石油钻井设备与工具-王镇全 第三节牙轮钻头【课件】.ppt

第三节第三节 牙轮钻头牙轮钻头镶齿镶齿铣齿铣齿 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头牙轮钻头按牙齿的固定方式可分为镶齿和铣齿镶齿和铣齿两种两种类型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橡胶密封金属密封金属密封 一、牙轮钻头的结构一、一、 牙轮钻头结构简介牙轮钻头结构简介牙轮钻头结构描述：牙轮钻头结构描述： 钻头上部车有丝扣，供与钻柱连接用；钻头上部车有丝扣，供与钻柱连接用； 牙爪牙爪( (也称巴掌也称巴掌) )上接壳体，下带牙轮轴上接壳体，下带牙轮轴( (轴颈轴颈) )；； 牙轮装在牙轮轴上，牙轮带有牙齿，用以破碎岩石；每牙轮装在牙轮轴上，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个牙轮与牙轮轴之间都有轴承 水眼水眼( (喷嘴喷嘴) )是钻井液的通道；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。

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 1、牙轮、牙轮 牙轮是用合金钢经过模锻而制成的锥体，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（铣齿钻头锥面或铣出牙齿（铣齿钻头) )，或镶装硬质合金齿，或镶装硬质合金齿( (镶齿钻头镶齿钻头) )，牙轮内部有轴承跑道及台肩，牙轮外，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，有的有两个副锥锥、副锥和背锥组成，有的有两个副锥密封密封主主(大大)轴轴承承小轴承小轴承牙轮牙轮牙齿牙齿轴颈轴颈牙爪牙爪保径齿保径齿2 2、铣齿、铣齿 铣齿牙轮钻头的牙齿是由牙轮毛坯经铣削加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，而硬地层牙轮钻头的齿高、齿宽、齿距都较大，而硬地层则相反地层则相反 。

 铣齿牙轮钻头特点：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型，形状为楔形，齿宽、高可根据地层特性设计加工，因而加工，因而在软地层中机械钻速高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牙轮钻头上使用的硬质合金是碳化钨(WC)(WC)一钴一钴(Co)(Co)系列硬质合金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，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 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，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：描述如下： ①①楔形齿楔形齿 齿形呈齿形呈““楔子楔子””状，齿尖角由状，齿尖角由65°65°～～90°90°不等适用于破碎具有高塑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 ②②勺形齿勺形齿 美国休斯公司美国休斯公司8080年代推出的新齿形。

它是一种不对称的楔形齿，其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碎极软至中软地层岩石 ③圆锥形齿圆锥形齿 锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状，强度高于楔形齿锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状，强度高于楔形齿 锥角锥角6060一一70°70°的中等锥形齿用来钻中硬地层，如灰岩、白云岩、砂的中等锥形齿用来钻中硬地层，如灰岩、白云岩、砂岩等90°90°锥形及锥形及120 °120 °双锥形齿用来钻研磨性高的坚硬岩石，如硬双锥形齿用来钻研磨性高的坚硬岩石，如硬砂岩、石英岩、燧石等砂岩、石英岩、燧石等 ④④球形齿球形齿 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。

武岩、花岗岩等，强度和耐磨性均高 二）轴承系统二）轴承系统 1、结构结构 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）、小和止推轴承四个轴承副有大、中（锁紧）、小和止推轴承四个 2 2、分类、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，钻头轴承分为根据轴承副的结构，钻头轴承分为滚动轴承和滑动轴承滚动轴承和滑动轴承( (指主要承指主要承载轴承即大轴承载轴承即大轴承) )两大类滚动轴承的结构形式有两大类滚动轴承的结构形式有““滚柱滚柱——滚珠滚珠——滚柱滚柱——止推止推””和和““滚柱滚柱——滚珠一滑动滚珠一滑动——止推止推””两类；滑动轴承的结构有两类；滑动轴承的结构有““滑动滑动——滚动滚动——滑动滑动——止推止推””及及““滑动一滑动一滑动滑动一滑动一滑动——止推止推””两种主主(大大)轴轴承承锁紧轴承锁紧轴承（中轴承）（中轴承）小轴承小轴承止推轴承止推轴承滚柱滚柱密封密封滑动轴承结构滑动轴承结构滚动轴承结构滚动轴承结构3 3、储油润滑密封系统、储油润滑密封系统作用：作用： ①①为轴承系统提供润滑油；为轴承系统提供润滑油； ②②防止钻井液进入轴承。

防止钻井液进入轴承结构与原理：结构与原理： 储油润滑密封系统主要由储油囊、过油通道、储油润滑密封系统主要由储油囊、过油通道、密封等部分组成密封等部分组成 储油囊由橡胶制成，内部储油，外部与环空储油囊由橡胶制成，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：轴承密封分为橡胶和金属密封两大类：橡胶密封橡胶密封金属密封金属密封 4 4、钻头水眼、钻头水眼作用：作用：①①钻井液流出钻头射向井底的通道；钻井液流出钻头射向井底的通道；②②通过调整水眼直径，调节钻头压降，实通过调整水眼直径，调节钻头压降，实现喷射钻井；现喷射钻井；③③通过合理调节喷嘴的空间位置，有效清通过合理调节喷嘴的空间位置，有效清洗牙轮和井底岩粉。

