钻井工程2-岩石力学及破岩原理

1、第二章第二章 岩石力学与破岩原理岩石力学与破岩原理第一节第一节 岩石的力学性质岩石的力学性质第二节第二节 岩石的研磨性与可钻性岩石的研磨性与可钻性第三节第三节 钻头破岩方式与钻头分类钻头破岩方式与钻头分类第四节第四节 刮刀钻头及其破岩原理刮刀钻头及其破岩原理第五节第五节 牙轮钻头及其破岩原理牙轮钻头及其破岩原理第六节第六节 金刚石钻头及其破岩原理金刚石钻头及其破岩原理 岩石岩石就是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的就是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的集合体。集合体。岩石力学岩石力学就是研究岩石在载荷作用下的应力、变形就是研究岩石在载荷作用下的应力、变形和破坏规律以及工程稳定性等问

2、题。和破坏规律以及工程稳定性等问题。 油气钻井的目的就是油气钻井的目的就是破碎岩石形成井眼破碎岩石形成井眼，获取地层地质，获取地层地质资料，并将油气引导出来。资料，并将油气引导出来。 破岩工具作用下的破岩工具作用下的岩体内部岩体内部处于多向应力状态，欲达到处于多向应力状态，欲达到破碎岩石获得进尺的目的，就必须：一是选择高质量的破岩破碎岩石获得进尺的目的，就必须：一是选择高质量的破岩工具，二是使钻头施加于岩石的外力超过其极限值。工具，二是使钻头施加于岩石的外力超过其极限值。 显然，研究岩石在各种应力状态下的显然，研究岩石在各种应力状态下的力学性质力学性质和和机械性机械性质质是基础，选择合适的是基

3、础，选择合适的钻头类型钻头类型则是其主要目的。则是其主要目的。引引 子子第一节第一节 岩石的力学性质岩石的力学性质1 Mechanical Properties of Rock岩石的力学性质通常包括两个方面：岩石的力学性质通常包括两个方面： 1、岩石的变形特征、岩石的变形特征 2、岩石的强度特征。、岩石的强度特征。岩石的变形特征：岩石的变形特征： 是指岩石在各种载荷作用下的变形规律（包括岩石的是指岩石在各种载荷作用下的变形规律（包括岩石的、粘性流动和破坏规律）。、粘性流动和破坏规律）。岩石的强度特征：岩石的强度特征： 是指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力（强度是指岩石在载荷作用下开始破坏时

4、的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破极限）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和破坏规律。坏的能力和破坏规律。 一、岩石的应力一、岩石的应力应变曲线应变曲线 岩石的变形特征和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴岩石的变形特征和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴试验机上所得到的应力一应变曲线来描述。试验机上所得到的应力一应变曲线来描述。 图图2-1是采用刚性试验机，是采用刚性试验机， 对圆形岩样进行轴向压缩试对圆形岩样进行轴向压缩试验，在加载速度充分适应于试件变形速度的条件下，所得到验，在加载速度充分适应于试件变形速度的条件下，所得到的的岩石典型应力岩石典

5、型应力应变曲线应变曲线。 OA：岩石裂隙逐渐被压实：岩石裂隙逐渐被压实AB：斜率为岩石的：斜率为岩石的 E B点点-屈服点屈服点BC：裂隙不稳定发展，先行破坏：裂隙不稳定发展，先行破坏CD：裂隙不稳定传播，岩石解体：裂隙不稳定传播，岩石解体 岩石的强度与应变形式有很大关系，只有在压缩情况下，岩石的强度与应变形式有很大关系，只有在压缩情况下，岩石才呈现出很大的强度。岩石才呈现出很大的强度。 岩石的规律是岩石的规律是: :抗压强度抗压强度抗剪强度抗剪强度抗弯强度抗弯强度抗拉强度抗拉强度 岩石岩石且且都会对都会对岩石的强度产生影岩石的强度产生影响，因此一般在实响，因此一般在实际应用时，必须对际应用时

6、，必须对具体的岩石进行必具体的岩石进行必要的强度试验，以要的强度试验，以获取比较准确可靠获取比较准确可靠的数据。的数据。 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 石石钢钢钢钢岩岩 石石卡卡 环环单轴抗拉伸强度试验单轴抗拉伸强度试验单轴抗压缩强度试验单轴抗压缩强度试验岩心柱岩心柱直径直径2.5-5.0cm高径比高径比2.5-3.0tc岩石岩石粘结力粘结力(MPa)内摩擦角内摩擦角()花岗石花岗石14-5045-60玄武岩玄武岩20-6050-55石灰岩石灰岩10-5035-50砂岩砂岩8-4035-50页岩页岩3-3020-35岩石的岩石的抗剪强度抗剪强度可用粘结力和岩石

7、的内摩擦角表示。可用粘结力和岩石的内摩擦角表示。 粘结力是指由分子引力引起的物体中相同组成的各部分粘结力是指由分子引力引起的物体中相同组成的各部分倾向于粘结在一起的一种力。岩石的内摩擦角是指岩石破坏倾向于粘结在一起的一种力。岩石的内摩擦角是指岩石破坏时极限平衡剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正时极限平衡剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正应力之间的夹角。应力之间的夹角。内摩擦角概念内摩擦角概念直接剪切试验直接剪切试验旋转组合旋转组合测力计测力计CntanCfn 1.常规应力三轴试验方法常规应力三轴试验方法 试件有四种：圆柱、圆筒、长方体、正方体。常规三轴应试件有四种：圆柱、圆筒、

8、长方体、正方体。常规三轴应力试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形力试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形的岩样置于一个高压容器中，的岩样置于一个高压容器中，首先用液压首先用液压 P使其四周处于三使其四周处于三向均匀压缩的应力状态下，然向均匀压缩的应力状态下，然后保持此压力不变，对岩样施后保持此压力不变，对岩样施加轴向载荷，直到使其破坏。加轴向载荷，直到使其破坏。 压缩试验施力方案：压缩试验施力方案： （ 1 2 = 3 = P ） 拉伸试验施力方案：拉伸试验施力方案： （ 1 2 = 3 = P ）三、复杂应力条件下岩石的强度三、复杂应力条件下岩石的强度3212.三轴

