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1、 d:My Documents动画与图片钻头钻进图.swf d:My Documents动画与图片钻进钻柱弯曲示意图.swf d:My Documents动画与图片钻头振动图.swf 牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理 金刚石钻头及其破岩原理金刚石钻头及其破岩原理 钻头的正确使用钻头的正确使用 内容 牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理 (1)用途 牙轮钻头是使用最广泛的钻头，适 用于从软到硬的各种地层。牙轮钻头破岩 时扭矩小，转动平稳，对钻具及地面设备 的危害小；工作刃较刮刀钻头长，减少了 磨损，延长了使用寿命。但结构较复杂， 制造较刮刀钻头困难，成本较高。 (2)牙轮钻头的分类
2、牙轮钻头有单牙轮钻头、双牙轮钻头 、三牙轮钻头、多牙轮钻头等。其中使用 最多的是三牙轮钻头，它的三个牙轮锥体 按120o夹角对称分布。牙轮钻头还可分为 全面钻进牙轮钻头、取心牙轮钻头、铣齿 牙轮钻头、镶齿牙轮钻头、滚动轴承牙轮 钻头、滑动轴承牙轮钻头等。 (3)结构及组成 牙轮钻头的基本组成是钻头体。巴掌 （牙爪）、牙轮、轴承、水眼（喷嘴）、储 油密封润滑系统。 三牙轮钻头 a.钻头体与巴掌 钻头体上部车有螺纹与钻具相连，下 部带有三个巴掌与牙轮的轴颈相连，起支 撑牙轮的作用。钻头体的底端中部镶焊水 眼板或安装喷嘴。根据钻头体与巴掌的连 接情况可将其分为有体式和无体式钻头。 有体式钻头是钻头体
3、与巴掌分别制造 ，然后将巴掌焊接在钻头体下侧的钻头。 该种钻头直径一般在 346mm以上，其上部 螺纹绝大多数为内螺纹。无体式钻头是巴 掌与三分之一钻头体做成一体，然后将加 工好并装接上牙轮的三部分合焊起来的钻 头。该钻头直径一般在311mm以下，其上 部绝大多数为外螺纹。 牙轮在牙爪轴颈上的固定是在牙轮 与轴颈组装好后，通过牙爪下侧背部的 斜孔投入滚珠来完成的，最后插人销子 并焊死。 b.牙轮 牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成 与轴颈相对应的滚动体跑道或滑动摩擦面的 锥体。分单锥与多锥两种结构。单锥牙轮是 指仅有主锥和背锥两个不同锥度的牙轮。该 牙轮适用于硬及研磨性较高的地层。复锥牙 轮是
4、指除主、背锥外还有12个副锥的牙轮 。该牙轮适用于软及中硬地层。 c.牙齿 牙齿是钻头破岩的主要元件，要求其 破岩效率高和工作寿命长。为此，牙齿既 要耐磨，又要有足够的强度，还要有合理 的几何外形。牙轮钻头的牙齿有铣齿（钢 齿）、镶齿（硬合金齿）两种。 (a)铣齿 铣齿是由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿 。这种钻头叫铣齿钻头。铣齿断面形状主要 是楔形。铣齿的齿形参数主要有齿尖角、齿 高、齿顶削平度（钝度）和外排齿形等。 齿尖角是牙齿横断面上两边界的夹角。 为了利于吃入地层，其值应小些，但太小则影 响强度。一般软地层阻力小，强度要求不高， 为了加快钻速，齿尖角应比硬地层小些。齿尖 角的常用范围，软地
5、层为38o40o；中硬地层 为40o42o；硬地层为42o45o。 齿尖角 齿高是齿根到齿页的距离。一般齿 越高吃入地层越深，钻进效率越高，但太 高易使牙齿蹩断。因此，不同岩性地层的 破岩阻力不同，齿高不同，软地层要比硬 地层高些。 齿高 齿顶削平度即齿尖的宽度。软地层 为加快钻速，宽度要小些；硬地层为保 证强度，宽度要大些。同时，还要根据 钻头大小而定，一般小钻头齿尖宽度为0 751mm；大钻头齿尖宽度为2mm。 齿顶削平度 牙齿的排布方式。牙齿在轮壳上的 排列布置方式是影响钻进效率的重要因 素。布齿时首先保证钻头每转一圈牙齿 全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起 部分。根据岩性不同牙轮上 齿
