牙轮钻头分类及新技术介绍
牙轮钻头简介
1.1.5、喷嘴
喷嘴外形结构分标准型和保护盖型。 标准型结构简单，制造成本低，没有凸 台保护锁紧挡圈，装卸使用较为方便， 常用于低研磨性软地层钢齿钻头。保护 盖型喷嘴的顶部有凸台保护，可减少研 磨性物质对锁紧挡圈的冲蚀作用。所有 滑动轴承钻头均采用保护盖型喷嘴，它 可在井下高压喷射的条件下长时间工作， 安全可靠。
1.1.4、储油压力补偿系统
该装置由轴承密封圈、储油囊、保护杯、 压盖、丝堵、挡圈等零件组成。其作用是 平衡牙轮工作时轴承腔内外的压力差，使 轴承密封圈在较小的内外差下长时间正常 工作，防止钻井液进入轴承腔内和避免润 滑脂的漏失，并可储存足够的润滑脂向轴 承腔内不断补充，使钻头轴承处于密封状 态及在良好的润滑条件下工作。
用数字（整数或分数）表示，其数字表示钻头 直径英寸数。
1.2.2、钻头系列代号
对于三牙轮钻头，按其轴承及密封结构主要特征， 分为10个标准系列。除轴承和密封外，钻头结构上 比较大的改进作为特殊结构，标准系列与特殊结构 或特殊结构的组合组成特殊系列。对于单牙轮钻头， 钻头系列代号以“Y×”表示，“Y”指一个牙轮， “×”为设计编号，代表不同的钻头设计特征，油用 钻头系列代号见下表。
牙轮钻头简介
提纲 1.认识三牙轮钻头的结构
2.牙轮钻头型号命名方法
1.1、认识三牙轮钻头的结构
牙轮钻头由切削结构、轴承结构、 锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等 二十多种零部件组成。
牙轮钻头的基本结构
1.1.1、牙掌
牙掌(15CrNiMo)是牙轮钻头的主要零件。一 只钻头由三片牙掌组装焊接在一起。它上部 有连接螺纹，与钻具连接，下部有一定倾角 的轴颈，与牙轮内孔组成轴承副。牙掌上有 水孔流道，还安装有储油压力补偿装置。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。
如何提高油井钻头牙轮性能及加工工艺的改进
如何提高油井钻头牙轮性能及加工工艺的改进在石油钻井中，广泛应用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头（又称PDC钻头）。
其中应用最多的还是牙轮钻头。
牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层；工作刃总长度大，因而相对减少磨损。
牙轮钻头能够适应从软到坚硬的多种地层。
下面就通过问答的方式来了解一下如何提高牙轮钻头的表面硬度及如何选择刀具加工牙轮钻头。
一、牙轮钻头如何分类？答：牙轮钻头是石油钻井工程中应用最为广泛的一种钻头，具有适应底地层广，机械钻速高等特点。
（1）按牙轮数量分类：可分为单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头。
国内外使用最多、最普遍的是三牙轮钻头。
三牙轮钻头是石油钻井的重要工具，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本，主要用于钻井,勘探,石油,钻头,钻井配件中。
（2）按切削材质分类：可分为钢齿（铣齿）和镶齿牙轮钻头。
钢齿牙轮钻头是由牙轮毛坯铣削加工而成的牙齿。
主要是楔形齿，但由于牙轮材料的限制，在硬，研磨性强的地层中，使用寿命很低，所以一般都会在牙轮钻头的工作面上堆焊一层耐磨材料，提高钢齿牙轮钻头的硬度及工作寿命；镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔来，将硬质合金材料制成的齿镶在孔中，为了提高钻速人们先后发明了楔形齿、勺形齿、偏顶勺形齿、等磨损齿等等。
（3）按轴承类型分类：滚动轴承和滑动轴承。
（4）按密封类型分类：橡胶密封和金属密封。
二、如何对钢齿牙轮钻头进行齿面强化？答：钢齿牙轮钻头是石油钻井主要破岩工具之一,其性能的好坏直接影响着钻井质量、钻井速度、钻井成本以至整个石油工业的发展。
据调研,钢齿牙轮钻头的过度磨损,在牙轮钻头失效中占50%以上。
之后国内外钻头工作者专门针对钢齿牙轮钻头强化材料进行研究,取得很大的突破。
采用硬质合金和金刚石对钢齿牙轮钻头进行齿面，使钢齿牙轮钻头的使用寿命和工作性能得到成倍提高,大大降低了生产成本。
