单牙轮钻头
异形牙轮单牙轮钻头的计算机仿真模型研究
质 的岩 石设计 符合 其 破 岩 特 点 的单 牙 轮 钻头 ， 以期
获 得更 高 的机械 钻 速 和 寿命 。解 决 方 法 有 ： 牙齿 对 材 料进 行研 究 ， 用 新 材 料 新 工 艺 ， 高 牙 齿 耐磨 采 提 性 ； 变牙轮 形状 ， 而改变 牙齿 运动方 式 。因为单 改 从 牙 轮钻 头牙 齿 的运动 方式 主要 由其牙 轮 的外形及 相
ｂ ｔｒ ｃ ｎ ｅ ａ ｔ ｎ ａ ｈ ｏ ｎ ａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｌ ｚｎ ｈ ｒ ｉ ｇ ｂ ｈ ｖ ｏ ｆ ｎ － ｏ ｅ ｂ ｔ ｉ ｏ ｋ ｉ ｔ ｒ ｃ ｉ ｓ ｔ ｅ ｆ ｕ ｄ ｔ ｆａ ａ ｙ ｉ ｇ ｔ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｅ ａ ｉ ｒｏ ｅ ｃ ｎ ｉ． － ｏ ｏ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ｎ — ｏ ｅ ｂ ｔ ｉ ｇ ｌｒ ｃ ｎ ；ｓｍ ｕ ａ ｉｎ；ｍｏ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ：ｏ ｅ ｃ ｎ ｉ ；ｓｎ ｕ ａ ｏ ｅ ｉ ｌ ｔ ｏ ｄ ｌ
单牙 轮钻 头 的工 作原理 和结 构特点 与 三牙轮 钻 头 相似 ， 能适应 广泛地 层 ， 又像 Ｐ Ｃ钻头 一样 ， 适 Ｄ 能
中有较 高的机 械钻 速 和寿命 ， 在 硬 地 层 和研 磨 性 但
强 地层 中 由于牙齿 先 期 磨 损严 重 ， 头 的平 均机 械 钻
应 高 的转速 ， 高 的钻 进效 率 。由于结 构简 单 ， 有 十分
与 岩 石相 互作 用仿 真 研 究的 核 心 问题 ， 是 分 析 研 究单 牙轮 钻 头工 作 行 为 的 基 础 。 也
各种钻头图片及原理
铁人精神“为国分忧、为民族争气”的爱国主义精神；“宁可少活２０年，拼命也要拿下大油田”的忘我拼搏精神；“有条件要上，没有条件创造条件也要上”的艰苦奋斗精神；2.1 钻头刮刀钻头DragbitPDC 钻头金刚石钻头Diamondbit 扩眼钻头Enlarging bit牙轮钻头Roller bit 取心钻头Annular bit2.1.1 刮刀钻头刮刀钻头刮刀钻头特点结构简单，制造方便。
在软地层中，可以得到高的机械钻速和钻头进尺。
在较硬地层中，钻头吃入困难，钻井效率低。
二刮刀三刮刀四刮刀§2-1-1 刮刀钻头 (Drag bit) 一、结构§2-1-1 刮刀钻头 (Drag bit) 一、结构 二、结构参数 1.刀翼结构角 刃尖角 β刀翼尖端前后刃之间的 夹角，它表示刀翼的尖 锐程度。
φβ ϕ α保证刀翼结构有足够强度的情况 下，尽可能减小刃尖角 β 软岩石 β 平均10度 较硬岩石 β 平均12－15度 夹层多井又较深时还要适当增大（2）切削角 α刀翼前刃和水平面之间的夹角。
α 越大吃入深度越大松软地层 软地层 中硬地层α = 70oφbα = 70o ~ 80o α = 80o ~ 85oβ ψα（3）刃前角 φ 和刃后角 ψ 刃前角φ与切削角互为余角φ = 90o − αψ =α − βφβ ψαθ2.刀翼几何形状 背部形状 抛物线型 底部形状 底刃b 材质： 高强度材质，刀翼侧面、正面镶 装或平铺硬质合金及孕镶金刚石 块，提高耐磨性φb刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应 逐渐增厚，呈抛物线形。