9、应力三轴应力下岩石的强度和变形的特点下岩石的强度和变形的特点 通常，岩石的通常，岩石的总应变量总应变量达到达到35时，就认为其已开始具有塑性性质或已达时，就认为其已开始具有塑性性质或已达到了脆到了脆- -塑的转变。塑的转变。 对于深井钻井来说，对于深井钻井来说，研究岩石从脆性到研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）具有重要塑性的转变点（或称临界压力）具有重要的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别利两种具有本质差别的破坏形式，需分别利用不同的破碎工具（不同结构的钻头类用不同的破碎工具（不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方

10、式（冲击、压碎、型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的组合。的组合。 因此，确定各类岩石的脆因此，确定各类岩石的脆- -塑性转变的塑性转变的“临界压力临界压力”将为设计、选择和合理使用将为设计、选择和合理使用钻头提供科学依据。钻头提供科学依据。 Von Karman应力应力-应变曲线应变曲线围压对岩石强度的影响（围压对岩石强度的影响（24）Homdin-Hager四、岩石的弹性四、岩石的弹性岩石的弹性常数岩石的弹性常数杨氏弹性模量杨氏弹性模量泊松比泊

11、松比 剪切弹性模量剪切弹性模量体积弹性模量体积弹性模量 确定岩石弹性常数的实验方法很多，主要有确定岩石弹性常数的实验方法很多，主要有1.静力法（静载压缩试验）静力法（静载压缩试验）2.动力法（声波法）动力法（声波法）)21(3)1(2EKEGE 前苏联学者史立涅尔分析了前苏联学者史立涅尔分析了圆柱形的平底压头圆柱形的平底压头静压入岩石静压入岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石“硬度硬度”（即抗（即抗压入强度）和塑性性质的一套方法。压入强度）和塑性性质的一套方法。 底径底径1-2mm505050mm压力机压力机上下要平整光滑上下要平整光滑“硬度硬度

12、”（即抗压入强度）（即抗压入强度）硬度：岩石在静止载荷下抗压入的能力。硬度：岩石在静止载荷下抗压入的能力。硬度的计算公式为：硬度的计算公式为： H=WS式中式中 H 岩石硬度，岩石硬度，MPa； W 垂直载荷，垂直载荷，N； S 压摸底面积，压摸底面积，mm2。 五、岩石的抗压入破碎强度五、岩石的抗压入破碎强度 粘土、软泥岩粘土、软泥岩 多属多属12级级 泥岩、砂质泥岩泥岩、砂质泥岩 多属多属34级级 泥灰岩、粉砂岩、泥质砂岩等泥灰岩、粉砂岩、泥质砂岩等 多属多属36级级 石灰岩、砂岩石灰岩、砂岩 多为多为48级级 石英岩、花岗岩、燧石等石英岩、花岗岩、燧石等 9级以上级以上 根据我国各油田石

13、油钻井中常遇到的地层，通过对大根据我国各油田石油钻井中常遇到的地层，通过对大量岩样进行测定，可将岩石的硬度分为十级。量岩样进行测定，可将岩石的硬度分为十级。 岩石的硬度和塑性系数通常用岩石的硬度和塑性系数通常用压入试验压入试验来确定。图来确定。图2-6给给出了岩石的压入试验曲线的三种典型形状。其纵坐标为压头出了岩石的压入试验曲线的三种典型形状。其纵坐标为压头上所加载荷，横坐标为吃入深度（压入深度）。上所加载荷，横坐标为吃入深度（压入深度）。 岩石产生岩石产生塑性变形的塑性变形的是由于是由于岩石内部矿岩石内部矿物及胶结物物及胶结物颗粒间的接颗粒间的接触面在外力触面在外力作用下发生作用下发生相对滑

14、移所相对滑移所致。用塑性致。用塑性系数系数K表示表示. .石英岩、花岗岩等石英岩、花岗岩等大理岩等大理岩等塑性泥岩、多孔砂岩等塑性泥岩、多孔砂岩等AWP 的面积的面积ODEOABCAAKEFK6塑性岩石塑性岩石一、岩石的研磨性一、岩石的研磨性 岩石磨损破岩工具的能力称为岩石磨损破岩工具的能力称为。 第二节第二节 岩石的研磨性与可钻性岩石的研磨性与可钻性2 Abrasive property and drill ability of rock 研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生等所造成的，等所造成的，属表面磨损属表面磨损。 这种研磨性

15、磨损除了与这种研磨性磨损除了与摩擦副摩擦副材料的性质（如化学组成和结材料的性质（如化学组成和结构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介质等因素。显然，这是尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介质等因素。显然，这是个十分复杂的问题。个十分复杂的问题。 研究方法：钻磨法、磨削法、微钻头钻进法、研究方法：钻磨法、磨削法、微钻头钻进法、摩擦磨损法摩擦磨损法。 史立涅尔史立涅尔等人用摩擦磨损法对各种岩石的研磨性等人用摩擦磨损法对各种岩石的研磨性进行了比较详尽的研究，得出了一些有实际应用价进行了比较详尽的研究

16、，得出了一些有实际应用价值的结果。值的结果。 摩擦磨损法摩擦磨损法即是确定一个转动的金属圆环在岩石即是确定一个转动的金属圆环在岩石表面上相互摩擦时的磨损量，表面上相互摩擦时的磨损量，以此作为度量岩石研磨性的指以此作为度量岩石研磨性的指标。研磨性系数：标。研磨性系数： PVs单位：单位：cm3/mN 史立涅尔法史立涅尔法 史立涅尔等分别以淬火钢、硬质合金为金属摩史立涅尔等分别以淬火钢、硬质合金为金属摩擦介质，对各种岩石进行了试验。试验结果表明：擦介质，对各种岩石进行了试验。试验结果表明： 盐岩、泥岩和一些碳酸盐岩盐岩、泥岩和一些碳酸盐岩属于研磨性最小的岩石；属于研磨性最小的岩石； 其次应为石灰岩

17、和白云岩其次应为石灰岩和白云岩等属低研磨性的岩石；等属低研磨性的岩石； 火成岩火成岩的研磨性一般属于中等或较高，要看这些岩石中的研磨性一般属于中等或较高，要看这些岩石中所含长石和石英成分的多少以及颗粒粒度和多晶矿物间的硬所含长石和石英成分的多少以及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，矿物间的硬度差度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物间的硬度差小的，研磨性也小些，反之则研磨性较高；小的，研磨性也小些，反之则研磨性较高； 含有刚玉矿物成分的岩石含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石；应属于高研磨性的岩石； 沉积碎屑岩沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其胶

