牙轮钻头详解

第六章破岩工具及其破岩机理
引言
石油钻井使用的破岩工具主要有四类：
1.牙轮钻头；
2.聚晶金刚石钻头；
3.单晶金刚石钻头；
4.刮刀钻头。

破岩工具不同，其结构、破岩机理不同。

了解和掌握不同破岩工具的结构及其破岩机理，对于破岩工具的选型、结构优化设计、钻井参数的优化及破岩工具应用等都具有重要意义。

第一节牙轮钻头
牙轮钻头是石油钻井工程中应用最为广泛的一种钻头。

具有适应地层广，机械钻速高的特点。

牙轮钻头的分类：
按牙齿的固定方式分为：镶齿和铣齿（图3.8)；
按轴承类型分为：滚动轴承和滑动轴承（图3.9)；
按密封类型分为：橡胶密封和金属密封（图3.10)；
按牙轮数量分为：单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头（图3.11)。

图3.8镶齿和铣齿牙轮钻头
滑动轴承结构
滚动轴承结构图3.9滚动轴承和滑动轴承牙轮钻头
橡胶密封金属密封
图3.10橡胶密封和金属密封
三牙轮钻头
双牙轮钻头单牙轮钻头图3.11 单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头
一、牙轮钻头结构
一、牙轮钻头的结构
图3.12 牙轮钻头结构描述
牙轮钻头牙爪（巴掌）
牙轮钻头结构可分为以下主要部分描述(图3.12)：
①接头：钻头上部车有丝扣，供与钻柱连接用；
②牙爪(也称巴掌)：上接壳体，下带牙轮轴(轴颈)；
③牙轮与牙齿；
④轴承系统；
⑤储油密封补偿系统；
⑥水力结构：喷嘴数量、尺寸形状、空间结构参数。

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(如图3.13) ，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（图3.14）。

轴承跑道铣齿镶齿位置
图3.13 牙轮结构示意
牙轮
图3.14 牙轮锥面结构形式
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3.15，根据齿位置的不同分为保径齿、内排齿和修边齿。

修边齿为硬质合金镶齿，以强化保径效果。

齿结构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。

为增强铣齿的耐磨性，在铣齿表面堆焊硬质合金耐磨层。

图3.15铣齿的切削结构
硬质合金堆焊层
保径齿
内排齿修边齿
图3.16 铣齿的结构
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，齿形、齿宽、齿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。

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（图3.17)。

牙轮钻头上使用的硬质合金镶齿是碳化钨(WC) 、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。

近几年研发出金刚石复合材料镶齿(图3.18)。

镶齿在井底组成切削结构的定义见图3.17。

根据齿在切削结构中的位置不同可将齿分为：内排齿、保径齿和修边齿。

密封内排齿
牙爪
修边齿
保径齿
图3.17 镶齿切削结构定义
图3.18 金刚石复合材料镶齿示意
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（图3.19）：
图3.19
图3.20 镶齿结构
①楔形齿（图3.20)
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(图3.21)。

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（图
3.22）,指主要承载轴承即大轴承)两大类（图3.23，3.24)。

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。

轴颈
密封
主(大)轴承
滚柱
锁紧轴承
（中轴承）
止推轴承
小轴承
图3.21牙轮钻头轴承结构示意
滑动轴承结构滚动轴承结构
图3.22 不同轴承结构示意
图3.23 滚动轴承的结构形式
图3.24 滑动轴承的结构形式
图3.25 牙轮钻头轴承结构名称
3.轴承系统的性能与钻头工作特性之间的关系
轴承系统的可靠性与钻头的额定工作转速密切相关。

轴承的性能与轴承类型、结构、材料、密封等因素有关。

牙轮钻头轴承工作在低速、重载、润滑不良条件下，由于滚动轴承的承载能力低于滑动轴承，工作寿命滚动轴承低于滑动轴承。

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(图3.26)。

储油囊(图3.27)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
图3.26储油润滑密封系统的构成
图3.27储油囊结构
4.水力结构
①牙轮钻头的水力结构：
钻井液流经钻头喷嘴在井底形成流场，井底流场的变化与喷嘴的数量、形状、空间结构参数有关。

喷嘴的数量、尺寸形状、空间结构参数组成牙轮钻头水力结构。

②牙轮钻头水力结构的作用：
①钻井液流出钻头射向井底的通道；
②喷嘴数量、尺寸决定了钻头的过流面积，通过调节过流面积改变
钻头压降，实现水力参数优化钻井；
③通过合理调节喷嘴的空间位置，形成最优的水力结构，有效清洗
牙轮和井底岩粉。

辅助破岩
图3.29 水力结构的作用
喷嘴又称水眼，为硬质合金材料制成，
（喷嘴）
⑤喷嘴的空间结构参数
喷嘴的空间结构参数主要包括：空间分布、喷距、喷射角度。

图3.30井底射流冲击力与流量的关系
图3.31 喷嘴对井底流场的影响
二、牙轮钻头的工作及破岩原理
1.牙齿的公转与自转（图3.32)
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——
牙轮逆时针旋转图3.32 牙轮钻头的运动分析
2.钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用
①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（图3.33）。

②由于井底不平和有凸台存在，牙轮在滚动过程中会产生纵向
振动。

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（图3.34)。

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。

牙轮钻头纵向振动如图3.33所示：
图3.33振动产生的原因由于井底不平和有凸台存在，牙轮在滚动过程中会产生纵向振动。

图3.34 冲击压碎作用示意
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。