β ψα三、刮刀钻头破岩基本原理根据摩尔强度 理论，如果忽 略摩擦力，当 F力等于或大 于剪切面积与 岩石抗剪极限 强度乘积时， 岩石沿剪切面 破碎。
三、刮刀钻头破岩基本原理 1.塑性岩石WTθ刮刀钻头以切削方 式破碎岩石。
刮刀钻头 在软的塑性地层工作 时，其切削过程类似于 刀具切削软金属。
牙轮钻头工作原理
牙轮钻头工作原理
牙轮钻头是一种常用的钻孔工具，其工作原理基于以下几个关键部件的作用：
1. 牙轮：牙轮是牙轮钻头的核心部件，由多个齿轮组成，通过连接杆连接起来。
在工作过程中，牙轮会旋转并负责带动整个钻头的转动。
2. 钻头刀具：钻头刀具是与工件接触的部件，通常由硬质合金或高速钢制成。
它位于钻头的前端，负责切削工件，形成孔洞。
3.冷却液：冷却液是在钻孔过程中降低温度和冲走切屑的关键。
它通过钻头上的冷却液孔流入切削区域，并在使用后通过钻头尾部的冷却液孔排出。
工作原理：
1. 准备工作：在使用牙轮钻头之前，需选择合适尺寸的钻头，并将其安装在钻床或其他钻孔设备上。
2. 切削操作：当牙轮钻头启动时，牙轮会开始旋转。
与此同时，钻头刀具也开始旋转，并与工件表面接触。
在转动过程中，钻头刀具会在工件上形成一个圆形切削轨迹，逐渐深入工件。
3. 冷却润滑：在切削过程中，冷却液从冷却液孔流入钻头，通过切削区域冷却刀具和工件，同时冲走切屑。
这有助于防止刀具过热和提高切削质量。
4. 进给操作：工作人员可以适时调整工件和钻头之间的距离，控制钻孔的进给速度和深度。
5. 孔洞完工：当钻头刀具切削到所需深度时，工件上就会形成一个完整的孔洞。
此时，可以停止钻头的旋转，并撤回钻孔设备，取出工件。
牙轮钻头通过以上步骤实现了对工件的钻孔加工，具有高效、精确的特点。
单牙轮钻头在定向侧钻井中的推广应用
文０ 沈付 刚 （ 胜利 油田井下作 业公司）
一．Biblioteka 前 言 钻头 是 影 响定 向 侧钻 机 械钻 速 的重 要 因素 之 一 ， 现 在侧 钻 井 常 用的 小尺 寸钻 头主 要有 三牙 轮钻 头 ，Ｐ Ｄ Ｃ 钻头 和单 牙轮钻 头 ， 其 中 ，三 牙轮 钻 头 最 明 显 的缺 点 是 轴 承 尺 寸小 ， 它主 要 靠 冲 击 、 压 碎 和小 距 离刮 挤 方式 破 岩 ，钻 头接 触 井底 的 牙齿 数 变化 大 ， 牙 齿 受力 不均 匀 ，轴 承使 用寿 命短 ，Ｐ Ｄ Ｃ 钻头 由于受 结构 和工作 原 理 的 限制 ，不 仅工 作 时扭 矩 较大 ，牙 齿 的冲 洗和 冷 却 困难 ，而 且 它对 地 层岩 性 的敏 感 性较 强 ，不 适合 钻 进砾 石 地 层和 软硬 交 错 的 地 层 ， 目前 胜 利油 田定 向侧 钻 使用 最 多 的就 是江 汉 钻头 厂 生产 的 单 牙轮 钻头 ，它 比三 牙 轮钻 头 更适 用 于 强度 和 塑性 同时 都 大 的地 层 ，同时 又能 适 用于 Ｐ Ｄ Ｃ 钻 头难 干对 付 的硬 夹 层和其 他 复杂 地 层 ，且 结构 简 单 ，轴 承 空 间大 ，使用 安 全可 靠 ，钻头 尺 寸容 易 小 型 化 ，现 场 使用 效 果 良好 。 二 ．单 牙 轮 钻 头 的 改 进 及 特 点 （ ） 问 题 的 发 现 及 改 进 一 １ ９９９年 ，井 下作业 公司开始 引进江 汉钻头厂 生产的 Ｙ Ａ 系列 单 牙轮 钻 头 ，之 前用 的 最多 的是 Ｐ Ｄ Ｃ 钻头 ，平均 机械 钻 速仅 有 １． ｍ ／ｈ左 右 ，在单牙 轮使用 初期 ，也仅 用于稳斜 段 ，在增斜 段 ０ 使 用 时 测斜 仪 的指 示 波动 大 ，操 作 困难 ，后来 经过 对 增斜 钻 具组 合 合理 调整 ，钻 进 中测 斜仪 器 显示 良好 ， 这 才发 挥 出 了单 牙轮 钻 头 钻速快 的优 势 ，并 且可使用于 全部裸 眼井段。