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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。

江汉三牙轮钻头使用说明

钻头IADC H系列密封滑动轴承钢齿三牙轮钻头使用说明

钻头主要特征推举参数

型号代码

适用地层

切削构造轴承构造

钻压转速

KN/mm rpm 低抗压强度、高可钻性的极软地层〔粘

土、软泥岩、疏松砂岩、盐岩等〕

牙齿最大，齿尖角小，齿间距大，牙

齿两侧及锥面均进展硬面强化。H117

背锥用硬质合金齿加强保径。

1、O 形橡胶

圈密封，全滑

动轴承。

0.35～0.90 150～80

低抗压强度、高可钻性的软地层〔粘齿较大，间距比H116 小，齿的两侧面

土、泥岩、盐岩、疏松砂岩、软石灰及外端面均作硬面强化。H127 外排、

岩等〕或背锥均用硬质合金齿加强保径。

低抗压强度的软至中软地层或软岩层齿较短，间距加密，牙齿全部外表及

中有较硬的夹层〔页岩、泥岩、砂岩、背锥进展硬面强化。H137 外排、或背

软石灰岩等〕锥均用硬质合金齿加强保径。

牙齿削减、加密，外排用“T”形齿保

抗压强度较高的中等硬度地层，并有径，牙齿全部外表及背锥均进展外表

硬夹层〔硬页岩、砂岩、石灰岩等〕强化。H217 外排、或背锥均用硬质合

金齿加强保径。

短齿、密布，外排用加密“T”形齿，

高强度、有研磨性的硬地层〔硬砂岩、

牙齿及背锥全部硬面强化。H317 背锥

白云岩、硬页岩、硬石灰岩等〕

用硬质合金齿加强保径。

高强度、高研磨性的极硬地层〔石英

用独特环外形齿顶的短粗齿，外排齿

岩、石英砂岩、燧石、黄铁矿、花岗

为“Π”形构造，牙齿及背锥全部硬

面强化。H437 背锥用硬质合金齿加强

岩等〕

2 、卡簧或钢

球锁紧牙轮。

3 、牙掌轴颈

外表强化，增

加耐磨性；牙

轮内孔镶焊

减磨合金，增

牙轮钻机PPT优秀课件

第五章牙轮钻机
第一节牙轮钻机的发展概况
牙轮钻机是在旋转钻机的基础上发展起来的一种近代新型钻孔设备。1907年，美国石油工业部门开始使用牙轮钻机钻凿油井和天然气井。1939年，开始试用于露天矿。我国从 1958年起研制牙轮钻机，自1976年定型并批量生产HYZ250C牙轮钻机后，牙轮钻机的研制和应用迅速发展起来。下图是洛阳矿山机械工程设计院设计的KY系列牙轮钻机。
为牙轮主锥角。
第三节牙轮钻头运动学及其凿岩原理
工作时，加压机构通过钻杆给钻头施以很高的轴向压力，牙轮则被牙在孔底上。当回转供风机构使钻具以一定的转速回转时，钻头上的各个牙轮，既绕钻杆轴线公转，又可以绕本身轴线自转。
一、牙轮钻头的纵向振动及凿岩原理 1. 纵向振动的产生
事实上牙齿在锥面外是有一定高度的。钻孔时，牙轮绕本身轴线旋转而滚动，交替地由二个齿着地变为一个齿着地，如上图所示。
参考系
2. 移轴布置牙轮轴线OA相对于钻头X轴线移动一垂直距离s，称为移轴布置。
移轴引起牙轮沿接触线方向滑动，滑动速度的大小与移轴距和钻杆转速成正比；当牙轮锥半顶角和钻杆转速相同时，移轴布置与不超顶不移轴布置的牙轮转速大小相等。
3. 超顶布置（牙轮轴线与钻杆轴线相交，
但顶点不重合）
一、三牙轮钻头的构造
三牙轮钻头主要是由牙爪、牙轮、轴承组成。三个牙爪和并在一起，焊接成一个整体。三个牙轮分别套在三个牙爪下端的轴颈上。滚珠从牙爪背上的塞销孔送入滚珠轴承跑道内。当滚珠装满后，将塞销插入销孔内，并将塞销尾部堵焊载牙爪背上。滚珠则将牙轮限定在牙爪轴颈上。为了防止轴经过热和被异物堵塞，矿用牙轮钻头采用压气或气水混合物冷却并吹洗轴承。有中空钻杆通入钻头的压缩空气或气水混

