第四章 钻头与钻井参数设计 ........................................................................................................ 2 第一节 牙轮钻头的分类 .............................................................................................................. 2
一．牙轮钻头结构特点简介 .................................................................................................. 2 二．牙轮钻头的发展趋势 ...................................................................................................... 9 三．牙轮钻头的分类 ............................................................................................................ 10 四．常用牙轮钻头的IADC分类 ........................................................................................ 14 第二节 牙轮钻头的合理使用 .................................................................................................... 22
一．牙轮钻头的选型 ............................................................................................................ 22 二．钻井参数的选择 ............................................................................................................ 23 三．现场使用牙轮钻头的操作要点及注意事项 ................................................................ 28 四．确定合理的起钻时间 .................................................................................................... 30 五．钻头使用经济评价 ........................................................................................................ 31 第三节 金刚石钻头 .................................................................................................................... 32
一．天然金刚石钻头 .................................................................................................... 32 二．聚晶金刚石复合片（PDC）钻头 ................................................................................ 35 三．热稳定性聚晶金刚石（TSP）钻头 ............................................................................. 43 四．全刚石钻头的分类方法 ................................................................................................ 43 五．常用全刚石钻头的选型表 ............................................................................................ 47 第四节 钻头磨损分析 ................................................................................................................ 53
一．IADC钻头磨损定级方法 ............................................................................................. 53 二．钻头磨损特征分析 ........................................................................................................ 57 第五节 水力参数设计 ................................................................................................................ 61
一．钻井水力参数设计步骤与方洁 .................................................................................... 61 第六节 钻井液流变参数设计 .................................................................................................... 70
一．钻井液流变模式的选择 ................................................................................................ 70 二．钻井液流态的判别 ........................................................................................................ 71 三．钻井液的携岩能力 ........................................................................................................ 73 四．老屑浓度与有效钻井液密度 ................................................................................ 75 五．选择钻井液流变参数的几个约束条件 ........................................................................ 76 附件一 标准的喷嘴尺寸及面积 ................................................................................................ 77 附件二．中国海上常用钻井泵的泵压和排量 ............................................................................ 79 参 考 文 献 .................................................................................................................................. 80
第四章 钻头与钻井参数设计
钻头和钻井参数是影响钻井速度、钻井时效和钻井成本的重要的可变因素。
本章主要介绍的是牙轮钻头和金刚石钻头的分类、选型及磨损定级的方法，并结合现场实践，对钻井水力参数、机械参数和钻井液流变参数进行优选设计。
第一节 牙轮钻头的分类
一．牙轮钻头结构特点简介
牙轮钻头有单牙轮、双牙轮和三牙轮钻头之分，而三牙轮钻头是石油钻井中用得最为广泛的一种。牙轮钻头一般由牙掌、牙轮、切削齿、轴承、锁紧元件、储油密封系统、喷嘴装置等部件组成。下面以三牙轮钻头为例，对其结构特点（见图4－1）作一简要介绍。
1．钢齿牙轮钻头与镶齿牙轮钻头
（1）钢齿牙轮钻头
钢齿钻头又称为铣齿钻头，其牙齿是在牙轮毛坯上直接铣削加工而成的，牙齿形状为楔形齿。
钢齿钻头大多用于软的上部地层，研磨性较低的地层一般也选用钢齿钻头。为了提高牙齿的耐磨性或使牙齿有自锐作用，在牙齿的表面及保径面上均敷焊有一层碳化钨粉。 钢齿钻头可分为软、中、硬地层钻头三种，其详细的分类方法及适用地层见后面的 IADC分类。
（2）镶齿牙轮钻头
镶齿钻头，又称碳化钨硬质合金齿钻头，它是将端部形状不同的、圆柱形的烧结碳化钨硬质合金齿压入锻制的牙轮壳体上已精加工好的孔内而构成镶齿牙轮钻头。
镶齿钻头的切削结构具有很高的抗磨损和承载能力，其使用寿命较长，尤其是破碎硬的、研磨性高的地层，如隧石、石英岩等，效果更好。这种钻头适用地层范围广，已在石油钻井得到了广泛的应用。
目前国内外常用的镶齿钻头的硬质合金齿齿形有十多种，如球形、尖卵形、圆锥形、楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、边楔形、平顶形等等，如图4－2所示。针对不同的地层、不同的岩性，要选择不同齿形的钻头。
楔形齿，齿呈楔子状，对地层具有切削、挖掘作用。其齿顶角有60°、65°、70°、75°、90°等，适用于软至中硬地层。齿顶角越大，适用的地层越硬。
球形齿的端部是个半圆形球面，耐磨性最好。它以凿击和压碎作用破碎地层。这种齿钻硬至极硬地层的破岩效率较高。
尖卵形、圆锥形齿，既有凿击和压碎作用，也有刮削和挖掘作用，其抗磨能力及强度都比楔形齿高，适用地层较广，在中硬地层使用效果最好。
勺形齿齿形如勺子，切削地层时，靠向内凹的勺形面挖掘、刮削作用破岩。这种齿形改善了牙齿的受力状况，既提高了破岩效率，又增加了齿的强度，能在极软至中软地层中高效率地破岩。
在勺形齿的基础上，又发展了偏顶勺形齿及圆锥形勺形齿。偏顶勺形齿的齿顶超前了其轴线一个距离，其凹面正对被切削的地层，改善了牙齿的受力分布，进一步提高了牙齿的破岩效率和工作寿命。
表4－l列举了几种常用齿形及其适用的地层。
表4－1 适用不同地层的齿形
齿 形 球形 尖卵形 圆锥形 楔形 勺形 2．轴承结构
破 岩 机 理 凿击、压碎 凿击、压碎 凿击、压碎、挖掘、刮削 挖掘、刮削 挖掘、刮削 地层 硬、极硬 硬 中硬、硬 软至中硬 极软至中软 （1）滚动轴承
滚动轴承（如图4－3所示）的结构形式有滚柱──滚珠──滚柱──止推和滚柱──滚珠──小轴滑动──止推两种。前一种一般是用于311.1mm以上的大尺寸钻头上。 滚动轴承按密封方式可分为非密封滚动轴承与密封式滚动轴承。非密封滚动轴承的特点是能适应较高的转速，但轴承磨损快，工作寿命低，主要用于上部井眼钻头。而密封式滚动轴承是在牙轮底平面处安装了密封元件（密封元件有“O”形图密封、碟形橡胶圈密封和金属密封），从而使轴承的工作寿命大为提高。密封滚动轴承的转速范围一般为100～250r／min。
无论哪种滚动轴承，牙轮的大部分径向载荷都是由滚柱槽承受的，小轴轴承主要起稳定作用，
只承受少量的径向载荷。止推面和止推块承受向外的轴向推力，滚珠轴承使牙轮挂在牙掌上并承受向里的轴向推力。 （2）滑动轴承