但 １ ９ —２ ０１ ９ ０ 年 ９ 期 间使 用的 单 牙轮 钻 头 发展 还 不成 熟 ，存 在 巴掌 易刺 坏 、 牙轮 牙 齿磨 损 快 、牙 轮 流道 易冲 蚀 、 使 用 寿 命短 、机 械 钻速 低 等 问 题 ， 根 据 施 工 中出 现 的各 种 问题 ，我 们提 出了 改进 措 施 ，并 结 合江 汉 钻 头 厂 共 同研 究 ，将 单 牙轮 钻 头 的轴 承 、 牙 齿 、牙轮 掌 背及 流 道 进 行 了 强化 处 理和 改 进 ，改进 后 的单 牙 轮钻 头 在 小井 眼钻 井 的应 用 中获 得 了极 大成 功 ，克服 了以 前单 牙 轮钻 头 的 各种 缺 陷 ，它 消 除 了单 牙轮 钻 头牙 齿 易掉 落 、掌 背 易刺 穿 、过 多 的起 下 钻以 及 钻 井 成 本 较 高 等 问 题 ，在 现 场 应 用 效 果 良好 。 改进 后的 Ｙ Ａ 系列单 牙轮钻 头在 阶梯 牙轮 的 永久 接触 区镶 装 耐 磨 性 好的 锥球 齿 、轮 换 接触 区 镶装 耐 磨性 好 的楔 形 齿 、 牙轮 顶 平面 镶 装小 直 径 硬 质合 金齿 防 止 牙轮 基 体磨 损 ， 钻头 体 镶 装锥 球 齿加 强 保径 ，加 强 了钻 头 底部 铣 齿的 研 磨性 ；并 对 牙掌 轴 颈表 面 强化 处 理 ，牙 掌 轴 承副 表 面堆 焊 硬金 属 层 ， 牙轮 内孔 镶 焊减 磨 合 金 ，提 高 了轴 承 工作 能 力 ；优 化 设计 钻 头体 主 水孔 流 道直 径 、 位 置 、和 倾斜 角 度 ， 增加 掌 背厚 度 ，降低 主水 孔 流 道 内流速 ，有 效 防止流道冲蚀 ； （ ）Ｙ Ａ 系 列 单 牙 轮 钻 头 的 结 构 特 点 二 １． 承尺 寸大 ，常用 的 Ｉｌ 轴 ８ｍ ｍ 单 牙轮 钻头轴 承尺 寸和强 度可 以达 到 ２ｌ ｍ 以 上三 牙轮钻 头的 轴承 尺寸规 格 ，在 小井 ５ ｍ 眼 中 使 用安 全 可 靠 。 ２． 系 列单 牙轮钻 头是 一种减 速钻 头 ，即 牙轮 的 自转转 速 ＹＡ 要 比钻 头 的公 转 转速 低 ，其 旋转 速 度仅 相 当 于同 尺寸 三 牙轮 钻 头 的一半左右 。 ３．单 牙轮钻 头水 力 系统采 用主 、副两 水眼 式结 构 ，使用 扩散 型喷 嘴 的上 井 眼 彻底 彻 底 清洗 牙轮 ， 使用 射 流型 喷嘴 的 下 水 眼提 高 射 流 冲刺 力 ， 有效 的清 除 岩 屑和 辅 助 破 岩 。 ４． 牙轮 钻头 牙齿采 用交错 布齿 ，牙轮 形状 、齿排 数 、齿数 、 单 露 高 等 都通 过 计算 机 软 件进 行 模拟 优 选 ， 使 切 削结 构在 井 底形 成 的 网状 切 削模 式 更 均 匀 ， 以及 井底 覆 盖 更 好 。 ５． 该钻 头采 用牙 轮和 钻头 体两 极保 径 ，钻 头体 上镶 装主 动切 削保 径 和被 动 抗 磨保 径 齿 ， 使钻 头具 有 较 好 的保 径作 用 和 倒划 眼
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
1.1.3、轴承结构（续）
金属密封环：它采用优质不锈钢经过多道工 序特殊精密加工而成。其结构由上、下两个 金属环组成，上环装于牙轮，其外径小于牙 轮密封槽直径；下环装于牙掌，其内径大于 牙掌大轴密封面直径。
1.1.3、轴承结构（续）