18、结的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其胶结强度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越大的强度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越大的岩石岩石，其研磨性越高；反之其研磨性越高；反之，如果岩石中石英颗粒的含量少，如果岩石中石英颗粒的含量少，颗粒细，胶结强度低，其研磨性则较低。颗粒细，胶结强度低，其研磨性则较低。二、岩石的可钻性二、岩石的可钻性 现代岩石可钻性的概念：现代岩石可钻性的概念： 在一定技术条件下钻进岩石的难易程度在一定技术条件下钻进岩石的难易程度 钻进过程中抗破碎的强度钻进过程中抗破碎的强度 都涉及钻碎的对象、使用的工具、钻碎的难易性都涉及钻碎的对象、使用的工具、钻碎的难易性

19、 油气钻井工程中，可钻性一般理解为地层岩石破油气钻井工程中，可钻性一般理解为地层岩石破碎的难易性，由此把岩石分为碎的难易性，由此把岩石分为难钻的和易钻的难钻的和易钻的。 在有些情况下，可钻性可以确定岩石在井底抵抗在有些情况下，可钻性可以确定岩石在井底抵抗钻头破碎的能力。钻头破碎的能力。 （受深度、温度、压力、流体等影响）（受深度、温度、压力、流体等影响） 岩石的可钻性是个多变量的函数，这些变量包含有岩石的可钻性是个多变量的函数，这些变量包含有天然天然的、工艺的和技术性的、工艺的和技术性的因素。因此，到目前为止，适合于油的因素。因此，到目前为止，适合于油气钻井条件的岩石可钻性问题仍是个尚未彻底解

20、决的问题。气钻井条件的岩石可钻性问题仍是个尚未彻底解决的问题。但对岩石可钻性的正确评价又是确定但对岩石可钻性的正确评价又是确定最优钻井参数最优钻井参数、选择钻选择钻头类型、预测钻井效果头类型、预测钻井效果以及以及规定钻井工作定额规定钻井工作定额时所必需的。时所必需的。 可钻性直接与岩石的硬度有关，它可用岩石的硬度来表可钻性直接与岩石的硬度有关，它可用岩石的硬度来表示。我国油田的地层相应于牙轮钻头将岩石硬度分为七类：示。我国油田的地层相应于牙轮钻头将岩石硬度分为七类：极软极软 JR，软软R，中软中软 ZR，中等中等 Z，中硬中硬 ZY，硬硬 Y，极硬极硬 JY。 极软极软 JR和和R地层地层 也

21、可用刮刀钻头钻进也可用刮刀钻头钻进 极硬极硬JY地层地层 也可用金刚石钻头钻进也可用金刚石钻头钻进 牙轮钻头可用于这七种类型，对应地层选择使用牙轮钻头可用于这七种类型，对应地层选择使用可钻性极值：可钻性极值：Kd=log2td一、钻头破碎岩石方式一、钻头破碎岩石方式 目前钻井所使用的钻头类型很多，其破碎岩石的工作原理目前钻井所使用的钻头类型很多，其破碎岩石的工作原理与方式有以下三种：与方式有以下三种：1）切削）切削 利用轴向压力使破碎工具吃入岩石，利用轴向压力使破碎工具吃入岩石， 随着钻头的旋随着钻头的旋转转，岩石在挤压下破碎，而后进行切削，其方式类似金属切削。岩石在挤压下破碎，而后进行切削，

22、其方式类似金属切削。2）冲压）冲压 利用轴向载荷使岩石在冲击和挤压作用下达到破碎。利用轴向载荷使岩石在冲击和挤压作用下达到破碎。3）研磨）研磨 利用抗磨性好的材料，在一定压力和适当的转速下，利用抗磨性好的材料，在一定压力和适当的转速下，对岩石进行研磨破碎。对岩石进行研磨破碎。 第三节第三节 钻头破岩方式与钻头分类钻头破岩方式与钻头分类 3 Classification of bits此外还有水射流破岩方式此外还有水射流破岩方式 其实，这三种破岩方式中，对岩石的作其实，这三种破岩方式中，对岩石的作用形式主要是用形式主要是压挤和切削。压挤和切削。 实际上钻头在井内破碎岩石钻进时，这实际上钻头在井内

23、破碎岩石钻进时，这三种破岩方式都有，只是根据岩石的强度和三种破岩方式都有，只是根据岩石的强度和钻头类型以某种破碎方式为主而已。钻头类型以某种破碎方式为主而已。 1）塑性岩石塑性岩石一般强度较小，钻头以切一般强度较小，钻头以切削破碎为主。削破碎为主。 2）塑脆性和脆性岩石塑脆性和脆性岩石一般强度较高，一般强度较高，以冲击和压挤破碎为主。以冲击和压挤破碎为主。 3）对强度和硬度都很大的岩石对强度和硬度都很大的岩石，则以，则以研磨破碎为主。研磨破碎为主。 钻头是钻进破碎岩石的基本工具，钻头钻进效果的好坏，钻头是钻进破碎岩石的基本工具，钻头钻进效果的好坏，直接影响能否直接影响能否多快好省多快好省地钻成

24、油气井。钻头破碎岩石效果的地钻成油气井。钻头破碎岩石效果的高低，主要用单只钻头的高低，主要用单只钻头的机械钻速机械钻速和和进尺进尺两个指标来衡量。两个指标来衡量。 机械钻速机械钻速纯钻进单位时间内的进尺。纯钻进单位时间内的进尺。 钻头进尺钻头进尺钻头在井底工作从全新到完全磨损不能再用钻头在井底工作从全新到完全磨损不能再用的全部时间内所取得的进尺。的全部时间内所取得的进尺。 机械钻速、钻头进尺之间的关系如下机械钻速、钻头进尺之间的关系如下: Vm=H/t m/h式中：式中： Vm 一只钻头的平均机械钻速，一只钻头的平均机械钻速，m/h； H 一只钻头的钻头进尺，一只钻头的钻头进尺，m； t 一只

25、钻头的工作时间，一只钻头的工作时间，h。 机械钻速机械钻速反映钻头破碎岩的效率，反映钻头破碎岩的效率，钻头进尺钻头进尺反映钻头使用的耐久性。反映钻头使用的耐久性。 要求：要求：钻头钻速高、进尺多，也就是钻井速度快，钻井时钻头钻速高、进尺多，也就是钻井速度快，钻井时间短，这样也就降低了钻井的成本。间短，这样也就降低了钻井的成本。二、钻头破岩方式与钻头分类二、钻头破岩方式与钻头分类破岩方式破岩方式适应岩石适应岩石钻钻 头头 类类 型型切切 削削塑性岩层塑性岩层刮刀钻头刮刀钻头 PDC钻头钻头压压 碎碎脆性岩层脆性岩层牙轮钻头牙轮钻头 研研 磨磨硬硬 岩岩 层层金刚石钻头金刚石钻头水射流水射流松软岩

