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第二章 钻进工具 第一节 钻头 钻头的重要性： 发展及标志： 内容： 1 概述 钻头类型： 分为刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石材料钻头三类。 牙轮钻头分洗齿钻头和镶齿钻头。 金刚石材料钻头又分为天然金刚石钻头(ND)、聚晶金刚石复合片钻头(PDC)以及热稳定聚晶金刚石钻头(TSP)。 特殊钻头：取芯钻头和扩眼钻头等。 ＰＤＣ钻头 ＰＤＣ取芯钻头 　　　　　　　ＰＤＣ双心钻头 　　　　　　　　ＴＳＰ钻头 三类钻头的使用率：牙轮钻头使用约占总进尺的80%左右，其次是金刚石材料钻头，刮刀钻头很少用。 钻头公称尺寸和系列：钻头以其最大外径为其公称尺寸，国际上已经形成基本统一的系列。 常见钻头尺寸为26(660.4)、20(508)、171/2(444.5)、143/4(347.6)、121/4(311.1)、105/8(269.9)、91/2(241.3)、83/4(222.2)、81/2(215.9)、77/8(200)、61/2(165.1)、61/8(155.5)、57/8(149.2)、43/4(120.6)in(mm)等14种。 问题讨论： 钻井工程师依据什么指标来决定起钻换钻头的合适时间？ 钻头的技术经济指标： 1)钻头进尺：一个钻头钻进的井眼总长度，m。 2)钻头工作寿命：一个钻头的累计总使用时间，h； 3)钻头平均机械钻速：一个钻头的进尺与工作寿命之比，m/h； 4)钻头单位进尺成本： C pm =﹛C b+ C r ﹝t + t t﹞﹜/ H 式中： C pm—单位进尺成本，元每米； C b—钻头成本，元； C r—钻机作业费，元每小时； t —钻头钻进时间，h； t t—起下钻及接单根时间，h； H —钻头进尺，m。 2 刮刀钻头的结构和工作原理3 牙轮钻头的结构和工作原理 3.1 牙轮钻头的结构 总体结构：图2-7。 3.1.1 牙轮及牙齿 1）牙轮：图2-8。 2）铣齿及铣齿钻头 铣齿：图2-9。 耐磨性和保径问题：图2-10。 铣齿钻头的局限性：齿形受到加工条件的限制，基本都是楔形的。牙齿材料受到牙轮材料的限制，虽经敷焊硬质合金层，但其耐磨性仍不能完全满足要求，特别是在硬且研磨性强的地层中使用时寿命很低。 3）硬质合金镶齿及镶齿钻头 发展和应用简况：1951年第一次使用，目前在软到坚硬地层中都得到了广泛应用。 硬质合金镶齿：在牙轮上钻出孔后，将硬质合金齿镶入孔中。使碳化钨—钴系列硬质合金。 齿形：图2-11。 3.1.2 轴承 组成：由牙轮内腔-轴套、弹子、牙掌轴颈、锁紧元件等组成。 轴承副及其作用：有大、中、小和止推轴承四个。 按密封与否分类及特点：分为密封和非密封两类。 根据轴承副的结构（指主要承载轴承即大轴承）分类及特点：分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承的结构形式有“滚柱—滚珠—滚柱—止推”和“滚柱—滚珠—滚珠—止推”两类；滑动轴承的结构有“滑动—滚动—滑动—止推”及“滑动—滑动—滑动—止推”两种(图2-12及表2-2)。 3.1.3 储油润滑密封系统 功用： 组成和结构：图2-7。 工作原理： 密封圈：有橡胶密封圈和金属密封圈(美国休斯)两种。 3.1.4 钻头水眼 3.1.5 牙轮钻头的自洗 牙轮钻头在软地层钻进时，牙齿间易积存岩屑产生泥包，影响钻进效果。为解决这一问题，出现了自洗式钻头(图2-16)。其牙轮布置有自洗不移轴及自洗移轴两种方案。 3.2 牙轮钻头的工作原理 包括运动方式和破岩方式两方面。 问题讨论： 牙轮钻头在井底工作时的运动特点(牙轮牙齿的运动形式)？ 3.2.1 牙齿的转动和滑动 公转及其转速：牙齿随钻头一起绕钻头轴线作顺时针方向的旋转运动称为公转。公转转速即转盘或井下动力钻具的转速。牙轮上外排齿公转的线速度最大。 自转及其转速：牙齿在绕钻头轴线顺时针公转的同时，也绕牙轮轴线作逆时针方向的旋转，称为自转。牙轮牙齿自转的转速与公转的转速以及牙齿对井底的作用有关。 滑动： 公转、自转和滑动的关系：自转和滑动是在公转的带动下产生的，公转是主动速度，自转和滑动是被动速度，故有：牙齿公转线速度＝牙齿自转线速度＋牙齿滑动线速度(举例)。 振动： 问题讨论：在上述运动方式下钻头牙齿有何种破岩方式？ 3.2.2 牙齿对地层的冲击压碎作用 静载：钻头上承受的钻压经牙齿作用在岩石上，形成静载。 动载：牙齿单双齿交错接触井底引起高频纵振(图2-13)，井底凹凸不平和送钻不均引起低频高振幅纵向振动，产生动载。 冲击、压碎作用： 动载的利与弊及控制：动载有利于破岩，但也会使钻头轴承过早损坏，使硬质合金齿崩碎，也使钻柱处于不利的条件下工作。可通过使用液力加压器、减震器、合理设计钻压和转速、及时清岩和避免纵向共震等方法来控制过大的动载。 3.2.