金属环的两个密封平面靠高精度的表面加工质 量、严格控制其平面度及表面粗糙度，来达到优良 的密封效果。这两个金属环是靠两个O形橡胶供能 圈固定在牙轮和牙掌密封面上，借助弹性好、压缩 永久变形小的橡胶圈，产生压缩和拉伸变形，给金 属环以轴向压力，这个压力可以保证两个高耐磨金 属环的密封面经常接触。即使金属环磨损后，橡胶 圈仍可靠其弹力继续压紧两个金属环，实现面密封 和动密封。
1.1.2、切削结构：牙轮和牙齿（续）
钢齿形状多为楔形，为了加强钻头保径， 外排齿往往设计成“T”、“L”、“Π”形，为 克服钢齿在破碎时易磨损的缺点，需要在牙 齿的工作面及背锥面敷焊耐磨材料。
1.1.3、轴承结构
牙轮钻头轴承由牙轮内孔、牙掌轴颈、锁 紧元件等组成。轴承副有大、中、小轴和止推 面等四个，大、小轴承受径向载荷，中轴主要 用来锁紧和定位，止推面则承受轴向载荷。 根据轴承副结构，钻头轴承一般分为滚动 和滑动轴承两大类；根据轴承的密封，可分为 密封和非密封（目前我公司还有浮动密封轴 承）。
示
8 1/2HJ537GL钻头
例
8 1/2：钻头直径为8.5英寸（即215.9mm） HJ：滑动轴承金属密封 537：低抗压强度，软到中地层镶齿钻头 G：掌背加强 L：掌背扶正块
谢
谢
1
低抗压强 度高可钻 性的软地 层 高抗压强 度的中到 中硬地层 半研磨性 及研磨性 的硬地层
钢齿 钻头
2
3
321
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。
牙轮钻头工作原理
牙轮钻头工作原理
牙轮钻头是一种常用的钻孔工具，通过其特殊的工作原理来完成钻孔任务。
牙轮钻头主要由刃齿、牙轮和牙轮导向机构组成。
在钻孔过程中，刃齿是牙轮钻头的主要工作部分。
刃齿通过将钻头与钻孔面接触并施加压力，以便切削和清除孔内的材料。
牙轮是驱动刃齿旋转的部件，通常使用钻机或钻床等设备的主轴来提供动力。
当牙轮旋转时，牙轮导向机构可以控制钻头的运动，确保钻孔的准确性和稳定性。
这种导向机构通常由轴承和滑轨构成，可以使牙轮钻头在钻孔过程中保持平稳运动。
在钻孔过程中，刃齿的设计和材料选择对于钻孔的效果至关重要。
一般来说，刃齿通常采用硬质合金或高速钢等材料制成，以提供足够的硬度和耐磨性。
此外，刃齿的几何形状也会根据不同的钻孔任务进行调整，以确保更好的切削效果和排屑能力。
牙轮钻头的工作原理可以总结为通过牙轮的旋转和刃齿的切削，将钻头与工件接触并逐渐形成钻孔。
牙轮的导向机构可以控制钻头的运动，确保钻孔的准确性和稳定性。
不同的刃齿设计和材料选择可以适应不同的钻孔需求。
总而言之，牙轮钻头是一种高效、精准的钻孔工具，广泛应用于工业生产和加工领域。
牙轮钻头
牙轮钻头
一、用途：
在修井作业中，牙轮钻头主要用于钻水泥塞、堵塞井筒的砂桥和各种矿物结晶的工具。
常用的牙轮钻头主要有三牙轮钻头和单牙轮钻头。
二、操作方法及注意事项：
1、用钻头规测量钻头尺寸并配好连接接头。
2、下井前地面检查牙轮转动是否灵活，有无较大的松旷。
3、下至井底前2-3m开泵循环洗井，待运转平稳后再缓慢下放，冲净井内沉砂。
4、根据钻压，选择适当的转速钻塞。
5、钻进中不能停止循环，尤其长时间夜间施工时，更应该严格注意井口返出的的洗井液。
6、若钻进中途泥浆泵或水泥车出现故障停泵时，应立即将钻具提升至原水泥塞面以上，以防止沉砂卡钻。
7、钻头水眼较小时，应防止下钻过程中沉砂堵死水眼。
三、施工过程中的常见问题及处理方法：。
单牙轮钻头在胜利油田小井眼钻井中的应用
单牙轮 钻头 的应用 解决 了多年 来制 约小 井眼钻 井 的“ 瓶
作者简介 ： 赵彦（９３ １７ 一ｊ毋ｆ 沮媛 ｌ湖北人． ， 江钻股份公 司工程师， 机械制造工艺 与 设备专业 ． 从事牙轮钻头皿相关产 品的研究开 发工作 ． 湖
