第二章三牙轮钻头的结构及类型.docx

第一节三牙轮钻头的结构特点三牙轮钻头是由牙掌、牙轮、轴承、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴 装置等二十多种零部件组成一、牙掌牙掌是牙轮钻头的主要零件一只钻头是由三片牙掌组装焊接在一起 的上部有连接螺纹，以便与钻具连接，下部制成有一定倾斜角度的轴颈 与牙轮内孔组成轴承副牙掌上有水孔流道，可以安装储油压力补偿装置 轴颈承受载荷，需要较高的耐磨性及硬度，同时基体内部又需要有足够的 强度及耐冲击韧性二、切削结构切削结构包括牙轮和牙齿牙轮是一个其上装有（或铣出）牙齿的锥 体，分单锥和复锥两种单锥由主锥和背锥组成，单锥牙轮在井底的运动 为纯滚动，适用于硬地层钻井复锥由主锥、副锥和背锥三部分组成，这 种牙轮在井底工作时除了滚动外，还能产生滑动，用于较软地层钻井牙轮上的牙齿分镶齿和钢齿两种镶齿是将牙轮外锥面的齿圈上钻孔 镶装大小形状不同的硬质合金齿；钢齿则直接从牙轮锥体上铣出钻头上 三个牙轮的各排齿相互啮合，能有效而不重复地全面破碎井底岩石并防止 齿糟泥包牙齿的形状、大小、数量、长短取决于所钻地层的硬度，地层 越软，则牙齿越大、越尖、布置得越少反之，地层越硬、则牙齿越小越 短、数量越多硬质合金齿的硬度和抗磨性比钢齿高，使用寿命比钢齿长，尤其是破 碎具有研磨性的硬地层，效果更好。

其适用地层范围广、进尺多、机械钻 速多，已在石油钻井中广泛应用硬质合金齿的齿形目前常用的有十多种，如球形、尖卵形、圆锥形、 楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、边楔形、平头形等根据不同地层、不 同岩性的破碎机理不同、各种钻头选用不同形状的齿形楔形齿，齿形呈“楔子”状，具有切削、凿击作用其齿顶角有 60°、65°、70°、75°、90°等，适用于软至中硬地层齿顶角越大， 适用地层越硬近几年这种齿形良好的使用性能越来越受到广大用户的青 睐球形齿，其顶部是个半圆形球面，耐磨性最好它以凿击和压碎作用 破碎岩石因为齿顶球面与井底岩石为点接触，其产生的接触应力大，当 接触应力大于岩石本身的强度时，即发生脆性破碎，其破碎体积远大于接 触面积，因此，钻硬至极硬地层破碎效率高尖卵形、圆锥形齿，锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状既 具有凿击和压碎作用，还有刮削作用其抗磨性及强度均高于楔形齿，适 用于地层较广，在中硬地层使用效果好勺形齿，它是一种不对称的楔形齿，其切削地层的工作面是向内凹的 勺形，背面是微向外凸的圆弧形这种结构改善了牙齿的受力状况，既提 高了破碎效率又增加了强度，可高效率破碎极软至中软地层在勺形齿的基础上，发展起来的偏顶勺形齿及圆锥勺形齿也已成功的用在镶齿系列牙轮钻头上，尤其是偏顶勺形齿，齿顶相对于其轴线超 前了一个距离，其凹面正对被切削的地层，这样可以改善牙齿受力面的应 力分布，提高牙齿的破碎效率和工作寿命，这种齿形在镶齿牙轮钻头上使 用非常广泛。

钢齿形状多为楔形，为了加强钻头保径，外排齿往往设计成“ T”、 “L”或“IT”形为了克服钢齿在破碎岩石时易于磨损的缺点，需要在 牙齿的工作面及背锥面敷焊耐磨材料近年来钢齿钻头在钢齿形状和堆焊 材料均有大的改进，在齿排上采用反圆弧齿角，增加了堆焊厚度，背锥部 位堆焊采用了抗裂、抗冲击及更耐磨的复合材料三、轴承结构牙轮钻头轴承由牙轮内腔、轴承跑道、牙掌轴颈、锁紧元件等组成 通常轴承副有大、中、小和止推四部分轴承组成大、小轴承承受径向载 荷，中轴承主要用来锁紧和定位，端部止推轴承则承受轴向载荷根据轴 承副的结构，钻头轴承一般分为滚动轴承和滑动轴承两大类，根据轴承的 密封与否，又可分为密封和非密封随着轴承技术的发展，近年来又开发 出了多种新轴承如浮动轴承、镶套轴承等滚动轴承的结构形式有滚柱——滚珠——滚柱——止推和滚柱——滚 珠一一小轴滑动一一止推两种前一种适应于大尺寸（121/4 〃）钻头 这类滚动轴承能适应较高的工作转速采用密封滚动轴承结构的钻头主要 有GA系列及GJ系列，W系列和K系列钻头所采用的是非密封滚动轴承 采用了密封式滚动轴承，其结构特点是在牙轮底平面处安装了密封元件 （“0”形密封圈或金属密封圈），它们可在100〜250r/min的转速下工 作，密封轴承的使用寿命高于非密封轴承。

