铁人精神
“为国分忧、为民族争气”的爱国主义精神；
“宁可少活２０年，拼命也要拿下大油田”的忘我拼搏精神；
“有条件要上，没有条件创造条件也要上”的艰苦奋斗精神；
2.1 钻头
刮刀钻头
Dragbit
PDC 钻头
金刚石钻头Diamondbit 扩眼钻头Enlarging bit
牙轮钻头
Roller bit 取心钻头Annular bit
2.1.1 刮刀钻头
刮刀钻头
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。
二刮刀
三刮刀
四刮刀
§2-1-1 刮刀钻头 (Drag bit) 一、结构
§2-1-1 刮刀钻头 (Drag bit) 一、结构 二、结构参数 1.刀翼结构角 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。
φ
β ϕ α
保证刀翼结构有足够强度的情况 下，尽可能减小刃尖角 β 软岩石 β 平均10度 较硬岩石 β 平均12－15度 夹层多井又较深时还要适当增大
（2）切削角 α
刀翼前刃和水平面之间的夹角。
α 越大吃入深度越大
松软地层 软地层 中硬地层
α = 70
o
φ
b
α = 70o ~ 80o α = 80o ~ 85o
β ψα
（3）刃前角 φ 和刃后角 ψ 刃前角φ与切削角互为余角
φ = 90o − α
ψ =α − β
φ
β ψα
θ
2.刀翼几何形状 背部形状 抛物线型 底部形状 底刃b 材质： 高强度材质，刀翼侧面、正面镶 装或平铺硬质合金及孕镶金刚石 块，提高耐磨性
φ
b
刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应 逐渐增厚，呈抛物线形。
β ψα
三、刮刀钻头破岩基本原理
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。
三、刮刀钻头破岩基本原理 1.塑性岩石
W
T
θ
刮刀钻头以切削方 式破碎岩石。
刮刀钻头 在软的塑性地层工作 时，其切削过程类似于 刀具切削软金属。
刀片 在钻压的作用下吃入地 层，与此同时刀刃前面 的岩石在扭转力的作用 下不断产生塑性流动， 井底岩石被层层剥起。
2、破碎塑脆性岩石
刮刀钻头钻进脆性较大的地层时，破碎岩石的过程则分为碰撞、压碎 及小剪切和大剪切三个阶段： （1）碰撞 刃前岩石被破碎后，岩石对刀片的扭转阻力减小，刀片向前推进，碰 撞刃前岩石； （2）压碎及小剪切 刀片在扭转力的作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎； （3）大剪切 扭转力增大，刀片继续挤压 前方岩石，当扭转力增大到极限 值时，岩石沿剪切面产生大剪切 破碎，然后扭转力突然减小。
碰撞、压碎及小剪切、大剪 切这三个过程反复进行，形成刮 刀钻头破碎塑脆性岩石的全过 程。
§2-1-2 牙轮钻头 (Roller Bit)
单牙轮钻头 两牙轮钻头 三牙轮钻头 四牙轮钻头
牙 轮 钻 头 分 类
一 、 牙 轮 钻 头 的 结 构
牙轮钻头•结构：牙轮及牙齿、
轴承、储油润滑密封
系统、钻头水眼
•结构：牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、钻头水眼
•结构：牙轮及牙齿、轴承、储油润滑密封系统、钻头水眼
牙轮钻头的寿命：很大程度上取决于轴承的寿命
二、牙轮钻头的工作原理
D
bx
D
b
•3.牙齿对地层的剪切作用
剪切作用是通过牙轮的滑动来实现的；
（1）超顶：牙轮锥顶超过钻头轴心引起切向滑动，其大小与超顶距c成正比。
切向滑动→剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。