ｊ 省潜¨市 ．０ ２ ）５ ８５ ． ｔ ｙ ５ ９０ ＠１３ ｍ； Ｅ 】 ｆ７ ８６ Ｉ３４ ￣ ｏ６ １ ３２ ６ ＿ ｌ ａ 张福润（９ ３ ）男 （ １４ ． 汉族） 湖北武汉 几， ， 华中科技 大学教授 ， 械制造专 业， 机 博士． 从事 Ｃ Ｄ Ｃ Ⅵ、 Ａ ／ Ａ 由轮哺☆理论州数控加 【 新技术等教学与科研工作 ， 瑚北省武 汉市 ．０ ７ ８５ ３ ７ ； （２ ） ７ ４ ８ ０ 杨楚 民（ ９ ５ ． （ 族 ）湖北武汉 ＾ ． １４ ～）男 汉 ， 华 卟科技 大学机 ｌ ｆ ＆ 鸵 Ｚ装备 及一动化研究所所 Ｋ． 副教授 ， 数学 争 博七 ． 业 从事绿色制造 、 现代化拧制技 术 、 Ａ ／ Ａ Ｃ Ｄ Ｃ Ｍ等教学 与研究工作 ．
摘
要： 通过对单牙轮钻头在胜利 油田的使用特点 、 使用情况 以及存在 问题的分析 ， 出单 牙轮钻头 的改进 对策 提
并指出单牙轮钻 头是小井眼钻井的最佳选择 ：
关键词 ： 牙轮钻头 ； 单 胜利油 田； 井服钻井 小
中 图分类号 ： Ｅ ２ ｌ Ｔ９１ １ 小井眼钻 头简介
文献标识码 ： Ｂ
合 井下 动力钻具能实现高转 速及特殊钻井 的需要 。 （ ） 牙轮 钻 头可用 于 井段扩 眼 。三牙 轮 钻 头 因发生 ８单 “ 缩径 现象而无法对井 段进 行扩 眼 ； 单牙轮钻 头只有一个尺
拥 有 自主知识产权的新产 品系列之一 ， 系列钻头在小 井眼 该 钻 井的应用 中获得 了成 功 ． 消除 了小井 眼 三牙 轮钻 头和 它 Ｐ Ｃ钻头常见 的密封失效 、 Ｄ 牙轮掉落 、 牙齿早期 断裂 、 过多的 起下钻 及每米 钻 井成 本较 高等 问题。该 系列钻 头 的尺寸 范 围为 ３ 一６ ｉ， Ｎ ｎ 所覆盖 的 Ｉ Ｄ Ａ Ｃ代码 范围为 ４ ７—５ ７ ３ ３。
偏心单牙轮钻头井底破岩轨迹研究
关 键 词 ： 心单牙轮 钻头； 偏 几何 学方程 ； 井底模式 ； 仿真
中图分 类号 ： Ｅ ２． Ｔ ９ １１
文 献标识 码 ：Ａ
Ｔｈ ｓ ａ ｃ ｉ Ｒｏ ｋ Ｄｉｉ ｔｇ ａ ｉ ｇ Ｔｒ ｃ ｆ Ｏｆ ｓ ｔＭ ｏ ｎ ｅ ｒ ｔｎ ａ ｋ ｏ ｆｅ ｎ－ ｎ ｔ
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２０ ０ ７年 第 ３ ６卷 第 １ 期 第 ５页
文 章 编 号 ：１ ０１ ３４ ２（ ０ ） — ００ — Ｏ — ８ ２ ０７ ０１ ０ ５ ０５
石 油 矿 场 机 械 ＯＩ Ｆ Ｅ Ｅ Ｌ Ｉ ＬＤ ＱＵＩ ＰＭＥＮＴ
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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。
微小井眼单牙轮钻头井底流场研究
部 分钻 屑在井底 ， 差的作 用 下粘 附在片底 ，冉 Ｊ ｒ ｌ ｛ Ｊ ｕ 层 ，阻止 和降低 钻 头破 岩效 果 并形 成 重 复破 碎 ，
根据计 算似设 ，选取 ４ ８ ９ｌｎ球 形单 牙轮钻 ， ． ｌ ８ ｎ 头 （ 倾角为 ５。 轴 ０ ）模 拟 井 底 流 场 ，仆 简直 为 ８ ． ｍ。井底 流场模 型 图 １ ８９ ｉ ｎ 。
微小 井 眼 钻井 技 术 是指 井 眼 （ 钻头 ） 尺寸 小
（ ） 汁算 巾 考虑 流体 所受 电 力的影 响 ； ２
（ ）假 定流 场 系 统 为 绝 热 系统 ，即 Ｉ外 界兀 ３ ｊ
热 交换 ；
于 ， ８ ９１３ ３ 英 寸 ） 的钻 井 技 术 ，它 结合 连 ／ ． １ ， ８ １ ＂ １（ １
底壁 面平 行 ，其 水力 能量 对 冲洗携 屑能力 有重要 影
漩 涡 冲 。 三 ＺＬ