6、圈的排列 有自洗式和非自洗式。 非自洁式又称重叠式，其特点是各牙轮 上可任意布置齿圈，不受相邻牙齿的影响， 故可加密齿圈。重叠式牙轮钻头适应于硬及 研磨性较高的地层。 牙齿的加硬。钻进中，在钻头破碎岩石 的同时牙齿逐渐被磨损，影响牙齿磨损的主 要因素是地层岩石的研磨性、钻井技术参数 、牙齿材料与齿形、加工工艺技术等。 为了提高铣齿钻头的工作寿命，通 常要对铣齿进行加硬，即在钻头牙齿的 工作面上加焊一层硬质合金粉。两侧堆 焊抗磨力强，适用于研磨性较高的地层 ；一侧堆焊牙齿则能在不断磨损中保持 自锐。 (b)镶齿（硬合金齿） 镶齿钻头是将硬合金材料加工成一定 形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳的钻头上
7、。由于牙齿硬度高、耐磨性强，故能适应 于坚硬及高研磨性地层。目前的镶齿钻头 已适应于从坚硬地层到软地层的不同地层 。镶齿的齿形是指牙齿出露在轮壳以外部 分的形状与高度。镶齿齿形一般有楔形、 锥形、球形、三棱形和抛射体形等。 d.牙轮钻头的轴承 决定钻头工作寿命最关键的因素是轴 承。通常轴承先于钻头牙齿及其他部分而 报损（称为轴承的先期损坏），密封润滑 的滑动轴承钻头大大提高了牙轮钻头的使 用寿命。目前普遍使用的是硬质合金齿喷 射式密封滑动轴承牙轮钻头。 (a)普通轴承（滚动不密封轴承） 牙轮钻头的普通轴承由牙爪轴颈、牙 轮内腔、滚动体组成。在牙轮内腔及轴颈上 加工了相对应的三个不同尺寸的滚动体
8、跑道 ，构成三副轴承。大轴承主要承受由钻压引 起的径向载荷，小轴承起扶正及承受少量径 向载荷的作用，中间的滚珠轴承主要起锁紧 定位作用，它将牙轮及牙爪轴颈锁在一起并 承受部分轴向载荷。 此外，还有两道承受牙轮轴向载荷 的止推轴承，即小轴端部为第一道止推轴 承，它由小轴端部堆焊耐磨合金，并在牙 轮内腔相对应部位镶装耐磨合金；小轴颈 底端的台肩面为第二道止推轴承，它在小 轴颈底端的台后面堆焊耐磨合金，同时也 在牙轮内腔相对应部位镶装耐磨合金。 常用的轴承结构有：滚柱轴承一滚珠轴承 一滑动轴承和滚柱轴承一滚珠轴承一滚柱轴承 两种。前种结构多用在直径 152244mm的小 尺寸钻头中，后一种结构多用在
9、直径244 mm以 上的大尺寸钻头中。普通轴承由于没有密封装 置，当钻头在井内工作时，洗井液与泥砂极易 进人牙轮内腔，很快将轴承腔内的润滑脂冲蚀 掉，加剧了轴承磨损，导致普通牙轮钻头工作 寿命很短。 (b) 轴承的储油密封润滑 牙轮钻头轴承的储油密封润滑结构是 在一牙轮巴掌的组合体上增加一套储油密 封系统。它由轴承腔的压力补偿系统和密 封元件等组成。其作用是将牙轮内腔与外 界的洗井液分开，并在钻头工作时，随时 向轴承腔补充润滑脂，从而改善轴承的工 作条件。 (c) 滑动轴承 滑动轴承钻头主要是指滑动轴承取 代大轴滚柱轴承的牙轮钻头。其结构为滑 动轴承一滚珠轴承一滑动轴承。滑动轴承 把牙轮轴颈与
10、滚柱的线接触改变成滑动摩 擦面间的面接触，承压面积大大增加，比 压大大减小。同时，不存在滚柱对轴颈的 冲击作用。由于去掉了滚柱就可以把轴颈 尺寸加大，牙轮壳体增厚，这样提高了整 个轴承的强度，从而有利于增大钻压，大 大提高了钻头的工作寿命。 常用的滑动轴承有轴颈轴承、带固 定村套的滑动轴承和带浮动式衬套的滑 动轴承以及简易滑动轴承。 e.牙轮钻头的水眼 非喷射式钻头的水眼只起洗井液循环 通道的作用，而喷嘴不仅循环洗井液，还 能把洗井液转化为高速射流。普通钻头在 软地层钻进时，为了防止钻头泥包，从水 眼流出的洗井液均直接冲在牙轮上。喷射 式钻头的水眼方向是使洗井液直射两牙轮 间的井底。 (4)牙
