技术员讲义-钻头.

d:\MyDocuments\动画与图片\钻头钻进图.swfd:\MyDocuments\动画与图片\钻进钻柱弯曲示意图.swfd:\MyDocuments\动画与图片\钻头振动图.swf•牙轮钻头及其破岩原理•金刚石钻头及其破岩原理•钻头的正确使用内容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。复锥牙轮是指除主、背锥外还有1－2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，软地层为38o－40o；中硬地层为40o－42o；硬地层为42o－45o。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0．75－1mm；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。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152－244mm的小尺寸钻头中，后一种结构多用在直径244mm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，制定了牙轮钻头的系列标准，即牙轮钻头的直径系列和结构系列标准。a.牙轮钻头的直径系列牙轮钻头的直径要与相应的套管尺寸相配合。下套管固井时，要保证套管外径与井眼间有合适的间隙，以提高固井质量；固井后继续钻进时所用钻头直径又要与套管内径配合好。直径系列的确定必须根据各国的具体条件而定。b.牙轮钻头的结构系列国产牙轮钻头分两大类，即钢齿牙轮钻头和镶齿钻头、八个系列，系列代号用专用汉语拼音字母表示，见表5-4-1(书P191)所示。钢齿钻头的类型及适用地层见表5-4-2（书P191）所示。国产三牙轮钻头结构系列类别名称代号类别名称代号钢齿钻头普通钻头喷射钻头密封钻头密封喷射钻头密封喷射保径钻头滑动喷射钻头滑动喷射保径钻头YPMMPMPBHPHPB镶齿钻头镶齿普通钻头镶齿密封钻头镶齿滑动钻头镶齿密封喷射钻头镶齿滑动喷射钻头空气钻头XXMXHXMPXHPK国产三牙轮钻头类型及适用范围代号（简化）1234567类型新旧JR—RLZRMZCZYTYTKJY—钻头体颜色乳白黄淡兰灰墨绿红褐适用地层极软软中软中中硬硬极硬适用岩性（举例）泥岩石膏盐岩软页岩软石灰岩白垩中软页岩中硬石膏中软石灰岩中软砂岩中软页岩硬石膏中硬石灰岩中硬白云岩硬页岩硬石灰岩硬白云岩砂岩石英岩石英砂岩石英岩隧石花岗岩(6)国产三牙轮钻头型号的表示方法钻头直径（用公制毫米或英寸数）钻头类型（1.2.3.4.5.6.7为代