石油钻井设备与工具-王镇全 第三节牙轮钻头【课件】

第三节牙轮钻头镶齿铣齿牙轮钻头是石油钻井工程中应用最为广泛的一种钻头。牙轮钻头按牙齿的固定方式可分为镶齿和铣齿两种类型。按轴承类型分为：滚动轴承和滑动轴承两类；按密封类型分为：橡胶密封和金属密封两类。橡胶密封金属密封一、牙轮钻头的结构一、牙轮钻头结构简介牙轮钻头结构描述：钻头上部车有丝扣，供与钻柱连接用；牙爪(也称巴掌)上接壳体，下带牙轮轴(轴颈)；牙轮装在牙轮轴上，牙轮带有牙齿，用以破碎岩石；每个牙轮与牙轮轴之间都有轴承。水眼(喷嘴)是钻井液的通道；

储油密封补偿系统储存和向轴承腔内补充润滑油脂，同时可以防止钻井液进入轴承腔和防止漏失润滑脂。一)牙轮及牙齿1、牙轮

牙轮是用合金钢经过模锻而制成的锥体，牙轮锥面或铣出牙齿（铣齿钻头)，或镶装硬质合金齿(镶齿钻头)，牙轮内部有轴承跑道及台肩，牙轮外锥面具有两种至多种锥度。单锥牙轮仅由主锥和背锥组成；复锥牙轮由主锥、副锥和背锥组成，有的有两个副锥。密封主(大)轴承小轴承牙轮牙齿轴颈牙爪保径齿2、铣齿铣齿牙轮钻头的牙齿是由牙轮毛坯经铣削加工而成的，主要是楔形齿，齿的结构见图。参数的确定兼顾有利于破碎岩石及齿的强度。一般软地层牙轮钻头的齿高、齿宽、齿距都较大，而硬地层则相反。

铣齿牙轮钻头特点：

铣齿牙轮钻头的牙齿用金属材料直接加工成型，形状为楔形，齿宽、高可根据地层特性设计加工，因而在软地层中机械钻速高。铣齿牙齿材料受到牙轮材料的限制，虽经敷焊硬质合金层，但其耐磨性仍显不足，在硬、研磨性强的地层中，使用寿命很低。

镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔后，将硬质合金材料制成的齿镶入孔中。牙轮钻头上使用的硬质合金是碳化钨(WC)一钴(Co)系列硬质合金。它是以碳化钨粉末为骨架金属、钴粉末为粘结剂，有时加入少量的钽或铌的碳化物用粉末冶金方法压制、烧结而成的。合金中随着钴的含量的增加，密度有所下降，硬度逐渐降低，即耐磨性能降低，但抗弯强度逐渐增大，且冲击韧性也提高。在不改变碳化钨和钴含量的情况下，增大碳化钨的粒度，可以提高硬质合金的韧性，而其硬度和耐磨性不变。3、镶齿镶齿牙轮钻头齿的形状

镶齿牙轮钻头齿的形状是根据地层条件设计的。一般情况下，尖、长齿适应于软地层，短、钝齿适合硬地层。具有代表性的齿形描述如下：

①楔形齿齿形呈“楔子”状，齿尖角由65°～90°不等。适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地层，齿尖角小的适合软地层，齿尖角大的适合较硬地层。

②勺形齿美国休斯公司80年代推出的新齿形。它是一种不对称的楔形齿，其切削地层的工作面是内凹的勺形，背面是微向外凸的圆弧形。这种结构改善牙齿的受力状况，既提高了破碎效率又增强了齿的强度，可高效破碎极软至中软地层岩石。

③圆锥形齿锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状，强度高于楔形齿。锥角60一70°的中等锥形齿用来钻中硬地层，如灰岩、白云岩、砂岩等。90°锥形及120°。双锥形齿用来钻研磨性高的坚硬岩石，如硬砂岩、石英岩、燧石等。

④球形齿顶部为半球体，适合高研磨性的坚硬地层，如燧石、石英岩、玄武岩、花岗岩等，强度和耐磨性均高。

二）轴承系统1、结构牙轮钻头轴承由牙轮内腔、轴承跑道、牙爪轴颈、锁紧元件等组成。轴承副有大、中（锁紧）、小和止推轴承四个。2、分类根据轴承的密封与否，可分为密封和非密封两类。根据轴承副的结构，钻头轴承分为滚动轴承和滑动轴承(指主要承载轴承即大轴承)两大类。滚动轴承的结构形式有“滚柱—滚珠—滚柱—止推”和“滚柱—滚珠一滑动—止推”两类；滑动轴承的结构有“滑动—滚动—滑动—止推”及“滑动一滑动一滑动—止推”两种。主(大)轴承锁紧轴承（中轴承）小轴承止推轴承滚柱密封滑动轴承结构滚动轴承结构3、储油润滑密封系统作用：

①为轴承系统提供润滑油；②防止钻井液进入轴承。结构与原理：

储油润滑密封系统主要由储油囊、过油通道、密封等部分组成。储油囊由橡胶制成，内部储油，外部与环空相通。工作时，由于钻头振动使轴承内部产生抽吸，同时泥浆压力作用于油囊压缩油囊，使油囊内的润滑油不断通过过油孔进入轴承内部润滑轴承。同时密封防止泥浆进入轴承系统和防止润滑油漏失。