滑动轴承（如图4－4）是为了与硬质合金齿的寿命相匹配而设计的。它也有两种结构，一是滑动──滚动（滚珠）滑动──止推；二是滑动──滑动（卡簧）──滑动──止推。为了提高轴承的工作寿命，使轴承能在较高的温度和压力环境中良好地工作，摩擦副材料选用了高强度低碳合金钢制作，对牙掌轴颈（大轴颈）还进行渗碳等硬化处理，以提高其
表面硬度和耐磨能力。对牙轮内孔跑道则镶焊铜合金或其他减磨材料，以提高滑动副的抗咬合能力。
滑动轴承可用各种密封圈作径向或者端面密封。与滚动轴承相比，滑动轴承的承压面积大，接触疲劳应力小，使用寿命较长。在常规的转速条件下，滑动轴承能承受更高的钻压。但除金属密封滑动轴承外，普通滑动轴承的转速范围一般在60～140r／min，比滚动轴承低。
除了前面所谈的两种结构形式的滑动轴承外，瑞德工具公司还研制出了一种新型的滑动轴承，即带浮动套的滑动轴承，如图4－5所示。
浮动套轴承是在轴承大轴颈与牙轮内孔之间加了两个可作相对运动的浮动式衬套，并在小轴上套有两个止推垫圈。浮动套与垫圈表面都作镀银处理，这样大大地降低了摩擦力，又不致使耐磨能力减低，使轴承转速和工作寿命大为提高。
3．牙轮锁紧方式 （1）钢球锁紧
钢球锁紧如图4－6所示，是在组装牙轮和牙掌时，将一排钢球从塞销孔道装进轴承跑道，再用塞销封住钢球通道，使钢球能在轴承跑道内自由滚动，既锁住了牙轮还能承受轴向载荷。钢球锁紧的轴承能承受较高的转速，但由于钢球与轴承的接触应力大，轴承失效快，容易掉牙轮。 （2）卡簧锁紧
卡簧锁紧元件是一个开口的弹性钢丝挡圈，如图4－7。挡圈的外径比牙轮内孔的卡簧槽大。卡簧放入牙轮内腔之后，靠自身的弹性锁紧牙轮，并与牙掌轴颈组成一对滑动副，实现了全滑动的轴承。卡簧锁紧的特点是零件少，轴承结构简单，增加了滑动轴承的工作面积，轴承的工作寿命较长，但不能承受高转速。
（3）丝扣环锁紧
除上述两种常见的牙轮锁紧方式之外，瑞德工具公司还研制出了一种新的锁紧元件──哈夫丝扣环锁紧元件，如图4－8所示。丝扣环锁紧实际上是由两个半圆形钢圈组成。这两个钢圈带有丝扣，装入轴承的锁紧槽内组成一个整环，用一个顶针从牙轴背后进入轴承
环上的狭槽，暂时将环固定不动，再将牙轮通过丝扣和牙掌上紧，直至密封。取出顶针后，轴承锁紧环便能自由转动，如牙轮上的一个整体部件，而且牙轮工作时的旋转方向与丝扣环相反，使轴承紧压密封，保证了牙轮不会从丝扣环上脱落。 丝扣环锁紧牙轮的优点是：
①丝扣环锁紧元件是作为整体部件附在牙轮上，不会从牙轮脱落，从而降低了掉牙轮的风险。由于不用担心掉牙轮，使用者能将钻头用得更合理、更彻底，而不必在钻头未用到家时过早地起钻。
②丝扣环与轴承是面接触，而不是传统的滚动点接触或线接触。接触面积增大，轴承受力均匀，不易发生疲劳破坏。 ③能承受更高的转速
④增大了牙轮壳体的厚度，牙轮抵抗碎裂的强度增大，能更深地嵌入牙轮体内部，增强了切削结构，降低了掉牙齿的可能性。
⑤在定向井等环境比较恶劣的井中，这种锁紧方式的钻头能承受更高的侧向载荷，提高了恶劣条件下的钻井能力。 4．密封元件
密封元件是影响轴承密封及使用效果的主要零件之一，一般分三种：
（1）蝶形橡胶密封圈，如图4－9所示。这种密封圈形状如蝶形，外层是橡胶，中间是一蝶形波纹弹簧片。弹簧片与橡胶硫化成一体，增强了密封圈的弹力及耐磨性。蝶形密
封圈多用于滚动轴承钻头，它起端面密封的作用
（2）O形橡胶密封圈，见图4－10。它是用耐油、耐酸碱、耐高温而富弹性的丁睛橡胶制成，其横截面为圆形。O形橡胶密封圈既用于滑动轴承钻头，也用于滚动密封轴承钻头，起着径向密封的作用。
（3）金属密封环，如图4－11所示。它是美国休斯公司研制的新式密封元件。金属密封环由上、下两个金属环组成，上环处于牙轮内，其外径小于牙轮密封槽的直径。下环装在牙掌上，其内径大于牙掌大轴密封面的直径。两个环可以在牙轮与牙掌之间浮动。 上、下两个金属环靠两个O形橡胶增能圈固定于牙轮和牙掌的密封面上，橡胶圈产生压缩和拉伸变形，向金属环施加轴向压力，保证了两个金属环的密封面始终接触着。金属环发生磨损后，橡胶圈还能以其弹力继续压紧它们，实现了面密封和动密封。金属环的抗温、耐压能力强，抗磨损性能好，加上与橡胶
圈之间的巧妙配合，使金属密封的牙轮钻头能在高转速及恶劣条件下工作，大大地提高了钻头的各项工作指标。 5．喷嘴
（1）普通喷嘴的型式代号及型号表示方法
常用的喷嘴有标准型和保护盖型两种，如图4－12所示。标准型喷嘴没有凸台保护锁紧挡圈，装卸较方便，常用于软地层钢齿钻头。而保护盖型喷嘴的顶部有凸台保护，可以减少钻井液中的研磨性物质对锁紧挡圈的冲蚀。保护盖型喷嘴能在高压喷射条件下长时间工作，安全可靠。
喷嘴的型式代号以英文字母表示，如表4－2所示。
表4－2 喷嘴型式代号
钻头尺寸mm（in） 喷嘴 型式 95.2～120.6 （33/4 ～43/4） B R 142. 9～171.4 193.7～200.0 212.7～349.2 374.6～660.4 535733（5／8～6／4） （7／8～7／8） （8／8～13／4） （143／4～26） F N H T K W L x 标准型 保护 盖型
如L18表示的是用于直径为374.6～660.4rnm（143/4～26in）钻头的标准型喷嘴，其水眼直径为18 /32（14.29mm）。
而W11则是指用于直径为212.7～349.2mm（83／
311
8～13/4in）钻头的保护盖型喷嘴，其水眼直径为／32in（8.73mm）。
（2）新型喷嘴简介 ①加长喷嘴和中长喷嘴
加长喷嘴，如图4－13所示。它有一段加长管，使喷嘴出口与井底的距离更近。普通喷嘴出口离井底距离一般为110～140mm，而加长喷嘴离井底的距离与喷嘴直径之比为2.5～4，使喷嘴液流出口更接近井底。加长喷嘴主要用于软地层钻头及直径大于241.3mm的大尺寸钻头上，它能提供更大的喷射冲击能量，使井底钻屑更易于清除，防止了钻头泥包，提高了破岩效率。统计资料表明，在相同的钻井条件下，使用加长喷嘴的钻头机械钻速可提高30～50％。
中长喷嘴又称半加长或微加长喷嘴，其作用机理与加长喷嘴是一样的。它仅比常规喷嘴加长了约38mm（1.5in）。与加长喷嘴相比，中长喷嘴制造工艺简单，较易实现。中长喷嘴钻头可提高机械钻速10～30％。
②中心喷嘴
中心喷嘴如图4－14所示，一般用在大尺寸钻头上。有的是在装有加长喷嘴的钻头中心加一个扩散型的中心喷嘴，以更好地清洗牙齿，防止泥包。而有的则只是在钻头中心装一只单喷嘴（这个中心喷嘴一般就用标准的牙轮钻头喷嘴），其出口离井底很近，可把水力能量集中作用于井底中心。液
流冲击井底中心后，向四周散射再上返，上、下液流互不干扰，使岩屑能顺利离开井底而被清除，从而提高了破岩效率。
通过扩散型的中心喷嘴和标准牙轮钻头的中心喷嘴的压力降是不同的。在对装有中心喷嘴的钻头计算其水力参数时，应注意这一点。 ③反喷嘴
反喷嘴的主要特点是钻头三个喷嘴中的两个喷嘴加长并朝下，而第三个则反向朝上，如图4－15所示。
反向喷嘴能使该喷嘴附近的井底压力降低，形成一个低压区，与正喷嘴形成的井底高压联合作用，能改善井底流场，增强对上返岩屑的举升作用。与常规喷嘴相比，反喷嘴可使机械钻速提高15～20％。 ④振荡脉冲射流喷嘴
常规的喷嘴是连续射流的，射流的持续能量和冲击力都较小。而振荡脉冲射流喷嘴（如图4－16）则一改连续射流为振荡脉冲射流，其射流产生的瞬时冲击力为连续射流滞止压力的1.2～2.5倍，有效喷射距离是连续射流等速核长的1.7～2.0倍。脉冲射流使水力破岩效率大为提高。在相同条件下，振荡脉冲喷嘴能提高钻速15～50％，提高进尺10～15％。
⑤气穴喷嘴
液体内部都充满着气泡。在低压区，气泡会长大，而到了高压区后气泡会溃灭，并释放出巨大的能量。气穴喷嘴就是根据这一原理而研制的，如图4－17所示。液流经过喷嘴内的锥形段被收缩，再从短圆柱孔流出，通过加大上游压力，圆柱段内的气穴区扩大并延伸到出口外，释放出巨大的能量而破坏井底岩石。试验证明，这种喷嘴能较明显地提高钻速。
二．牙轮钻头的发展趋势
随着海洋钻井、定向井、水平井、丛式井和多底井的日益增多，如何提高钻井速度和效率，降低钻井综合成本，以及满足各类井下动力钻具等新工艺、新技术的需要，是牙轮钻头面临的重大挑战。
为了提高钻井速度和进尺，牙轮钻头也相应地由过去的低速密封滑动轴承、非密封滚动轴承钻头发展到中等转速的金属密封滑动轴承、浮动套轴承钻头。这些新型钻头的使用寿命长、进尺多，降低了钻井综合成本。
为适应井下动力钻具高转速的要求，对原来的滚动轴承加以改进，发展了金属密封的新型滚动轴承钻头，如休斯公司的MAX系列钻头。这种钻头的最高转速可达350转／分，完全能满足井下动力钻具的需要，对提高钻井效率和钻井速度起了积极作用。
对牙轮钻头的保径也作了较大改进，由过去的镶硬质合金保径齿发展到今天的在牙轮背锥上用金刚石保径齿强化、牙掌掌背镶硬质合金齿强化以及对掌背硬敷焊强化等等，这些技术大大减轻了钻头体的磨损，使牙轮钻头在硬的、研磨性地层中的使用寿命延长了，工作效率提高了。
瑞德公司研制的丝扣环锁紧轴承牙轮钻头，延长了轴承寿命，降低了掉牙轮的可能性，也使钻井成本大为降低。
而休斯·克里斯坦森公司新研制出的一种新型牙轮钻头，则是在原来牙轮钻头的外排切削齿根部之间加镶了一种比较小的、能自锐的“修边齿”（Gage trimmer／trimmer Pad），如图4－18所示。
修边齿改进了钻头牙轮外缘与井壁的接触状况，保护了牙轮壳体不受冲蚀，抑制了规径的磨损。而且它还能减少钻头破碎地层后在井壁上的残留岩石脊棱（Uncut rib rock），使井壁更加光洁。有了修边齿之后，钻头能更有效地破碎地层，大大地提高了机械钻速和延长了钻头的使用寿命。
这种带修边齿的钻头，休斯·克里斯坦森公司以“GT”系列表示。如GTX－3型钻头，就是在原来ATX－3型钻头的基础上加了修边齿。
总之，牙轮钻头是向高转速和高钻速、长寿命、进尺多、钻井综合成本低的方向发展。
三．牙轮钻头的分类
1．牙轮钻头的 IADC分类方法：
IADC新的牙轮钻头的分类系统确立了有关牙轮钻头的四种设计特征的编码标准，使牙轮钻头的分类方法更加成熟，更能体现牙轮钻头结构的设计特征，走向了系列化和标准化。按此标准，每个牙轮钻头的分类均可用四个与钻头设计特征相关的编码（数字的或字
母的）来表示，即“IADC编码”。这个四位数的编码依次代表牙轮钻头的切削结构系列、切削类型、轴承与保径和钻头的附加设计特征。IADC编码的前三位是数字型的，第四位是字母型的。详尽的分类标准见表 4－3所示。 表4－3中各项的意义如下：
（1）第一位编码──切削结构系列（l～8）
八种分类或系列数字代表着一般的钻头所适用的地层特征。系列1～3指的是钢齿（或铣齿）钻头，4～8代表的是镶齿（碳化钨硬质合金齿）钻头。不论是钢齿钻头还是镶齿钻头，随着系列数字的增大，其所代表的地层硬度与研磨性也相应增加。 （2）第二位编码──切削类型（l～4）
每种切削结构系列又可分为四个“类型”或硬度级别。类型1指的是专为某一系列中最软的地层而设计的钻头，类型4则代表这一系列中最硬的地层。 （3）第三位编码──轴承与保径（l～7）
轴承和保径设计分为七种，详细内容参照表4－3中“轴承／保径”这一项。第八和第九种设计是为将来备用的，此表中未予列出。 （4）第四位编码──附加特征
共用十六个字母来分别代表钻头设计的“附加特征”。它包括一些特殊的切削结构、轴承、水力分布方式和钻头体保径等方面的结构特征。有时在一个钻头的设计中同时具有好几种“附加特征”，在IADC的编码中，则只把最重要的一项表示出来。
表4－3中切削结构的系列号和类型的排列是自上而下增大的，而轴承／保径的分类号是从左向右增加的。因而，编码“111”表示的是钢齿钻头，具有标准的非密封滚动轴承和适用于钻最软地层的切削结构。象休斯工具公司的“R1”型钻头和瑞德公司的“Y11”型钻头都属于这个编码；而“847”这一代码所表示的是镶齿钻头，带密封滑动轴承和保径设计，适合于钻非常硬的研磨性地层。 2．牙轮钻头的附加特征
大量的牙轮钻头所具有的设计特征并没有在IADC编码的前三位中体现出来。这些特征可以影响钻头的制造成本和实际应用结果，因而也是十分重要的。IADC编码中的第四位便是专指钻头设计的这些“附加特征”的。这个编码是用字母表示的，例如：124E──指的是适用于钻软地层，密封滚柱轴承的钢齿钻头，“E”则指的是钻头带加长喷嘴；437X──指的是钻软地层的、带保径齿的密封滑动轴承的镶齿钻头，“X”是指齿的形状为楔形齿。各个“附加特征”编码的意义如下：
A──空气钻井。特指以空气作钻井液时所使用的钻头。