26、层松软岩层射流功率强的钻头射流功率强的钻头第四节第四节 刮刀钻头及其破岩原理刮刀钻头及其破岩原理4 Drag bit 刮刀钻头为刮刀钻头为切削型钻头切削型钻头，适用于软塑性岩层。这，适用于软塑性岩层。这种钻头体上镶焊有几个刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐种钻头体上镶焊有几个刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐磨的硬质合金材料，根据塑性岩石软硬的特点，刮刀磨的硬质合金材料，根据塑性岩石软硬的特点，刮刀钻头有两翼的（鱼尾钻头）、三翼的和四翼的，最常钻头有两翼的（鱼尾钻头）、三翼的和四翼的，最常用的为用的为三翼刮刀钻头三翼刮刀钻头。 三翼刮刀钻头三翼刮刀钻头 刮刀钻头是刮刀钻头是中最早使用的一种钻头。它中最早使用的

27、一种钻头。它结构简结构简单，制造方便，成本低廉，在泥岩和页岩等松软地层中使用单，制造方便，成本低廉，在泥岩和页岩等松软地层中使用可以得到很高的机械钻速和钻头进尺。可以得到很高的机械钻速和钻头进尺。 刮刀钻头因其承压面积大，钻头刀刃磨损快，主要应用刮刀钻头因其承压面积大，钻头刀刃磨损快，主要应用在在第四纪和第三纪软塑性地层第四纪和第三纪软塑性地层，遇硬地层或软硬交错地层，遇硬地层或软硬交错地层，钻头刀刃吃入岩石困难，急剧磨损，钻进效率很低。钻头刀刃吃入岩石困难，急剧磨损，钻进效率很低。 我国在刮刀钻头的研制和使用上取得了突出的成果：我国在刮刀钻头的研制和使用上取得了突出的成果： 六十年代初期六十

28、年代初期出现了千米刮刀钻头出现了千米刮刀钻头 七十年代初期七十年代初期在不少油田创造了两千米刮刀钻头在不少油田创造了两千米刮刀钻头 八十年代八十年代胜利油田用金刚石刮刀钻头单只钻头进尺胜利油田用金刚石刮刀钻头单只钻头进尺达到达到313587m，创造了国内外刮刀钻头进尺的最高记录。，创造了国内外刮刀钻头进尺的最高记录。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.刀翼结构角刀翼结构角 刀翼的结构角包括：刃尖角刀翼的结构角包括：刃尖角、切削角、切削角 、刃前角、刃前角 和刃后和刃后角角 ，如图，如图27所示。所示。 刃尖角刃尖角：是刀翼尖端前后刃之间的夹角是刀翼尖端

29、前后刃之间的夹角，它表示刀翼的尖锐程度。它表示刀翼的尖锐程度。 从吃入岩石和提高钻速方面来考虑，从吃入岩石和提高钻速方面来考虑，角应角应越小越好，但因越小越好，但因角过小时刀翼强度难以保角过小时刀翼强度难以保证，所以确定证，所以确定角的原则一般是在保证刀翼角的原则一般是在保证刀翼有足够强度的条件下，尽可能减小有足够强度的条件下，尽可能减小角。角。 角的确定原则：角的确定原则：一般岩石软时，一般岩石软时， 角可以角可以稍小，平均稍小，平均角为角为10左右，甚至可小到左右，甚至可小到89；岩石较硬；岩石较硬， 角要适当增大角要适当增大，平平均均角为角为1215； 图图2-7 刀翼结构角刀翼结构角b

30、切削角切削角：是刀翼前刃和水平面之间的夹角。是刀翼前刃和水平面之间的夹角。 其它条件一定时，其它条件一定时， 角越大，吃人深度越深，但若角越大，吃人深度越深，但若 角过大，刃前岩石角过大，刃前岩石剪切破碎困难，钻进时的蹩劲大。剪切破碎困难，钻进时的蹩劲大。 角的大小应根据岩石性质来确定，一般软地层角的大小应根据岩石性质来确定，一般软地层角取小一些，硬地层角取小一些，硬地层角取大一些。角取大一些。 根据不同岩性，根据不同岩性， 角所取数值为：角所取数值为： 松软地层松软地层 = 70o 软地层软地层 70o80o 中硬地层中硬地层 80o85o刃前角、刃后角刃前角、刃后角 刃前角刃前角 90 刃

31、后角必须大于井底角（和井眼轴线垂直的刃后角必须大于井底角（和井眼轴线垂直的平面与实际井底平面间的夹角平面与实际井底平面间的夹角 ），如果刃后），如果刃后角小于井底角，角小于井底角， 刀翼以正螺旋面吃入和切削地刀翼以正螺旋面吃入和切削地层，层， 刀翼背部将直接和井底接触，这将增加刀刀翼背部将直接和井底接触，这将增加刀翼承压面，影响钻速。翼承压面，影响钻速。图图2-7 刀翼结构角刀翼结构角b2.刀翼几何形状刀翼几何形状 刀翼背部的合理几何形刀翼背部的合理几何形状应满足状应满足等强度条件等强度条件。 钻头工作时，刀翼受力钻头工作时，刀翼受力类似一悬臂梁。根据理论类似一悬臂梁。根据理论分析，刀翼背部应

32、做成抛分析，刀翼背部应做成抛物线形状，即刀翼的宽度物线形状，即刀翼的宽度一定一定(为钻头直径的一半为钻头直径的一半)，刀翼的厚度随距刀刃的距刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应逐渐增厚，呈抛离增加应逐渐增厚，呈抛物线形。物线形。 a a、刀翼背部、刀翼背部图图2-7 刀翼结构角刀翼结构角b刀翼底部形状：刀翼底部形状：平底、正阶梯、反阶梯、反锥形。平底、正阶梯、反阶梯、反锥形。 平底刮刀钻头平底刮刀钻头形成的井底只有一个裸露自由面，而阶梯形成的井底只有一个裸露自由面，而阶梯刮刀钻头（阶梯数一般取两阶梯和三阶梯）形成井底的自由刮刀钻头（阶梯数一般取两阶梯和三阶梯）形成井底的自由面较多。因此，在功率一定的