第2章钻头

第一节钻头
二、刮刀钻头的结构及工作原理提高刮刀钻头的耐磨性： (1) 刀翼材料 (2) 在刀翼表面及侧部，镶装和平铺硬质合金刮刀钻头的特点： (1) 结构简单、成本低； (2) 钻头承压面积大，钻进时扭矩较大； (3) 适用于软地层(如泥岩及页岩)、中软地层钻进。参数配合： (1)增加转速；(2)适当减小钻压；(3)提高排量。

按功用分类
全面钻进钻头取心钻头钻头环形钻进钻头特种钻头扩眼、偏心钻头
第 4 页
第一节钻头
一、钻头
钻头的类型
• 刮刀钻头 drag bit • 牙轮钻头 cone bit • 金刚石钻头 diamond bit 天然金刚石钻头（ＮＤ） Natural diamond bit 人造聚晶金刚石钻头（ＰＤＣ）
工作条件和磨损：承压（钻压60-70%），承受冲击载荷（牙轴颈）磨损：泥浆中的杂质、液体介质的性质对轴承的磨损影响较大。

特点：耐磨性差，用于钻切较软的地层
第 25 页
第一节钻头
三、牙轮钻头的结构及工作原理
铣齿钻头参数：

齿高齿宽

齿距
齿尖角铣齿的结构参数
<-铣齿的保径齿齿形
第 26 页
第一节钻头
三、牙轮钻头的结构及工作原理
tungsten carbide tooth

第二章三牙轮钻头的结构及类型

第一节三牙轮钻头的结构特点

三牙轮钻头是由牙掌、牙轮、轴承、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等二十多种零部件组成。

一、牙掌

牙掌是牙轮钻头的主要零件.一只钻头是由三片牙掌组装焊接在一起的。上部有连接螺纹,以便与钻具连接，下部制成有一定倾斜角度的轴颈，与牙轮内孔组成轴承副。牙掌上有水孔流道，可以安装储油压力补偿装置。轴颈承受载荷，需要较高的耐磨性及硬度，同时基体内部又需要有足够的强度及耐冲击韧性。

二、切削结构

切削结构包括牙轮和牙齿。牙轮是一个其上装有(或铣出）牙齿的锥体,分单锥和复锥两种。单锥由主锥和背锥组成，单锥牙轮在井底的运动为纯滚动,适用于硬地层钻井。复锥由主锥、副锥和背锥三部分组成，这种牙轮在井底工作时除了滚动外，还能产生滑动，用于

较软地层钻井。

牙轮上的牙齿分镶齿和钢齿两种。镶齿是将牙轮外锥面的齿圈上钻孔，镶装大小形状不同的硬质合金齿；钢齿则直接从牙轮锥体上铣出。钻头上三个牙轮的各排齿相互啮合，能有效而不重复地全面破碎井底岩石并防止齿糟泥包。牙齿的形状、大小、数量、长短取决于所钻地层的硬度，地层越软，则牙齿越大、越尖、布置得越少。反之,地层越硬、则牙齿越小越短、数量越多.