B──特殊的轴承密封。密封结构具有特殊的优点，像具备承受高转速的能力等等。 C──中心喷嘴。中心喷嘴可为钻头提供更均匀的流量和水力能量的分配。几乎所有的加长喷嘴钻头都有中心喷嘴，以改善钻头齿的清洗条件，即尽量把全部的水力能量集中作用于井底，减少能量的损失。
D──井斜控制。对切削齿结构的特殊设计可以减小井斜角。
E──加长喷嘴。加长喷嘴主要用于软地层钻头及直径大于241.3mm以上的钻头上，以改进井底钻屑的清除。小型钻头的加长喷嘴不包括在“E”所代表的钻头设计特征内。 G──保径／钻头体保护。焊在钻头裙部的碳化钨层（表面硬化层）或碳化钨镶齿可对用于地热和定向钻井等特殊条件下的轴承密封和钻头体起保护作用。
H──水平井／导向井应用。专为水平井和导向钻井的应用而设计的钻头。
J──喷射造斜。当地层过于松软而易被流体冲蚀时，喷射造斜钻头（如图4－19）被用于控制井眼轨迹的变化。这种钻头通常具有两个标准喷嘴和一个大尺寸喷嘴，并能按设计的方向钻出井眼轨迹。
L──牙掌镶块。牙掌镶块（如图4－20）是用于钻头体上的、带碳化钨镶齿的钢块，它起着保护钻头牙掌的作用。这些钢块很接近钻头规径的直径。 M──马达应用。为井下马达配套使用所设计的钻头。 S──标准的钢齿（或铣齿）模式。
T──双牙轮钻头。双牙轮钻头（见图4－21）用得很少，但有时也用这种钻头来控制
井斜和机械钻速。
W──强化切削结构。 X──楔形镶齿。 Y──锥形镶齿。
Z──其它形状的镶齿。
需要说明的是，有些厂家所生产的牙轮钻头，其型号最后往往有一个字母。这个字母的意义与IADC编码中附加特征的各个字母所表示的意义是不同的。如休斯工具公司的各种钻头型号的最后一个字母有“A”、“C”、“H”、“R”、“S”等，它们所表示的是不同切削齿的齿形特征及特殊用途的代号。这几个字母的具体含义如下：
A──空气钻井用钻头。这一代号的意义与IADC附加特征中的“A”所表示的意义相同。
C──圆锥形合金齿，适用于更硬一级的地层。如J33C比J33更适合于钻更硬的地层。 H──钻头齿的数量有所增加，适合于硬一些的地层，如J33适用于中软地层，而J33H则能用于中软但带硬夹层或有研磨性岩石的地层。
R──楔形镶齿，适用于较软的地层。
S──标准勺形齿，如ATJ11型钻头是用偏顶勺形齿，而ATJ11S则采用标准勺形齿，这两种齿适用的地层大体相同。
3．国产牙轮钻头的编码
我国制造的牙轮钻头（不包括像江汉·休斯钻头厂等合资、合作钻头厂的产品），其分类编码自成体系，沿用已久，与IADC的牙轮钻头分类方法有所不同。按照三牙轮钻头的结构特征，国产主牙轮钻头分成两大类，共八个系列。其系列代号和型式代号分别见表4－4和表4－5。
例如：用于软地层的直径为311mm（或121／4in）的喷射式三牙轮钻头，其型号可表示为：311×P2或121／4 ×P2
四．常用牙轮钻头的IADC分类
1．休斯工具公司钻头的IADC分类
第二节 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。 详细的水力参数设计及钻井液流变参数设计方法参见本章第五、六节。 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。
0
（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：
CbCr(TTt)„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（4─1） CF
式中：C──每米（或每英尺）成本，元／米（元／英尺） Cb──钻头成本，元
Cr──钻机每小时的作业费，元／小时 T──钻头纯钻进时间，小时
Tt──起下钻、接单根和循环钻井液的总时间，小时 F──钻头的总进尺，米（或英尺）。
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。
第三节 金刚石钻头
金刚石钻头发展到今天，已形成了一个能钻进从极软到极硬地层的、多品种的、完整的钻头系列。按其功用，可分为全面钻进钻头和取心钻头；按金刚石的镶嵌方式，可分为表镶式钻头和孕镶式钻头。按金刚石的材料类别又可分为天然金刚石钻头和人造金刚石钻头。下面分别介绍天然金刚石钻头和几种人造金刚石钻头。
一．天然金刚石钻头
1．天然金刚石钻头的冠部形状
天然金刚石钻头的冠部设计有四种基本形状，即：圆弧形（B形）、双锥形（RB形）、抛物线形（EB形）和阶梯形，如图4－25所示。
（1）圆弧形（B）冠部
这种冠部呈球形，可防止钻头顶部的金刚石承受过大的点载荷；切削刃的磨损较均匀，钻头的寿命长；水力集中，能有效地清洗钻头，适合于中硬及硬地层钻头。 （2）双锥形（RB）冠部
RB冠部呈尖状，顶部的受力大。这种形状的钻头是以顶部钻进地层，而靠侧翼扩眼的；钻头内外锥面上的金刚石可同时吃入地层，钻速高，稳定性好。其缺点是切削刃承受的点载荷过大，钻遇硬的和致密性的地层时钻头顶部的金刚石易碎裂，故它只适用于软至中硬地层钻头。
（3）抛物线形（EB）冠部
顶部呈球形，侧翼呈抛物线形，可以增加金刚石数量。载荷分布较均匀，钻头的寿命较长；规径部位的金刚石较集中，可减少磨损。这种冠部适合于高转速的井下动力钻具用金刚石钻头。
（4）阶梯形冠部
这种冠部的钻头出刃大，机械钻速高，切削刃的水力清洗效果好。由冠顶先钻领眼，阶梯部位的金刚石扩眼至正常尺寸。对大段均质岩石有利于提高机械钻速，适用于软至中硬地层钻头。
2．金刚石钻头的布齿排列
金刚石钻头的布齿通常有三种基本的排列方式：交错排列（又叫格子状排列）、环形排列（或圆周排列）和脊圈排列，如图4－26所示。
（1）交错（格子状）排列
金刚石在钻头的表面分布均匀，各个方向上金刚石颗粒之间的距离几乎相等，切削作用强，在软地层中的钻速高，对金刚石切削刃的清洗效果也好。 （2）环形（圆周）排列
环形排列法是将金刚石沿不同的同心圆布置，是一种强化的布齿排列方式。这种排列，金刚石的数量多，可延长钻头寿命，适用于硬及研磨性地层钻头。 （3）脊圈排列
这种排列是将金刚石镶嵌于钻头表面突起的脊背上，金刚石不出露。其抗冲击能力较强，适合于坚硬地层钻头。
3．金刚石钻头的流道
金刚石钻头在钻进时，钻井液对钻头表面的清洗、冷却和润滑作用是钻头使用效果好坏的一个关键性因素。如果不能及时地清除钻头表面聚集的岩屑，就会导致钻头工作面被堵塞和金刚石局部产生高温而“烧毁”。金刚石钻头流道的结构应使钻井液流经钻头表面的所有部位，尽量让液流均匀地分布于钻头的全部工作面上。
表镶式金刚石钻头的流道大体上可分为四种：逼压式流道、辐射型流道、螺旋形流道和辐射通压式流道，见图 4－27。
（1）逼压式流道
通压式流道的液流横穿金刚石的工作面，由高压流道流向低压流道，在高、低压流道之间形成一定的压差，能有效地清除岩屑和冷却、润滑金刚石。阶梯形和硬地层金刚石钻头多采用这种流道。 （2）辐射型流道
液流从钻头中心水眼流出后，沿着钻头工作面上分布的许多放射状流道流向钻头肩部。这种流道在钻头工作面上均匀分布，液流能很快地把岩屑带走，对金刚石的冷却效果好，适用于软至中硬地层钻头。
（3）螺旋形流道
液流从钻头中心经螺旋形流道向外扩散，在高转速时能有效地清除岩屑和冷却金刚石。这种流道常用于涡轮钻井用的金刚石钻头。 （4）辐射逼压式流道
液流从钻头中心经平行的或扩散的流道流向钻头外径部位，这种流道的中心部位类似辐射型，而外侧部分又类似遍压式流道，有高低压区，能加强冷却和清洗效果。它适用于大部分软至中硬地层钻头，配合涡轮钻井效果较好。 4．天然金刚石钻头的合理使用
天然金刚石钻头主要是用于硬及研磨性地层的钻进。由于天然金刚石既耐磨又耐冲蚀，所以这种钻头对付硬的、研磨性大的、抗压强度高的地层特别有效。但是，天然金刚石钻头的价格十分昂贵，如果使用不当，就会造成很大的损失。为了获得理想的钻井结果和经济效益，就必须针对天然金刚石钻头的特点，在使用时采取适当的措施。主要有以下几个方面：
（1）合理选择钻头型号
天然金刚石的硬度、耐磨性能和抗高温性能较好，而抗冲击载荷的能力却较差。在致密的砂岩、泥岩、硬石膏、白云岩、石英岩、花岗岩等硬的、研磨性高的地层中，它可取得较好的钻进效果。而在岩性不均匀或裂缝性、溶洞性的地层中，其使用效果并不理想。针对不同的地层，要选择相应型号的钻头，才能取得令人满意的效果。金刚石钻头选型的主要依据就是地层的可钻性或地层硬度分级表（表4－14）以及IADC的钻头分类表（金刚石钻头的分类方法在后面将谈到）。
表4－14金刚石钻头与地层硬度分级
极软 软 中 中硬 硬 极硬 地 层 硬 度 SS S M MH H EH D1 D1 D2 D3 D4 D5 全面钻进 金刚石钻头的 IADC编码” D7 D7 D7 D8 D8 D8 D9 取心钻头 注：IADC编码仅仅指前两位。
除根据地层选择钻头型号外，也要根据钻井方式和工艺来选择钻头。如在直井中一般要求较高的机械钻速和优良的井身质量，应考虑选择钻速快、寿命长的金刚石钻头；而在定向井、丛式井中，则应选择造斜或稳斜性能好、与井下马达相配的高转速金刚石钻头。 （2）清洁井底
在打算下金刚石钻头之前，最后一个牙轮钻头上必须带上随钻打捞杯，起钻前设法把井底碎屑打捞干净，保证井底是清洁的，以避免因井底的落物造成金刚石钻头过早损坏。 （3）入井前对钻头、钻具和设备的检查
金刚石钻头在井下工作的时间一般都较长。在钻头入井前必须仔细检查其有无损坏，装卸要小心，不要碰撞钻头。同时对地面的设备和下井的钻具，像钻井泵、机电设备、高压管汇、钻杆、钻铤等等，都要严格检查它们的密封性和耐用性，以保证能较长时间地正常运转，不会在钻进中途出故障而被迫起钻或停钻。这样才能配合金刚石钻头达到经济钻井的目的。
（4）避免划眼
在下钻的过程中，要尽量避免用金刚石钻头划眼。最后一个牙轮钻头在起钻时，现场钻井技术人员及操作人员要详细地了解井眼状况，对有阻卡的井段要用牙轮钻头反复划眼，直至起下能畅通为止，以保证金刚石钻头能顺利下到井底。万一在下金刚石钻头时遇阻，要首先开泵冲洗；迫不得已要划眼，也要轻压慢转，先加9～27kN钻压，转速不超过60r／min，小心谨慎地操作，以防止钻头外锥保径部位的金刚石破碎。 （5）金刚石钻头的扶正
对钻具下部的扶正可以改善金刚石钻头工作的稳定性，有利于提高金刚石钻头的使用寿命。稳定器的直径一般比钻头直径小1.6mm（1／16in）。金刚石钻头的钻具组合要比牙轮钻头的多加1～2个稳定器，视地层的具体情况而定。 （6）钻井液净化
使用金刚石钻头钻井时，净化设备的除砂效果一定要好，要尽量降低钻井液中的含砂量。若含砂量过大（大于l％以上），就会对钻头胎体过早冲蚀而造成金刚石颗粒脱落。 （7）钻进参数的选择 ①转速
金刚石钻头的转速应尽可能地高。井越浅，转速可越高，这样才能充分发挥它的破岩效率。其转速一般在150r／min以上，如果钻具和设备条件允许，可以增大至300r／min以上，效果更佳。克里斯坦森公司推荐的天然金刚石钻头的转速范围是80～500r／min。 ②钻压
金刚石钻头的钻压大小与所钻地层的软硬和金刚石的质量有关，一般为0.2～0.8kN／mm（1.1～4.4k1b／in）直径，见图4－28所示。施加钻压时，应每次以4.5～9kN（1～2klb）的数量逐渐增加，不能突然加大到正常钻压，以防损坏钻头。 ③排量
确定排量的原则，应是既能满足携带岩屑的最低环空上返速度的要求，又能满足钻头清除岩屑和冷却金刚石的需要。排量既不能太小，也不能过大。太小了，不足以清除岩屑和冷却金刚石，钻头易被烧毁。太大了，又会因过早冲蚀钻头胎体而造成钻头局部早期损坏。图4－29是天然金刚石钻头的排量选择范围。
二．聚晶金刚石复合片（PDC）钻头
1．普通PDC钻头
由于天然金刚石价格昂贵，材料稀少，因此国内外的钻头生产厂家一直在寻找它的替代品。人造聚晶金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC）就是在这种形
势下应运而生的。石墨粉在高温（1350～1500℃）、高压（7～8万巴）条件下，晶体发育聚合而成聚晶金刚石。把厚度为0.5～0.6mm的薄层人造金刚石聚晶与碳化钨底片在高温条件下烧结，就可制成复合片。聚晶金刚石复合片与柱状的钢体焊接在一起就成了PDC钻头的切削块。
PDC钻头从制造工艺上可分为胎体PDC和钢体PDC钻头两种。胎体PDC钻头大多采用厚度为8mm的圆片形齿，而钢体PDC钻头多是柱形齿。下面就PDC钻头各部分的结构特点作一简要介绍。
（1）复合片切削齿
