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。
(3)结构及组成 牙轮钻头的基本组成是钻头体。巴掌（牙 爪）、牙轮、轴承、水眼（喷嘴）、储油密封 润滑系统。
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。
齿顶削平度
齿顶削平度即齿尖的宽度。软地层为 加快钻速，宽度要小些；硬地层为保证强 度，宽度要大些。同时，还要根据钻头大 小而定，一般小钻头齿尖宽度为0．75－ 1mm；大钻头齿尖宽度为2mm。
牙齿的排布方式。牙齿在轮壳上的排 列布臵方式是影响钻进效率的重要因素。 布齿时首先保证钻头每转一圈牙齿全部破 碎井底，不留下未被破碎的凸起部分。根 据岩性不同牙轮上 齿圈的排列有自洗式和 非自洗式。
(4)牙轮钻头的工作原理 钻进中牙轮钻头在井底的运动及破岩 机理取决于钻头的结构、钻进参数配合、 井底状态等多方面的因素。为了能够根据 不同地层岩性，合理选择与使用钻头，就 必须了解牙轮钻头在井底的运动及破岩机 理。
a.牙轮钻头在井底的运动 牙轮钻头在井底的运动，决定着牙轮与 牙齿的运动，从而直接决定了牙齿对地层岩 石的破岩作用。钻头在井底的运动有公转、 自转、纵振、滑动。钻头在井底运动的同时 牙轮在井底的运动也有公转、自转、纵振和 滑动。
(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。
复锥
复锥牙轮的副锥顶（延伸线）是超顶的， 主副锥顶间的距离叫锥顶距。锥顶距越大或 两个锥顶角的差值越大，钻头工作时牙轮在 井底产生的滑动量也越大。复锥牙轮产生滑 动的原因是复锥牙轮绕轴线转动时线速度呈 折线分布，其与钻头公转时的合成速度不为 零，从而产生滑动。
移轴
移轴是牙轮轴线沿水平方向移动一个距 离，三个牙轮的轴线不交于钻头中心，而交 成一个三角形，即为牙轮的移轴结构。所交 三角形的内切圆半径就是牙轮轴线的平移距 离，称为移轴距。移轴距越大，钻头的滑动 剪切作用也越大。
代号
Y P M MP MPB HP HPB
类别
镶 齿 钻 头
名
称
镶齿普通钻头 镶齿密封钻头 镶齿滑动钻头 镶齿密封喷射钻头 镶齿滑动喷射钻头 空气钻头
代号
X XM XH XMP XHP K
国产三牙轮钻头类型及适用范围 代号（简化） 类 型 新 旧 1 JR — 乳白 极软 2 R L 黄 软 3 ZR M 淡兰 中软 4 Z C 灰 中 5 ZY T 墨绿 中硬 6 Y TK 红 硬 7 JY — 褐 极硬
(b)镶齿（硬合金齿） 镶齿钻头是将硬合金材料加工成一定形 状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳的钻头上。由 于牙齿硬度高、耐磨性强，故能适应于坚硬 及高研磨性地层。目前的镶齿钻头已适应于 从坚硬地层到软地层的不同地层。镶齿的齿 形是指牙齿出露在轮壳以外部分的形状与高 度。镶齿齿形一般有楔形、锥形、球形、三 棱形和抛射体形等。
b.破岩的两种作用
牙轮钻头在钻压作用下破碎岩石是靠冲击压碎
作用和滑动剪切用来完成的。
(a)冲击压碎作用
牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的
轮齿对岩石的冲击压碎作用是牙轮钻头破碎岩石的主
要方式。旋转钻头时，牙齿以一定的速度冲击压入岩 石，牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。牙齿 作用在岩石上的轴向载荷包括静压及冲击载荷。
(5)牙轮钻头的产品系列 牙轮钻头是国内外钻井使用最多的钻头， 为满足不同深度、不同地层岩性、不同井身 结构等方面的要求，制定了牙轮钻头的系列 标准，即牙轮钻头的直径系列和结构系列标 准。
a.牙轮钻头的直径系列 牙轮钻头的直径要与相应的套管尺寸相 配合。下套管固井时，要保证套管外径与井 眼间有合适的间隙，以提高固井质量；固井 后继续钻进时所用钻头直径又要与套管内径 配合好。直径系列的确定必须根据各国的具 体条件而定。
内容
• 牙轮钻头及其破岩原理 • 金刚石钻头及其破岩原理 • 钻头的正确使用