采用非密封式滚动轴承的W系 列钻头，虽然能适应较高转速但轴承工作寿命较低而同样采用非密封式 滚动轴承的K系列钻头为空气冷却式钻头，属矿用钻头系列，轴承工作寿 命高于W系列钻头，接近GA系列钻头滑动轴承目前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，保证轴 承在较高的温度和压力下工作良好，除选用高强底低碳合金钢作为磨擦副 材料外，还需要对牙掌轴颈进行表面强化处理，以提高其表现硬度和耐磨 性而牙轮内孔跑道内则镶焊铜合金或其它减磨材料，提高滑动副的抗咬合 能力HA系列钻头所采用的是滑动轴承，采用“0”形橡胶密封圈作径向 密封，与滚动轴承相比，这种滑动轴承承压面积大，接触疲劳应力减少， 使用寿命长，但不适于高转速使用 HJ 系列钻头轴承也为密封滑动轴承 但不同于普通的密封方式，采用的是金属面密封，其密封装置是由两个金 属密封环和两个“0”形橡胶增能圈组成，金属环借助于弹性橡胶的供能， 产生轴向压紧力，实现端面密封采用这种密封方式的滑动轴承可以在较 高转速下工作浮动轴承采用浮动轴承结构，浮动元件由高强度、高弹性、高耐温性、高耐磨 性特点的新材料制成，表面经固体润滑剂处理。

在降低轴承副相对线速度 的同时，减少摩擦面温升，能有效提高高钻压、高转速钻井工艺条件下的 轴承寿命和轴承可靠性镶套轴承采用镶套结构牙轮和镶套新材料，改进钻头轴承性能，钻头承载能力 高、使用寿命长，减少牙轮破裂落井轴承性能达到国际先进水平镶套 结构牙轮钻头可以适应高钻压钻井工艺为了保证牙轮与牙掌装配牢靠，必须对牙轮进行锁紧牙轮锁紧方式 有卡簧锁紧及钢球锁紧两种卡簧锁紧用的元件是一个开口的弹性钢丝挡 圈，其外径比牙轮内孔的卡簧槽大分装牙轮时，需用一个专用工具将卡 簧放进牙轮内腔卡簧靠其自身的弹性锁紧牙轮，同时又与牙掌轴颈组成 一对滑动副，实现了全滑动的轴承卡簧锁紧的特点是减少了零件、简化 了轴承结构及加工，增加了滑动轴承的工作面积，卡簧锁紧还能承受较高 钻压等钢球锁紧是在牙轮与牙掌组装时，将一排（钻头尺寸不同，数目 和规格不同）钢球从塞销孔道装进轴承滚道，然后用一个塞销封住钢球的 通道，使钢球安全可靠地在轴承跑道中自由滚动，既锁住了牙轮，又承受 轴向载荷钢球锁紧的轴承能适应较高的转速随着钻井条件的改善，钢 球锁紧比卡簧锁紧的锁紧更牢靠，更能适应现代钻井技术的发展，钢球锁 紧比卡簧锁紧使用的更为普遍。

四、储油密封压力补偿系统该装置由轴承密封圈、储油囊、保护坏、压盖、丝堵、挡圈等零件组 成其作用是平衡牙轮工作时轴承腔内外的压力差，使轴承密封圈在较小 的内外压差下长时间正常工作，防止钻井液进入轴承腔内和避免润滑脂 的漏失，并可储存足够的润滑脂向轴承腔内不断补充，使钻头轴承处于密 封状态及在良好的润滑条件下工作储油囊又称压力补偿膜，用耐油橡胶制成保护杯装于其上，压盖则 压紧保护杯，用挡圈锁紧压盖，并用0形橡胶圈密封丝堵用以堵住注油 孔的通道整个储油装置安装在牙掌的储油孔内，其与外界相通有传压孔 与轴承腔内相连的是长油孔钻头工作时，由于牙轮的主锥和副锥上的牙齿在破碎地层的同时，受 到地层的反作用力，造成牙轮沿轴线方向产生高频晃动，由于轴向晃动使 轴承腔内外产生压差弹性储油囊的主要作用是平衡轴承内外的压差，保 证轴承密封圈在较小的压差下工作密封元件是影响轴承密封效果的主要零件，一般有以下两种:(1) O 形橡胶密封圈0形密封用于HA系列滑动密封轴承钻头，也可用于GA系 列滚动密封轴承钻头它是用耐油、耐酸碱、耐高温而弹性又很好的丁腈 橡胶制成，其横截面是圆形它以过盈装配于牙掌大轴密封面上，与牙轮 密封槽作相对运动，起径向密封作用。

