第二章1--钻头

圆锥形齿：锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状， 以压碎方式破碎岩石。锥角60°～70°的中等锥形齿用来钻中 硬地层，90°锥形及120°双锥形齿用来钻研磨性高的坚硬岩 石。
球形齿：顶部为半球体，以压碎和冲击方式破碎高研磨性 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。
抛物体形齿：是球形齿的变形，齿高较大但有一定强度，同样用 在高研磨性的坚硬地层。
3．储油润滑密封系统 既能保证轴承得到润滑，又可 有效地防止钻井液进入轴承内。 整个储油装置安装在牙爪的储 油孔内，与外界用传压孔相通，与
C Cb Cr t tr
H
式中：C——单位进尺成本，元/m； Cb——钻头成本，元； Cr——钻机作业费，元/h； t——钻头钻进时间，h； tr——起下钻及接根时间，h； H——钻头进尺，m。
二、刮刀钻头的结构及工作原理
(一)刮刀钻头的结构
刮刀钻头结构可分为四部分：上钻头体、下钻头体、刀翼、水眼
勺形齿：是美国休斯公司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。
偏顶勺形齿的齿顶相对于其轴线超前偏移了一个距离，其凹面 正对被切削的地层。
圆锥勺形齿是在圆锥形齿的基础上产生的，它切削地层的工作 面内凹，背面是微向外凸的圆弧形。
平顶形齿，齿形为圆柱体，端部有倒角，它只用在牙轮钻头的 背锥上，以防止背锥磨损，达到保径及提高钻头寿命的目的。
图2-9 铣齿结构参数
齿高h：指齿根到齿顶的距离。 齿顶削平度k：指齿尖的宽度。 一般小钻头k=0.75～1mm；大钻头k=2mm。 一般软地层钻头的齿高、齿宽、齿距较大，而硬地 层则相反。
在研磨性较强的地层的钻头增大钻头外径部位的耐磨性的做 法称作保径。铣齿钻头为达到保径要求外排齿制成“П”形、“T” 形或“L”形(见图2-10)。
(二)刮刀钻头的工作原理
刮刀钻头主要以切削、剪切和挤压
方式破碎地层，具体方式取决于钻头的
切削结构及所钻地层的岩性。
刮刀钻头破碎塑性岩石的方式 在钻
压W和扭转力T的作用下不 断产生塑性 流动。
图2-5 刮刀钻头破碎塑性岩石过程
破碎塑脆性岩石大体分为三个过程：
(1)刃前岩石沿剪切面破碎后。T力减小， 切削刃向前推进。碰撞刃前岩石(图2-6a)；
三、牙轮钻头的结构 及工作原理
牙轮钻头分为三牙轮钻头，两牙轮钻头、单牙轮钻头 和四牙轮钻头。
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(一)牙轮钻头的结构
分为有体式和无体式两类
图2-7 三牙轮钻头（铣齿密封滚动轴承喷射式）
1．牙轮及牙齿 (1)牙轮具有单锥和复锥两大类， 单锥牙轮适用于硬或研磨性较强的地层，复锥牙轮适用 于软或中硬地层。
87 14.0～14.0
抗弯强度 /MPa 15 17.5
20
齿的体部都是圆柱体，是镶进牙轮壳体的齿孔内的部分，齿形 是指露出在牙轮壳体以外部分的形状及高度。
国内外常见的硬质合金齿的齿形如图2-11所示。
图2-11 硬质合金齿齿形图
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。
图2-10 保径齿齿形
(3) 镶齿 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。
牌号
YG8 YG8C YG11 YG11C
表2-1 国产硬质合金性能
硬质合金成分/% 硬度 密度
WC
Co
/RA
/g·cm3
89
8
89 14.4～14.8
92
8
88 14.4～14.8
89
11
89
11
2．轴承
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。
根据轴承的密封与否，分为密封和非密封两类。 根据轴承副的结构，分为滚动轴承和滑动轴承。 对于滚珠轴承、滚柱轴承及滑动轴承，轴与轴承副 之间的接触方式分别为点接触、线接触与面接触。 密封圈有碟形密封圈、“O”形密封圈及金属密封圈 等几种。
a
b
c
图2-8 单锥和复锥牙轮
a—单锥； b、c—复锥； 1—主锥； 2—副锥； 3—背锥
(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， 齿的结构参数为齿尖角、齿高、齿顶削平度、 齿距等。
齿尖角 ：一般软地层 =38º～40º； 中硬地层 =40º～42º，硬地层， =42º～ 45º。
刀翼
•三刀翼的称作三刮刀钻头 •两刀翼的称作两刮刀钻头 或鱼尾刮刀钻头 •四刀翼的称作四刮刀钻头
图2-1 刮刀钻头结构
刮刀钻头刀翼的结构特点： (1)刀翼结构角，包括刃尖角、切削角、刃前角 和刃后角。 刃尖角β是刀翼尖端前后刃之间的夹角，它表示 刀翼的尖锐程度。 切削角α是刀翼前刃和水平面之间的夹角。 刃后角ψ＝α-β。刃后角必须大于井 底角θ。 井底岩石表面和水平面成一夹角，此夹角称作井底角
(2)在扭力T作用下压碎前方的岩石，使其 产生小剪切破碎，旋转力T增大(图2-6b)；
(3)刀翼或切削齿继续压挤前方的岩石(部 分被压成粉状)，当扭力T增大到极限值时， 岩石沿剪切面破碎，然后扭力突然变小(图 2-6c)。
图2-6 刮刀钻头破碎塑脆性岩石过程
碰撞、压碎及小剪切、大剪切这三个过程反复进行，形成 破碎塑脆性岩石的全过程。
第二章 钻进工具
第一节 钻头 第二节 钻柱
第一节 钻 头
一、概述
钻头分为牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三类。 钻头的技术、经济指标包括以下方面： 钻头进尺：指一个钻头钻进的井眼总长度； 钻头工作寿命：指一个钻头的累计总使用时间；
钻头平均机械钻速：指一个钻头的进尺与工作寿命之比。 钻头单位进尺成本：
图2-3 刮刀钻头刀翼结构角
(θ)。 刃前角与切削角互为补角，刃前角φ＝90°-α。
(2)刀翼背部几何形状。刀翼背部应成抛物线形状，即刀翼的厚 度随距刀刃的距离增加而逐渐增厚，呈抛物线形。
(3)刀翼底部几何形状。有平底、正阶梯、反阶梯和反锥形几种 形状。
图2-4 刀翼底刃几何形状
平底刮刀钻头：钻速慢，结构稳定； 正阶梯型：钻速快，缩径； 反阶梯型：钻速快，易蹩断； 反锥型：钻速较快，不缩径，不易蹩断。 (4)提高刀翼的耐磨性。刀翼一般采35CrMo或MnSiMoV 高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。