(1)用途 牙轮钻头是使用最广泛的钻头，适用于 从软到硬的各种地层。牙轮钻头破岩时扭矩 小，转动平稳，对钻具及地面设备的危害小； 工作刃较刮刀钻头长，减少了磨损，延长了 使用寿命。但结构较复杂，制造较刮刀钻头 困难，成本较高。
b.牙轮钻头的结构系列 国产牙轮钻头分两大类，即钢齿牙轮 钻头和镶齿钻头、八个系列，系列代号用 专用汉语拼音字母表示，见表5-4-1(书 P191)所示。钢齿钻头的类型及适用地层见 表5-4-2（书P191）所示。
国产三牙轮钻头结构系列
类别
钢 齿 钻 头
名
称
普通钻头 喷射钻头 密封钻头 密封喷射钻头 密封喷射保径钻头 滑动喷射钻头 滑动喷射保径钻头
(d)滑动 为了适应破碎不同岩石的需要，在钻头工 作时，使其产生一定的滑动。钻头的滑动就是牙 轮的滑动。通常情况下，软地层钻进时钻头具有 较大的滑动量；在硬地层及高研磨性地层钻进时， 所用钻头其滑动量要尽量减小，以避免牙齿的迅 速磨损。 钻头在井底工作时，上述四种运动同时产生， 钻头的运动是上述四种运动的复合运动。
齿尖角
齿尖角是牙齿横断面上两边界的夹角。为了 利于吃入地层，其值应小些，但太小则影响强度。 一般软地层阻力小，强度要求不高，为了加快钻 速，齿尖角应比硬地层小些。齿尖角的常用范围， 软地层为38o－40o；中硬地层为40o－42o；硬地 层为42o－45o。
齿高
齿高是齿根到齿页的距离。一般齿越高 吃入地层越深，钻进效率越高，但太高易使 牙齿蹩断。因此，不同岩性地层的破岩阻力 不同，齿高不同，软地层要比硬地层高些。
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 密封装臵，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。
软及中硬地层中钻进，要求牙轮钻头 具有更大的滑动量以提高破岩效率。在设计 制造牙轮钻头时，通常采用具有超顶、复锥、 移轴结构的牙轮钻头以增大钻头在井底工作 时的滑动量。
超顶
所谓牙轮钻头的超顶是指牙轮的锥顶超 过钻头中心的现象。锥顶超过钻头中心的距 离叫做超顶距。牙轮的超顶距越大，钻头的 滑动剪切作用也越大。
常用的滑动轴承有轴颈轴承、带固定 村套的滑动轴承和带浮动式衬套的滑动轴 承以及简易滑动轴承。
e.牙轮钻头的水眼 非喷射式钻头的水眼只起洗井液循环通 道的作用，而喷嘴不仅循环洗井液，还能把 洗井液转化为高速射流。普通钻头在软地层 钻进时，为了防止钻头泥包，从水眼流出的 洗井液均直接冲在牙轮上。喷射式钻头的水 眼方向是使洗Байду номын сангаас液直射两牙轮间的井底。
牙轮钻头破岩时，牙齿对岩石的冲击 载荷越大，冲击次数越多，钻头破岩效率 越高。但转速太快必然大大缩短牙齿与岩 石的接触时间，要保证接触时间大于岩石 破碎所需的时间，才能有效破碎岩石。
(b)滑动剪切作用 牙轮钻头工作时，由于摩擦阻力的影响 使其在井底产生滑动，而且转速越快，滑动 量越大，对岩石的剪切破碎作用越大。此外， 牙齿在轴向压力作用下吃入地层，转动钻头 时随着牙齿的移动而使已破碎的岩石剔出， 这一压入破碎其实质是剪切破碎。
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。
(a)公转 钻头绕井眼轴线的旋转运动叫钻头的公 转。其转速等于转盘或井下动力钻具的旋转 速度；钻头公转时，牙轮绕钻头轴线所做的 旋转运动称为牙轮的公转。牙轮上各外排牙 齿绕钻头轴线旋转的线速度不同，轮壳上最 外排牙齿的线速度最大。
(b)自转 钻头绕其自身轴线所做的旋转运动叫 钻头的自转。其转速取决于钻具的转速；钻 头旋转时，牙轮绕巴掌轴所做的与钻头旋转 方向相反的旋转运动称为牙轮的自转。其转 速取决于公转速度，并与牙齿对井底的作用 有关，牙轮的自转速度要比公转速度快得多。 牙轮的转动是岩石对牙齿产生阻力作用的结 果。
(c)纵振（轴向振动） 钻进中旋转钻头时，轮齿与井底的接触是单双 齿交替进行，单齿着地时，牙轮的轮心处于高位臵， 双齿着地时则处于低位臵。这样，就导致轮心不停 地上升下降，即牙轮的纵振。牙轮的纵振使整个钻 头沿轴向做上下往复运动，即钻头的纵振，其振幅 就是轮心的垂直位移。振幅的大小与齿高、齿距等 钻头结构及岩性有关。在硬地层振幅较大，振动严 重，危害较大。除牙轮的单双齿交替与井底接触导 致的纵振外，还会因井底不平造成振幅较大的振动。