IADC钻头分类体系
L - Lug Pads M - Motor Application S - Standard Milled Tooth T - Two-Cone Bit W - Enhanced C/S X - Chisel Tooth Insert Y - Conical Tooth Insert Z - Other Shape Inserts
轴承和保径 (Bearing & Gage)
第三位代码 轴承和保径 七个分类: 1---非密封滾柱轴承 2---气冷滾柱轴承 3---非密封滾柱轴承,保径 4---密封滾柱轴承 5---密封滾柱轴承,保径 6---密封滑动轴承 7---密封滑动轴承,保径
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1. 抗压强度低和可钻性高的软地层 2. 抗压强度高的中到中硬地层 3. 半研磨性硬地层和研磨性地层
4. 抗压强度低和可钻性高的软地层 5. 抗压强度低的软到中软地层 6. 抗压强度高的中硬地层 7. 半研磨性硬地层和研磨性地层 8. 坚硬地层和研磨性地层
地层硬度划分
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IADC 牙轮钻头分类
4 位 设计/使用代码 前三位使用数值 第四位使用字母 135M 或 447X 或 637Y
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IADC 牙轮钻头分类代码
数字代码由下列三位组成: 硬度系列 (Series) 第一位 类型 (Type) 第二位 轴承和保径 (Bearing & Gage) 第三位 字母代码: 第四位
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IADC 特征
A - Air Application B - Special Bearing/Seal C - Center Jet D - Deviation Control E - Extended Nozzles G - Gage/Body Protection H - Horizontal Application J - Jet Deflection
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牙轮钻头技术交流内容江钻技术开发部一牙轮钻头工作原理与结构简介二江钻牙轮钻头产品概述三目前最新个性化产品四xxx油田钻头选型建议五三牙轮钻头的使用六国外钻头新技术简介一三牙轮钻头工作原理与结构简介在石油钻井中，牙轮钻头使用最多，并能适应各种地层的钻井。
牙轮与牙齿的运动，也决定牙齿对地层岩石的破碎作用。
（一）三牙轮钻头工作原理1、钻头的公转钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转的运动叫公转。
钻头的公转速度就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。
钻头公转时，牙轮也绕钻头轴线旋转，牙轮上各排牙齿绕钻头轴线旋转的线速度不同，外排齿的线速度最大。
2、钻头的自转钻头旋转时，牙轮绕牙掌轴线作反时针旋转的运动叫自转。
牙轮的自转速度决定于钻头的公转转速，并与牙齿对井底的作用有关，是岩石对牙齿的吃入破碎作用产生阻力作用的结果，在纯滚动条件下，牙轮自转的转速是钻头公转转速的1.5倍。
3、钻头的纵振（轴向振动）冲击压碎作用钻头工作时，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交替进行的。
单齿着地时，牙轮的轮心处于最高位置，双齿着地时轮心下降。
轮心位置的变化使钻头沿轴向作上下往复运动，就是钻头的纵向振动，它与牙齿的齿高、齿距等钻头结构参数及岩性有关。
软地层振幅小，硬地层振幅大。
振动频率与齿数和牙轮转速成正比。
4、钻头的滑动剪切破碎作用破碎不同类型的岩石，要求钻头有不同的滑动量，滑动量由钻头结构参数决定。
软地层钻头滑动量大，硬地层应尽量小或不滑动，避免牙齿早期损坏。
但实际钻井中，即使设计的纯滚钻头仍然存在着滑动。
5、钻压对岩石破碎速度的影响岩石的破碎过程分三个区段：Ⅰ表面破碎阶段、Ⅱ疲劳破碎阶段、Ⅲ体积破碎阶段。