洗牙轮和井底岩粉说明：说明： 水眼又称喷嘴，为硬质合金材料制成水眼又称喷嘴，为硬质合金材料制成，内部流道形状多样，可拆卸内部流道形状多样，可拆卸水眼（喷嘴）二、二、 牙轮钻头的工作及破岩原理牙轮钻头的工作及破岩原理 1 1、牙齿的公转与自转、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，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用的结果公转公转---顺时针旋转顺时针旋转自转自转——牙轮逆时针旋转牙轮逆时针旋转 2 2、钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用、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，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、与静载压入力一起形成了钻头对地层岩石的冲击、压碎作用压碎作用  牙齿单双齿交替作牙齿单双齿交替作用于地层，牙轮中心的用于地层，牙轮中心的位置不断上下交换，使位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复钻头沿轴向作上下往复运动的运动的牙轮钻头纵向振动图示：牙轮钻头纵向振动图示：3 3、牙齿对地层的剪切作用、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、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复锥和移轴三种结构特点引起的(1)(1)超顶和复锥引起的滑动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，牙轮锥顶超过钻头轴线，这种特点称作超顶，超过的距离超过的距离obob称作超顶距以下定性分析由于超顶称作超顶距以下定性分析由于超顶引起的滑动引起的滑动 钻头轴心锥顶超顶牙轮上的牙齿产生滑动的原因：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刚体牙轮与井底接触为一条直线baba，，v vb b表示表示牙轮随钻头公转的线速度，牙轮随钻头公转的线速度，v vc c表示牙轮绕牙轮表示牙轮绕牙轮轴自转的线速度，直线轴自转的线速度，直线baba上任一点相对井底的上任一点相对井底的运动速度运动速度v vgxgx均为均为v vbxbx、、v vcxcx的合成，即：的合成，即： v vgxgx= = v vbxbx+v+vcxcx；；V Vgxgx呈直线分布，它与呈直线分布，它与baba交于交于m m点，点，m m点点的合成速度为零，为纯滚动点。

而其它位置合的合成速度为零，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作时，牙轮上的牙齿在井底以m m点为中心产生切点为中心产生切向扭转滑动向扭转滑动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，因而产生滑动由于副锥是超顶的，因而产生滑动其分析方法同超顶情况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，平移的距离的距离oo’oo’，称作偏移值称作偏移值 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。

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 o oO'O'超顶、复锥、移轴使牙齿产生滑动的作用：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；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以剪切掉齿圈之间的岩石( (如图如图) ) 超顶、复锥、移轴使牙齿产生滑动的作用示意图超顶、复锥、移轴使牙齿产生滑动的作用示意图 钻头牙齿破碎岩石钻头牙齿破碎岩石形成的井底示意图形成的井底示意图 无超顶复锥，同无超顶复锥，同一齿圈相邻牙齿破碎一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的存在未破碎坑之间的存在未破碎部分部分 超顶复锥设计，超顶复锥设计， 可可以剪切掉同一齿圈相以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的邻牙齿破碎坑之间的岩石岩石 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 实际钻头的实际钻头的超顶、复锥、移轴是根据地层特性设计超顶、复锥、移轴是根据地层特性设计，一般遵循以，一般遵循以下准则：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；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、即单锥、不超顶、也不移轴也不移轴) )超顶、复锥、移轴设计准则：超顶、复锥、移轴设计准则：4、牙轮钻头的自洗、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，出现了自洗式钻头现了自洗式钻头 牙轮钻头的自洗牙轮钻头的自洗是通过牙轮布置使各牙轮的牙齿齿圈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、牙轮钻头的特点三、牙轮钻头的特点 优点：优点： 1 1、冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击、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，破岩效率高又有滑动引起的剪切，破岩效率高 2 2、适应地层范围广，适合在所有地层中钻进适应地层范围广，适合在所有地层中钻进 3 3、钻头自洗效果好，不容易泥包钻头自洗效果好，不容易泥包 4 4、钻头成本较低钻头成本较低 缺点：缺点： 1 1、由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低；、由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低； 2 2、由于存在薄弱环节（如轴承密封与锁紧部位），经常会造成牙轮、由于存在薄弱环节（如轴承密封与锁紧部位），经常会造成牙轮脱落，造成钻井事故；脱落，造成钻井事故； 3 3、由于轴承在高转速下寿命较低，因此牙轮钻头不适合高转速，一、由于轴承在高转速下寿命较低，因此牙轮钻头不适合高转速，一般适合在般适合在200200转转/ /分以下。

分以下 4 4、在高温条件下，钻头密封和润滑系统容易损坏，因而不适合高温、在高温条件下，钻头密封和润滑系统容易损坏，因而不适合高温地层 5 5、在小井眼中由于牙轮尺寸受到限制，寿命很低，因此不适合小井、在小井眼中由于牙轮尺寸受到限制，寿命很低，因此不适合小井眼钻井 6 6、所需钻压相对较高，不适合在易斜地层使用所需钻压相对较高，不适合在易斜地层使用。