（2）移轴：牙轮轴线偏离钻头轴心
引起轴向滑动，其大小与偏移值s 成正比。
轴向滑动→剪切掉齿圈之间的岩石；
（3）复锥：牙轮母线有两个不同的锥度
4.牙轮钻头的自洗
三、牙轮钻头的发展
1909：第一个牙轮钻头问世
1925：自洗式牙轮钻头
1933：滚动轴承三牙轮钻头
1935：移轴三牙轮钻头,钻速提高30％
1930_1948：普通水眼
1949：jet drilling
1951：镶硬质合金球齿钻头
1960：密封润滑轴承，寿命提高30—40％
金刚石钻头
--钻头中的战斗机
一、天然金刚石钻头（Diamond bit)
特点：镶嵌有金刚
石，适用于研磨性强
的地层
金刚石特点：高耐
磨、自锐作用、高温
碳化
破岩原理：研磨作用
1、金刚石钻头的结构
聚晶金刚石层＋碳化钨底层＋柱状体部→切削元件（块）
切削机理：以切削
方式破岩（1）钢体
（2）胎体(碳化钨)
（1）冠部几何形状
①双锥阶梯形剖面
适用于软到中硬地层(硬石膏、泥岩、砂岩、灰岩等)；
②双锥形剖面
适用于较硬、致密地层(较硬的砂岩、石灰岩、白云岩等)；
③“B”型剖面
适用于硬地层(硬砂岩、致密的白云岩等)；
④脊圈式B型剖面
适用于坚硬地层(石英岩、燧石、火成岩等)。
（2）水眼及水槽
①逼压式水槽结构
②辐射型水槽结构
③辐射型逼压式水槽
④螺旋型水槽结构
（3）金刚石在钻头工作面上的排列有三种常见方式：
①交错排列方式；②圆周排列方式；③脊圈排列方式。
交错排列方式适用于软到中硬地层的钻头，圆
周排列方式适用于金刚石粒度较小、出刃较低的
硬地层钻头，脊圈式排列方式适用于金刚石粒度
更细、出刃更低的坚硬地层钻头。
2、天然金刚石钻头破岩原理
天然金刚石钻头
（1）硬地层在压力作用下呈现塑性
（2）塑性地层（岩石在应力作用下呈现塑性）在扭矩作用下，使前方岩石内部发生
破碎或塑性流动（蠕变）形成岩屑
（3）脆性地层：以剪力和张力破碎岩石脆性破坏（4）坚硬岩石：磨成粉末
金刚石钻头适用于钻中到坚硬、研磨性地层和涡轮钻井、深井超深井钻井以及取芯作业。
使用金刚石钻头前，井底要打捞干净，保证没有金属落物。
钻头刚下到井底时，要先用小钻压、低转速跑合。
然后采用相对较低的钻压（和牙轮钻头相比），较高的转速和较大的排量钻进。
应尽量避免划眼。
如果必须进行划眼，应采用低钻压和低转速，操作要均匀，防止钻头规径部分金刚石碎裂和过度磨损。
3、天然金刚石钻头的正确使用
二、
PDC钻头
Polycrystalline Diamond Compact bit
聚晶金刚石层＋碳
化钨底层＋柱状体
部→切削元件
（块）
破岩机理：以切削
方式破岩
1、结构
PDC 钻头
Polycrystalline Diamond Compact bit
单齿式刮刀式组合式
刚体PDC钻头的整个钻头体都
采用中碳钢材料并采用机械制造工艺加工成形。
在钻头工作面上钻孔，以压入紧配合方式将PDC切削齿固紧在钻头冠部。
钻头冠部采用表面硬化工艺（喷涂碳化钨耐磨层、渗碳等）进行处理，以增强其耐冲蚀能力。
这种钻头的主要优点是制造工艺简单；缺点是钻头体不耐冲蚀，切削齿难以固牢，目前应用较少。
胎体PDC钻头的钻头体上部为钢体，下部为碳化钨耐磨合金胎体，采用粉末冶金烧结工艺制造成型。
用低温焊料将PDC切削齿焊接在胎体预留窝槽上。
碳化钨胎体硬度高，耐冲蚀，因而胎体PDC钻头寿命长，进尺高，目前应用比较广泛。
2、钻头的切削齿材料
天然金刚石
PDC: 聚晶金刚石复合片
TSP: 热稳定聚晶金刚石
•金刚石优点：
-最硬、抗压强度最大、抗磨能力最高
•金刚石缺点：
-脆性大，遇到冲击会引起破裂
-热稳定性差，高温下会燃烧。
（455-860℃碳
化）。