牙轮钻头安装图解（牙轮钻头的合理使用）
一．牙轮钻头的选型
选择哪种型号、规格的钻头，最重要的依据就是地层。按国际上通用的地层硬度划分办法，是把地层分为6个硬度级别，分别是极软（SS）、软（S）、中（M）、中硬（MH）、硬（H）和极硬（EH）。各个硬度级别与牙轮钻头型号的对应关系如表4－9所示。
表4－9所描述的只是地层硬度大致的划分范围。在实际选择钻头时，应结合所钻地区的具体情况，分析以前的钻头使用资料，考虑地层的软硬程度、钻进井段的深浅、是否有易斜地层及软硬交错地层等等，选择出最适合本地层的钻头型号。若使用井下动力钻具，则要求选择能承受相应转速的钻头。一般而言，牙轮钻头的选型有以下一些经验和方法：
1．IADC牙轮钻头分类和地层硬度分级表（如表 4－3和表 4－9）作为大体上的钻头类型和地层分级方法，能适用于大部分地层，是选择钻头型号的一个重要指南。
2．初始的钻头类型和特征的选择应从钻头综合成本的角度考虑。尤其是像海洋钻井、深井钻井等一些高成本、大风险的钻井作业，选择复杂的牙轮钻头设计特征比选择简单的设计特征更为合适，这样钻头使用时间较长，进尺更多，从而可以从整体上降低作业成本。
3．三牙轮钻头是一种最常用的钻头类型，而且是对付各种地层都很合适的钻头选择。
4．在选择牙轮钻头的结构特征时，应遵循下列原则：
（1）使用尽可能长的牙齿，以取得较高的机械钻速。尤其是在较浅和软的地层，长牙齿的钻进效率更为明显。
（2）宁可允许有少量的牙齿折断，也不要选择较短牙齿的钻头。
（3）当不能对铣齿钻头施加足够的钻压以产生自锐式的牙齿磨损而获得较好的经济效益时，应该选择更长的牙齿。
（4）若所钻地层含有砂岩夹层时，则应考虑用镶齿保径的钻头。
（5）对易产生井斜的地层，宜选用无移轴、无保径、齿多而短的钻头。
（6）若发现钻头的外排齿磨损严重而中间齿的磨损较轻时，则应改选带保径齿的钻头。
（7）当牙齿磨损速率比轴承磨损速率低得多时，应选择一种较长牙齿、较好的轴承设计或在使用中施加更大的钻压。
（8）当轴承的磨损速率比牙齿的磨损速率低得多时，要选择一种较短的牙齿、较经济的轴承设计或在使用中施加更小的钻压。
（9）在浅井段和软地层，应选用机械钻速较高的铣齿钻头；而在深井段和硬地层，则要首先考虑使用寿命长、进尺多的镶齿钻头，以获得较好的综合钻井结果。
5．利用测井资料选择钻头是一种新的钻头选型方法。由声波时差、中子密度等测井资料可以计算出岩石的弹性模量和岩石的强度。通过试验建立岩石可钻性与岩石强度间的计算模式，再利用岩石的可钻性来选择合适的钻头型号。但由于影响岩石可钻性的因素很多，所以这种钻头选型的方法较复杂，目前还处在试验、研究阶段。
二．钻井参数的选择
一旦选定了某一型号的钻头之后，在使用时就要根据该钻头的工作性能，结合使用井段、地层和岩性的特点，确定合理的水力参数、钻进参数和钻井液流变参数，以达到最佳的使用效果。
1．水力参数与钻井液流变参数的设计
水力参数设计主要就是对排量、泵压、喷嘴尺寸、喷射速度、钻头水力功率及冲击力等钻井泵的工作参数和射流水力参数进行选择，以获得最高的钻井速度、最大的钻井进尺和最低的综合成本。
而钻井液流变参数设计则是根据地层及岩性的特点选择适当的钻井液密度、粘度、切力及剪切稀释特性参数等，以达到稳定井壁、顺利携带岩屑和提高钻井速度的目的。
2．钻压和转速的选择
确定钻压和转速的原则是，既要能有效地破碎地层，又要注意钻压和转速对钻头牙齿和轴承的影响，使钻头具有较长的工作寿命。选择牙轮钻头的钻压和转速主要考虑以下几方面：
（1）钻压对钻速的影响