如下图左，表面破碎时，钻压远小于岩石硬度；随着钻压增大逐渐接近岩石的硬度，通过牙齿多次对岩石的冲击，使岩石出现微裂纹而产生体积破碎，为疲劳破碎；当钻压达到或超过岩石硬度时，牙齿每次冲击都能使岩石产生体积破碎，为体积破碎。
当产生体积破碎时，机械钻速迅速增加。
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头是一种常用的岩石钻探工具，它通过旋转和冲击来破
碎岩石，实现岩石的钻孔作业。
牙轮钻头的破岩原理是基于其特殊
的结构和工作方式，下面我们来详细介绍一下牙轮钻头的破岩原理。
首先，牙轮钻头的结构包括钻头体、切削结构和牙轮。
钻头体
是整个钻头的主体部分，通常由合金钢制成，具有足够的硬度和耐
磨性。
切削结构是钻头上的切削刃，通常呈锥形或圆锥形，用于切
削岩石。
牙轮是钻头上的齿状结构，可以增加钻头与岩石之间的摩
擦力，提高钻进效率。
其次，牙轮钻头的工作方式是通过旋转和冲击来破碎岩石。
当
钻头旋转时，切削结构不断切削岩石，同时牙轮产生的冲击力也在
不断作用于岩石表面。
这种旋转和冲击的组合作用，可以有效地破
碎岩石，使得钻头能够顺利地钻进岩层。
最后，牙轮钻头的破岩原理可以总结为旋转切削和冲击破碎的
综合作用。
旋转切削主要是通过切削结构对岩石进行切削，而冲击
破碎则是通过牙轮产生的冲击力对岩石进行破碎。
这两种作用相互
配合，使得牙轮钻头能够高效地完成岩石钻探作业。
综上所述，牙轮钻头的破岩原理是基于旋转切削和冲击破碎的综合作用，通过钻头结构和工作方式的设计，实现对岩石的高效钻探。
牙轮钻头在矿山、隧道、地下工程等领域有着广泛的应用，对于岩石钻探作业具有重要的意义。
钻头基本知识和选型(技术员培训)
钻头基本知识和选型
Technology Development Centre ( EOTDC).Southwest.Drilling company of Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd Sinopec
量的问题。
使用环境因素对钻头性能的影响
影响PDC钻头机械钻速的因素： 钻头本身的因素和使用环境因素 钻头本身因素（或内因）包括：
钻头选型 PDC钻头对地层相对比较敏感，根据地层情况选择合适的钻头 型号或根据地层情况进行针对性的设计钻头，是非常重要的，也是PDC 钻头能否取得较好经济指标的前提和关键。
钻井工程数据
– 井身结构 – 井眼轨迹 – 泥浆性能 – 钻具组合 – 钻井参数
邻井钻头使用资料
岩石力学分析及应用
常用测井方式、代码和单位
测井代码 DT, DTc RHOB, DEN GR, GRc Pe CAL RES S-POR，S-PORc D-POR，D-POR N-POR ND-POR UCS-psi CCS-psi
钻头设计参数和制造工艺； 切削齿性能及质量；
使用环境因素对钻头性能的影响
使用环境因素包括：
地层岩性和压实强度； 使用的钻井参数；包括钻压、转速和排量等。
✓ PDC的刚脆性要求钻头旋转要平稳、减少振动，钻具组合时最好加上减振器， 减少振动，防止跳钻和溜钻；
✓ PDC的热敏性要求选择合适的排量，以达到清洗和冷却切屑齿。通过水力参 数计算，一般选择的排量要求钻头喷嘴的射流冲击力要达到40米/秒以上，钻 头比水马力要达到1.5马力/in2以上，以满足清洗岩屑和冷却PDC的要求，泥 浆环空最低返速达到0.6-1米/秒。
牙轮钻头 工作原理
牙轮钻头工作原理
牙轮钻头是一种用于岩土工程和石油钻探等领域的钻具。
它通过牙轮的旋转和钻杆的下压力来实现岩石或地层的钻进。
以下是牙轮钻头的工作原理的简要描述：
1. 结构：牙轮钻头通常由钻头头部、钻杆连接部和牙轮装置组成。
钻头头部有一系列的牙轮，每个牙轮上都装有硬质合金或切削齿。
钻杆连接部连接钻头和钻杆，传递旋转力和下压力。
2. 旋转：钻机通过驱动钻杆的旋转运动，传递旋转力到牙轮钻头。
当钻杆旋转时，牙轮也开始旋转。
3. 下压力：钻机通过钻杆向下施加一定的压力，将牙轮钻头推向地层。
这个下压力帮助牙轮钻头克服岩石或地层的阻力，进而实现钻进。
4. 切削作用：牙轮上的硬质合金或切削齿与地层接触，施加切削力进行钻进。
随着牙轮的旋转，切削齿会破碎、削除地层，并将岩屑或钻屑带到钻孔的底部。
