钻进工具钻头专业知识讲座

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一、概述
1. 钻头类型
?按结构及工作原理分类
刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、 金刚石钻头
?按功用分类
全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻 头
2. 钻头尺寸系列
3-3/4 ~ 36 in
密封圈 ?工作原理：
储油压力补偿系统（传压孔、 压力补偿膜、油杯等）保持轴承 腔内的油压与井内钻井液柱压力 相平衡。当轴承腔内油压降低， 储油杯中的润滑油在钻井液柱压 力作用下补充到轴承腔内；当轴 承腔内的油压升高，则流入储油 杯。其中，有效密封是关键。
三、牙轮钻头（ Roller Bit ）
（一）牙轮钻头结构
牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌） 及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润 滑密封系统、喷嘴等部分组成。
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1．牙轮及牙齿
（一）刮刀钻头的结构
上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼。
刀翼
图2-1 刮刀钻头结构
?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
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3. 工作指标
钻头进尺（米）
钻头工作寿命（小时）
机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米）：
C pm
?
Cb
? Cr (t ? tt ) H
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二、刮刀钻头（ Drag Bit ）
? 刀翼结构：
（1） 刀翼结构角 ? 刃尖角β —刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它 反映了刀翼的尖锐程度。 β 越小，刃部越尖锐， 越容易吃入地层，但强度越低。
一般地，软地层 β = 8°～ 10° 较硬地层 β = 12°～15°
? 切削角α — 刀翼前刃和水平面之间的夹角。
在相同钻压下， α 越大，刀刃越容易吃入地层， 但旋转扭矩大，剪切刃 前岩石困难。
? 刮刀钻头制造工艺简单，成本低； ? 刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低； ? 刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜； ? 刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备； ? 刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。
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（2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前 岩石，产生小剪切破坏。
（3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值， 刃前岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。
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（三）刮刀钻头的应用
（1）牙轮 ? 20CrMo合金钢锥体，锥面铣齿或镶装硬质合金齿，内腔有轴承跑道。 ? 单锥牙轮：主锥+背锥，硬地层 ? 复锥牙轮：主锥+副锥+背锥，软b、c—复锥； 1—主锥； 2—副锥； 3—背锥
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为什么滑动轴
承比滚动轴承寿 命长？
滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推
密封圈
滚柱
密封圈
止推台阶
滑动摩擦衬套 滑动摩擦副
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3．储油润滑密封系统
?储油润滑补偿系统 ?密封系统：橡胶密封圈、金属
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2．轴承
? 牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。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，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。
? 滚动轴承结构：滚柱—滚珠—滚柱—止推 滚柱—滚珠—滑动一止推
? 滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推
（2）刀翼背部形状 刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而增厚，呈抛物线形，以确保刀翼强
度足以承受弯矩。 （3）刀翼底部形状： 平底、正阶梯、反阶梯、反锥
(4)提高刀翼的耐磨性 ? 刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证有足够
的强度。 ? 一般在刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块，在外侧面镶装YG8硬质合金块。 ? 刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块。
一般地，松软地层 α ＝70°； 软地层 α ＝70～80°；
中硬地层 α ＝80～85°。
刃后角ψ ＝α －β ：刃后角必须大于井底角θ 。
刃前角φ：φ ＝90°－α 。
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（2）牙齿
铣齿——在牙轮锥面上直接铣出，楔形 硬质合金镶齿——镶装在牙轮锥面上，有多种齿形适应不同地层。
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? 破碎脆性岩石过程：
刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为：碰撞→ 压碎及小剪切→大剪切。
（1）碰撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃 在旋转扭矩作用下向前推进， 碰撞刃前岩石。
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（二）刮刀钻头的工作原理
刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。
?破碎塑性岩石过程：
在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T 的作用 下不 断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。