复合片的形状一般有三种：标准的圆形、楔形和圆心角为90°的扇形，如图4－30所示。 复合片的标准尺寸为13.3土0.1mm（公称尺寸为1／2in，以下同）。到八十年代末期，又研制了一些大直径的复合片，象19.1mm（3／4in）、25.4mm（1in）、38. lmm（l1／2in）等尺寸的复合片。克里斯坦森公司甚至研制了直径达50.8mm（2in）的超大型复合片，以用于极软、粘性地层的钻头。 （2）爪形PDC切削齿
爪形PDC切削齿从外表看与标准的PDC切削齿相似，但它的复合片层后面有沟槽，使聚晶金刚石的用量增多了。与常规的PDC切削齿相比，爪形PDC切削齿明显地提高了工作寿命及钻头整体性能。
图4－31表示了爪形切削齿出现沟槽的过程
爪形PDC切削齿的主要特点是：
①人造聚晶金刚石层与碳化钨的交界面是呈爪形啮合的，不易脱落，抗冲击载荷的能力大为加强。
②随着切削齿的磨损，人造金刚石会出现沟槽，形成锯齿形，能有效地破碎岩石。 ③爪形结构还可以使钻井液流经齿状结构而分散，能充分冷却切削齿的每个部位，大大提高了钻头的寿命。
④具有双重切削的能力。爪形切削齿磨损后，在正常情况下就象PDC钻头一样切削地层；钻遇硬夹层时就如同一只天然金刚石钻头一样破碎地层，存在两种破岩方式。 （3）PDC钻头的切削结构 ①冠部
PDC钻头的冠部形状有五种，即短锥形、短抛物线形、双锥形、EB抛物线形和阶梯形，
见图4一32。 A．短锥形
这种冠状的钻头表面积小，水力较集中，清洗效果好。冠部较平，利于钻硬夹层；对转速较敏感，不适于井下马达和大尺寸（ 241.3mm以上）的钻头。
B．短抛物线形
表面积小，有利于清洗钻头；布齿较密，能提高钻头的耐磨性和增加进尺；用大复合片可提高钻速，与井下马达配合使用效果较好。
C．双锥形
冠部的内外锥可保持钻头的稳定；但鼻部较尖，抗冲击载荷的能力弱，钻硬夹层或硬地层时容易损坏钻头，现已很少采用。 D．EB抛物线形
这种冠部的表面积大，要求的排量也大，不易清洗和冷却钻头。能布较多的齿，耐磨性能优越；侧向推力集中指向钻头中心，可以减小井眼的偏斜。鼻部较尖，不能钻夹层。 E．阶梯形
阶梯形冠部钻头适合钻均质的软地层，与井下马达配合钻井效果较好。 ②切削齿的布置
PDC钻头切削齿的布置原则一般是按“等磨损原则”来设计的，如图4－33所示。所谓“等磨损原则”，即钻头每个部位切削齿的磨损量尽量做到相等。按这一原理，钻头中间布齿较少，越靠外缘，布齿越多。这样，可以保证所有的切削齿所破碎的岩石量大致相等，每个齿都均匀磨损。 PDC钻头总的布齿密度和数量取决于钻头外形。齿的数量越多，磨损越慢，钻头的寿命越长，但机械钻速也越低。齿的数量少了，钻进时机械钻速提高了，但磨损也加快了。稀齿，一般用于极软的地层和对齿的磨损小、作业时间短但机械钻速要求高的钻头。中密齿，多用于软～中、研磨性低的钻头，配合油基钻井液的效果最佳。而密齿，则在
中硬～硬以上、具有一定研磨性的钻头上用得较多，主要用于深井和海洋钻井。 ③切削齿的切削角和侧偏角
PDC钻头切削齿的切削角多采用负前角。软地层钻头，齿的负前角小；而硬地层钻头，其负前角较大。目前大多数钻头切削齿的负前角都是20°，可适合于各种软、硬地层的钻头，如图4－34所示。
侧偏角（如图4－35）则可使切削齿在切削地层时产生外推力，使岩屑向外缘移动，以利于排除岩屑。实验证明，侧偏角为15°时，效果最佳。
负前角和侧偏角的综合作用，可保护PDC钻头的切削刃，延长其使用寿命。
④PDC钻头的水眼与流道
PDC钻头的水眼布置是与其切削齿相适应的，通常都有多个喷嘴，最多的可达每一复合片切削齿配设一个喷嘴。喷嘴常常与井底成一定角度，呈倾斜安装，以改善井底流场，利于清除岩屑。 一般地讲，钢体PDC钻头是靠喷嘴，而胎体PDC钻头则靠喷嘴和流道来实现水力清洗的。
PDC钻头的喷嘴与流道构型有以下几种： A．随机布齿流道
切削齿处于液流区，液流通过复合片；钻头的水功率高，以疏散液流；喷射角度小，利于清除岩屑。这种流道适合于软～中硬地层钻头。 B．喷嘴十流道
这种构型的流道能加强清岩作用，而喷嘴被置于成排的复合片之间的液流通道里，喷射角度大，不需要平均分配液流、适合于软～中硬地层钻头。 C．辐射通压式流道
这种流道的压力降小，可与涡轮相匹配。使用大排量、低泵压，可以加强冷却和清洗作用；能利用钻头的旋转作用强化清洗效果。只适用于阶梯形钻头，最好与油基钻井液一起使用。
D．每齿一个喷嘴
这种构型的流道为每个复合片切削齿设计一个专用喷嘴，能增强清洗和冷却效果，但用得甚少，主要是为钻极软地层（如粘土层）的钻头设计用的。 （4）PDC钻头的应用
①PDC钻头的选型和适用地层 选用PDC钻头时，要根据所钻地层的特点，参照厂家提供的钻头性能和特征，结合IADC钻头的分类标准（PDC钻头的分类将在后面谈到），以选择合适的钻头。 普通PDC钻头的适用范围与牙轮钻头中的钢齿钻头、镶齿钻头中IADC编码为437、517、537等型号的钻头接近。它主要是用于软至中硬的、岩性均匀的、不易泥包钻头的地层中，如泥岩、砂岩、粉砂岩、细砂岩、硬度不高的石灰岩等。由于PDC钻头是靠切削作用来破岩的，因而它在这些地层中钻进效果比牙轮钻头显著得多。 ②使用PDC钻头的技术措施
A．下PDC钻头之前的一趟起下钻，要在钻具组合中带一个随钻打捞杯，把井底打捞干净。同时，要保证井眼规则，起下畅通无阻，以避免用PDC钻头划眼。
B．PDC钻头下到井底之后，应先以4.5～9kN的钻压，50～60r／min的转速轻压慢转地钻进约0.3～0.6m，把井底修整好后，再逐渐提高到正常的钻压和转速，以使PDC钻头能平稳地工作。
C．PDC钻头宜用低钻压、高转速和大排量的参数匹配。以215.9mmPDC钻头为例，其
参数一般为钻压44～80kN，转速120～150r／min，排量28～32 1／s（443～507gal／min）。低钻压可减轻冲击载荷，使PDC切削齿的工作寿命延长；高转速可提高钻头的破岩效率；而大排量则提高了钻头的比水功率，能防止钻头泥包，同时能更充分有效地冷却钻头切削齿和携带钻屑。
D．PDC钻头的机械钻速快，进尺高，这就要求钻井液的密度、粘度和流变性能适当，具有较强的携岩能力，能形成薄而韧的泥饼，并保持井壁稳定。
E．在使用PDC钻头钻进时，要密切注意返出岩屑的岩性变化，参考地质、录井资料，分析地层情况。如钻遇砾石或其它不适合PDC钻头的地层，就应及时起钻更换成牙轮钻头，以免PDC钻头先期报废。
2．大复合片（King Cutter）PDC钻头
大复合片PDC钻头是克里斯坦森公司于八十年代末期首先研制出来的新产品。所谓的“大复合片”，指的是直径为25.4～50.8mm（1～2in）的人造聚晶金刚石复合片，是相对于标准的、直径为13.3土0.lmm（1／2in）的复合片而言的。
用大复合片作钻头的切削刃，非常适合于极软～软的地层。由于大复合片的出刃高度大，可以进行强力切削，其机械钻速比一般的PDC钻头要高。此外，它还能防止PDC钻头在粘软地层发生“泥包”而先期损坏复合片的问题。因而，大复合片钻头是PDC钻头的一个重要补充和发展。
相对PDC钻头，大复合片钻头主要有以下几个特点：
（1）复合片的直径增大了，使钻头体与地层的间隙也相应地增大，切削岩石的速度更快，机械钻速也更高。
（2）由于复合片的尺寸大，使钻头切削齿的总数减少了，齿与齿的间隙也增大了，改善了钻井液对钻头的清洗与冷却效果。
（3）大复合片齿的数量虽然减少了，但总的聚晶金刚石的工作面积却有所增加，加上切削刃的出露高度较大，使钻头钻软地层时进尺更多，寿命更长。
（4）不象普通PDC钻头的每个喷嘴要清洗一组复合片，大复合片钻头的定向排列的喷嘴每个只清洗l～2个复合片切削齿，既可加强清洗和冷却效果，防止“泥包”现象的发生，又有利于切削地层。
（5）大复合片钻头所使用的钻井参数与PDC钻头相似，只是排量略有增大，它要求的液流喷射速度越高越好；钻压比PDC钻头的略小。以215.9mm钻头为例，大复合片钻头的排量为24～32 l／s（380～507gal／min），钻压为9～98kN。 3．打蛋式（Eggbeater）PDC钻头
在用水基钻井液钻进软、粘地层时，PDC钻头切削出来的岩屑尺寸较大，受钻井液滤液的水化膨胀和井底压差的作用，液流难于把岩屑携带走，容易堆积在钻头切削齿前面的狭小区域内而“泥包”切削齿，如图4－36所示。
为了解决PDC钻头在软、粘地层中容易发生“泥包”的问题，克里斯坦森公司继八十年代末研制出大复合片PDC钻头后，又于1992年推出了一种新型的PDC钻头──打蛋式PDC钻头。这种钻具有独特的几何形状、水力结构和切削齿，它有三个敞开式的拱形空心翼片，切削齿就布置在这三个翼片上。其外形如图4－37所示。
打蛋式PDC钻头的翼片能够引导液流越过岩屑的背面，使岩屑周围的压力均匀分布，避免了因压差作用而产生的“压持效应”，岩屑更容易被带走。由于翼片是空心的，喷嘴可以安装在切削齿的上、下方，每个翼能装两个喷嘴。从喷嘴中喷射出来的高速液流正好指向刚切削出来的岩屑（见图4－38），把岩屑冲击成更小的碎块。这样可在最短的时间内用最小的能量把岩屑从切削齿前清除掉，使之不易“泥包”切削齿。
大部分液流直接进入排屑槽，少量的沿着领先翼片的后侧流向中心。到达中心位置的液流向上流动，与钻头的轴线平行，又受到里面喷嘴的作用。这种作用由打蛋式钻头的俯视图和侧视图（图4－39）的结构中可以看出。
为了最大量地切削地层，钻头领先翼片的后侧面与下一个翼片的前侧面成90°夹角。这样可以保证液流的方向几乎不经变化就直接进人排屑槽。使岩屑在钻头表面的停留时间最短，大大地减少了其堆积的可能性。
考虑到碳化钨硬质合金是一种脆性材料，在钻头翼片内加入一个钢制的骨架，可以加强碳化钨基体的抗冲击强度和延展性。而且使用热膨胀系数与碳化钨相接近的特殊钢材，能使两种材料在制造和使用过程中的热膨胀一致，降低了热应力。钻头翼片采用浅抛物线形的剖面，使切削齿受力均匀，提高钻头的侧向切削能力，可以更好地与井下马达配合使用。
打蛋式PDC钻头的切削齿常常做成以烧结的碳化钨硬质合金为基底的、直径为19mm的圆柱形复合片切削齿，比标准的直径13.3mm的PDC钻头切削齿大。切削齿的布置方法是按“等磨损原则”从钻头中心到外缘布置的。通过计算机对每个切削齿的能量输出进行精确的计算，按各个部位的能量输出大小布置齿的数量，可以做到切削地层时每个齿均匀地磨损。图4－40为311.1mm打蛋式钻头切削齿的能量输出分布曲线。用这种方法还可以计算出钻头不同的翼片所受到的侧向力的大小和方向。按侧向力的大小和方向布置相应的切削齿，能达到钻头总的受力的平衡，保证钻头平稳地工作。与普通的PDC钻头相比，打蛋式钻头有以下使用特点：
（1）大大地减少了钻头的“泥包”现象及与之相关的问题。
（2）在粘、软地层的机械钻速要比普通PDC钻头与牙轮钻头的高。
（3）在用水基钻井液钻进时，这种钻头所钻出的岩屑可被完整地带出地面，更易被振动筛除去，降低了钻井液中的含砂量。
（4）这种钻头对岩屑尺寸的控制能力较强，可以减轻固控设备的工作负荷；当用油基钻井液钻进时，对环境的污染也大为减少。 4．双心（Bi－Center）PDC钻头 （1）双心钻头的概念及应用
双心钻头（见图4－41）是指能通过一个较小的井眼或套管段后而钻出一个比通径尺寸大的井眼的钻头。双心的含义是指钻头有两条中心轴线：钻出井眼的中心轴线和正常通径的井眼轴线。双心钻头主要用于直井的扩眼，其目的有：
①增大套管与井眼的间隙，减少卡套管事故的发生；改善固井条件，有利于提高固井质量；
②控制易蠕变盐岩地层或膨胀性页岩地层的缩径，防止这些地层易发生的卡钻事故；
③在加深井段或扩眼时代替牙轮扩眼器，能更安全、快速地达到目的；
④断层的钻进。
双心钻头与偏心钻头的区别主要是在
结构上：双心钻头的领眼部分和扩眼翼较明显地分开了，甚至可以作为两个部分，在中间加钻具；而偏心钻头的领眼和扩眼部分是一个整体，没有明显的过渡区，只是在钻头的一侧有一凸起的边缘作扩眼翼用。双心钻头的切削刃一般是PDC切削块，主要用于软地层，其偏心度较大（最大可钻出比通径大50.8mm的井眼）；而偏心钻头通常是用于钻进硬地层，其切削刃可以是PDC、天然金刚石或TSP材料做成的，偏心度相对较小（其钻出的井眼一般只比通径大3.2mm）。
（2）双心钻头的几何参数
双心钻头的几何参数一般由4个基本尺寸组成，如图4－42所示。 ①钻出井眼的直径2R，等于图4－42中ad长的两倍；
②通径直径2N，等于图4－42中bd或be的两倍；
③领眼钻头的直径2P，等于图4－42中ae的两倍；
④扩眼翼弧度2P，等于图4－42中θ角的两倍。
这几个参数之间的关系是：
ae＝be＋bc－ac 或：
.