33、情况下，阶梯刮刀钻头机械钻面较多。因此，在功率一定的情况下，阶梯刮刀钻头机械钻速比平底刮刀钻头要快。速比平底刮刀钻头要快。b、刀翼底部、刀翼底部 就阶梯形刮刀钻头而言，正、反阶梯刮刀钻头就阶梯形刮刀钻头而言，正、反阶梯刮刀钻头的实际钻进效果也是不同的。的实际钻进效果也是不同的。 正阶梯正阶梯 外缘的线速度大，易磨成锥形，钻头效外缘的线速度大，易磨成锥形，钻头效率降低并引起钻头缩径，容易造成卡钻、蹩泵和井率降低并引起钻头缩径，容易造成卡钻、蹩泵和井斜，重新下钻时必须进行斜，重新下钻时必须进行，不利于提高钻速。，不利于提高钻速。 反阶梯反阶梯 该刮刀钻头虽然在一定程度上能够解决该刮刀钻头虽然在一定

34、程度上能够解决缩径问题，但蹩钻严重，有时甚至把缩径问题，但蹩钻严重，有时甚至把“外阶外阶”蹩断。蹩断。 反锥形刮刀钻头反锥形刮刀钻头 是根据反阶梯的优点设计的，是根据反阶梯的优点设计的，不仅能较好地保持钻头直径，而且由于锥形井底对不仅能较好地保持钻头直径，而且由于锥形井底对钻头的扶正而具有防斜作用。钻头的扶正而具有防斜作用。 刀翼底刃的厚度刀翼底刃的厚度b（图（图27）要适当，）要适当，过薄，刃尖易折过薄，刃尖易折断；过厚，增加承压面积，影响吃人深度。从断；过厚，增加承压面积，影响吃人深度。从等磨损等磨损观点考观点考虑，底刃一般做成内薄外厚。虑，底刃一般做成内薄外厚。 刀翼长度不要过长，刀翼长

35、度不要过长，加长刀翼加长刀翼固然可以增加刀翼的可磨损量，从固然可以增加刀翼的可磨损量，从而增加钻头进尺，但刀翼过长，水而增加钻头进尺，但刀翼过长，水眼至井底的距离增大，使射流对井眼至井底的距离增大，使射流对井底的冲击力减小，不利于清洁井底底的冲击力减小，不利于清洁井底和破碎地层。目前国内各油田刀翼和破碎地层。目前国内各油田刀翼的磨损长度一般设计为的磨损长度一般设计为50-70mm，如果正常磨损，可不必设计这么长。如果正常磨损，可不必设计这么长。 c、刀翼底刃厚度、长度、刀翼底刃厚度、长度图图2-7 刀翼结构角刀翼结构角b 为提高刮刀钻头的为提高刮刀钻头的耐磨性能耐磨性能，要在刀翼上焊硬质合金材

36、料，要在刀翼上焊硬质合金材料，常用的硬质合金是钨钢硬质合金块（俗称钨钢块）和碳化钨粉常用的硬质合金是钨钢硬质合金块（俗称钨钢块）和碳化钨粉（俗称钨钢粉）。方法：在刀片的正面（俗称钨钢粉）。方法：在刀片的正面表镶矩形硬质合金块再表镶矩形硬质合金块再堆焊碳化钨粉，堆焊碳化钨粉，形成硬表层以提高耐磨性；也可采用刨槽或钻形成硬表层以提高耐磨性；也可采用刨槽或钻孔嵌镶硬质合金块的方法，这种方法优点是容易焊牢硬合金块，孔嵌镶硬质合金块的方法，这种方法优点是容易焊牢硬合金块，缺点是使刀片增厚变钝。缺点是使刀片增厚变钝。 设计和制造刮刀钻头时，既要考虑到钻头有高的破碎效率，设计和制造刮刀钻头时，既要考虑到钻头

37、有高的破碎效率，提高提高，又要考虑钻头具有一定的耐磨性，使钻头获得，又要考虑钻头具有一定的耐磨性，使钻头获得较高的较高的。因此，保证钻头在工作过程中各部分均匀磨损是因此，保证钻头在工作过程中各部分均匀磨损是一个十分重要的问题。目前国内一般选择高强度一个十分重要的问题。目前国内一般选择高强度材质作为刀翼材料，在刀翼侧面、刀翼正面镶装材质作为刀翼材料，在刀翼侧面、刀翼正面镶装或平铺硬质合金及孕镶金刚石（或人造金刚石）或平铺硬质合金及孕镶金刚石（或人造金刚石）块等方法来提高刮刀钻头的耐磨性。块等方法来提高刮刀钻头的耐磨性。 二、刮刀钻头破碎岩石的基本原理二、刮刀钻头破碎岩石的基本原理 刮刀钻头刀翼在

38、钻压刮刀钻头刀翼在钻压W和扭转力和扭转力T的作用下，以正螺旋的作用下，以正螺旋面吃人切削地层，井底平面与水平面成面吃人切削地层，井底平面与水平面成角。角。 设设W力和力和T力的合力为力的合力为R，R可分解为与剪切面垂直的分可分解为与剪切面垂直的分力力N和与剪切面平行的分力和与剪切面平行的分力 F，根据摩尔强度理论，如果忽，根据摩尔强度理论，如果忽略摩擦力，当略摩擦力，当 F力等于或大于剪切面力等于或大于剪切面积与岩石抗剪极限强度乘积时，岩石积与岩石抗剪极限强度乘积时，岩石沿剪切面破碎如图沿剪切面破碎如图28所示。所示。刮刀钻头破碎刮刀钻头破碎塑性塑性和和塑脆性塑脆性岩石岩石时破碎特点是不同的。

39、时破碎特点是不同的。1.塑性岩石塑性岩石 塑性岩石硬度小，刮塑性岩石硬度小，刮刀钻头在钻压刀钻头在钻压W的作用下的作用下容易吃入地层，刃前岩石容易吃入地层，刃前岩石在扭转力在扭转力 T作用下不断产作用下不断产生生塑性流动，塑性流动，如图如图2-9 所所示。由于破碎岩石是在力示。由于破碎岩石是在力 W 和和T的同时作用下，因的同时作用下，因此吃入深度要比力此吃入深度要比力W单独单独作用时深得多。作用时深得多。 WT图图2-9 破碎塑性岩石过程破碎塑性岩石过程2.塑脆性岩石塑脆性岩石 在力在力W和和T的同时作用下，垂直压强不必大于岩石硬的同时作用下，垂直压强不必大于岩石硬度（大约为硬度的度（大约为