从计 算效 率 、计算 精度 和 网格划 分 的难易 程度
出发 ，采 用非 结构 网格 对井 底流 场模 型进行 网格 划 分 ，并根 据流 动梯 度 的大 小 安 排 网格 的疏 密 程 度 。 计算 求解 采 用 分 离 式 求 解 器 ，湍 流 模 型 选 用 Ｒ Ｇ Ｎ
Ｌ湍 流参数设 定 为湍 流强度 ， ］ ｆ 和¨ 水力直径 Ｄ
￥ 基 金 项 ： 【 油 钻井 ％ ｌ应 用 基础 研 究 项 日 “ 小井 眼钻 井 技 术研 究 与应 用 ” （６ ２ ２ １ １ ｊ ｋ 微 ０ Ａ００ ）
２１ ０ ０年 第 ３ ８卷 第 １期
邓 嵘 等 ：微 小 井 眼 单 牙轮 钻 头 井 底 流 场研 究
＿ 钻井 液瞬 时失水所形 成 的滤 饼 ，会形成 井底泥包 』
牙轮钻头工作原理
牙轮钻头工作原理牙轮钻头是一种常用的岩石钻进工具，通常用于石油钻井、地质勘探和矿山开采等领域。
它的工作原理是利用旋转的牙轮结构来实现对岩石的切削和破碎，从而达到钻孔的目的。
本文将详细介绍牙轮钻头的工作原理及其相关知识。
牙轮钻头的结构牙轮钻头通常由钻头主体、牙轮、切削结构和连接部分组成。
钻头主体是整个钻头的核心部分，负责承受旋转和钻进时的冲击力。
牙轮是牙轮钻头的主要工作部件，它由许多齿轮组成，通过旋转来实现对岩石的切削和破碎。
切削结构包括切削齿和切削面，负责实际的岩石切削工作。
连接部分则用于将牙轮钻头与钻杆或钻台连接起来，传递旋转力和冲击力。
牙轮钻头的工作原理牙轮钻头的工作原理可以简单概括为旋转和冲击。
当钻头主体被连接到钻杆或钻台上后，通过钻机或其他设备施加旋转力，使得整个牙轮钻头开始旋转。
同时，钻机或其他设备也会施加冲击力，使得牙轮钻头不断地对岩石进行切削和破碎。
在旋转的过程中，牙轮上的齿轮会不断地与岩石表面接触，通过摩擦和冲击力进行切削。
切削齿和切削面会将岩石表面的物质削除，并将其破碎成小颗粒。
随着旋转的持续进行，牙轮钻头会不断地向岩石深处钻进，形成一个完整的钻孔。
牙轮钻头的工作特点牙轮钻头具有高效、稳定、适应性强等特点。
其高效性主要体现在切削和破碎过程中，能够快速、有效地完成钻孔工作。
稳定性则表现在钻进过程中，牙轮钻头能够保持相对稳定的旋转和冲击状态，避免因为不稳定而导致的钻孔质量下降。
适应性强则意味着牙轮钻头可以适应不同类型的岩石和工况，具有一定的通用性和灵活性。
总结牙轮钻头是一种常用的岩石钻进工具，其工作原理主要是通过旋转和冲击来实现对岩石的切削和破碎。
牙轮钻头具有高效、稳定、适应性强等特点，适用于石油钻井、地质勘探和矿山开采等领域。
对于使用牙轮钻头进行钻孔作业的人员来说，了解其工作原理和特点，可以更好地掌握其使用技巧，提高钻孔效率和质量。
第三讲 《钻头》部分试题
第三讲 《钻头》部分试题一填空题1. 单牙轮钻头用于 钻井中，上部车有 ，用于连接 ，下部有 ，牙轮带有 ，用以破碎岩石，每个牙轮与压轮轴之间都有 。
2. 常用的牙轮钻头为 和3. 牙轮钻头的特点是牙齿与井底的接触面积 ，比压 ，工作扭矩 ，工作刃总长度 。
4. 钻头中的储油密封补偿系统储存和向轴承腔内补充 ，同时可以防止 进入轴承腔和防止漏失 。
5. 在钻头上加热会因高温损坏 ，导致 早期失效。
6. 安装钻头喷嘴时，应注意喷嘴的内孔的 ，严禁7. 下钻前，应校正 表，下钻过程中，遇到硬地层和井径不规则的情况时，要避免钻头碰击 。
8. 下钻过程中，如果发现下面沉砂严重，应该采取 的方法进行解堵。
9. 下钻后期，钻头接近井底时，不允许突然刹车，以免 。
10. 在公式Ht t c c c t r b pm )(++=中，pm c 表示 ，元/m ；b c 表示 ，元；r c 表示 ，元/h ；t 表示 ，h ；t t 表示 ，h ；H 表示 ，m 。