P＝N ＋［N2－（R×sinθ）2］05
－ R×cosθ
偏心度：e＝N－P
一般地，通径、钻出井眼的直径和扩眼翼的弧度都是已知的，这样便可求出领眼钻头的直径2P。
在一些小尺寸的井段中，领眼的最大尺寸是由小钻铤的外径决定的。由于领眼中心与钻铤中心是一致的，领眼的直径一般不会比钻铤直径小。在这种情况下，领眼钻头的直径是已知的，要求出扩眼翼的弧度。扩眼翼角度可按下式求出：
cosθ=[R2 ＋（N－P）2 －N2]÷[2R（N－P）]。 （3）两种双心钻头的特点 ①一体式双心钻头
一体式双心钻头如图4－41所示，其领眼钻头与扩眼翼是一次性整体烧结成的碳化钨胎体，领眼钻头的冠部和扩眼翼上都镶嵌PDC切削块作为切削刃；喷嘴一般是装在领眼钻头上（有时扩眼翼上也有喷嘴），而扩眼翼上镶有保径齿，以防止扩眼翼因偏磨而先期报废钻头。
这种双心钻头的特点是整体强度高，能适应井下各种恶劣的工作环境，在硬地层中的效果较好。但其领眼和扩眼部分不能分开，只能使用柔性的下部钻具组合，加上钻头本身的不对称性，易产生较严重的井斜问题；钻头转动时扭矩较大，会引起钻头和其他钻具的不均匀磨损；在某些条件下，这种钻头不能扩眼至要求的尺寸。 ②双体式双心钻头
为了解决一体式双心钻头容易产生的井斜问题，使井身质量符合要求，休斯·克里斯坦森公司研制出了双体式（或分体式）的双心钻头，如图4－43所示。这种钻头把领眼钻头与扩眼翼分解成两部分，以丝扣连接，根据需要可以在其间加钻铤、稳定器等钻具，能随意改变这两部分之间的长度。必要时，还可用三牙轮钻头作领眼钻头。 在领眼钻头和扩眼翼之间加了稳定器之后，能加强下部钻具组合的刚性，减轻了领眼钻头所承受的侧向载荷，使钻头的磨损更为均匀，延长了钻头的使用寿命。钻具得到扶正后，井眼不易斜，井身质量会更好。此外，如这两部分中的某一个损坏或磨损完了，只需要更换一个，另一个还可以继续使用。
（4）使用双心钻头应注意的问题 ①在组合双心钻头钻具时，应在扩眼翼上方的通径井眼或套管内加一通径尺寸的稳定器，以保持领眼钻头能居中；对分体式双心钻头，可根据需要在领眼钻头与扩眼翼之间加稳定器或钻铤。
②转速对双心钻头的使用是至关重要的，双心钻头的推荐转速一般为60～120转／分。 ③双心钻头下到井底开始工作时，应以40～50转／分的转速和9～27千牛的钻压启动，轻压慢转10～30分钟，以磨出适合双心
钻头的井底。这样钻进约3米后，当预计扩眼翼已开始吃入地层时，可逐步增大到正常钻压和转速。一定要先增加钻压，然后再提高转速。
④正常钻进时，双心钻头最大的钻压一般不要超过2200牛／齿（齿数以领眼钻头和扩眼翼的总数计）。
⑤双心钻头可与井下马达联合使用。使用井下马达时，应选择大扭矩、转速变化小的
井下马达，而且不能把钻头过高地提离井底进行循环。
⑥接好单根或立柱后，应以低转速和轻钻压开始启动，以保证领眼钻头能刚好进入领眼中。
三．热稳定性聚晶金刚石（TSP）钻头
前面所介绍的几种PDC钻头，无论是大复合片的、打蛋式的还是普通PDC钻头，固然在软～中硬地层中都取得了显著的效果。但有一个共同的局限性，就是聚晶金刚石复合片的最高工作温度只有700～750℃左右，在硬的和有一定研磨性的地层中，因钻头切削地层摩擦发热而产生的高温会使复合片早期损坏。而热稳定性聚晶金刚石（简称TSP）钻头则正好克服了这一弱点，是继PDC钻头后又一个大的飞跃。 TSP钻头的切削齿是热稳定性聚晶金刚石块。这种聚晶块是采用化学方法将人造金刚石聚晶中的粘结剂一一钻滤掉，使晶粒之间以C－C连结；也有的是用热敏感性较低的非金属材料作为催化剂而制成的金刚石聚晶块。它可以把切削齿的最高工作温度提高至1200℃，更能承受由于钻进地层时摩擦而产生的高温。因而，TSP钻头特别适用于石灰岩、白云岩、花岗岩、石英岩、硬质（塑性）页岩等硬的、有一定研磨性的地层。 TSP钻头主要有以下几个特点：
1．破岩机理是综合性的。在软～中硬地层，TSP钻头与PDC钻头一样，是靠剪切或刮削作用破碎地层的。在硬的、研磨性的地层中，它与天然金刚石钻头相似，是以“犁”、压入的方式破碎地层的。在IADC的钻头分类表中，更多的是将它与天然金刚石钻头放在一起。
2．TSP钻头的切削齿是直接将聚晶块烧结于胎体上而成的，不像PDC钻头那样是把复合片切削齿焊接在胎体上，因而TSP齿的联结强度更高。
3．TSP钻头的流道像天然金刚石钻头一样，多采用退压式或辐射型流道，切削齿的充分出露及其周围的流道能加强对岩屑的清除作用，有利于钻头的清洗和冷却。
4．TSP钻头切削齿的形状是三角形的或圆形的，小而锐利，但其强度和抗冲击载荷的能力都比PDC复合片切削齿低，使用时应特别小心。
5．由于TSP钻头在中硬至硬地层中的使用效果相当不错，用得也越来越广泛，有逐渐取代天然金刚石钻头的趋势。
四．全刚石钻头的分类方法
1．早期的金刚石钻头分类方法
对天然金刚石钻头（包括取心钻头）的分类方法，IADC早在1982年出版的《DRILLING MANUAL》（钻井手册）第十版中就作了较详细的规定。表4－15和表4－16分别是天然金刚石钻头和金刚石取心钻头的分类标准。
（1）表4－15中，前两位代码表示的是与地层硬度有关的金刚石颗粒的尺寸。以D1、D2、D3、D4、D5分别代表软、中软、中、中硬和硬等五个地层硬度级别，其中每一硬度级别又划分成0～4五个系列。其具体的意义如下：
软地层：系列D1－l，粒度大于2克拉／粒（400毫克／粒）；
系列D1－2至D1－4，粒度为2～3／4克拉／粒（400～150毫克／粒）；
中软地层：系列D2－1至D2－4，粒度为3／4～1／2克拉／粒（150～100毫克／粒）； 中地层：系列D3－1至D3－4，粒度为1／2～1／4克拉／粒（100～50毫克／粒）；
中硬地层：系列D4－l至D4－4，粒度为1／4～l／8克拉／粒（50～25毫克／粒）； 硬地层：系列D5—1至D5－3，粒度为1／8～l／15克拉／粒（25～13.33毫克／粒）； 系列D5－4，粒度小于1／15克拉／粒（13.33毫克／粒）。 系列D6是为将来备用的。
（2）第三位代码表示的是钻头设计特征，共分九个类型： “0”指人造金刚石钻头，表4－15中未列出； “1”表示阶梯形； “2”表示长锥。
“3”表示短锥； “4”表示非锥；
“5”指用于配合井下马达而设计的钻头； “6”指侧钻钻头；
“7”指专用于油基钻井液的钻头； “8”指引心钻头；
“9”指其他具有特殊设计特征的钻头。
（3）表4－16中，第一、二位代码所表示的含义和全面钻进金刚石钻头的相同，也是与地层硬度相关的金刚石颗粒的大小。
软地层：系列D7－l，粒度大于1克拉／粒（200毫克／粒）；
系列D7－2至D7－4，粒度为1～l／2克拉／粒（200～100毫克／粒）； 中地层：系列D8－l至D8－4，粒度1／2～l／8克拉／粒（100～25毫克／粒）； 硬地层：系列D9一1至D9－3，粒度1／8～l／15克拉／粒（25～13.33毫克／粒）。
系列D9－4，粒度小于1／15克拉／粒（13. 33毫克／粒）。 第三位代码所表示的是取心钻头的设计特征，共有3位数： “0”指的是人造金刚石取心钻头，表中未列出； “l”是与常规取心筒相匹配的取心钻头；
“2”是面泄式（face discharge）钻头； “3”是指其他特殊设计特征的钻头。 2．金刚石钻头的IADC补充分类方法
表4－15和表4－16所描述的是八十年代初期由 IADC规定的天然金刚石全面钻进钻头和取心钻头的分类标准。随着人造金刚石钻头技术的日益成熟和广泛应用，原有的金刚石钻头分类方法已不能完全满足需要了。为此，IADC在《DRILLLINO MANUAL》（钻井手册）第十一版中，对人造聚晶金刚石（PDC）钻头、热稳定性聚晶金刚石（TSP）钻头及天然金刚石钻头的分类作了补充规定，具体内容参见表4－17和表4－18。
（1）表4－17和表4－18中，第一位编码表示的是钻头体特征和切削齿的材料种类，以字母的形式表示：
M──PDC切削齿，胎体钻头； S──PDC切削齿，钢体钻头；
D──天然金刚石切削齿，胎体钻头； T──TSP切削齿，胎体钻头； O──其他类型切削齿钻头。
（2）第二位编码指的是切削齿的尺寸或市齿密度，数字1至4代表PDC钻头，6至8指表镶式TSP或天然金刚石钻头，0、5、9是为将来备用的。
准确地讲，第二位编码对PDC钻头和表镶式TSP或天然金刚石钻头所代表的意义是不一样的。对前者，它与切削齿的数量有关。而对后两种钻头，则与热稳定性聚晶金刚石或天然金刚石颗粒的尺寸有关。
PDC钻头切削齿的密度，指的是总的切削齿的数量，包括标准的保径齿的数量。从数字1～4，布齿的密度呈增大趋势，相对应的钻头也由软变硬。1表示钻头齿数少于30个，2指钻头齿数在30～40个之间，3指钻头齿数在40～50个之间，4指多于50个齿的钻头。
对表镶式TSP或天然金刚石钻头而言，从数字6～8，金刚石颗粒的尺寸越来越小，所对应的钻头也越来越硬或研磨性增大。6表示金刚石的粒度大于3粒／克拉，7表示金刚石粒度在3～7粒／克拉之间，8则指粒度小于7粒／克拉的金刚石。
（3）第三位编码，对PDC钻头所表示的是该类型钻头切削齿的尺寸。每一类型的切削齿尺寸又分为3种：l表示直径大于24mm(1in以上）的切削齿，2表示直径在14～24mm（3／
（1／2in）的切削齿。而4则指更小的，直径在8mm4in）之间的切削齿，3表示标准的13.3mm
以下的切削齿（还没有这种切削齿，故表4－17中“切削齿尺寸”一栏内没有“4”）。 对TSP或天然金刚石钻头，第三位编码指的是切削材料的品种。1指天然金刚石，2指热稳定性聚晶金刚石，3指混合型材料的切削齿（如用天然金刚石和TSP材料混合制成的切削齿），4仅指最大“密度”的钻头，即孕镶式金刚石钻头。
（4）表4－17和表4－18中的第四位编码，简单地表示了钻头的基本外观形状。这个外观形状主要是根据切削面的长度而定的。对PDC钻头，1指的是“鱼尾”形或阶梯形钻头；而对TSP或天然金刚石钻头，1是指“平顶”形钻头。数字2、3、4对PDC钻头和TSP或天然金刚石钻头所代表的意义相同，都是指钻头切削齿部分（冠部）的长度，分别表示短、中和长冠部。图4－44是四种常用的PDC钻头的外形。
五．常用全刚石钻头的选型表
表4－19列举了几家金刚石钻头制造公司的全面钻进金刚石钻头（包括人造金刚石钻
头）的IADC分类、选型及推荐的钻压和转速值，以供选择金刚石钻头时参考。 表中最后一栏表示的是钻头的特殊性能及用途。除了在前面的“牙轮钻头的IADC分类”中所谈到的16项附加特征外，《World Oil》（世界石油）还针对金刚石钻头的特殊性能，补充了以下10项内容： F──面泄式水道
I──热稳定性人造金刚石（TSP）
K──横向流（漫流）
N──涡轮钻井
O──磨铣应用 P──冲击钻井 Q──侧向喷嘴 R──径向流
U──切削齿密度：l──稀，m──中，h──密。如U1，Urn，Uh分别表示钻头布齿密度为稀、中、密。
V──抗回旋特性
第四节 钻头磨损分析
一．IADC钻头磨损定级方法
对使用过的钻头进行磨损定级，是对钻头使用状况的分析和总结，也是选择下一个钻
头和确定钻井参数的依据，其意义是很大的。
长期以来，我们习惯于用牙齿（T）、轴承（B）和规径（G）三位数来表示一只钻头的磨损，这种方法并没有能够全面、准确地描述钻头使用后的磨损状况。为了能够详尽和
准确地反映钻头使用后各个部位的磨损特征和钻头停止使用的原因，IADC在新的钻头磨损定级方法中规定，对钻头的磨损定级要用八位数来描述。这种方法适用于所有类型的牙轮钻头和金刚石钻头，是一种比较先进和科学的评价钻头磨损情况的方法，其详细的内容见表4－20及说明。
表4－20内各栏的具体含义如下：
l．内排切削齿（I）：指从钻头中心至2/3半径范围内的切削齿；
2．外排切削齿（0）：指距离钻头中心线2/3半径以外的切削齿（包括保径齿），即接触井壁部分的切削齿。
内、外排齿的磨损都是以0、1、2．．．．．8等9位数字来表示的。 对钢齿牙轮钻头，表示的是牙齿磨损或损坏的高度： 0──无磨损或损坏，即新钻头； l──牙齿磨损了1／8的高度； „„„„„