在适当的范围内，钻压和钻速成线性关系，如图4－22所示。开始时，钻压较低，岩屑少，钻速基本上与钻压的平方成正比。钻压加大后，岩屑增多，井底净化条件变差，钻速与钻压成线性关系。当钻压升到一定值后，井底净化条件变恶劣，钻速增长缓慢，甚至下降。
在硬地层钻进，必须施加较高的钻压，才能破坏岩石的抗压强度而钻进。对中硬地层，适当增加钻压和降低转速，可使钻头有效地吃入地层，既提高了钻速，还能减轻钻头的蹩跳，防止牙齿被破坏。在软地层钻进，岩屑很难清除干净，钻压加得太大时，钻头吃入地层过深，钻速反而不高或者下降。
（2）转速对钻速的影响
如图4－23所示，在转速较低时（在30～55转／分的范围内），井底净化条件好，钻速基本随转速呈线性增加。超出这个值后，钻这就与地层岩性、井底净化程度有关了。
在软地层，如井底净化充分，钻速与转速成正比关系。
在中硬地层，钻头是靠剪切、冲击、压碎作用破岩的，对转速的敏感程度较低，钻速不再与转速成正比关系。一般要用中等转速和中～高钻压配合来提高钻速。
在深井及硬地层中，钻头牙齿与岩石接触的时间必须大于破岩所需的时间，才能提高破岩效率。因而提高转速对钻速影响不大，一般是用低转速和高钻压。
（3）钻压和转速对钻头轴承寿命的影响
对密封滑动轴承钻头而言，钻压与转速的乘积──WN值是一个很重要的参数。WN值又称为“轴承能力数”，是由滑动轴承的结构所决定的。钻头厂家在其产品出厂时，一般都会给出各个型号和尺寸钻头的WN值。表4—10是江汉钻头厂的ATJ、J系列钻头的WN值。
WN值只是一个近似值和参考范围，它并不必然地表示钻头的最佳钻压和转速。而且这个值仅考虑了轴承本身的能力，并未考虑切削结构损坏与密封失效的情况。实践证明，有些钻头如J系列钻头，轴承损坏的主要原因并不是轴承能力本身的问题，而是由于橡胶密封圈磨损、钻井液中的固相颗粒进入而引起轴承的早期损坏。
因而在选择钻压和转速时，不仅要考虑WN值对轴承的影响，还应考虑密封圈、钻头切削结构等对钻压或转速的最大承受能力。
（4）钻压和转速对钻头牙齿寿命的影响
钻头牙齿的损坏，大多是由于疲劳和应力过大引起牙齿折断、碎裂或脱落。主要原因是牙齿受到“冲击”，冲击负荷又直接地与所加钻压成正比，它与岩石硬度、单位面积上的钻压和牙轮线速度相关。因此，钻压和转速都直接或间接地在影响着钻头牙齿的寿命。一般地，钻压和转速都应在允许的范围内选择。钻压高时，转速应小。反之，钻压较低时，则应选较高的转速。
表4─11是江汉牙轮钻头的推荐钻压、转速值。
（5）用试钻法优选钻压和转速
现场优选钻压和转速的方法──试钻法，是通过释放钻压法或五点钻速法来确定最优的钻压和转速。这种方法使用方便，实用性强，在现场用得较广泛。
释放钻压法假定钻柱是一个弹性体，它的长度随受到的张力而异。通过对钻头施加一定量的钻压，保持钻井泵排量和转速不变，刹住绞车，随着钻头往下钻，更多的负荷悬吊在大钩上，加在钻头上的钻压便相应地逐渐减小。通过仔细观察每减小一定数量的钻压所需的时间（通常以8.9～22.2kN为一级），其中用得时间最短的，所对应的钻压便是最佳钻压。如表4－12中，用这种方法求出的最佳钻压为267kN（60k1b）。反复试验几次，求取最佳钻压的平均值，就能够较准确地确定某一地区的某个地层的最佳钻压。同样，保持钻压和水力条件不变，改变转速，用试验法也可求得最佳转速。
试钻法的不足之处是，随着钻头磨损的增加或更换钻头类型后，机械钻速也会随之发生变化，而在这种方法中却体现不出来。因而在求取最佳的钻井参数时，需要不断地进行试验和调整。
三．现场使用牙轮钻头的操作要点及注意事项
1．操作要点
（1）钻头入井前要仔细检查外观，测量钻头外径，其尺寸应在允许的公差范围内（钻头尺寸公差见表 4－13所示），连接螺纹应符合API标准，无损伤，牙齿和密封件完好，焊缝无裂纹和气孔。对有问题的钻头要禁止下井。
