石油钻井设备与工具王镇全第三节牙轮钻头.ppt

第三节 牙轮钻头 一、牙轮钻头的结构 牙轮钻头结构描述： 钻头上部车有丝扣，供与钻柱连接用； 牙爪(也称巴掌)上接壳体，下带牙轮轴(轴颈)； 牙轮装在牙轮轴上，牙轮带有牙齿，用以破碎岩石；每个牙轮与牙轮轴之间都有轴承。 水眼(喷嘴)是钻井液的通道； 储油密封补偿系统储存和向轴承腔内补充润滑油脂，同时可以防止钻井液进入轴承腔和防止漏失润滑脂。 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，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。 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。参数的确定兼顾有利于破碎岩石及齿的强度。一般软地层牙轮钻头的齿高、齿宽、齿距都较大，而硬地层则相反 。 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，形状为楔形，齿宽、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。 3、镶齿 镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔后，将硬质合金材料制成的齿镶入孔中。 牙轮钻头上使用的硬质合金是碳化钨(WC)一钴(Co)系列硬质合金。它是以碳化钨粉末为骨架金属、钴粉末为粘结剂，有时加入少量的钽或铌的碳化物用粉末冶金方法压制、烧结而成的。合金中随着钴的含量的增加，密度有所下降，硬度逐渐降低，即耐磨性能降低，但抗弯强度逐渐增大，且冲击韧性也提高。在不改变碳化钨和钴含量的情况下，增大碳化钨的粒度，可以提高硬质合金的韧性，而其硬度和耐磨性不变。 ①楔形齿 齿形呈“楔子”状，齿尖角由65°～90°不等。适用于破碎具有高塑性的软地层以及中硬地层，齿尖角小的适合软地层，齿尖角大的适合较硬地层。 ②勺形齿 美国休斯公司80年代推出的新齿形。它是一种不对称的楔形齿，其切削地层的工作面是内凹的勺形，背面是微向外凸的圆弧形。这种结构改善牙齿的受力状况，既提高了破碎效率又增强了齿的强度，可高效破碎极软至中软地层岩石。 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。 二）轴承系统 1、结构 牙轮钻头轴承由牙轮内腔、轴承跑道、牙爪轴颈、锁紧元件等组成。轴承副有大、中（锁紧）、小和止推轴承四个。 2、分类 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，钻头轴承分为滚动轴承和滑动轴承(指主要承载轴承即大轴承)两大类。滚动轴承的结构形式有“滚柱—滚珠—滚柱—止推”和“滚柱—滚珠一滑动—止推”两类；滑动轴承的结构有“滑动—滚动—滑动—止推”及“滑动一滑动一滑动—止推”两种。 3、储油润滑密封系统 作用： ①为轴承系统提供润滑油； ②防止钻井液进入轴承。 结构与原理： 储油润滑密封系统主要由储油囊、过油通道、密封等部分组成。 储油囊由橡胶制成，内部储油，外部与环空相通。工作时，由于钻头振动使轴承内部产生抽吸，同时泥浆压力作用于油囊压缩油囊，使油囊内的润滑油不断通过过油孔进入轴承内部润滑轴承。同时密封防止泥浆进入轴承系统和防止润滑油漏失。 4、钻头水眼 作用： ①钻井液流出钻头射向井底的通道； ②通过调整水眼直径，调节钻头压降，实现喷射钻井； ③通过合理调节喷嘴的空间位置，有效清洗牙轮和井底岩粉。 说明： 水眼又称喷嘴，为硬质合金材料制成，内部流道形状多样，可拆卸。 二、 牙轮钻头的工作及破岩原理 1、牙齿的公转与自转 牙轮钻头依靠牙齿破碎岩石，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头轴线作顺时针方向的旋转运动，这种运动称作公转。公转的转速就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。牙轮上各排牙齿公转的线速度是不同的，外排齿公转的线速度最大。 钻头工作时，牙齿绕牙轮轴线作逆时针方向的旋转称为自转。牙轮自转的转速与钻头转速即公转的转速以及牙