩石与钻头岩石与钻头2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.1 岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的力学性质 2.2岩石的研磨性与可钻性岩石的研磨性与可钻性岩石的研磨性与可钻性岩石的研磨性与可钻性 2.3刮刀钻头及其破岩原理刮刀钻头及其破岩原理刮刀钻头及其破岩原理刮刀钻头及其破岩原理 2.4牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理 2.5金刚石钻头及其破岩原理金刚石钻头及其破岩原理金刚石钻头及其破岩原理金刚石钻头及其

2、破岩原理第二章 岩石与钻头2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的力学性质变形特征变形特征变形特征变形特征强度特征强度特征强度特征强度特征强度特征强度特征强度特征强度特征:指岩石在载荷作用下开始破坏时指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力的最大应力(强度极限强度极限)以及应力与破坏之以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。和破坏规律。变形特征变形特征变形特征变形特征

3、:指岩石在各种载荷作用下的变形指岩石在各种载荷作用下的变形规律规律(包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律性流动和破坏规律)。2.1 岩石的力学性质2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 一、应力应变曲线一、应力应变曲线一、应力应变曲线一、应力应变曲线二、强度二、强度二、强度二、强度(简单应力简单应力简单应力简单应力)主要内容主要内容三、强度三、强度三、强度三、强度(复杂应力复杂应力复杂应力复杂应力)四、弹性四、弹性四、弹性四、弹

4、性2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 一、应力应变曲线一、应力应变曲线BCBC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。塑性变形阶段。最高

5、点最高点C C的应力称为强度极限的应力称为强度极限C C(如为单轴如为单轴试验便称为单轴抗压强度试验便称为单轴抗压强度)CD段：曲线下降，是由于段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。石开始解体。CD段以脆性段以脆性形态为其特征。形态为其特征。点点B B：发生弹性到塑性行为过渡：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，点，称为屈服点，S S称为屈服称为屈服应力。应力。ABABABAB段：段：段：段：斜率为常数或接近常数，斜率为常数或接近常数，弹性变形阶段，弹性变形阶段，其斜率定义为其斜率定义为岩石的弹性模量岩石的弹性

6、模量E EOAOAOAOA段：段：段：段：曲线稍向上凹，内部裂隙逐渐被压密、曲线稍向上凹，内部裂隙逐渐被压密、压实过程压实过程2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 二、简单应力条件下岩石的强度二、简单应力条件下岩石的强度二、简单应力条件下岩石的强度二、简单应力条件下岩石的强度岩岩石石的的强强度度抗抗压压强强度度抗拉抗拉强强度度抗抗压压强强度度抗弯曲抗弯曲强强度度通常情况下：抗压抗剪抗弯抗拉强度强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验 2005 2005 版权所有版权所有C

7、opyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 岩石抗压缩强度岩石抗压缩强度 指岩石抵抗外力压缩的能指岩石抵抗外力压缩的能力其大小等于在岩样上施加力其大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获得。压缩强度试验来获得。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 岩石抗拉伸强度岩石抗拉伸强度*设计恰当的夹紧

8、机构；*制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。实验要求测量方法间接抗拉伸强度试验直接抗拉伸强度试验2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。岩石的抗张强度可按下式计算：巴西劈裂实验2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 三、复杂应力条件下的岩石强度三、复杂应力条件下的岩石强度三、复杂应力条件下的

9、岩石强度三、复杂应力条件下的岩石强度1.常规三轴试验(a)液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）12=3(c)液压作用下的压扭试验1(b)三个液缸的柱塞进行三面压缩试验（真三轴试验）12 3(d)液压作用下的两面柱塞压缩试验12 32005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 1 P=2=33P=1=2（a）压缩试验）压缩试验（b）拉伸试验）拉伸试验2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Pe

10、troleum Institute 213Co库仑剪切强度曲线2.三轴应力下岩石的强度和变形的特点三轴应力下岩石的强度和变形的特点 OAB2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 库仑库仑-莫尔强度理论莫尔强度理论岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切滑动面)的垂直(法向)压应力的增加而增大的。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 四、三轴应力作用下岩石

11、机械性质的变化四、三轴应力作用下岩石机械性质的变化两两两两方方方方面面面面显显显显著著著著变变变变化化化化一：随着围压的增大，岩石强度极限增大。（）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的；（）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力范围内都相同。二：随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井的重岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）

12、对深井钻井的重要意义：要意义：脆性破坏 塑性破坏 本质差别 不同的破碎工具 不同的破碎方式 不同的破碎参数 因此，确定岩石的脆塑性转变的“临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 岩石的硬度（即抗压入强度）：岩石抵抗外力压入的能力。岩石的硬度（即抗压入强度）：岩石抵抗外力压入的能力。平底圆柱压模压入岩石时，在压头下的岩体中发展了轴对称分布的三向应力状态，这种应力状态使压头下岩石的强度会急剧增大，同时多数岩石具有塑性性质。五、