储油囊轴承系统过油孔密封轴承密封分为橡胶和金属密封两大类：橡胶密封金属密封4、钻头水眼作用：①钻井液流出钻头射向井底的通道；②通过调整水眼直径，调节钻头压降，实现喷射钻井；③通过合理调节喷嘴的空间位置，有效清洗牙轮和井底岩粉。说明：水眼又称喷嘴，为硬质合金材料制成，内部流道形状多样，可拆卸。水眼（喷嘴）二、牙轮钻头的工作及破岩原理

1、牙齿的公转与自转

牙轮钻头依靠牙齿破碎岩石，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头轴线作顺时针方向的旋转运动，这种运动称作公转。公转的转速就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。牙轮上各排牙齿公转的线速度是不同的，外排齿公转的线速度最大。

钻头工作时，牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向的旋转称为自转。牙轮自转的转速与钻头转速即公转的转速以及牙齿对井底的作用有关。牙轮以及牙轮上牙齿的自转是破碎岩石时牙齿与地层岩石之间相互作用的结果。公转---顺时针旋转自转——牙轮逆时针旋转

2、钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用

钻进时，钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上，除此静载以外还有一冲击载荷，这是由于钻头的纵向振动产生的。

钻头工作时，牙轮滚动，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交错进行的。单齿接触井底时，牙轮的中心处于最高位置；双齿接触井底时则牙齿的中心下降。牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动，这就是钻头的纵向振动。钻头的纵向振动使牙齿产生冲击力，以冲击方式破碎岩石。在实际情况下，井底振动除有单双齿交错接触井底所引起的较高频率的振动外，在纵向上还有低频率、振幅较大的振动，这是由于井底不平和有凸台所引起的。

钻头在井底的纵向振动，使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形能通过钻头牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石，与静载压入力一起形成了钻头对地层岩石的冲击、压碎作用。

牙齿单双齿交替作用于地层，牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动的。牙轮钻头纵向振动图示：3、牙齿对地层的剪切作用

牙轮钻头除对地层岩石产生冲击、压碎作用外，还对地层岩石产生剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动实现的，产生滑动的原因是由牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。(1)超顶和复锥引起的滑动牙轮锥顶超过钻头轴线，这种特点称作超顶，超过的距离ob称作超顶距。以下定性分析由于超顶引起的滑动。

钻头轴心锥顶超顶牙轮上的牙齿产生滑动的原因：

假定牙轮为光滑圆锥，井底与牙轮为绝对刚体。牙轮与井底接触为一条直线ba，vb表示牙轮随钻头公转的线速度，vc表示牙轮绕牙轮轴自转的线速度，直线ba上任一点相对井底的运动速度vgx均为vbx、vcx的合成，即：vgx=vbx+vcx；Vgx呈直线分布，它与ba交于m点，m点的合成速度为零，为纯滚动点。而其它位置合成速度不为零，在滚动的同时产生滑动。由此可知：超顶牙轮的牙轮钻头在井底工作时，牙轮上的牙齿在井底以m点为中心产生切向扭转滑动。vbxvcxVgx例:圆盘运动分析：vrωV滑o

复锥牙轮包括主锥和副锥。主锥顶与钻头中心重合，而副锥锥顶的延伸线是超顶的。复锥牙轮由于牙轮线速度不再作直线分布，同时由于副锥是超顶的，因而产生滑动。其分析方法同超顶情况。

(2)移轴引起的滑动

牙轮轴线相对于钻头轴线平移一段距离，这种方式称作移轴，平移的距离oo’，称作偏移值。

由于牙轮的移轴，牙轮作公转时，牙轮与岩石接触母线上任一点都产生垂直于牙轮轴的分速度和沿牙轮轴线方向的分速度，从而产生滑动。

oO'超顶、复锥、移轴使牙齿产生滑动的作用：

超顶和复锥所引起的切线方向滑动除可在切线方向与冲击、压碎作用共同破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石；移轴则在轴向产生滑动和切削地层的作用，它可以剪切掉齿圈之间的岩石(如图)。

超顶、复锥、移轴使牙齿产生滑动的作用示意图钻头牙齿破碎岩石形成的井底示意图无超顶复锥，同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的存在未破碎部分超顶复锥设计，可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石牙齿的滑动虽然可以剪切井底岩石以提高破碎效率，但也相应地使牙齿磨损加剧。移轴引起的轴向滑动使牙齿的内端面部分磨损，而超顶和复锥引起的切线方向滑动使牙齿侧面磨损。实际钻头的超顶、复锥、移轴是根据地层特性设计，一般遵循以下准则：

对于钻极软到中硬地层的钻头，一般兼有移轴、超顶和复锥结构；一部分中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。对于极硬和研磨性很强的地层，所用的钻头结构基本上是纯滚动而无滑动的(即单锥、不超顶、也不移轴)。超顶、复锥、移轴设计准则：4、牙轮钻头的自洗

牙轮钻头工作时，特别是在软地层钻进时，牙齿间易积存岩屑产生泥包，影响钻进效果。为解决这一问题，出现了自洗式钻头。

牙轮钻头的自洗是通过牙轮布置使各牙轮的牙齿齿圈互相啮合，一个牙轮的齿圈之间积存的岩屑由另一个牙轮的齿圈的牙齿剔除。这种方式称作牙轮钻头的自洗。三、牙轮钻头的特点

优点：1、冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击又有滑动引起的剪切，破岩效率高。2、适应地层范围广，适合在所有地层中钻进。3、钻头自洗效果好，不容易泥包。4、钻头成本较低。

缺点：

1、