硬质合金齿的硬度和抗磨性比钢齿高，使用寿命比钢齿长，尤其是破碎具有研磨性的硬地层，效果更好。其适用地层范围广、进尺多、机械钻速多，已在石油钻井中广泛应用。

硬质合金齿的齿形目前常用的有十多种,如球形、尖卵形、圆锥形、楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、边楔形、平头形等。根据不同地层、不同岩性的破碎机理不同、各种钻头选用不同形状的齿形。

第五章牙轮钻机

KY-250B牙轮钻机
构成：由钻具、钻架与机架、回转供风机构、加压提升机构、接卸及存放钻杆机构、起落钻架机构、稳车千斤顶、行走机构、除尘系统、司机室和机棚的净化装置、风、水、电控制系统组成. 书图5-18为KY-250A型牙轮钻机的传动系统示意图。钻孔时，回转机构→钻具回转→加压机构→封闭链条→ 钻头轴压力→推进钻具→连续凿岩。空压机→压气→回转供风机构→中空钻杆→钻头的喷嘴喷向孔底→岩碴从环形空间→孔外。一、钻具上钻杆、下钻杆、牙轮钻头组成钻杆：中空杆件见图5-19 ，两端有接头。选择：⑴孔径为220mm，杆外径选180~194mm杆； ⑵ 孔径为250mm，杆外径选219mm。
1、牙爪图5-3是一个异形体，主要部分是各轴承的轴颈、爪背与钻杆相连接的螺纹。轴颈线与钻轴线的夹角β 叫做轴倾角。一般为50°～55°，在爪背与孔壁之间有 1°30′～5°的夹角。在爪尖外表堆焊一薄层硬质合金粉，并镶焊一些平头合金柱。
2、牙轮牙轮钻头多为柱齿钻头。图5-2 在牙轮的外表面上钻有若干排齿孔，并用冷压方法将硬质合金柱压入孔内。每一排柱齿都构成一个齿圈。各齿圈之间都车出一定宽度的沟槽，即齿槽。牙轮内设有滚柱跑道、滚珠跑道、滑套和止推块空腔。为保护牙轮的背锥，防止被孔臂岩石过分磨损，在背锥上镶嵌有平头硬质合金柱。布齿方式：P95 画、看图讲解。柱齿齿痕见图5-4、三个牙轮上的布齿结果。牙轮的几何形状见图5-5，单锥牙轮，复锥牙轮。

钻井工程理论与技术第二章钻进工具--钻头(3学时)

（一）牙轮钻头结构
（1）牙轮及牙齿（2）牙轮轴（3）轴承（4）巴掌（5）钻头体（6）喷嘴（7）储油润滑密封系统
二、牙轮钻头（Roller Bit）
（一）牙轮钻头结构
1．牙轮及牙齿
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：主锥+背锥，硬地层复锥：主锥+副锥+背锥，软到中硬
振动频率：
m

nc z

nb Db 60Dc
z
振动周期： T 1 m
Vbx

Dbx Nb
60
(m /
s)
Vcx

Dcxnc
60
(m /
s)
二、牙轮钻头（Roller Bit）
（二）牙轮钻头工作原理
1. 牙轮钻头在井底的运动
c 超顶距
超顶和副锥引起周向滑动
公转时
c
自转时
副锥产生超顶效果
平衡时合速度
镶齿
1/8的齿甭碎或掉落 1/8的齿甭碎或掉落 1/8的齿甭碎或掉落 1/8的齿甭碎或掉落 1/8的齿甭碎或掉落 1/8的齿甭碎或掉落 1/8的齿甭碎或掉落所有齿全甭碎或掉落
二、牙轮钻头（Roller Bit）
（三）牙轮钻头磨损与分级
2. 轴承磨损
轴承磨损以钻头使用时间与轴承寿命（小时）之比分级。轴承寿命用使用过的同类钻头的资料统计得到。

牙轮钻头的尺寸

7/8
437,517, 537,547,617
1/4
437,517, 537,547,617,627,637Baidu Nhomakorabea
1/2
517,537,617,627,637
537,547,617,637
537,547,617,637
尺寸
型号(IADC)
英寸
mm
镶齿牙轮钻头
钢齿牙轮钻头
6
517, 537,617, 637
6 1/2
517, 537
7/8
517,527,547,617,627,637
1/2
437,447,517,537,617,627,637
1/2
437,517,537,547,617
5/8
437,517, 537,547,617