5. 冷却和冲洗：在钻进过程中，牙轮钻头需要冷却和冲洗，以防止过热和清除岩屑。
通常，水或泥浆会通过钻杆流入钻头，冷却切削齿并将岩屑从钻孔中排出。
6. 进给速度和旋转速度：钻机操作人员根据不同的地层条件和钻孔要求，调整钻机的进给速度和旋转速度。
合理的进给速度和旋转速度能够提高钻进效率和钻孔质量。
通过以上工作原理，牙轮钻头能够在各种岩石和地层条件下进行高效的钻进操作，广泛应用于勘探、建筑、挖掘和石油钻探等领域。
牙轮钻头
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。
非自洁式又称重叠式，其特点是各牙轮上 可任意布臵齿圈，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。
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。
(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。
牙轮钻头简介
牙轮钻头的选择方法
地层适应性
选择适合特定地层的牙轮 钻头，如软地层、硬地层 、研磨性地层等。
Hale Waihona Puke 尺寸与规格根据钻井设备的尺寸和规 格选择合适的牙轮钻头， 以确保与钻杆、马达等设 备的配合。
耐磨性与寿命
考虑牙轮钻头的耐磨性和 寿命，选择具有较长使用 寿命和较低维护成本的牙 轮钻头。
牙轮钻头的使用方法
安装与调试
牙轮钻头的结构
牙轮钻头的结构可以分为三大部分： 上部、中部和下部。
上部主要包含轴承座和轴承，中部是 牙轮和钻头体，下部则是喷嘴和密封 件等。
牙轮钻头的分类
根据牙轮数目，牙轮 钻头可分为单牙轮钻 头和多牙轮钻头；
根据结构特点，可分 为常规牙轮钻头和新 型牙轮钻头。
根据使用条件，可分 为软地层牙轮钻头和 硬地层牙轮钻头；
根据不同的牙轮钻头类型和规格，进行正确的安 装和调试，确保与钻杆的配合良好。
使用条件
确保牙轮钻头在使用过程中保持适当的转速和压 力，避免过度磨损和破裂。
维护与保养
定期检查牙轮钻头的磨损情况，及时更换磨损严 重的牙轮，保持钻头的良好状态。
牙轮钻头的发展趋势与研究方
05
向
牙轮钻头的发展趋势
01
高效化
牙轮钻头的工作原理
02
牙轮钻头的工作过程
01
旋转运动
牙轮钻头在旋转过程中，每个牙轮都会围绕钻头轴线旋 转，同时也会绕自身的轴线旋转。这种旋转运动使得牙 轮能够有效地破碎岩石。
02
轴向压力
在钻进过程中，牙轮钻头会受到轴向压力，帮助破碎岩 石。这种压力可以由液压系统或机械系统提供。
03
剪切力
牙轮钻头在旋转过程中，相邻牙轮之间会产生剪切力， 这种剪切力能够使岩石破裂。
牙轮钻头详解
运动速度v 均为v v 的合成，即： v =
gx
bx、 cx
gx
v +v ；V 呈直线分布，它与ba交于m点，m点
bx cx gx
vbx
的合成速度为零，为纯滚动点。而其它位置合
成速度不为零，在滚动的同时产生滑动。
vcx
由此可知：超顶牙轮的牙轮钻头在井底工
作时，牙轮上的牙齿在井底以m点为中心产生
切向扭转滑动。
内排齿
保径齿 修边齿
硬质合金堆焊层
图3.15铣齿的切削结构
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。
辅助破岩
图3.29 水力结构的作用
③喷嘴的结构（图3.28)： 喷嘴又称水眼，为硬质合金材料制成，
内部流道形状多样，可拆卸。
水眼 （喷嘴）
图3.28喷嘴的结构
④喷嘴的数量与尺寸 喷嘴数量和尺寸是由水力学参数优化设计结果确定的。喷嘴
的当量直径可由排量和设计钻头压降计算得到：
∇P
=
0.05ρQ2
A2
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。
第一节 牙轮钻头
牙轮钻头资料重点
(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。
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244 mm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。