40、硬度的1/61/14即可）刀翼即可沿即可）刀翼即可沿角切角切入岩石，使其产生入岩石，使其产生体积破碎体积破碎。这主要是因为，此时刃前岩石这主要是因为，此时刃前岩石的应力状态不同于刃底岩石的的应力状态不同于刃底岩石的应力状态，刀翼吃入深度与应力状态，刀翼吃入深度与及及有关。有关。 塑脆性岩石的破碎大体可分为塑脆性岩石的破碎大体可分为碰撞碰撞、压碎及小剪切、大剪切压碎及小剪切、大剪切三个过程。三个过程。 a.刃前岩石沿剪切面破碎后，刃前岩石沿剪切面破碎后，T减减小，刀翼向前推进，碰撞刃前岩石，小，刀翼向前推进，碰撞刃前岩石，图图210（a）所示。）所示。 b.刀翼在扭力刀翼在扭力T作用下压碎刃前的

41、作用下压碎刃前的岩石，使其产生小剪切破碎，旋转力岩石，使其产生小剪切破碎，旋转力增大，图增大，图210（b）所示。）所示。 C.刀翼继续挤压刃前的岩石（部分刀翼继续挤压刃前的岩石（部分被压成粉状），当扭力被压成粉状），当扭力 T增大到极限增大到极限值时值时，岩石沿剪切面产生大剪切破碎岩石沿剪切面产生大剪切破碎，然后扭力又突然变小，图然后扭力又突然变小，图210（C）所示。所示。 粉粉 牙轮钻头是石油钻井中使用最多、适应性最强的钻头。按钻牙轮钻头是石油钻井中使用最多、适应性最强的钻头。按钻头上牙轮的个数可将牙轮钻头分为头上牙轮的个数可将牙轮钻头分为，其中使用最多的是三牙轮钻头。，其中使用最多的是

42、三牙轮钻头。 牙轮牙轮是一个其上装有牙齿的锥体。是一个其上装有牙齿的锥体。 三牙轮钻头三牙轮钻头在井底的运动，决定牙轮与牙齿的在井底的运动，决定牙轮与牙齿的运动，也就直接决定牙齿对地层岩石的破碎作用。运动，也就直接决定牙齿对地层岩石的破碎作用。因此，在了解钻头破碎岩石的工作原理因此，在了解钻头破碎岩石的工作原理之前，首先应了解钻头在井底的运动。之前，首先应了解钻头在井底的运动。 公转公转 自转自转纵振纵振滑动滑动1、钻头的公转钻头的公转钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转的运动叫钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转的运动叫公转公转。钻头公转的转速就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。钻头钻头公转的转速就是转盘

43、或井下动力钻具的旋转速度。钻头公转时，牙轮也绕钻头轴线旋转，牙轮上各排牙齿绕钻头轴公转时，牙轮也绕钻头轴线旋转，牙轮上各排牙齿绕钻头轴线旋转的线速度不同，外排齿的线速度最大。线旋转的线速度不同，外排齿的线速度最大。 2、钻头的自转、钻头的自转钻头旋转时，牙轮绕牙掌轴线作反时针方向的旋转称钻头旋转时，牙轮绕牙掌轴线作反时针方向的旋转称自转自转。 牙轮的自转转速决定于公转的转速，并与牙齿对井底的牙轮的自转转速决定于公转的转速，并与牙齿对井底的作用有关。在理想的纯滚动条件下，作用有关。在理想的纯滚动条件下， 即牙齿与岩石间无滑动即牙齿与岩石间无滑动时，时， 牙轮自转的转速比钻头公转的转速快得多（大约

44、是牙轮自转的转速比钻头公转的转速快得多（大约是 1.5倍左右）。倍左右）。 牙轮的转动是岩石对牙齿的吃人破碎作用产生阻牙轮的转动是岩石对牙齿的吃人破碎作用产生阻力作用的结果。力作用的结果。3、钻头的纵振（轴向振动）、钻头的纵振（轴向振动） 钻头工作时，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交替进钻头工作时，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交替进行地。行地。单齿着地时，牙轮的轮心处于最高位置，双齿着地单齿着地时，牙轮的轮心处于最高位置，双齿着地时则轮心下降。时则轮心下降。牙轮在转动过程中，轮心位置不断上下变牙轮在转动过程中，轮心位置不断上下变换，使钻头沿轴向作上下往复运动，即为钻头的换，使钻头沿轴向作上下往复

45、运动，即为钻头的.4、牙轮的滑动、牙轮的滑动 破碎不同类型岩石，对钻头要求不同的滑动量，破碎不同类型岩石，对钻头要求不同的滑动量，可通可通过设计钻头时采用不同的结构及参数获得。过设计钻头时采用不同的结构及参数获得。 一般情况下，软地层钻头应具有较大的滑动量，硬地一般情况下，软地层钻头应具有较大的滑动量，硬地层钻头应尽量减少或不产生滑动，避免牙齿早期损坏。层钻头应尽量减少或不产生滑动，避免牙齿早期损坏。 但是，由于钻头工作时，牙轮与牙掌轴颈的相对运动但是，由于钻头工作时，牙轮与牙掌轴颈的相对运动总是存在摩擦阻力等原因，即使设计的是总是存在摩擦阻力等原因，即使设计的是纯滚动钻头，纯滚动钻头，实实际

46、钻进中仍然存在着滑动。际钻进中仍然存在着滑动。 二、二、 三牙轮钻头破碎岩石的基本原理三牙轮钻头破碎岩石的基本原理 牙轮钻头在井底对岩石的破碎作用是与其运动规律牙轮钻头在井底对岩石的破碎作用是与其运动规律紧密紧密相关的，因此要研究牙轮钻头的破岩原理就必须从分析其运相关的，因此要研究牙轮钻头的破岩原理就必须从分析其运动规律入手。动规律入手。 1.钻头的复合运动钻头的复合运动钻头的自转钻头的自转钻头的公转钻头的公转钻头的纵振钻头的纵振牙轮的滑动牙轮的滑动整个钻头向下的运动整个钻头向下的运动2.钻头的冲击和压碎作用钻头的冲击和压碎作用 钻进时，钻头上承受的钻压经牙轮作用在岩石钻进时，钻头上承受的钻压