8──牙齿全部磨损完。
钢齿磨损高度的分级如图4－45所示。
对镶齿牙轮钻头，表示的是齿的磨损、脱落或损坏的数量：
0──牙齿无脱落、磨损或损坏，即新钻头； 1──有1／8的牙齿脱落，磨损或损坏了； ．．．．．．．
8──全部的牙齿都脱落、磨损或损坏。
对金刚石或PDC钻头，齿的磨损表示的是天然金刚石颗粒或聚晶金刚石切削刃掉落、磨损或损坏的数量：
0──金刚石或切削刃被磨损、损坏或脱落。
l──有1／8的金刚石或切削刃被磨损、损坏或脱落。 „„„„„„
8──所有的金刚石或切削刃被磨损、损坏或脱落。
3．磨损特征（D）：只适用于和编码相关的切削结构，以两个字母的代号来表示。 *BC──牙轮破裂 掉喷嘴──LN
BF──联结失效（专指金刚石钻头） 掉齿或切削刃──LT BT──切削齿或刃断裂 偏心磨损──OC BU──钻头泥包 钻头缩径──PB
CC──牙轮有裂痕 喷嘴或流道堵塞──PN CD──牙轮卡死 规径磨圆（磨缩）──RG CI──牙轮打架（中心线中叉） 磨出环形槽──R0 CR──钻头“取心”（中间磨凹） 钻头可再用──RR CT──牙齿碎裂 掌尖损坏──SD ER──冲蚀 自锐磨损──SS FC──齿顶磨平 齿间磨损──TR HC──热裂纹 冲涮──W0
JD──碎屑损坏 牙齿或切削刃磨损──WT
*LC──掉牙轮 无任何磨损特征──NO 注：带“*”号的可以在位置（4）上反映出牙轮号（*）
4．磨损位置（L）：用字母或数字符号表示出磨损特征所在的钻头表面位置。 牙轮钻头 金刚石（包括人造金刚石）钻头
N──项部齿圈 C──内锥
N──冠顶（鼻部） M──中间齿圈 T──外锥 G──规径齿圈 S──肩部 G──规径 A──全部齿圈 A──所有部位
金刚石钻头（包括人造金刚石钻头）的表面位置划分如图4－46所示。
5．轴承／密封（B）：
不密封轴承：按线性分布规律预测轴承的寿命。 0──表示轴承未曾使用，是新的； 8──表示轴承的寿命已全部用完。 密封轴承：
E──密封有效 F──密封失效
N──不能定级（指轴承的磨损状况难以确定） X──指无轴承的钻头（如金刚石钻头等） 6．规径（G）：规径的磨损以25.4mm（1in）的分数形式表示。 I──规径无磨损
1／16──规径磨掉1.6mm（1／16in） 2
／16──规径磨掉3.2mm（1／8in） 4
／16 ──规径磨损6.4mm（1／4in） 对于三牙轮钻头，规径磨损值的测量应遵循“2／3规则”，以测得较准确的数据。所谓的“2／3规则”，如图4－47所示，是用钻头量规接触两个牙轮的最外缘
点，测量出第三个牙轮的最外缘点与钻头量规的最小距离，以这个距离值乘以2／3，换算成1.6mm（1／16 in）的单位，即为规径的磨损减小值。
7．其他磨损特征（O）：参考第3位代码，也可以描述钻头切削结构之外的其他部位的磨损特征。
8．起钻或停止钻进的原因（R）。以2个或3个字母作为代码表示起钻的原因。具体如下：
BHA──更换钻具组合 留在井眼中──* LIH CM──处理钻井液 电测──LOG CP──钻达取心位置 泵压变化──PP DMF──井下马达故障 钻速太慢──RR
DP──钻具堵塞 钻机（平台）修理──RIG DSF──钻柱故障
DST──中途测试 钻达设计（下套管）井深──TD DTF──井下工具故障 扭矩过大──TQ
FM──地层变化 钻柱脱扣（扭断）──Tw HP──井眼问题 气候影响──WC HR──到钻头的预期寿命 钻柱刺漏──WO 注：“LIH”是附加的，指钻头留在井眼中。
二．钻头磨损特征分析
为了更好地理解各种钻头磨损特征的意义，以下对钻头（以牙轮钻头为主）的磨损特征逐一进行分析。这些磨损特征都是钻头工作时常常遇到的问题，这里也仅仅是列举了各种可能的原因和解决办法。在实际使用中，还可能会出现各种意料不到的情况，必须根据具体问题加以分析和判断。
1．PDC钻头切削齿（刃）的磨损，如图4－48所示。
2．牙轮破裂（BC）：指一个或多个牙轮破裂成两块或多块，但牙轮的大部分仍然连接在钻头上。引起牙轮破裂的原因有：
（1）牙轮打架，因轴承失效而导致牙轮相互碰撞而破裂； （2）起下钻时钻头碰撞了井壁台肩； （3）溜钻或顿钻； （4）硫化氢脆裂。
3．断齿（BT）：对碳化钨镶齿钻头而言，断齿是一种正常现象。但是如果钻头运转时间短而出现断齿，则表明钻柱中需加震击器、钻压过大或转速过高、钻头使用不当。对钢齿钻头，断齿就不是正常磨损了。钻头断齿的原因有： （1）井底有金属碎块；
（2）钻头突然碰撞井内台肩或井底；
（3）钻压过大，造成内圈齿和中间齿的断裂； （4）转速过高，断齿主要在外排齿； （5）地层太硬，钻头选型不当。
4．钻头泥包（BU）：指由于牙轮之间被地层岩石（主要在泥岩层）堵塞而不能转动，牙轮打滑而引起的牙齿磨损。泥包钻头的原因有： （1）水功率不能充分清洗井底； （2）不开泵而把钻头硬挤入地层中； （3）钻遇粘、软地层。
5．牙轮裂纹（CC）：牙轮出现裂纹是牙轮断裂或掉牙轮的开始。其原因有： （1）井底有碎屑物；
（2）钻头碰撞井内台肩或井底； （3）顿钻或溜钻。 （4）硫化氢脆裂； （5）钻头过热；
（6）牙轮受冲蚀而使壳体厚度减小； （7）牙轮打架。
6．牙轮卡死（CD）：指钻头在预计的使用期内，一个或多个牙轮不能转动而卡死。其原因有：
（1）一个或多个牙轮的轴承失效； （2）牙轮之间被碎屑物堵塞；
（3）钻头被挤缩径而导致牙轮打架； （4）钻头泥包；
（5）对新钻头不适当的跑活。
7．牙轮打架（CI）：牙轮打架常常会引起牙轮壳体产生沟槽和断齿，有时会错误地判断成是地层造成的破坏。牙轮打架的原因有： （1）钻头外径被挤小； （2）用过大的钻压扩划眼。
（3）一个或多个牙轮的轴承失效。
8．钻头“取心”（CR）：钻头中心部位的齿被磨损或断掉，或牙轮的冠部断掉时会造成钻头“取心”。发生“取心”的原因有：
（1）地层的研磨性超过了中间齿的耐磨能力；
（2）新钻头下到井底后，与井底形状不吻合，试运转不当时也会出现“取心”现象。 （3）牙轮壳体被冲蚀后引起内圈齿的脱落。
9．牙齿碎裂（CT）：表现为牙齿碎裂并剥落。与断齿不同的是，牙齿碎裂后大部分仍保留在牙轮壳体上。牙齿碎裂的原因有： （1）由于跳钻引起的过大的冲击载荷； （2）轻微的牙轮打架；
（3）在空气钻井时，下钻过于剧烈。
10．冲蚀（ER）：液流冲蚀会引起牙齿变小和牙轮壳体的剥落，并最终导致硬质合金齿的掉落。冲蚀的原因有：
（1）过大的水功率导致过高的液流喷射速度，使液流冲蚀牙轮；
（2）在研磨性地层中，措施不当，排量不足，使岩屑反复冲蚀牙轮壳体及牙齿； （3）固控条件差，钻井液中研磨性的颗粒过多。
11．齿顶磨平（FC）：表现为各个切削齿的整个表面高度均匀地减小。对这种磨损的解释可以数量化。引起齿顶磨平的主要原因是：在控制井斜时，常常使用低钻压和高转速。 12．热裂纹（HC）：牙齿工作时产生过热，经钻井液多次冷却后便会出现热裂纹。产生热裂纹的主要原因是：
（1）切削齿被阻塞而打滑； （2）以高转速扩划眼。
13．碎屑损坏（JD）：指井底有金属碎屑而引起牙齿的损坏以致缩短钻头寿命。碎屑的来源主要有：
（1）从地面掉入井内的钳牙、工具等碎块；
（2）钻柱上的碎块如扩眼器的销子、稳定器上的硬质合金块等； （3）前一只钻头的掉块，如碳化钨齿、轴承滚珠等。 （4）钻头自身的掉块，如碳化钨齿、钢球、喷嘴等。
14．掉牙轮（LC）：表现为一个或多个牙轮脱落。其原因有： （1）钻头碰撞井内台肩或井底； （2）轴承失效； （3）顿钻或溜钻； （4）硫化氢脆裂。
15．掉喷嘴（LN）：掉喷嘴不属于切削结构磨损特征的范畴，但它是描述钻头使用状况的一个重要的“其他磨损特征”。掉喷嘴的原因有： （1）喷嘴安装不当； （2）喷嘴设计不合适；
（3）喷嘴的固定装置（卡簧）失效。
16．掉齿（LT）：指碳化钨镶齿整个地脱离钻头体。引起掉齿的原因有： （1）牙轮壳体受冲蚀；
（2）牙轮基体出现裂纹，使固齿力下降； （3）硫化氢脆裂；
（4）齿与孔的加工及固齿质量有问题。
17．偏心磨损（OC）：当钻头的几何中心与井眼的几何中心不重合时，就会产生偏心磨损。它将导致井眼扩大，机械钻速比预期的低许多。改变钻头型号和钻具组合可以消除这种磨损。发生偏心磨损的原因有： （1）地层由脆性向塑性变化； （2）钻具稳定性不好；
（3）钻压与钻头型号、地层不相适； （4）井内液柱压力大大超过地层压力；
（5）钻头制造质量有问题，三个牙轮与螺纹不同轴心。
18．钻头缩径（PB）：在外来机械力的作用下钻头被挤压成小于其原来的外径。钻头缩径可导致切削齿断裂、牙轮破裂及打架、卡死等现象。造成钻头缩径的原因有： （1）钻头被强行挤入尺寸较小的井段；
（2）由于外径间隙不同，牙轮钻头被强行下入金刚石钻头钻出的井段； （3）强行把钻头下入未经过用相应尺寸通径规通径的套管； （4）被钻头盒挤压；
（5）强行通过尺寸较小的防喷器组。
19．堵喷嘴（PN）：喷嘴被堵塞会引起水功率减小或泵压过高而被迫起钻。堵喷嘴的原因有：
（1）在未开泵的情况下将钻头下入井底的沉砂中；
（2）钻井液中的固体物被泵入钻柱内，下到钻头而堵塞喷嘴。
20．规径磨圆（RG）：表示钻头的保径齿均匀磨损，可能已比钻头直径小，但仍然可以钻出足尺寸的井眼。规径磨圆的原因有： （1）在研磨性地层中以过高的转速钻进； （2）在尺寸较小的井段扩划眼。
21．掌尖损坏（ST）：掌尖边缘损坏会导致轴承密封失效。造成这种磨损的原因有： （1）井底有金属碎屑；
（2）在裂缝性或破碎性地层井段划眼；
（3）钻头缩径使牙轮掌尖成为钻头最凸出的部位； （4）水力条件差； （5）井斜角过大。
22．自锐磨损（SS）：指牙齿在磨损过程中，能保留较为锐利的切削刃。
23．齿间磨损（TR）；当钻头牙齿与井底痕齿啮合时就会出现这种磨损，它发生在牙齿的前后两侧。其原因是：
（1）地层由脆性向塑性过渡；
（2）井内液柱压力大大超过地层孔隙压力。 24．钻头冲涮（WO）：产生冲涮的原因有： （1）钻头焊接质量有问题；
（2）泵压过高及钻井液性能不好；
（3）钻头撞击井底或井内台肩而产生裂纹，循环时液流经过裂纹继而产生冲涮。 25．牙齿磨损（WT）：这是钻头牙齿正常磨损的特征。
26．无磨损特征（NO）：指未出现以上任何磨损特征，起钻是由于与钻头无关的原因（如钻具刺漏而迫使钻头在短时间工作后又起出）。
最后，举个例子说明钻头磨损定级的意义。一个215.9mm、IADC编码为517的牙轮钻头，使用后磨损定级为7、1、BT、M、E、I、NO、PR。这个磨损状况说明该钻头钻遇的地层过硬，内圈齿断裂严重；因地层太硬而导致内圈齿断裂或磨损严重，致使钻速降低，是被迫起钻的原因（有时，钻压过大也会出现这种磨损）。根据无其他磨损特征、轴承密封有效和规径完好等情况分析，钻头的使用是较合理的。如果钻头的使用时间比预期的寿命短，则说明该钻头的选型相对地层而言，是“太软”了。
第五节 水力参数设计
钻井水力参数设计的方法和公式很多，每种方法都各有优缺点。一般地讲，最优的水力参数设计应能达到：钻头所消耗的压降等于1／8～1／2的泵压（有动力钻具时除外）。 下面根据喷射钻井理论，推荐了一种水力参数设计的方法；同时还推荐了部分计算水力参数的经验公式，以便于现场钻井人员参考使用。
一．钻井水力参数设计步骤与方洁
1．确定排量Q
所设计的排量必须既能满足有效地携带钻屑所需的环空上返速度和冷却钻头切削齿、清洁井底的需要，又要能保证井壁稳定。在中国的海洋石油钻井中，311.1mm和215.9mm。井眼的排量分别是40～45 1／s和20～25 1／s，环空上返速度分别是0.6～0.8m／s和1.0～1.5m／s，即能满足需要。
2．确定在设计排量下的工作泵压──Pm。确定泵压时，要考虑泵的配件、管线、阀门及钻具的承受力。按国际惯例，要求钻井泵在额定最高工作压力的75％以下能长期正常运行。
3．根据钻井液性能参数、钻井液在钻具内外的流态、钻具结构和本只钻头能钻达的极限井深，计算出地面和井下各段的循环压耗。 （1）地面管汇压耗的计算
Q.