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。
第五章 牙轮钻机解析
在牙轮锥体上直接铣制出楔形齿，在铣齿的刃部 表面堆焊碳化钨硬质合金。主要用于软岩中。
内蒙古科技大学 矿业工程学院 郑建军
2、柱齿钻头
在牙轮锥体上镶嵌硬质合金柱。硬质合金柱的 形状图5-6用于中硬和中硬以上的岩石钻孔，常用 球形柱齿
3、中心吹风排碴式钻头 如图5-2，小部分气流用于中心孔底排碴。
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；
优点：排碴效果好，钻进速度较高。同时减少了 牙轮磨损，有利于延长钻头的使用寿命。
国产的均为此型号。
主要结构参数：钻头 直径、轴倾角、孔底角。
α=φ+β-90° 角度不同，结果也不
同。
第三节 牙轮钻头运动学及其凿岩泵理
图5-9 为牙轮钻机钻孔示意图。 工作时→加压机构→钻杆→钻头→轴向压力→牙轮则 被压在孔底上。
内蒙古科技大学 矿业工程学院 郑建军
内蒙古科技大学 矿业工程学院 郑建军
牙轮钻机
衡阳机械
KY-310D牙轮钻
KY-250D牙轮钻
SDY310全液压牙轮钻
阿特拉斯科普柯牙轮钻
阿特拉斯DM45牙轮钻
1、阿特拉斯科普柯 2、特雷克斯牙轮钻
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 门开始用牙轮钻机钻凿油井和天然气井。1939年 应用于露天矿（试用）。1949年美国采用压缩空 气排渣，提高了钻孔效率并延长了钻头的寿命， 从而推动了牙轮钻技术的发展，使在露天矿得到 了实际应用。
牙轮钻头
三、牙轮钻头的分类
第二位字码为岩性级别代号，用 数字1-4分别表示第一位数码表示 的钻头所适用的地层中在依次从 软到硬分四个级别。 第三位字码为钻头结构特征代号， 用数字1-9表示，其中1-7表示钻头 轴承及保径特征，8，9留待未来。 第四位字码为钻头附加的结构特 征号，用与前面三种无法表达的 特征。 A一空气冷却 C一中心喷嘴 D一定向钻井 E一加长喷嘴 1 2 3 4 5 7 8 非密封滚动轴承 空气清洗冷却，滚动轴承 滚动轴承，保径。 滚动密封轴承 滚动密封轴承，保径 滑动密封轴承 滑动密封轴承，保径
切削齿的磨损评析 0为新齿，无断齿，无磨损，依次逐渐递增，8为全部磨损，掉 齿，断完。0-8数字呈线性描述切削齿的磨损状况； 磨损特征：如BC-牙轮破裂; 位置：N-顶部齿圈 M -中间齿圈 G -规径齿圈 A -全部齿圈 ； 轴承密封：不密封的轴承（0-8）和轴承密封 E –密封有效 F-密封失效 N-不能顶级 X-金刚石钻头（无轴承）； 规径：（以1in的分数值表示）I-规径无磨损 每1/16in为一个标准； 其他磨损参照磨损特征 起钻原因 如BHA-更换钻具组合；
G一附加保径/钻头 体保护 J一喷嘴偏射 R一加强焊缝 S一标准铣齿
X一楔形镶齿 R一圆锥形镶齿 Z一其他形状镶齿
四、牙轮钻头的合理使用 牙轮钻头的合理使用
（1）牙轮钻头的选型和使用原则 ） 地层的软硬程度和研磨性； ① 地层的软硬程度和研磨性； 钻进井段的深浅； ② 钻进井段的深浅； 易斜地层； ③ 易斜地层； ④ 软硬交错地层 ； （2）使用前的入井检查内容 ） 钻头型号、直径应符合要求； ① 钻头型号、直径应符合要求； 要涂丝扣油）、焊缝应完好； ）、焊缝应完好 ② 丝扣（要涂丝扣油）、焊缝应完好； 牙齿齿圈间不能互咬； ③ 牙齿齿圈间不能互咬； 非密封滚动轴承牙轮转动灵活； ④ 非密封滚动轴承牙轮转动灵活； 安喷嘴，喷嘴尺寸应符合水力设计要求； ⑤ 安喷嘴，喷嘴尺寸应符合水力设计要求； 密封轴承牙轮钻头牙轮不能转动，转动则密封失效； ⑥ 密封轴承牙轮钻头牙轮不能转动，转动则密封失效； 镶齿钻头检查固齿质量，有无松动、碎裂现象； ⑦ 镶齿钻头检查固齿质量，有无松动、碎裂现象；
牙轮钻具的特点以及组成部分
⽛轮钻具的特点以及组成部分
⽛轮钻具的特点以及组成部分
实践明，如能合理地确定钻机的钻孔⼯作制度，就能提⾼钻孔速度，延长钻头寿命和降低钻孔成本。
⽛轮钻机的分类⽛轮钻机的种类很多，按⼯作场地的不同，可分为露天矿⽤⽛轮钻机和地下矿⽤⽛轮钻机。
按回转和加压⽅式的不同，⽛轮钻机可分为：底部回转间断加压式（也称卡盘式）、底部回转连续加压式（也称转盘式）和顶部回转连续加压式（也称滑架式）3种基本类型。