47、经牙轮作用在岩石上。除此静载以外还有一冲击载荷，这是由于钻头上。除此静载以外还有一冲击载荷，这是由于钻头的纵向振动产生的。的纵向振动产生的。3.牙齿对地层的剪切作用牙齿对地层的剪切作用 为了提高牙轮钻头对中硬和软岩层的破碎效率，除了要为了提高牙轮钻头对中硬和软岩层的破碎效率，除了要求牙齿对井底岩石有求牙齿对井底岩石有压碎、冲击压碎、冲击作用外，还要求有一定的作用外，还要求有一定的剪剪切作用。切作用。 产生滑动的主要因素有三个，即产生滑动的主要因素有三个，即超顶超顶、复锥复锥和和移轴移轴。当。当牙轮锥顶不与钻头轴线重合时就有滑动产生。牙轮锥顶不与钻头轴线重合时就有滑动产生。 从破碎岩石角度考虑，

48、从破碎岩石角度考虑，硬地层硬地层用单锥牙轮，使牙轮在井用单锥牙轮，使牙轮在井底为纯滚动而无滑动；底为纯滚动而无滑动；软到中硬地层软到中硬地层用复锥牙轮，使牙轮产用复锥牙轮，使牙轮产生切向滑动以利破碎岩石。复锥牙轮还可增大牙轮的体积，生切向滑动以利破碎岩石。复锥牙轮还可增大牙轮的体积，有时为了加大轴承尺寸也使用复锥牙轮。有时为了加大轴承尺寸也使用复锥牙轮。 复锥：复锥：牙轮由两个或两牙轮由两个或两上以上不同锥度的锥体组上以上不同锥度的锥体组成，不同锥体锥顶不一致，成，不同锥体锥顶不一致，造成滑动。造成滑动。 超项：超项：牙轮的锥顶超过了钻头中心线叫做超顶，锥顶超过钻头中心线愈牙轮的锥顶超过了钻头

49、中心线叫做超顶，锥顶超过钻头中心线愈大，滑动量愈大。大，滑动量愈大。 移轴：移轴：移轴是将牙轮轴线方向水平移一定距离，牙轮轴线不与钻头中心移轴是将牙轮轴线方向水平移一定距离，牙轮轴线不与钻头中心相交于一点，而三个牙轮轴线在钻头中央相交成一个三角形。三角形愈大，相交于一点，而三个牙轮轴线在钻头中央相交成一个三角形。三角形愈大，移轴愈大，滑动愈大。移轴愈大，滑动愈大。abc牙轮布置方案牙轮布置方案轴；轴；牙轮钻头结构组成牙轮钻头结构组成钻头体钻头体牙掌牙掌牙轮牙轮轴承轴承锁紧元件锁紧元件储油密封储油密封喷嘴喷嘴三、三、牙轮钻头的结构和类型牙轮钻头的结构和类型牙轮钻头结构示意图牙轮钻头结构示意图 1

50、.牙轮钻头的基本参数牙轮钻头的基本参数 对于不同岩性的地层，钻头应能够以最适合的破碎方式钻对于不同岩性的地层，钻头应能够以最适合的破碎方式钻进，在设计制造钻头时要选择相应的结构参数。进，在设计制造钻头时要选择相应的结构参数。 （1）钻头直径）钻头直径 三牙轮钻头直径的确定应从钻井工作的发展及油田实际情三牙轮钻头直径的确定应从钻井工作的发展及油田实际情况出发，以最小的尺寸系列来满足钻井工作需要。钻头尺寸与况出发，以最小的尺寸系列来满足钻井工作需要。钻头尺寸与井身结构密切相关，所以它应与套管的尺寸系列相互适应。井身结构密切相关，所以它应与套管的尺寸系列相互适应。 （2）牙轮轴线偏移值）牙轮轴线偏移

51、值 为了使牙轮产生滑动，常使牙轮轴线沿钻头旋转方向平移为了使牙轮产生滑动，常使牙轮轴线沿钻头旋转方向平移一段距离或使牙轮轴相对于钻头径向偏转一个角度。一段距离或使牙轮轴相对于钻头径向偏转一个角度。 牙轮轴线的偏移值应据岩层的特性来定。牙轮轴线的偏移值应据岩层的特性来定。一般来说一般来说，对低对低硬度、高塑性的岩层，偏移值要大；对高硬度低塑性的岩层，硬度、高塑性的岩层，偏移值要大；对高硬度低塑性的岩层，偏移值则要小；对于研磨性的硬地层和极硬地层，钻头偏移偏移值则要小；对于研磨性的硬地层和极硬地层，钻头偏移值应为零。值应为零。 （3）牙轮轴线与钻头轴线夹角）牙轮轴线与钻头轴线夹角 牙轮轴线与钻头轴

52、线夹角牙轮轴线与钻头轴线夹角如如图图215所示。所示。角的大小影响到角的大小影响到给予牙轮的空间体积大小和轴承给予牙轮的空间体积大小和轴承受力状况。受力状况。角增大时，相邻两牙角增大时，相邻两牙轮的夹角也增加，因而牙轮体积轮的夹角也增加，因而牙轮体积可加大；可加大；角减小则相反角减小则相反.一般一般角角为为51o59o，软地层钻头，软地层钻头角较角较大，硬地层钻头大，硬地层钻头角较小。角较小。（4）牙轮的形状与布置）牙轮的形状与布置 牙轮的几何形状应能在牙轮的几何形状应能在有限的有限的空间空间内尽量加大牙轮的体积，加内尽量加大牙轮的体积，加大轴承的尺寸，使轴承有较大的大轴承的尺寸，使轴承有较大

53、的工作能力，并保证轮壳有足够的工作能力，并保证轮壳有足够的厚度以免断裂。同时在牙轮的外厚度以免断裂。同时在牙轮的外表面也可以布置表面也可以布置更多的牙齿更多的牙齿，以，以延长切削部分的使用延长切削部分的使用寿命寿命。牙轮的几何形状尺寸：见图牙轮的几何形状尺寸：见图决定牙轮布置的主要参数：决定牙轮布置的主要参数：偏移值偏移值 s、超顶距、超顶距 c、角和角和 2角。角。(主锥角主锥角)(副锥角副锥角)(背锥角背锥角)(牙轮最牙轮最大外径大外径)(牙轮总高牙轮总高)1）牙轮轴线、主锥母线交于钻头中心线，主锥不超顶）牙轮轴线、主锥母线交于钻头中心线，主锥不超顶 牙轮在井底的运动属于牙轮在井底的运动属