13、岩石的抗压入破碎强度五、岩石的抗压入破碎强度五、岩石的抗压入破碎强度五、岩石的抗压入破碎强度2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute zzr=z0pzzrzr=aaap圆柱压模压入岩石的应力状态及分布圆柱压模压入岩石的应力状态及分布P-岩石平均压强岩石平均压强 a-压头底面的半径压头底面的半径z-距岩石表面的深度距岩石表面的深度-岩石泊松比岩石泊松比2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing P

14、etroleum Institute W0OCEDW载荷 W/NW0载荷 W/N吃入深度/m(b)塑塑脆性岩石脆性岩石EDW吃入深度/m载荷 W/N吃入深度/m(a)脆性岩石脆性岩石(c)塑塑性岩石性岩石OOBA压入实验确定岩石的硬度和塑性系数硬度屈服极限塑性系数2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.2 2.2 岩石的研磨性与可钻性岩石的研磨性与可钻性 钻井过程中，钻井工具和岩石产生接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨

15、损这些材料的能力称为岩石的研磨性。一、岩石的研磨性一、岩石的研磨性测定岩石研磨性的方法钻磨法磨削法微钻头钻进法摩擦磨损法2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 各种岩石的研磨性研磨性最小的岩石低研磨性岩石高研磨性岩石盐岩、泥岩和一些硫酸盐岩石灰岩和白云岩含有刚玉矿物成分的岩石由所含长石和石英成分的多少、颗粒粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物的硬度差小，研磨性较小，反之研磨性较高。火成岩中等或高研磨性岩石由石英颗粒的含量及胶结强度而定，石英颗粒含

16、量越多，粒度越粗，胶结强度越小，其研磨性越高；反之研磨性则低。沉积碎屑岩2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 二、岩石的可钻性二、岩石的可钻性二、岩石的可钻性二、岩石的可钻性岩石破碎的难易性称为岩石的可钻性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。研究可钻性方法生产工艺的指标岩石机械性质可钻性的单位采用在确定条件下的钻头进尺或者机械钻速可用抗压强度，d指数、压痕指数、纵波速度、抗钻强度、实钻速度、杨氏钻速模式中的地层可钻性系数等几十种评价方法2005 2005 版权所有版权所有C

17、opyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.3 2.3 刮刀钻头及其破岩原理刮刀钻头及其破岩原理刮刀钻头特点结构简单，制造方便。在软地层中，可以得到高的机械钻速和钻头进尺。在较硬地层中，钻头吃入困难，钻井效率低。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数1.1.刀翼结构角刀翼结构角刀刀翼翼结结构构角角刃尖角切削角刃前角

18、刃后角刀翼尖端前后刃之间的夹角，它表示刀翼的尖锐程度。刀翼前刃和水平面之间的夹角。刃前角与切削角互为补角刃后角=-2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.2.刀翼几何形状刀翼几何形状刀翼几何形状刀翼几何形状背部几何形状抛物线型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反锥2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute

19、 二、二、二、二、刮刀钻头破碎岩石的基本原理刮刀钻头破碎岩石的基本原理刮刀钻头破碎岩石的基本原理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。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 1.1.1.1.塑性岩石塑性岩石塑性岩石塑性岩石塑性岩石硬度小，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。因此，吃入深度要比力W单独作用时深得多。2005 2005 版权所有版权所

20、有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.2.塑脆性岩石塑脆性岩石塑脆性岩石的破碎过程 碰撞碰撞压碎及小剪切压碎及小剪切大剪切大剪切2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.4 2.4 牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头分类单牙轮钻头两牙轮钻头三牙轮钻头四牙轮钻头2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏

21、慧芬 Daqing Petroleum Institute 一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理1、钻头的复合运动绝对速度绝对速度牵连速度牵连速度2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 迭加后的合速度迭加后的合速度 井底无滑动，vba=vca,，vs=0,牙轮与钻头转速比为：一般 产生了相对于岩石的滑动切削速度。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Co

22、pyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.2.2.2.钻头的冲击和压碎作用钻头的冲击和压碎作用钻头的冲击和压碎作用钻头的冲击和压碎作用 由于牙轮钻头的纵向振动，钻头对岩石产生冲击和压碎，单双齿着地的频率为：2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 3.3.牙轮对地层的剪切作用牙轮对地层的剪切作用2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing P

23、etroleum Institute 二、牙轮钻头的结构和类型 钻头直径牙轮轴线偏移值牙轮轴线与钻头轴线夹角牙轮的形状与布置牙轮上牙齿的布置.牙轮钻头的基本参数2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.牙轮钻头的牙齿3.牙轮钻头的轴承4.钻头水眼铣齿(也称钢齿)硬质合金齿(简称镶齿)滚动轴承滑动轴承普通钻头水眼，在钻头适当部位开孔焊。喷射式钻头在水眼处安装硬质合金喷嘴，且对水眼有关的钻头结构有特殊要求。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI C