PSUR＝ C×MW×（ ）186 ×C1„„„„„„„„„„„„„„（4一2）
100
式中： PSUR──地面管汇压耗，MPa（psi）； C──地面管汇的摩阻系数；
MW──井内钻井液密度，g／cm3（ppg）； Q──排量，l／s（gal／min）；
C1──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C1 = 9.818；当采用英制单位时，C1 = 1。
摩阻系数C与地面管汇的类型有关，可按表4－21来选择C值。
（2）确定钻具内的钻井液流态及计算压耗 ①钻具内钻井液的平均流速
Vi ＝
C2Q2.448d2„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4–3)
式中：V i──钻具内钻井液的平均流速，m／s（f t／s）； Q──排量，l／s（gal／min）； d──钻具内径，mm（in）；
C2──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C2 ＝ 3117；采用英制单位时， C2 ＝ l。
②钻具内钻井液的临界流速 Vic＝
1.08PV1.08PV212.34d2YPMWC3MWdC4„„„„„„„(4–4)
式中：Vic ──钻具内钻井液的临界流速，m／s（f t／s）； PV──井液的塑性粘度，mPa·s（cps）； YP──钻井液的屈服值，Pa（1bs／100f t2）； d──钻具内径，mm（in）
MW──钻井液密度，g／cm2（ppg）； C3、C4──与单位有关的系数。采用法定计量单位时，C3 ＝ 0.006193，C4 ＝ 1.078；采用英制单位时，C3 ＝ 1、C4 ＝ l。
③如果Vi≤Vic，则流态为层流，钻具内的循环压耗为
C5LYPC6ViLPV45a Pp ＝ 2225d1500d
④如果Vi＞Vic，则流态为紊流，钻具内的循环压耗为 0.180.821.820.0000765PVMWQLC745b Pp ＝ 4.82d
式（4－5a）和（4－5b）中，
Pp──钻具内的循环压耗，MPa（psi）；
L──某一相同内径的钻具的长度，m（f t）； YP──钻井液的屈服值，Pa（1bs／100ft2）； PV──钻井液的塑性粘度，mPa·s（cps）；
Vi──钻具内钻井液的平均流速，m／s（ft／s）； d──钻具内径，mm（in）；
MW──钻井液密度，g／cm2（PPg）； Q──排量，l／s（gal／min）；
C5、C6──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C5＝ 0.2750， C6＝ 47.86；当采用英制单位时，C5＝l、C6＝1；
C7──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C7＝ 1.162×108；当采用英制单位时，C7 = 1。
（3）环空的钻井液流态确定及压耗计算 ①环空内钻井液的平均流速
QC2 Va ＝ 2 „„„„„„„„„„„„„„„„„„（4－6）
2DhDp2.448
式中： Va──环空中钻井液的平均流速，m／s（f t／s）； Q──排量，l／s（gal／min）；
Dh──井眼直径或套管内径，mm（in） Dp──钻具外径，mm（in）
C2──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C2 ＝ 3117；采用英制单位时， C2 ＝1。
②环空内钻井液的临界流速
Vac ＝
1.08PV1.08PV212.34d2YPMWC3MWdC4„„„„„„(4－7)
式中：Vac──环空内钻井液的临界流速，m／s（ft／s）； PV──钻井液的塑性粘度， mPa·s（cps）； YP──钻井液的屈服值，Pa（1bs／100ft2）； MW──钻井液密度，g／cm3（ppg）； Dh──井眼直径或套管内径，mm（in） Dp──钻具外径，mm（in）；
C3、C4──与单位有关的系数。采用法定单位时，C3 ＝ 0.006193，C4＝1.078；采用英制单位时，C3 =＝1、C4 ＝ l。
③如果Va≤Vac，则环空流态为层流，环空压耗为：
CLYPCVLPV Pa ＝ 5 6 a „„„„„„„„„„„„„（4－8a） 2225DhDp1000DhDp
④如果Va＞Vac，则环空流态为紊流，环空压耗为 0.180.821.820.0000765PVMWQLC Pp ＝ 7 „„„„„„（4－8b）
DhDp3DhDp1.82
式（4－8a）和（4－8b）中 Pa──环空压耗，MPa（psi）；
L──某一相同钻具外径和井眼直径段的长度，m(ft)； YP──钻井液的屈服值，Pa（1bs／100ft2）。 PV──钻井液的塑性粘度，mPa·s（cps）； Va──环空内钻井液的平均流速，m／s（ft／s） Dh──井眼直径或套管内径，mm（in）。 D──钻具外径，mm（in）；
MW──钻井液密度，g／cm3（ppg）； Q──排量，l／s（gal／min）；
C5、C6──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C50.2750，C6＝47.86；当用用英制单位时，C5 ＝ l、C6 1；
C7──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C7 ＝ 1.162×108 ；当采用英制单位时，C7 ＝ l。
（4）根据前面求出的地面压耗和钻具内外各段的循环压耗，便可以求出总的循环压耗
Pt＝PSUR ＋ Pc ＋ Pp ＋ Pca ＋ Ppa„„„„„„„„„„„„„„„„（4－9） 式中： Pt──总的循环压耗，MPa（psi）； PSUR──地面管汇压耗，MPa（psi）； Pc──钻铤段的内压耗，MPa（psi）； Pp──钻杆段的内压耗，MPP（psi）； Pca──钻铤段的环空压耗，MPa（psi）； Ppa──钻杆段的环空压耗，MPa（psi）。
值得注意的是，对不同直径的钻具和井眼或套管，需要分别计算出各段的循环压耗，再行累加。在计算钻杆的内压耗时，若钻杆接头内径与钻杆本体内径相等或比值大于0.85时，可直接运用公式计算；如接头内径与本体内径的比值在0.70～0.85之间，则要将接头的长度累加在一起，作为一段管柱单独计算出压耗，再与钻杆本体的压耗相加，才是钻杆的压耗。这样计算出来的钻杆压耗更为准确。 计算出Pt后，可以判别钻头的水力工作方式：
Pt≤0.357Pm，是最大水力功率方式，相等为最优； Pt≤0.526Pm，是最大冲击力工作方式，相等为最优； 4．钻头水力参数的计算 （1）喷嘴面积的计算 222J1J2Jn A = C 8 „„„„„„„„„„„„（4－10）
1303.8
式中：A──喷嘴的总面积，mm2（in2）；
J1、J2 ……Jn为各喷嘴直径，mm（1／32in）；
C8──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C8 ＝1024当采用英制单位时， C8 ＝ 1。
（2）液流的喷射速度
0.32QC Vn ＝ 2 „„„„„„„„„„„„„„„„（4－11）
A
式中：Vn──流在喷嘴处的喷射速度，m／s（ft／s）； Q──排量，l／s（gal／min）。 A──喷嘴总面积，mm2（in2）
C2──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C7 = 3117；采用英制单位时， C2 = l。
（3）钻头压降 22MWQC9 Pb ＝ P m P t„„„„„„„„„„„„„（4－12）
12031CdA22 若使用井下动力钻具，确定钻头压降时要减去动力钻具的压降。
Pb ＝ Pm－ Pt － Pm„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（4－12b) 式（4－12a）和（4－12b）中： Pb ──钻头压降，MPa（psi）； Pm──工作泵压，MPa（psi）；
Pt──总的循环压耗，MPa（psi）； MW──钻井液密度，g／cm3（ppg）； Q──排量，l／s（gal／min）； A──喷嘴总面积，mm2（in2）
PM──动力钻具压降，MPa（psi）；
C9──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C9 ＝2453；当采用英制单位时， C9 = l；
Cd──喷嘴流量系数，对一般喷射式钻头可取Cd＝ 0.95。 （4）钻头水功率
QPC HHP = b 10 „„„„„„„„„„„„„„„„„„（4－13a）
1714
钻头比水功率：
QPC101.2732HHP HHP/Ab = 2 b 2 „„„„„„„„„„（4－13b）
Db1346Db
式（4－13a）和（4－13b）中， HHP──钻头水功率， W（hp）；
HHP／Ab──钻头比水功率，W／mm2（ hp／in2）； Q──排量，l／s（gal／min）； Pb──钻头压降，MPa（ps i）；
Db──钻头或井眼直径，mm（in）；
C10──与单位有关系数。当采用法定计量单位时，C10 = 1.714X106；当采用英制单位时，C10 = l。
注：以上各个水力参数都是根据宾汉模式进行计算的。 5．优选喷嘴组合
在相同的钻头水力功率条件下，不同尺寸的优选喷嘴组合，能改善井底流场和压力的分布状况，提高漫流的清岩能力，减少钻头对井底岩屑的重复破碎，从而提高破岩效率和机械钻速。
选择喷嘴尺寸的方法如下： （1）计算所需要的喷嘴总面积
QC At = 9 1/ 2 „„„„„„„„„„„„„„„„„„（4－14）
12031KP CdMW
式中：At──设计所需的喷嘴总面积，mm2（in2）； Q──排量，l／s（gal／min）；
MW──钻井液密度，g／cm3（ppg）； P──允许的立管压力，MPa（psi）；
K──系数，最大水力功率工作方式，K=0.65。 最大冲击力工作方式，K＝0.48。
C9──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C9 ＝ 2453；当采用英制单位时， C9 ＝ l；
Cd──喷嘴流量系数，对一般喷射式钻头可取Cd ＝ 0.95。
（2）喷嘴尺寸的计算 1/2A1303.797 J1 = „„„„„„„„„„„„„„（4－15a） t nC8
2 1303.797At1/2J1 J2 = n 1 C 1303 .797 „„„„„„„„„（4－15b）
8
22 1303.797AtJ1J21/2 J3 = n „„„„„„„„（4－15c） 2C1303.7978
222 J1J2Jn21/21303.797At( )] Jn-1 = [ „„„„„„„„（4－15d） 2C81303.797
222 J1J2Jn11/21303.797At[()] Jn = 1 C 1303 .797 „„„„„„„（4－15e）
8
式（ 4－15a）至（ 4－15e）中，
J1 、J2 ……Jn ──各个喷嘴的直径，mm（1／32 in）； n──设计的喷嘴数量，个；
At──设计的喷嘴总面积，mrn2（in2）；
C8──与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C8＝1024；当采用英制单位时， C8 = 1
（3）喷嘴选择的原则
①建议在上部地层或松软地层，采用一大二小的喷嘴组合；而在中硬至硬地层，用一大一小的双喷嘴。大小喷嘴的直径之比宜在0.6～0.68之间。
②应尽可能选择加长喷嘴、斜喷嘴和脉冲喷嘴。这几种喷嘴在液流喷射距离、方向或能量的集中利用等方面有所改进，对改善井底流场，增强液流的清岩能力，延长钻头使用寿命和提高机械钻速，减轻钻头的磨损等各方面都表现出了不同程度的优越性，是喷射钻井技术的延伸，对提高钻井速度和降低钻井成本是有很大帮助的。
③大直径钻头，如311.1mm、444.5mm等尺寸的钻头，可采用一个中心喷嘴加两个不等径喷嘴的组合。
④天然金刚石和人造金刚石钻头的喷嘴选择，要根据不同的钻头特点，采用不同的组合。有的是流道，有的是喷嘴十流道，也有的用多个喷嘴等等。
⑤为了防止喷嘴堵塞，一般不选用直径小于7mm（9／32in）的喷嘴。 二．水力参数计算的经验公式
前面所谈到的水力参数的计算公式，都是理论推导的结果，准确性较高。但有些公式过于复杂，不便在现场推广应用。为了便于现场钻井工程技术人员使用，下面介绍部分计算水力参数的经验法则和公式。
1．排量的选择与机械钻速的经验法则