54、于纯滚动纯滚动，无滑动，牙轮的，无滑动，牙轮的齿圈不与相邻牙轮齿圈相啮合，确定齿宽时不受相邻齿圈不与相邻牙轮齿圈相啮合，确定齿宽时不受相邻牙轮齿圈的限制，但各牙轮间要保持一定的间隙，牙牙轮齿圈的限制，但各牙轮间要保持一定的间隙，牙轮的尺寸必须适当缩小，因轮的尺寸必须适当缩小，因而牙轮体积较小，这种布置而牙轮体积较小，这种布置方案适合于方案适合于硬地层钻头硬地层钻头。纯纯滚滚动动牙牙轮轮牙轮布置方案一牙轮布置方案一 2）牙轮轴线交于钻头轴线，但主锥超顶。）牙轮轴线交于钻头轴线，但主锥超顶。 由于超顶可使各牙轮牙齿互相啮合，因而牙轮由于超顶可使各牙轮牙齿互相啮合，因而牙轮可以自洗，它有助于消除泥包

55、现象。可以自洗，它有助于消除泥包现象。 这种布置的牙轮在井底有滑动这种布置的牙轮在井底有滑动（切向滑动）时，由于相邻牙轮齿（切向滑动）时，由于相邻牙轮齿圈之间有间隙，所以会形成井底环圈之间有间隙，所以会形成井底环状突起，但在钻进软地层时影响不状突起，但在钻进软地层时影响不大。这种布置方案适于大。这种布置方案适于软及中硬地软及中硬地层层钻头。钻头。牙轮布置方案二牙轮布置方案二3）牙轮轴线偏移，牙轮可自洗。）牙轮轴线偏移，牙轮可自洗。 由于移轴可使牙轮产由于移轴可使牙轮产生轴向滑动，使井底不留生轴向滑动，使井底不留环状突起，故可以消除方环状突起，故可以消除方案二的缺点，它适合于案二的缺点，它适合于

56、软软及中硬地层及中硬地层的钻头。的钻头。牙轮布置方案三牙轮布置方案三（5）牙轮上牙齿的布置）牙轮上牙齿的布置 牙齿在牙轮上的排列布置直接影响钻头的钻进效牙齿在牙轮上的排列布置直接影响钻头的钻进效率，因此是非常重要的。率，因此是非常重要的。布齿原则：布齿原则： l ）在钻头每转一周中，牙齿应全部破碎井底。在钻头每转一周中，牙齿应全部破碎井底。 2）牙轮在重复滚动时应使牙齿不致落入别的齿已牙轮在重复滚动时应使牙齿不致落入别的齿已破碎的旧坑内。破碎的旧坑内。 3）各牙轮齿圈上的牙齿数应使每各牙轮齿圈上的牙齿数应使每齿均匀地承担破碎井底岩石的任务，齿均匀地承担破碎井底岩石的任务，因此外圈齿数应多些，内

57、圈齿数可少因此外圈齿数应多些，内圈齿数可少些。些。 2.牙轮钻头的牙齿牙轮钻头的牙齿 牙齿是牙轮钻头破碎岩石的主要元件，对于牙齿的基本牙齿是牙轮钻头破碎岩石的主要元件，对于牙齿的基本要求是破岩效率高，寿命长。要求是破岩效率高，寿命长。 要满足这两点，必须从两方面着手：要满足这两点，必须从两方面着手： 1）、牙齿的几何形状要合理。）、牙齿的几何形状要合理。 2）、齿的材料要耐磨并有足够的强度。）、齿的材料要耐磨并有足够的强度。 目前牙轮钻头的牙齿有目前牙轮钻头的牙齿有铣齿（也称钢齿）和硬质合金齿铣齿（也称钢齿）和硬质合金齿（简称镶齿）两大类。（简称镶齿）两大类。牙轮钻头牙齿磨损分级：牙轮钻头牙齿

58、磨损分级：钢齿的磨损分级。钢齿的磨损分级。以齿磨去的高度与新齿高度之以齿磨去的高度与新齿高度之比作为定级标准，共分四级：比作为定级标准，共分四级：镶齿的磨损分级。镶齿的磨损分级。用牙轮上断、掉的齿数与该牙用牙轮上断、掉的齿数与该牙轮总齿数之比作为评定钻头的磨损标准。轮总齿数之比作为评定钻头的磨损标准。代代 号号Y1Y2Y3Y4磨去高度磨去高度/新齿高度新齿高度1/42/43/4齿全齿全磨光磨光3.牙轮钻头的轴承牙轮钻头的轴承牙轮钻头的轴承有：牙轮钻头的轴承有：滚动轴承滚动轴承和和滑动轴承滑动轴承两种。两种。a. 滑动滑动-滚珠滚珠-滑动滑动b. 滑动滑动-滑动滑动-滑动滑动a.滚柱滚柱-滚珠滚

59、珠-滑动滑动b.滚柱滚柱-滚珠滚珠-滚柱滚柱 4.钻头水眼钻头水眼 钻头水眼是在钻头体的适当位置开出的孔道，与钻头体内钻头水眼是在钻头体的适当位置开出的孔道，与钻头体内腔流道相连通，构成了钻井液由钻杆内部进入井底的通路。腔流道相连通，构成了钻井液由钻杆内部进入井底的通路。 普通（非喷射式）钻头的水眼，仅是在钻头体的适当位置普通（非喷射式）钻头的水眼，仅是在钻头体的适当位置开孔并焊上水眼套。开孔并焊上水眼套。 适合喷射钻井需要的钻头则在水眼处安装硬质合金喷嘴，适合喷射钻井需要的钻头则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的要求，即：且对水眼有关的钻头结构有特殊的要求，即： a.

60、钻头体内腔流道应使钻井液流动时阻力最小钻头体内腔流道应使钻井液流动时阻力最小. b. 喷嘴形状应有较好的射流特性喷嘴形状应有较好的射流特性(流量系数大、等速核长流量系数大、等速核长). c. 可以根据水力设计要求，方便地选用和更换喷嘴可以根据水力设计要求，方便地选用和更换喷嘴. d. 水眼的布置（喷射方向、水眼位置的高低、数量水眼的布置（喷射方向、水眼位置的高低、数量等）要有利于清除岩屑。等）要有利于清除岩屑。喷嘴结构主要包括喷嘴的喷嘴结构主要包括喷嘴的 喷嘴进口形状不同，其流量系数喷嘴进口形状不同，其流量系数C也是不一样的。也是不一样的。为了提高射流的冲击效果，要求为了提高射流的冲击效果，要