24、opyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2.5 2.5 金刚石钻头及其破岩原理金刚石钻头及其破岩原理 类型金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自锐的天然金刚石或人造金刚石为切削齿，在钻低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中广泛使用的一种高效钻头。按来源分按功用分按镶嵌方式分按钻井方式分天然金刚石钻头人造金刚石钻头全面钻进钻头表镶孕镶转盘钻井涡轮钻井取心钻头2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 一、金刚石钻头一

25、、金刚石钻头一、金刚石钻头一、金刚石钻头1、金刚石钻头的结构钢体胎体切削刃水眼与水槽2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute (1)(1)钢钢体体双锥阶梯形剖面软到中硬地层双锥形剖面较硬地层“B”型剖面硬地层带波纹的“B”型剖面坚硬地层上部螺纹连接钻具，下部与胎体烧结。(2)(2)胎体胎体镶嵌金刚石颗粒的基体胎体形状，主要指工作面的几何形状和工作面积的大小，根据岩性设计的。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬

26、夏慧芬 Daqing Petroleum Institute (3)(3)切削刃切削刃 金刚石在钻头工作面上的排布方式交错排列法圆周排列法脊圈排列法软到中硬硬地层坚硬地层切削刃表镶式孕镶式表孕镶式2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute (4)(4)水眼与水槽水眼与水槽金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。水水眼眼和和水水槽槽的的布布置置原原则则使金刚石钻头在钻进时，保证供给钻头工作面有足够的水力能量。用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于工作小，金刚石颗粒粗而稀，钻进

27、时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。对于硬和坚硬地层，钻头工作面大、金刚石颗粒细而密，且出刃低，钻压大，水槽应多、密、窄。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 接触面积吃入深度出露高度出露高度金刚石金刚石钻头基体钻头基体2.2.2.2.金刚石钻头破岩原理金刚石钻头破岩原理金刚石钻头破岩原理金刚石钻头破岩原理 当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石使下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金

28、刚石吃入岩石的位移体积。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 二、二、二、二、PDC PDC PDC PDC钻头钻头钻头钻头 PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。1.PDC1.PDC钻头结构钻头结构（1 1）钻头基体）钻头基体PDC钻头基体冠部外形鱼尾形鱼尾形浅锥形浅锥形短抛物线形短抛物线形抛物线形抛物线形特点：钻头的磨损更为平衡。特点：钻头的磨损更为平衡。特点：快速钻进中，能保持方位和井

29、斜。特点：较长的寿命；要求较高的水力能量，钻头鼻部在夹层时易损坏。2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 标准切削齿标准切削齿牙嵌式切削齿牙嵌式切削齿 增加金刚石薄层厚度、金刚石层与碳化钨基片的接触面积，提高研磨性和强度。环嵌式切削齿环嵌式切削齿 嵌牙外缘增加一周聚晶金刚石环，提高耐磨、冲击强度。（2 2 2 2）钻头切削齿钻头切削齿钻头切削齿钻头切削齿 2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqi

30、ng Petroleum Institute 凿形切削齿凿形切削齿倒角切削齿倒角切削齿凸圆形切削齿凸圆形切削齿齿状碳化钨基柱齿状碳化钨基柱2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute （3 3 3 3）切削）切削）切削）切削齿齿齿齿的排列方向的排列方向的排列方向的排列方向PDC钻头设计中用负前角、侧偏角和切削齿出露高度规定排列方向。负前角又称后倾角侧偏角切削齿的出露高度复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹角。切削齿面与钻头径向平面之间的夹角。与岩性有关，分全出露和部分出露两种。2

31、005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute （4 4 4 4）喷喷喷喷嘴水道及排屑槽嘴水道及排屑槽嘴水道及排屑槽嘴水道及排屑槽喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，以及排屑槽的形状和布置都是PDC钻头设计中重要组成部分。喷嘴的配置和取向基本原则每个喷嘴或水眼能清洗和冷却一组复合片喷嘴形状分类标准喷嘴扇射式喷嘴矩形喷嘴六角形喷嘴排屑槽的形状楔形扇形半圆形2005 2005 版权所有版权所有Copyright-DQPI Copyright-DQPI 夏慧芬夏慧芬 Daqing Petroleum Institute PDC钻头是以切削 齿对地层进行切削来破碎岩石，整个切削过程，与金属切削过程很相似。岩石的切削过程实质：是一种挤压过程，在挤压过程中，岩石主要以滑移变形方式成为切屑。2.PDC2.PDC钻头破岩原理钻头破岩原理 PDC钻头的破岩机理可概括为：PDC钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。岩石经过OA面在当切削刃移动时，滑移变形越来越大，当岩石移到OE面时，将不在沿OE面滑移（如1、2面），而是一起沿切削齿前倾面流出，所以称OA为初始滑移线，而称OE为终止滑移线。