牙轮钻头资料重点

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。
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。
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。

钻头讲义PPT课件

钻头
计划4学时
1
目的
钻头的结构（刮刀、牙轮、PDC) 钻头的破岩原理重点掌握三牙轮钻头的运动分析及破岩原理
2
钻头授课内容
石油钻井用钻头类型刮刀钻头(Drag bit) 牙轮钻头(Cone rolling bit)
三牙轮钻头的结构牙轮钻头的破岩原理牙轮钻头的合理使用
3
钻头的类型
金刚石钻头
对于极软到中硬地层的钻头，一般兼有移轴、超顶和复锥；中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。极硬地层，所选钻头为纯滚动（单锥、不超顶、不移轴）。
28
牙轮钻头的结构和类型
钻头直径牙轮的轴线偏移量
软地层、高塑性的岩层，偏移值要大硬地层、低塑性的岩层，偏移值要小极硬地层、高研磨性地层，无偏移量
牙轮轴线与钻头轴线的夹角=51°-55°
20
21
22
牙轮移轴方式
23
24
y
(x,y)
r Vy V
V r (V Vx Vy)
y Vx
x
x
Vy r • cos r • x x
r
Vx r •sin r • y y
r
26
27
牙轮钻头破岩机理
由移轴所引起的轴向滑动可以剪切掉齿圈间的岩石，而超顶和复锥所引起的切向方向上的滑动可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石。滑动增加了牙齿的磨损。

钻井工程-5-钻头讲解

高，则流入储油杯。其中，有效密封是关键。
•
4．喷嘴
钻井液流出钻头射向井底的流道。高压钻井液流经喷嘴后产生高速流动的水射流，清除井底岩屑，辅助破碎岩石。
三牙轮钻头一般安装 3 个喷嘴，直径7~13mm。用卡簧固定在水眼内，并用o 形圈密封。
5．牙轮及牙齿的布置方式
•布齿原则：（1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；（2）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内；（3）牙齿磨损均匀。
（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，软到中硬
a
b
c
a—单锥； b、c—复锥； 1—主锥； 2—副锥； 3—背锥
（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。
•牙轮布置方案：（1）非自洗无滑动布置：
各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用于硬地层；
（2）自洗不移轴布置：
各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用于中硬地层；
（3）自洗移轴布置：
各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，移轴，用于软地层；
非自洗
自洗无移轴
自洗移轴
牙轮及牙齿的布置