⽛轮钻具的特点⽛轮钻机的钻具，主要包括钻杆、⽛轮钻头两部分。
它们是⽛轮钻机实施钻孔的⼯具。
⽛轮钻机在⼯作时，为了扩⼤其钻孔孔径，陶粒砂旋窑或者为了减少来⾃钻具的冲击振动负荷，钻凿出⽐较规整的爆破孔，在⽛轮钻具上还常安装扩孔器、减振器、稳定器等辅助机具，这些都归为钻具部分。
钻杆的上端拧在回转机构的钻杆连接器上，下端和⽛轮钻头连接在⼀起。
由减速器主轴来的压⽓，经空⼼钻杆从钻头喷出吹洗孔底并排出岩碴钻孔时，⽛轮钻机利⽤回转机构带动钻具旋转，并利⽤回转⼩车使其沿钻架上下运动。
通过钻杆，⽔泥机械将加压和回转机构的动⼒传给⽛轮钻头。
在钻孔过程中，随着炮孔的延伸，⽛轮钻头在钻机加压机构带动下不断推进，在孔底实施破岩。
钻井机具《钻头的认识与使用 》
三牙轮钻头的认识与使用钻井公司李卫岭三牙轮钻头的认识与使用一、钻头的分类二、三牙轮钻头的认识二三牙轮钻头的认识三、钻头的使用和优选三钻头的使用和优选四、钻头失效分析四钻头失效分析目前石油钻井中使用的钻头分为刮刀钻头目前石油钻井中使用的钻头分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头三大类型。
牙轮钻头金刚石钻头三大类型河南油田所使用的钻进钻头主要是牙轮钻头和少量的金刚石复合片－－－PDC钻头。
刮刀钻头已淘汰不用。
刮刀钻头刮刀钻头有双翼刮刀、三翼刮刀、四翼刮刀之分，最常见的为三翼刮刀钻头的为三翼刮刀钻头。
牙轮钻头牙轮钻头按牙轮数目分有单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头、多牙轮钻头。
最常见的为三牙轮钻头。
轮钻头多牙轮钻头最常见的为三牙轮钻头金刚石钻头金刚石钻头按金刚石来源分为天然金刚石钻头、人造金刚石钻头两大类。
石钻头两大类三牙轮钻头的认识与使用一、钻头的分类二、三牙轮钻头的认识二三牙轮钻头的认识三、牙轮钻头使用和优选三牙轮钻头使用和优选四、钻头失效分析四钻头失效分析二二、三牙轮钻头的认识钻头结构钻头认识工作原理二、三牙轮钻头的认识牙轮钻头主要有巴掌、轴承、牙轮、水眼、储油系统等部分组成。
部分组成二二、三牙轮钻头的认识三牙轮钻头结构牙轮钻头结构轴承结构切削结构储油系统钻头喷嘴㈠牙轮钻头的结构1、轴承结构：钻头轴承有三种：滚动轴承、滑动轴承、卡簧滑动轴承。
卡簧滑动轴承是主要为国外厂家产品，国内牙轮钻头的轴承绝大多数只有滚动轴承和滑动轴承二种。
轴承二种㈠牙轮钻头的结构1、轴承结构㈠牙轮钻头的结构1、轴承结构问题：GA114、HJT517G钻头的轴承属于哪种？二二、三牙轮钻头的认识三牙轮钻头结构牙轮钻头结构轴承结构切削结构储油系统钻头喷嘴㈠牙轮钻头的结构2、切削结构-----牙轮与牙齿牙轮是一个锥体，分为单锥和复锥两种。
单锥由主锥和背组成，单锥牙轮在井底的运动为纯滚动，适应于硬地层钻井；复锥由主锥、副锥和背锥三部分组成，这种牙轮在井底工作除了滚动外，还产生滑动，适应于较软地层钻井。
江钻牙轮钻头简介
一、江钻油用牙轮钻头型号介绍1、钻头直径代号：用数字(整数或分数)表示，其数字表示钻头直径英寸数。
2、钻头系列代号：对于三牙轮钻头，按其轴承及密封结构主要特征，分为9 个标准系列和一个"王者之风"E系列钻头新产品。
除轴承和密封外，钻头结构上比较大的改进作为特殊结构，标准系列与特殊结构或特殊结构的组合组成特殊系列。
对于单牙轮钻头，钻头系列代号以“Y×”表示，“Y”指一个牙轮，“×”为设计编号，代表不同的钻头设计特征。
油用钻头系列主要有以下标准系列和新品E系列：3、钻头分类号：分类号采用SPE/IADC 23937的规定，由三位数字组成，首位数为切削结构类别及地层系列号，第二位为地层分级号，末位数为钻头结构特征代号。
4、钻头附加结构特征代号：为了满足钻井及地层的某些特殊需要，钻头需改进或加强时，则在分类号后加附加结构特征，采用1个或多个字母表示。
钻头附加结构特征代号见下表：示例：8 1/2HJT537GL钻头8 1/2 ：钻头直径为8.5英寸(即215.9mm)；HJT：滑动轴承金属密封、特别保径；537：低抗压强度，软至中地层镶齿钻头；G：掌背强化；L：掌背扶正块。
油用浅井牙轮钻头油用浅井牙轮钻头由上海江钻生产，钻头品种齐全，现有从8 1/2″--26″的3个标准系列的近200个品种，其中8 1/2″--12 1/4″适用于2000米以上浅部地层，13 5/8″--26″可适用于极软到极硬的各类不同地层。