在最优的钻压条件下，机械钻速与排量大小的范围有如下的经验法则：
机械钻速 排量
范围l： ＞15.2m／h（50f t／h） 0.124 1／s每毫米钻头直径
范围2： 7.6～15.2m／h（25～50ft／h） 0.0994～0.124 1／s每毫米钻头直径 范围3： 4.6～7.6m／h（15～25ft／h） 0.0944～0.112 1／s每毫米钻头直径 范围4： 3.0～4.6m／h（10～15ft／h） 0.0869～0.0994 1／s每毫米钻头直径 范围5： 1.5～3.0m／h（5～10ft／h） 0.0745～0.0969 1／s每毫米钻头直径 2．排量与钻头直径的关系 Q＝ 4 C 11 D b2 5 C 12 D b „„„„„„„„„„„„（14－16a） 金刚石和PDC钻头的最小排量为：
1.47 Qmin ＝ . 72 D b C 13 „„„„„„„„„„„„„（14－16b） 12 式（4－16a）和（4－16b）中
Q——排量，1／s（gal／min）； Db——钻头直径，mm（in）；
Qmin——金刚石或PDC钻头的最小排量，l／s（gal／min）；
－
C11、C12——与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C11 = 9.779×105，
－
C12 ＝ 2.484×103；采用英制单位时，C11 ＝1，C12＝1；
－
C13——与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C13＝5.4307×104；采用英制单位时C13＝1。
3．钻头比水功率的经验公式
钻头的比水功率一般在2.89～5.78W／mm2（2.5～5hp／in2）之间。在大尺寸（311.lmm以上）井段中，如果地层的可钻性好，比水功率可适当增大，但也不要超过7.51W／mm2（6.5hp／in2）。在此前提下，比水功率与机械钻速有以下的经验关系式：
HHP／Ab＝ROPC14 „„„„„„„„„„„„„„„„„（14－17） 式中：HHP／Ab——钻头比水功率，W／mm2（hp／in2），一般不超过7.51W／mm2（6.5hp／in2）。
ROP——机械钻速，m／h（f t／h）；
C14——与单位有关的系数。当采用法定计量单位时C14＝4.382；当采用英制单位时，C14＝1。
4．钻头水力喷射速度：
ROP Vn = „„„„„„„„„„„„„„（14－18）
0.010.002ROPC15
式中：Vn——液流经过钻头喷嘴的喷射速度，m／s(ft／s) ROP——机械钻速，rn／h（f t／h）；
C15——与单位有关的系数。当只甲法定计量单位时，C15 ＝3.28；当采用英制单位时，C15 = l。
要求的喷射速度一般在107～137m/s（350～450ft／s）之间，最低不能低于76m／（s250ft／s）。
5．喷嘴的平均尺寸
QMW JAVE = 3 .448 „„„„„„„„„„„„„„（14－19） C16nCPb d1/2式中：JAVE——喷嘴的平均尺寸，mm（1／32in）；
n——喷嘴数量，个；
Q——排量，l／s（gal／min）；
MW——钻井液密度，g／cm2（ppg）； Pb——钻头压降，MPa（psi）；
C16——与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C16 = 1.5477；当采用英制单位时 C16 = l。
Cd——喷嘴流量系数，对一般喷射式钻头Cd ＝ 0.95。 6．泵压与冲数的关系 2SPM P2 = P 2 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（4－20） 1 SPM1
式中：P1——与泵冲数SPM1相对应的泵压，MPa（psi）； P2——与泵冲数SPM2相对应的泵压，MPa（psi）。 7．压降与钻具内径的关系
4.82 d1 P2 = P 1 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（4－21） d2
式中：P1——与钻具内径d1相对应的压降，MPa（psi）； P2——与钻具内径d2相对应的压降，MPa（psi）。 8．起钻时，计算钻杆内重泥浆塞的长度 4.82d1 LSLUG P1d= „„„„„„„„„„„„„„„„2„„„„„（4－22）
式中：LSLUG——钻杆内重泥浆塞的长度，m（f t） Ldry——打了重泥浆后所产生的干钻杆的长度（可
以预先设定），m（ft）；
MWh——井内的钻井液密度，g／cm3（ppg）； MWs——重泥浆的密度，g／cm3（ppg）。
计算出了钻杆内重泥浆塞的长度，便可以知道打重泥浆的量了。 9．抽汲压力
由于钻柱起得过快，钻井液来不及填充起出钻柱后留下的空间，便产生了抽汲作用，如图4－49所示。这种作用会引起静液柱压力的减少，这个静液柱压力的减少值就叫抽汲压力。
为了安全地起出钻柱，起钻时不仅要求井内的钻井液静液柱压力能平衡地层孔隙压力，而且还要克服因抽汲作用所引起的静液柱压力的减少值（即抽汲压力）。为此，就必须加大井内钻井液密度。克服抽汲作用的安全起钻的钻井液当量密度为：
„„„„„„„„„„（4－23）
式中：MWT――安全起钻的钻井液当量密度，g／cm3（ppg）； MWba1――平衡地层压力的当量钻井液密度，g／cm3（ppg）； YP――钻井液屈服值，Pa （lbs／1000ft2）; Dh――井眼直径或钻头直径，mm（in）； Dp――钻具外径，mm(in )
C17――与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C17＝1.457；当采用英制单位时，C17＝1。
10．激动压力
下钻时，由于钻柱克服井内钻井液的摩擦阻力而运动，会对井底产生动态压力。摩擦阻力与动态压力之和即为激动压力（见图4－50）。激动压力的大小与下钻速度、钻井液性能、钻柱尺寸、井眼尺寸等有关，其计算公式为：
第六节 钻井液流变参数设计
喷射钻井、优选参数钻井工艺要求钻井液在钻井过程中能安全、有效地解决破岩、清岩、携岩和除岩等问题。钻井液的流变参数不仅要有助于提高机械钻速，而且要能稳定井壁和净化井底。钻井液必须具有一定的抗温度、抗污染和抑制泥岩膨胀的特性，还要有良好的流型、流态和剪切稀释特性，较强的悬浮岩屑、携带岩屑的能力。
现代石油钻井所用的钻井液极大多数都是不分散低固相钻井液体系，以下就这种体系的钻井液流变参数的优选、优配设计和计算的方法加以介绍。
一．钻井液流变模式的选择
钻井液的视粘度是随流速的变化而变化的，流速越高，视粘度就越小。钻井液的这种特性叫做“剪切稀释特性”。流性指数n值是钻井液剪切稀释特性的集中体现，n值越小，剪切稀释特性就越好。在整个循环系统，不同的区域，像钻具内部、环空和钻头水眼处的流速差别是较大的，所适用的流变模式也不尽相同，因而流变参数的计算方法也不同。
1．在钻具内部，剪切速率中等，以宾汉模式和修正幂律模式为主。
2．在环空流速区，剪切速率较低，应用修正幂律模式较吻合实际。
在环空流域，n值越低，层流的流型越好。n≤0.6时，钻井液的携岩能力较强，有利于净化井眼。
3．在钻头水眼处，剪切速率高，卡森模式与实际的流变曲线很接近。
如果钻井液的剪切稀释特性良好，则钻头的水眼粘度或极限高剪切粘度低，而钻井液上返至环空时粘度变高。也可用这两处的视粘度的比值来表示钻井液的剪切稀释特性。
二．钻井液流态的判别
不同的区域，钻井液的流速不同，流态也不同。判别钻井液流态的方法有多种，前面在水力参数设计时已提到用流速来判别流态的方法，在这里介绍用雷诺数和环空流态稳定参数z值来判别流态的方法。 1．用雷诺数判别流态
（l）钻具内的雷诺数
（2）环空的雷诺数
（3）环空流态的判别 层流
过渡流 紊流
计算出了环空流速区的雷诺数和n值后，与临界值进行比较，便可判别出钻井液的流态。 2．用环空流态稳定参数Z值判别环空流态
其中环空临界流速Vc既可按上节中公式（4—7）计算，也可按下式计算：
式（ 4－38）中，
C24 ——与单位有关的系数。当采用法定计量单位时，C24 = 0.02325×83.333na；当采用英制单位时，C24 = l；
其他各项符号的意义与前面所述相同。 若Z＞808，环空流态为紊流。 若Z≤808，环空流态为层流。
其中环空临界流速人既可按上节中公式（ 4－7）计算，也可按下式计算：
Z值只适用于判别环空的流态，对钻具内的流态却不能用它来判别。另外，Z值更重要
的意义在于它能反映钻井液对井壁的冲涮作用。
三．钻井液的携岩能力
钻井液能否顺利地将大部分岩屑携带至地面，是关系到钻进速度快慢、井眼稳定和井身质量好坏的一个重要问题。下面介绍在层流和紊流状态下钻井液携岩速度和净化井眼能力的计算方法。
1．层流条件下岩屑的运移 （1）临界剪切速率
（2）岩屑的剪切应力
（3）岩屑的剪切速率
（4）岩屑的下沉速度
2．紊流条件下岩屑的运移
（1）岩屑的剪切应力，与层流时的计算公式相同，即：
（2）岩屑的下沉速度：
3．岩屑的运移效率 （1）岩屑的运移速度
（2）岩屑的运移效率
四．老屑浓度与有效钻井液密度
1．钻井液中岩屑的浓度
2．井眼中的有效钻井液密度
井内的钻井液，由于混入了钻头切削出来的岩屑，因而其实际密度与地面所测量出来的密度是不相等的。根据岩屑的密度和浓度，便可计算出井内的有效钻井液密度：
五．选择钻井液流变参数的几个约束条件
1．环空携岩能力Et≥50%
钻井液的环空携岩能力或井眼净化能力，指的是环空岩屑的运移效率。一般要求钻井液的环空携岩能力Et ≥50％，这意味着岩屑在环空中下沉的速度小于或等于钻井液上返速度的一半，这样才能保证环空中岩屑的浓度不会继续增大，可以满足净化井眼的需要。 2．环空中岩屑浓度Ca ＜9％
如果环空中岩屑的浓度过高，就会发生堵塞现象，导致泵压升高，悬重下降，容易出现卡钻事故。为了控制环空岩屑的浓度，有时要有意识地控制机械钻速。在上部地层或松软、可钻性很好的地层，如果机械钻速过高，岩屑量大，就有可能使环空中的岩屑浓度过大。一般而言，控制机械钻速为每钻进一个单根不低于三分钟，就可以达到环空岩屑的浓度Ca＜9％的要求。
3．井眼稳定参数Z值
Z值不仅可以用来判别环空中钻井液的流态，更重要的还在于它能反映出钻井液对井壁冲涮的严重程度。用Z值来判断液流是否会对井壁产生严重的冲涮，是通过统计分析的方法，根据已钻井的资料，统计出不同流速和钻井液性能对井壁的冲涮作用，从而得出某一地区
的某一井段或地层的临界Z值。利用钻井数据库，可以方便地找出各地区、各层段的裸眼稳定参数Z值。
要注意的是，判断层流和紊流的临界Z值是808，它与井眼稳定的临界Z值差别是较大的，一定要区别开来。
根据上述三个约束条件，Et≥50％、Ca＜9％、Z≤井眼稳定的临界Z值，来进行钻井液流变参数的优选，就可以使钻井液满足安全、优质、稳定、快速地钻井的需要。
附件一 标准的喷嘴尺寸及面积
附件二．中国海上常用钻井泵的泵压和排量
表4－23（2） 海上常用三缸泵的泵压（psi）和排量（gal／stroke）表
参 考 文 献
1．《DRILLING MANUAL》（钻井手册）第十、第十一版， IADC
2．《Rules－of－Thumb for the Man on the Rig》，Murchison Drilling Schools钻井监督培训教材，第二版
3．“金刚石钻头技术函授班教材”第一期至第八期，川石·克里斯坦森金刚石钻头有限公司
4．D．H．Zijsling & Roland Illerhaus，Eggbeater PDC Drill bit Design Eliminates Balling in Water-Based Drilling Fluids，SPE，Drilling & Completion，Dec 1993
5．K．Myhre，Application of Bicenter Bits in Well-Deeping Operations，IADE/SPE 19921 6．《MUD FACTS ENGINEERING HANDBOOK》，MILPARKTM DRILLING FLUIDS，A Baker Hughes Company
7．徐云英主编《实用钻井工程》，中国石油天然气总公司情报研究所，1989年11月 8．《钻井手册》（甲方）上册，石油工业出版社，1990年 9．《江汉钻头使用手册》，江汉石油管理局钻头厂编，1992年
10．〝World Oil’s 1995 Drill Bit Classifier〞，World Oil／September 1995
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