11、轮钻头的工作原理 钻进中牙轮钻头在井底的运动及破 岩机理取决于钻头的结构、钻进参数配 合、井底状态等多方面的因素。为了能 够根据不同地层岩性，合理选择与使用 钻头，就必须了解牙轮钻头在井底的运 动及破岩机理。 a.牙轮钻头在井底的运动 牙轮钻头在井底的运动，决定着牙轮 与牙齿的运动，从而直接决定了牙齿对地 层岩石的破岩作用。钻头在井底的运动有 公转、自转、纵振、滑动。钻头在井底运 动的同时牙轮在井底的运动也有公转、自 转、纵振和滑动。 (a)公转 钻头绕井眼轴线的旋转运动叫钻头 的公转。其转速等于转盘或井下动力钻具 的旋转速度；钻头公转时，牙轮绕钻头轴 线所做的旋转运动称为牙轮的公转。牙轮 上
12、各外排牙齿绕钻头轴线旋转的线速度不 同，轮壳上最外排牙齿的线速度最大。 (b)自转 钻头绕其自身轴线所做的旋转运动 叫钻头的自转。其转速取决于钻具的转速 ；钻头旋转时，牙轮绕巴掌轴所做的与钻 头旋转方向相反的旋转运动称为牙轮的自 转。其转速取决于公转速度，并与牙齿对 井底的作用有关，牙轮的自转速度要比公 转速度快得多。牙轮的转动是岩石对牙齿 产生阻力作用的结果。 (c)纵振（轴向振动） 钻进中旋转钻头时，轮齿与井底的接触是单 双齿交替进行，单齿着地时，牙轮的轮心处于高位 置，双齿着地时则处于低位置。这样，就导致轮心 不停地上升下降，即牙轮的纵振。牙轮的纵振使整 个钻头沿轴向做上下往复运动，即钻
13、头的纵振，其 振幅就是轮心的垂直位移。振幅的大小与齿高、齿 距等钻头结构及岩性有关。在硬地层振幅较大，振 动严重，危害较大。除牙轮的单双齿交替与井底接 触导致的纵振外，还会因井底不平造成振幅较大的 振动。 (d)滑动 为了适应破碎不同岩石的需要，在钻头 工作时，使其产生一定的滑动。钻头的滑动就 是牙轮的滑动。通常情况下，软地层钻进时钻 头具有较大的滑动量；在硬地层及高研磨性地 层钻进时，所用钻头其滑动量要尽量减小，以 避免牙齿的迅速磨损。 钻头在井底工作时，上述四种运动同时 产生，钻头的运动是上述四种运动的复合运动 。 b.破岩的两种作用 牙轮钻头在钻压作用下破碎岩石是靠冲击压碎作 用和滑动剪
14、切用来完成的。 (a)冲击压碎作用 牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的轮 齿对岩石的冲击压碎作用是牙轮钻头破碎岩石的主要 方式。旋转钻头时，牙齿以一定的速度冲击压入岩石 ，牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。牙齿作 用在岩石上的轴向载荷包括静压及冲击载荷。 牙轮钻头破岩时，牙齿对岩石的 冲击载荷越大，冲击次数越多，钻头破 岩效率越高。但转速太快必然大大缩短 牙齿与岩石的接触时间，要保证接触时 间大于岩石破碎所需的时间，才能有效 破碎岩石。 (b)滑动剪切作用 牙轮钻头工作时，由于摩擦阻力的影 响使其在井底产生滑动，而且转速越快， 滑动量越大，对岩石的剪切破碎作用越大 。此外，牙齿在轴向
15、压力作用下吃入地层 ，转动钻头时随着牙齿的移动而使已破碎 的岩石剔出，这一压入破碎其实质是剪切 破碎。 软及中硬地层中钻进，要求牙轮钻 头具有更大的滑动量以提高破岩效率。在 设计制造牙轮钻头时，通常采用具有超顶 、复锥、移轴结构的牙轮钻头以增大钻头 在井底工作时的滑动量。 超顶 所谓牙轮钻头的超顶是指牙轮的锥顶 超过钻头中心的现象。锥顶超过钻头中心 的距离叫做超顶距。牙轮的超顶距越大， 钻头的滑动剪切作用也越大。 复锥 复锥牙轮的副锥顶（延伸线）是超顶 的，主副锥顶间的距离叫锥顶距。锥顶距 越大或两个锥顶角的差值越大，钻头工作 时牙轮在井底产生的滑动量也越大。复锥 牙轮产生滑动的原因是复锥牙轮绕轴线转 动时线速度呈折线分布，其与钻头公转时 的合成速度不为零，从而产生滑动。 移轴 移轴是牙轮轴线沿水平方向移动一个 距离，三个牙轮的轴线不交于钻头中心， 而交成一个三角形，即为牙轮的移轴结构 。所交三角形的内切圆半径就是牙轮轴线 的平移距离，称为移轴距。移轴距越大， 钻头的滑动剪切作用也越大。 (5)牙轮钻头的产品系列 牙轮钻头是国内外钻井使用最多的钻 头，为满足不同深度、不同地层岩性、不 同井身结构等方面的要求，制定了
