三牙轮钻头的结构及工作原理

三牙轮钻头的结构及工作原理

在石油钻井作业中，三牙轮钻头是使用最多的，且能适应各种地层的钻头。

1909年世界上出现了第一个牙轮钻头;

1925年出现了自活式牙轮钻头，解决了软地层钻头牙齿间积存岩屑而易产生泥包的问题;

1933年出现了滚动轴承的三牙轮钻头;

1935年牙轴钻头进一步的改进，出现了移轴三牙轮钻头;

1949年开始发展喷射钻井，很快应用到牙轮钻头上来;

1951年使用了镶硬贡合金的钻头，使得钻头在极硬的地层中的使用寿命和钻速都得到提高;

1960年试制成功了密封润滑轴承，使工作时间达到了40~60小时，钻头的进尺提高50%;

(一)三牙轮钻头在井底的运动

牙轮钻头在井底工作时的运动状态和受力状态是相当复杂的。要想了解钻头破碎岩石的工作原理之前就必须要了解钻头在井底的运动规律。为了便于从理论上分析工轴钻头的运动规律，在分析之前先做如下的假设：①井底和钻头都是刚性的; ②牙轮与井底接触的母线上压力是均匀分布的; ③钻及牙轮是作等角速旋转的

(二)钻头的冲击、压碎作用

三牙轮钻头在井底工作时，由钻头共振产生牙齿对岩石的冲击、压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。钻进时钻头在井底产生共振，使钻柱不断压缩与伸张，下部的钻柱把这种周期性的弹性变形能传递给牙齿，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。

(三)牙齿对地层的剪切作用

为了提高牙轮钻头的破岩效率，除要求牙齿对井底岩石产生压碎、冲击作用外，同时对中硬和软地层来说还要求有一定的剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还要产生轮齿对岩石的相对滑动来实现。在现实的工作中，产生滑动的原因有三个：超顶超顶超顶超顶、复锥复锥复锥复锥和移轴移轴移轴移轴。

1、超顶引起的滑动

超顶牙轮产生的切线方向的滑动，滑动速度的大小与超顶距成正比。在纯滚动点的两侧，其滑动方向是相反的。

2、复锥引起的滑动

复锥牙轮包括主锥和副锥。虽然复锥牙轮的主锥顶与钻头的中心是重合的，但其副锥顶(延伸线)必然是超顶的。同理，超顶就会产生滑动。

3、移轴引起的滑动

由移轴引起的轴向滑动可以剪切掉齿圈之间的岩石。牙齿的滑动虽然可以剪切井底岩石提高破碎效率，但也相应的使牙齿磨损加剧。

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