11. 在保证井深质量的前提下，一般以 作为钻头的选型标准。
12. 天然金刚石钻头适合于 的地层钻井，热稳定性聚晶金刚石钻头适合 在 地层钻井，聚晶复合片金刚石钻头适合在 的地层钻井。
13. 金刚石钻头有三种类型，其中：ND 表示 金刚石钻头；PDC 表示 金刚石钻头；TSP 表示 金刚石钻头。
14. 用金刚石材料作 的钻头称为金刚石钻头。
15. 牙轮钻头切削结构的位置用字母表示为：N 表示 ；M 表示 ；B 表示 ；A 表示 。
16. 钻井液中含砂的危害是 。
17. 井下四器通常指 、 、 与 。
18. 在小于216in 的井眼钻井中， 钻头的 由于空间尺寸的限制，强度受到影响，性能不能保证，且在较高地温下，它的 容易失效，而 钻头则不会出现问题。
19. 金刚石钻头属于没有活动部件的 类型的钻头，因此可以使用高转速，适合于与 配合，它可以承受较大的 载荷，故适合于定向钻井钻探。
牙轮钻头型号特征与失效形式介绍
12、钻头出芯
钻头中心部位的齿磨损或断落, 使 井底相应地层未被切削而留下岩心。钻 头轮尖断落会引起牙轮基体迅速的严重 损坏，机械钻速猛降。其原因大致有： 1、岩层的研磨性超过了钻头中心齿的 抗磨能力； 2、牙轮壳体被冲蚀后齿脱落； 3、井底有金属碎屑引起中心齿破裂； 4、井底形状变化大，更换新钻头后修 整井底的措施不当或时间太短。
14、牙轮破裂
牙轮破裂即指牙轮破成两半或几块， 但大部分牙轮仍在钻头上，牙轮破裂可 以是多种原因造成的，以下是牙轮破裂 的一些原因： 1、牙轮打架，一个轴承失效后，牙轮 相碾压使一个或多个牙轮破裂； 2、顿钻、溜钻使牙轮受到猛烈冲击； 3、井内硫化氢的腐蚀，导致氢脆； 4、热处理不当使牙轮壳体产生微 裂纹，在钻头工作时，由于疲劳冲击 载荷作用，裂纹扩展而导致牙轮破裂.
I O D LB G OR 4 4 WT A F 1/16 FC TQ
上表为：内、外排齿磨损1/2；主要钝化特征是牙齿 磨损，位置是所有齿圈；密封已失效；钻头直径磨损
1/16英寸；齿顶磨平；因扭短增大而起钻。
五、典型失效形式分析
钻头失效分为正常失效和非正常失效： 在正常工况下钻头使用时间在预期的范围
序号 轴承及密封主要结构 标准系
特殊系列
特征
列
T（特别保径） S（大井底覆盖）
1 滑动轴承橡胶密封 HA
HAT
HAS
2 滑动轴承金属密封
HJ
HJT
HJS
3 浮动轴承橡胶密封
FA
FAT
FAS
4 浮动轴承金属密封
FJ
5 滚动轴承橡胶密封 GA
6 滚动轴承金属密封
单牙轮钻头在胜利油田定向侧钻中的应用
８ 可 用 于 井 段 扩 眼 。三 牙 轮 钻 头 因 发 生 “ 径 ” ） 缩
现象 而无 法对井 段进 行扩 眼 。单牙 轮钻 头 只有一 个尺
李 相 军
（ 利 石 油 管理 局 井 下 作 业 公 司 ． 胜 【 东 营 ２ ７ ９ ） Ｕ东 ５０ １
摘 要 ： 细介 绍 了 ＹＡ 系 列单 牙轮 钻 头 的特 点 ， 过 对 单 牙轮 钻 头在 胜 利 油 田 的使 用特 点 、 用情 况 以及 存 在 问 详 通 使 题 的 分析 ．提 出 了单 牙轮 钻 头 的 改进 对 策 ，并 指 出单 牙轮 钻 头是 小 井 眼钻 井 的 最 佳 选择 。
需要 。
又能 对付 Ｐ Ｃ钻 头难 于 应 付 的硬 夹 层 和其 它 复杂 地 Ｄ
层 ，而且 在结 构和 破岩 原理上 又有 其独 特 的优点 。
１ ＹＡ 系列 单 牙 轮 钻 头 的特 点
ＹＡ 系列 小尺 寸单 牙轮 钻 头是 近几 年研 制 开 发 出 的新产 品 ，在小井 眼 钻井 的应用 中获得 了成 功 ，它消