（2）正确安装喷嘴，要确保喷嘴和壳体干净，密封圈和挡圈完好无损。
（3）用合适的钻头盒给钻头上扣，上扣扭矩要正确。
（4）下钻操作要平稳，在井斜大和不规则的裸眼井段要特别小心，不能过快。尤其是下镶齿钻头，更不能碰撞井壁，以免引起镶齿折断和损坏掌尖。接近井底时，速度要慢，不能猛刹猛放，否则钻具会因惯性而撞击井底，损坏钻头牙齿或牙轮。
（5）新钻头快下到底时，要小心探沉砂。若有沉砂，要先开泵充分循环，再下放到底。开始钻进时，轻压慢转约半小时，使井底形状与钻头吻合，然后再加到正常钻压和转速钻进。
（6）任何情况下都不允许加压启动转盘。
（7）钻进中，要均匀送钻，不能间断地加压，更要防止溜钻。若钻具需要停止转动时，要让指重表恢复到原悬重后，才能摘去转盘离合器。
（8）在硬地层中钻进，为避免产生过大的冲击和震动而导致牙齿碎裂或脱落，可安装减震器。为防上钻柱摆动和井斜偏大，在钻柱中至少需加一个稳定器。
2．使用注意事项
（1）在下镶齿钻头前，要把井底打捞干净，以免井底落物碰撞合金齿而使之折断，造成钻头早期损坏。
（2）当井眼有缩径或井下情况复杂需划眼时，尽量不要下镶齿钻头。因为扩划眼会使钻头外排齿受挤，造成牙轮背锥及掌尖磨损，密封圈早期失效，导致轴承提前损坏甚至牙轮破裂落井事故。
（3）不能在钻头上加热（如焊接、火烤等），因高温会损坏橡胶密封圈，导致密封失效。
（4）钻井液性能不好，尤其是含砂量过高时，不要下镶齿钻头，以免高速液流中的固相颗粒刺坏钻头。
（5）不能把新钻头放入油中浸泡和强行活动其牙轮。
四．确定合理的起钻时间
一只钻头用到何时起钻较合理，一般要根据上只钻头的使用时间及磨损情况，参考邻井资料，结合本只钻头的特点和所钻地层岩性，再视使用中出现的下列情况综合考虑。
1．轴承损坏的判断
轴承损坏后，牙轮在井底的滚动会受到阻卡，在地面表现为转盘扭矩剧增或出现大的波动，柴油机负荷增大。对滑动轴承钻头，泥砂进入轴承后，损坏会比滚动轴承快得多，更应注意分析和判断扭矩的变化情况，防止掉牙轮事故的发生。
2．牙齿磨钝的判断
当所钻地层的岩性变化不大时，随着钻头工作时间的延长，牙齿会渐渐地磨损，机械钻速也随之不断下降，钻进时间增加而进尺却不多。应用每米成本分析的方法，根据钻头下井后的纯钻时间与进尺，可计算钻进中的每米成本的变化。每米成本的变化趋势一般是，刚开始钻进时，进尺较少，每米成本较高。当随着钻进时间的增加，进尺的增多，每米成本逐渐下降。到了某一时间之后，由于钻头牙齿磨损严重，钻速变慢，每米成本又开始上升，如图4─24所示。当计算出每米成本开始连续上升时，就应考虑起钻换钻头了。
用每米成本方法确定起钻时间时，应注意如下几点：
（1）钻速逐渐减慢的原因是由于牙齿磨钝，而非地层岩性变化或改变钻井参数等其他原因所造成。
（2）是因牙齿磨损而起钻，而不是轴承损坏或直径磨小等原因而起钻。
（3）为了及时而准确地掌握每米成本开始上升的时间，到钻头使用后期应加密计算每米成本的测点。
3．要防止钻头过度磨损，以免影响下一只钻头的使用。
五．钻头使用经济评价
衡量一个钻头使用效果的好坏，不能单纯地以机械钻速、钻井进尺的高低或使用时间的长短为标准，而应该以每米钻井成本来衡量。每米钻井成本的计算公式为：
这个公式包括了钻井进尺、起下钻接单根时间、机械钻速、钻头费用和钻机作业费等各项因素。通过计算出本井和邻井各个钻头的每米钻井成本，进行对比分析，便可综合反映出钻头选型是否得当，技术措施、组织工作的好坏，操作水平的高低等各方面的情况。可以说，每米钻井成本是评价钻头使用效果的一个较切合实际的指标。
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