石油钻井钻进工具—钻头和钻柱详解

二、刮刀钻头（Drag Bit）
（一）刮刀钻头的结构
上钻头体、下钻头体（分水帽）、 刀翼、水眼。
刀翼
•三刀翼的称作三刮刀钻头
•两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼 尾刮刀钻头
•四刀翼的称作四刮刀钻头
图2-1 刮刀钻头结构
刀翼结构：
（1） 刀翼结构角 刃尖角β —刀翼尖端前后刃之间的夹角。 它
反映了刀翼的尖锐程度。 β 越小，刃部越尖锐，
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
非自洗
自洗无移轴
及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润 滑密封系统金钢锥体，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
越容易吃入地层，但强度越低。 一般: 软地层 β =8 ～ 10°；
硬地层 β =12°～ 15°
切削角α — 刀翼前刃和水平面之间的夹角。 在相同钻压下， α 越大，刀刃越容易吃入地层， 但旋转扭矩大，剪切刃 前岩石困难。 一般: 松软地层 α ＝70° 软地层 α ＝70～80°； 中硬地层 α ＝80～85°。 刃后角ψ ＝α -β 刃后角必须大于井底角θ 。
（三）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； • 刮刀钻头目前已被PDC钻头取代。
三、牙轮钻头（Roller Bit）
（一）牙轮钻头结构
牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌）
（二）刮刀钻头的工作原理
刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。
• 破碎塑性岩石过程： 在钻压W作用下，刀翼容易吃入地层；刃前岩石在扭转力T 的作用 下不 断产生塑性流动。这和车刀切削软金属的过程类似。
破碎脆性岩石过程
刮刀钻头破碎脆性岩石的过程为： 碰撞→ 压碎及小剪切→大剪切。 （1）碰 撞：刃前岩石发生剪切破碎后，刀刃在旋转 扭矩作用下向前推进， 碰撞刃前岩石。 （2）压碎及小剪切：扭转力增大，压碎刃前岩石， 产生小剪切破坏。 （3）大剪切：扭转力继续增大到某一极限值，刃前 岩石沿剪切面破碎，而后扭转力突然减小。
自洗移轴
齿间相互齿合产生自洗作用
（二）牙轮钻头工作原理
1．牙轮钻头在井底的运动 公转：牙轮随钻头一起旋转。 自转：牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向旋转称自转。 滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包括径向（轴向）和切向（周 向）滑动。 引起滑动的原因： ① 超顶和复锥引起切向（周向）滑动. ② 移轴引起径向（轴向）滑动. 纵向振动：牙轮在滚动过程，其中心上下波动，使钻头做上下往 复运动。 引起纵向振动的原因： ① 单、双齿交替接触井底，使牙轮中心上下波动； ② 井底凹凸不平。
石油钻进工具——钻头和钻柱
本章主要内容：
第一节 钻头
钻头的类型及工作原理
钻头的选型及分类方法
钻头的合理使用
第一节
钻柱
钻柱的组成及功用
钻柱的工作状态及受力分析 钻柱设计
第一节
一、概述 1. 钻头类型
钻头（Drill Bit)
(1)按结构及工作原理分类:
刮刀钻头 牙轮钻头 金刚石钻头（包括PDC钻头）
刃前角φ＝90°－α 。
（2）刀翼背部形状 刀翼的厚度随距刀刃的距离增加而增厚，呈抛物线形，以确保刀翼强 度足以承受弯矩。 （3）刀翼底部形状： 平底、正阶梯、反阶梯、反锥
(4)提高刀翼的耐磨性 • 刀翼一般采35CrMo或35MnSiMoV高强度合金钢锻制而成，以保证有 足够的强度。 • 一般在刀翼表面平铺一层YG8硬质合金块，在外侧面镶装YG8硬质合金块。 • 刀翼表面和外侧面镶焊人造金刚石聚晶块。
(2)按功用分类
全面钻进钻头 扩眼钻头 取心钻头
2. 钻头尺寸系列
3-3/4 " ---
36 "
常用尺寸：26 “ 、171/2 ” 、121/4 “、 81/2 ”等
3. 钻头的工作指标 钻头进尺（米） 钻头工作寿命（小时） 机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米）：
C pm
Cb C r (t t t ) H
2、牙轮在井底产生滑动的原因 （1）牙轮超顶引起的滑动 超 顶 牙轮锥顶超过钻头中心线称为 超顶。 超顶距 锥顶超过钻头中心的距离ob 称为超顶距， 用 C表示， Ob = C。 A）由钻头公转速度ω b引起的牙轮母线上的线速度vb vb在牙轮母线上的分布为一条直线。 在oa段，vb向前 在ob段，vb向后 在O点，vb = 0 B）由牙轮自转ω c引起的牙轮母线上的线速度vc vc 分布为一条直线，在锥顶b处，vcb = 0 C）vb 和vC合成 vb 和vC合成后的合速度与ab线交于M点，bM段滑动是向 后的，aM段是向前的，M点为纯滚动点，相对于地层无滑 动。M点和钻头中心O点不重合，所以牙轮相对于地层产生 切向滑动。
（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。
铣齿牙轮钻头
镶齿牙轮钻头
2．轴承
牙轮钻头轴承有大、中、小和止推四副。根据轴承的密封与否，可分为密封和非 密封两类。根据轴承副的结构，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。 滚动轴承结构：滚柱—滚珠—滚柱—止推 滚柱—滚珠—滑动一止推 滑动轴承结构：滑动—滚珠—滑动—止推 滑动—滑动（卡簧）—滑动—止推
为什么滑动轴 承比滚动轴承寿 命长？
密封圈
滚柱
密封圈 滑动摩擦衬 套
止推台阶
滑动摩擦副
3．储油润滑密封系统
储油润滑补偿系统 密封系统：
橡胶密封圈、金属密封圈
工作原理：
储油压力补偿系统（传压孔、压 力补偿膜、油杯等）保持轴承腔内 的油压与井内钻井液柱压力相平衡。 当轴承腔内油压降低，储油杯中的 润滑油在钻井液柱压力作用下补充 到轴承腔内；当轴承腔内的油压升 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。