油用浅井牙轮钻头型号介绍1、钻头直径代号：用数字（整数或分数）表示，其数字表示钻头直径英寸数。
2、钻头系列代号：对于三牙轮钻头，按其轴承及密封结构主要特征，分为3个标准系列。
除轴承和密封外，钻头结构上比较大的改进作为特殊结构，标准系列与特殊结构或特殊结构的组合组成特殊系列。
油用浅井牙轮钻头系列：江汉三牙轮钻头结构特点如下表：二、江汉三牙轮钻头介绍1、HJ系列三牙轮钻头2、HA系列三牙轮钻头结构特点：1、采用浮动轴承结构，浮动元件由高强度、高弹性、高耐温性、高耐磨性特点的新材料制成，表面经固体润滑剂处理。
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。
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。
所有同时与井底岩石相接触的齿顶面积总和构成了牙轮钻头的承压面积。
钻井时岩石破碎的效率决定于牙齿上的比载荷和钻头的转速。
牙轮钻头产品知识
钻头产品知识一、常用钻头种类1、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、金刚石钻头*按功能分类: 全面钻进钻头、取芯钻头、扩眼钻头(2) 钻头尺寸系列: 3-3/4 -- 362、钻头的工作指标：钻头进尺：在钻头寿命内，其钻进的井段长度，单位为m；钻头工作寿命：在整个使用过程中，钻头在井下的纯钻进时间(包括划眼——在已钻出的井眼内旋转送钻、修整井壁的过程)，单位为h机械钻速：用钻头的进尺除以纯钻进时间，即单位纯钻进时间的钻头进尺，表示钻头破碎岩石的能力和效率，单位为m／h。
钻头的工作指标：单位进尺成本—每米钻井成本二、刮刀钻头1、刮刀钻头的结构:上钻头体、下钻头体、刀翼、水眼两刀翼的称作两刮刀钻头三刀翼的称作三刮刀钻头四刀翼的称作四刮刀钻头刮刀钻头刀翼底部形状a.平底b. 正阶梯c. 反阶梯d. 反锥形2、工作原理：工作时其刀翼在钻压作用下吃入岩石，并在扭矩作用下剪切破碎岩石。
破岩方式：以刮削、挤压和剪切为主要破岩方式适用地层：松软地层3、刮刀钻头的应用：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。
三、三牙轮钻头1、三牙轮钻头的分类：钢齿（铣齿）三牙轮钻头，镶齿三牙轮钻头2、三牙轮钻头的工作原理：牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。
当牙轮在井底滚动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地层，这个作用可以将井底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿间残留的另一部分岩石，使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。
3、三牙轮钻头在井底的运动钻头公转：牙轮随钻头一起旋转钻头自转：牙轮绕牙轮轴线逆时针方向旋转（1.5倍）钻头的纵振：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往复运动。
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钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
Smith 牙轮钻头产品系列
Smith 牙轮钻头产品系列
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容 谢谢 !!!
钻头水力学
钻头保径
切削结构
Bit Sizes 3½” - 12¼”
滑动轴承特性
180 160 140 120 100 80 60 60 40 20 0 Be. Copper Spinodal Spinodal-2 97
抗拉强度
168
2.5 2
% 延伸率
2.3
1.6 1.5 1 0.5 0 Be. Copper Spinodal Spinodal2 1
4
Normalized Impingement Press.