第 ３ Ｏ卷 第 ３期 ２０ ０ ２年 ６月
石
油
钻
探
技
术
Ｖ （ ． ０， Ｏ． ） ３ Ｎ １ ３
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Ｊ ｎ ，０ ２ ｕ ． ２Ｏ
． 工 具 与 设 备 ． Ｉ
单 牙 轮 钻 头 在 胜 利 油 田定 向侧 钻 中 的 应 用
新纪录：空气钻井首次φ445井眼单只牙轮钻头进尺1445.7m
维普资讯
钻
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采
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艺
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２０ ０ ６年 １ １月
ＮＯ ． ０ ６ ＇２ ｏ ｄ
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４ ．引进欠 平衡钻 井 工艺 采 用 钻井 液 密 度 低 于 地 层 压 力 梯 度 的 欠 平 衡 钻 井 工艺 ， 由于 降低 了 液柱 对钻 头 的 压持 效 应 将 有 利于 提 高 机 械 钻 速 。２ ０ ０３年 在 川 西 马 井 构 造 的 Ｉ Ｍ １井 １ ６ ２１０ｍ（ ） 行 了液 体欠 平 衡 试 Ｓ １～ ５ ＪＰ 进 ７ 验， 机械 钻速 达 ５ ２ｍ ｈ 而邻 井 Ｃ ６ ０井 同层 位 ． ／ ， Ｍ０
时， １ 元 井也是国 内首次 ０ ４ 眼采用 空气钻井 ， ４ ５井 成功的从 １０ ｉ钻 至 ２０ ０ｉ。 ０ ｎ ０ ｎ
【 露春 １ 李
及砂岩 为主 ， 用“ 可采 螺杆 ＋ Ｄ ” Ｐ Ｃ 的钻井方 式钻进 。
的表现 ， ４ ． 舛 ４ ５钻 头 钻 速 提 高 ３ ．％ ，３ １ １钻 ９ ７ ０ １．５ 头钻 速 提 高 ２％ ～５０ ， ２５ ９钻 头 钻 速 提 高 ２ ０％ ０ １． ２ ％ ～１０ ， １９ ２钻 头钻 速 提 高 １％ ～１０ ， ９ ５％ ０４． ８ ０％ 使 用后 提高 钻井速 度 的效果 明显 。
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结构特点：
1、采用牙轮和钻头体两级保径，钻头体上镶装主动切削保径齿和被动抗磨保径齿，
钻头有较好的保径作用和倒划眼功能。
2、牙轮的布齿采用交错布齿，牙轮形状、齿排数、齿数、露高等都进行了优选。
3、水力系统采用主、副两水眼式结构，使用射流和扩散清洗两种类型的喷嘴，优化
喷嘴组合。
4、钻头轴承大、小轴密封采用先进的高饱和丁腈橡胶圈，优化的密封压缩量和特殊
的保径结构设计，确保了轴承密封的高可靠性。
5、牙掌轴承表面堆焊硬金属层，牙轮内孔镶焊减磨合金，提高了轴承工作能力。
6、采用钢球锁紧牙轮，可适应高转速。
产品优势：
YA系列单牙轮钻头是一种减速钻头，即牙轮的转速要比钻头的转速要小，主要以刮削破碎岩石，适应于高转速、高钻压下的老井开窗侧钻、老井加深等小井眼钻井作业。
其优势在于：
应用领域比较广，不但适用于侧钻井施工，而且可在中深井中使用。
工作扭矩比PDC钻头在相同钻压和地层的条件下更低，可减少小尺寸钻具胀扣问题，避免井下事故。
单牙轮钻头兼有三牙轮钻头和PDC钻头的优点，又分别弥补了二者的不足，比三牙轮钻头更适用于强度和塑性同时都大的地层，同时也能适用于PDC钻头难于对付的硬夹层和其它复杂地层。
配合井下动力钻具能实现高转速及特殊钻井的需要。
结构简单，轴承空间大，使用安全可靠，钻头尺寸容易小型化。