牙轮钻机岗位培训教材

KY-200牙轮钻机（牙轮钻机岗位培训专用教材）

矿山车间

牙轮钻机岗位培训教材

一、工作原理：采用顶部回转，油缸-链条对钻具施加轴压力的连续进给的工作机构，以三牙轮钻头为钻具，利用压缩空气把破碎的岩渣排出孔外，形成炮孔。

二、主要技术参数

钻孔直径：φ200mm 爬坡能力：12度

排渣风压：0.35Mpa

三、主要特点

1、以电能为动力，液压驱动为主的旋转钻机，除回转采用直流拖动外其余的工作机构均为液压驱动的。

2、行走机构采用平衡梁结构，由液压马达驱动。履带部分符合“四轮一带”标准。

3、回转采用通用的直流电机拖动，由磁放大器供电并可无级调速。

4、采用油缸-链条连续进给的滑架式工作机构，进给速度和轴压力的大小均可无级调整。

5、钻机设有液压千斤顶，钻孔时可将钻机调平。

6、钻架的起落，钻杆的手动和接卸由液压缸来完成。

7、机械室采用增压净化技术，司机室设有空调装置。

8、行走在车下操纵安全可靠，其余作业的操纵均集中在司机室内的操纵台上，省力方便。

9、钻机自带变压器、空压机，移动方便，机动灵活。

四、安全技术操作规程

(一)、作业前准备：

1、检查是否漏油，如有查明原因。

2、检查扑尘罩是否损坏，钢丝绳是否松驰或脱槽，如有应及时处理。

3、当采用干式除尘装置时，应检查排渣口是否关闭，密封是否良好。

4、检查高压电缆是否有破损状况，如有破损，通知电工及时处理。

5、检查行走机构、轴与平台、均衡梁支座与平台、履带支架的连接螺栓是否松动，挡板是否损坏，销轴是否移位，履带总成是否损坏，履带松紧是否适中。

6、检查车下风包是否有积水，放水后应拧紧旋塞。

哈里伯顿牙轮钻头知识培训

Bearing Structure Details
Central Ball Race Bearing
Centralized ball race improves bearing stability and increases load carrying capacity
Thick thrust flange withstands high in-thrust loading
Shaped Gauge
Sharp Tooth Shape
Soft
Chisel Tooth Shape
MediumExtension
Conical Shape
ShortExtension
Conical Shape
Medium
Tooth Shape
LongExtension
Conical Shape
Hard
Diamond Tech2000 hardfacing combines tungsten carbide nuggets and encrusted diamond pellets
PPeellleettss
NNuuggggeettss
TCI Bit
Tungsten Carbide Insert Design
Gallery
Monocone Bit
Gaging the Monocone Bit

牙轮钻头型号、工作原理、受力分析、注意事项

牙轮钻头

一、江汉牙轮钻头型号表示方法

（一）、三牙轮钻头型号表示方法.型号的组成

三牙轮钻头型号由钻头直径代号、系列代号、IADC 分类号和附加结构特征代号四局部组成。

例如： 8 1/2 HJ 537 Y

附哪结构特征代号

系列代号.钻头直径代号

钻头直径代号用数字（整数或分数）表示，代表钻头直径英寸数，各种规格的钻头直径应符合SY/T5164的规定。特殊情况下，用户定制的非标尺寸钻头可以直接用公制尺寸表示。

例如：直径代号为8 1/2,表示钻头直径为8 l/2in 、公制尺寸215. 9mm 。 3、钻头系列代号

钻头系列及代号见表1。

系列代号由一至三个字母组成。对于H 、HA 、HJ 、FA 、FJ 、GA 、GJ 、W 等系列，其含义如下：

第1个字母表示轴承结构特征。现有3种轴承结构：

一 H-滑动轴承；一G-滚动轴承；

一 F -浮动轴承；注：W 系列-非密封滚动轴承。

第2个字母表示密封结构。现有3种密封结构，其中W 系列无第2个字母，表示为非密封。化，以提高其耐磨性。

2.牙齿对岩石的破碎效率及影响因素

钻井时岩石的破碎过程是异常复杂的，因为破碎工具的形状是多种多样的, 而施加的又是动载，其大小及方向均随时间而改变。在井底的岩石还受岩石围压、钻井液压等多种

直径代号直径代号

力的作用。通过实验室的模拟实验，对钻井过程中岩石破碎的特点进行分析说明：“压入的破碎”在破碎过程中起主要作用。牙轮钻头的牙齿在轴向载荷作用下压入岩石（冲击动载过程），使齿面下的岩石产生体积破碎，形成坑穴；由于牙齿沿井底的滚碾作用，使破碎的坑穴不断扩大，加上水力作用不断剥离和清除岩屑，冲蚀并扩大岩石的破碎体积。对于切削或磨削型的钻头（刮刀钻头或金刚石钻头），既有在钻压作用下对岩石的压入，又有在钻头扭矩的作用下对岩石的切削。

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牙轮钻头详解

江汉三牙轮钻头使用说明

牙轮钻机PPT优秀课件

第2章钻头

第二章三牙轮钻头的结构及类型

第五章 牙轮钻机

钻井工程理论与技术第二章钻进工具--钻头(3学时)

牙轮钻头的尺寸

牙轮钻头资料重点

钻头讲义PPT课件

钻井工程-5-钻头讲解

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哈里伯顿牙轮钻头知识培训

牙轮钻头型号、工作原理、受力分析、注意事项

第五章牙轮钻机