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
S-Flo(TM) 3 98 Series S-Flo(TM), 3 95 Series
NOTE: Identical TFA conditions.
喷嘴冲击区域
Flow rate
普通喷嘴 (S-Flo) 井底冲击压力
Shamal™ 轴承系统
Cone Cone
Journal Standard Clearance
Journal Shamal™ Clearance
Bit Sizes 16” - 28”
滚柱轴承与双密封分解图
Bit Sizes 16” - 28”
Bit Sizes 12” - 14½”
滑动轴承与密封
主轴承(外) 辅轴承(内) 球轴承 密封
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
密封盘根
滚柱轴承与双密封
Gemini™ I 和 Gemini™II 密封
Gemini™ I 密封 Gemini™ II 密封(新型)
增加尺寸, 接触压力和密封更紧
增加内径和外径处的耐磨性
普通喷嘴配置
喷嘴冲击位置 冲突区域
普通喷嘴 (S-Flo) 井底速度矢量
等径喷嘴配置
3 个等径喷嘴
12/32”
- 12/32” - 12/32” (TFA = 0.331)
非等径喷嘴配置
3 个非等径喷嘴
9/32”
- 12/32” - 15/32” (TFA = 0.345)
斜喷嘴配置
4
Normalized Impingement Press.
牙轮钻头分类－－双牙轮钻头
8-1/2” IADC 517Y
12-1－－三牙轮钻头
三牙轮钻头
牙轮钻头解剖图
API 接头
喷嘴座 巴掌部位 喷嘴
裙尾部
牙轮
牙轮钻头解剖图
储油腔盖
碳化物硬涂层 背锥齿 (修边齿)
外排齿 (保径齿)
内排齿
牙轮钻头解剖图
润滑脂储油腔
润滑脂通道
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
S-Flo(TM), 3 95 Series V-Flo 3 97 Series V-Flo 3 95 Series
喷嘴冲击位置
Flow rate
V-Flo 斜喷嘴井底冲击压力
斜喷嘴配置
V-Flo 斜喷嘴液流通道
牙轮钻头水力学－井底流场
标准喷嘴 不对称喷嘴 斜喷嘴
母式储油腔 (折叠式压力补偿系统)
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
铣齿牙轮钻头井底击碎图
•A
B
铣齿齿形的改进
普通内排齿齿形
改进的圆弧齿 顶齿形
完善的齿形
铣齿牙轮钻头切削结构与保径
镶齿牙轮钻头切削结构
镶齿排间小镶齿
镶齿牙轮钻头井底击碎图
镶齿牙轮钻头井底击碎图比较
Trucut Gage Structure
镶齿牙轮钻头保径齿(切削齿和修边齿)
镶齿牙轮钻头加强保径 (两排保径齿)
牙轮钻头巴掌保护
牙轮钻头巴掌保护
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
钻头水力学作用原理
• 清洗牙齿 • 清洁井底 • 岩屑运移
普通喷嘴配置
镶齿牙轮钻头切削结构
金刚石镶齿过渡层
外表层 第一层
第二层
碳化钨 (TC)
先进的碳化钨 (TC) 配方技术
耐磨涂层: 金刚石 韧性基体: 碳化钨
碳化钨 (TC) 组份 (放大) 碳化钨(WC), 钴(Co)
碳化钨 WC 钴Co
Zak fang, Smith Tool, Smith Bits, Sii, Apr.11, 2000
镶齿牙轮钻头常用切削齿
F17
F1
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
铣齿牙轮钻头切削结构定义
Gage Row Inner Row Heel Row Gage Row (off-gage row) Inner Row
Conventional Gage Structure
Trucut Gage Structure
铣齿牙轮钻头保径齿(切削齿和修边齿)
镶齿牙轮钻头切削结构定义
Heel Row Gage Row Inner Row Heel Row Gage Row (off-gage row) Inner Row
Conventional Gage Structure
牙轮钻头分类 及新技术介绍
December 18, 2017
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
牙轮钻头
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牙论钻头以冲击, 压 碎和剪切作用方式来 破岩的;
钻压较大,比压较高, 压碎岩石; 钻头上有活动件.
牙轮钻头冲击压碎岩石
•
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牙轮钻头分类－－单牙轮钻头
单牙轮钻头