2)金属密封环这种金属密封环采用优质不锈钢经过多道工序特 殊精密加工而成其结构是由上、下两个金属环组成上环装于牙轮，其 外径小于牙轮密封槽直径；下环装于牙掌，其内径大于牙掌大轴密封直径 因此，这两个金属环在牙轮与牙掌之间浮动金属环的两个密封平面，靠高精度的表面加工质量、严格控制其平面 度及表面粗糙度，来达到优良的密封效果这两个金属环是靠两个0形橡 胶增能圈固定在牙轮和牙掌密封面上，借助弹性好、压缩永久变形小的橡 胶圈，产生压缩和拉伸变形，给金属环以轴向压力，这个压力可以保证两 个高耐磨金属环的密封面经常接触即使在金属环磨损以后，橡胶圈仍可 靠其弹力继续压紧两个金属环，实现面密封和动密封两个金属环是在充 分润滑的条件下相对运动，它们之间产生的磨擦力远小于橡胶与牙轮与牙 掌密封面之间产生的磨擦力，金属环产生的磨擦热也远小于橡胶圈产生的 磨擦热因此，具有当今最先进的高技术组合的金属面密封结构，成为 町和GJ系列钻头的主要特征由于金属密封与橡胶密封元件巧妙配合的 优异性能，使 HJ 和 GJ 系列钻头可适应高转速以及恶劣的钻井条件下工作 并进一步提高了钻头的工作指标储油囊是储油压力补偿系统中的关键零件，它由耐油、耐高温且弹性 好的丁腈橡胶制成。

早期使用的储油囊有两种：（1）金属加强折叠式储 油囊2）全橡胶储油囊随着钻头技术的发展，金属加强折叠式储油囊已淘汰，现在常用的是 全橡胶储油囊全橡胶储油囊其结构的最大特点是全橡胶整体式不带金属 骨架它不但简化了储油囊本身的结构，取消了密封环、加强片及0形密 封圈，而且增大了储油空间其底部开有特殊结构的针孔，用以调节储油 系统的内压，使压力补偿作用更为可靠，轴承润滑条件进一步改善储油囊结构改变，储油孔及保护环、压盖的结构也相应改变全橡胶 储油囊上部开口端靠其自身的圆形环作路径向密封，其轴向压紧则借助保 护环和储油孔两个特殊斜面，利用双斜面自锁原理实现轴向密封，外界对 油囊压力越大则锁得越紧，这种结构的全橡胶油囊确保了储油孔密封的可 靠性五、喷嘴1、喷嘴结构目前常用的喷嘴外形结构有标准型、保护盖型和微长喷嘴最常用的 为标准型和保护盖型2、喷嘴型式代号及型号表示方法喷嘴型式代号用英文字母表示，各种规格尺寸钻头喷嘴的型式代号列 于下表中：喷嘴型号表示方法：喷嘴型号由三部分组成：喷嘴结构代码尺寸代码喷嘴出口直径喷嘴结构代号尺寸代号1— 33/4〃〜43/4 〃钻头用喷嘴；2— 57/8 〃〜63/4 〃钻头用喷嘴；3- -71/2〃〜77/8〃钻头用喷嘴；5--143/4〃〜26〃钻头用喷嘴；喷嘴出口直径系列示例：S2T0S:标准型2：用于57/8〃〜63/4〃钻头10：喷嘴出口直径10毫米4- --83/8〃〜133/4〃钻头用喷嘴；3、喷嘴外形尺寸喷嘴外形尺寸（见下表），适用于 33/4〃〜26〃的各系列三牙轮钻 头。

喷嘴外形尺寸系列注：在使用不同出口直径的组合喷嘴情况下，水孔入口处流速不得超 过 21.4 米/秒第二节三牙轮钻头规格、型号及表示方法、规格系列1、钢齿钻头江钻钢齿钻头的直径为95.2〜660.4mm （33/4〜26in），其有29种 尺寸2、镶齿钻头江钻镶齿钻头的直径为120.6〜444.5mm （43/4〜171/2in），其有20 种尺寸二、型号系列根据牙轮钻头的结构特征分为钢齿及镶齿两大类，均采用喷射结构1、牙轮钻头 IADC 分类方法国际钻井承包商协会（IADC）于1972年制订了第一个牙轮钻头的分 类标准，并得到美国石油学会（API）的认可这就是国际上已广泛应用 的三位数字代码分类法我国各油田及生。