典型石油机械结构与工艺特点.docx

典型石油机械结构及工艺特点 牙轮钻头的结构介绍 一、概述 随着石油天然气勘探开发难度的不断加大，面临的地质条件和自然环境越来越复杂恶劣，勘探开发过程中对石油装备也提出了更高的要求。作为钻井的主要破岩工具之一，如何进一步提高其工作性能，延长其使用寿命，是油气勘探开发领域亟待解决的关键技术问题之一。井循环的有效方式有利于加快我国油气勘探开发，降低原油生产成本，提高原油产量，从而保障我国经济建设持续健康发展。 牙轮钻头的工作寿命对降低钻井成本和提高钻井速度起着非常重要的作用。钻头直到其使用寿命结束时才从孔底抬起，并且在孔的中间不能更换任何零件。其寿命长短直接影响机械镜头和行程次数。因此，要求尽可能延长牙轮钻头各部件的使用寿命，从而提高牙轮钻头的整体工作寿命。三牙轮钻头工作过程中，钻压由钻杆或钻头施加在牙轮钻头上部，再由卡爪通过轴承传递到牙轮，带动牙轮上的齿压入破碎岩石，同时钻头转动。改变牙齿破碎岩石的位置。通常8 1/2三角钻头的钻压约为100-150kN，每个轴承的载荷为30-50kN，轴承直径为57mm，转速约为200rpm。在实际钻井过程中，由于岩石相互作用和钻柱振动引起的动载荷，使作用在钻头上的实际载荷为随机动载荷。 二、牙轮钻头发展简史 自20世纪初第一颗旋转牙轮钻头问世以来，牙轮钻头不断发展，并以其优异的性能很快成为钻井行业最重要的破岩工具之一。 年8 月10日，美国的 Howard R. Hughes获得了第一个牙轮钻头专利，用于处理在钻井中遇到的阻力钻头难以或不可能钻进的较硬地层。当时，刮刀钻头在软地层中仍占主导地位，因为牙轮在软地层中很容易形成泥包。 1925年出现了自洁钻。它的出现克服了当时钻井过程中软硬夹层需要多次起下钻头才能更换钻头的情况，使进尺和机械钻速提高一倍以上，显着降低了钻井成本。 1932年对滚子轴承进行了改进，出现了滚动轴承，大大提高了钻头的使用寿命。 1933年，三锥钻头出现。与双锥钻头相比，不仅工作更平稳，钻速更快，寿命更长，而且有更大的测量面积来保持井径。 1935年，斜移式三锥钻头出现，使当时的机械钻速提高了30%，促进了牙轮钻头的广泛使用。喷射牙轮钻头出现在 1949 年，当时的实际试验表明，它们可以提高 50% 的机械钻速。 1951年，球面硬质合金刀片钻头出现，大大提高了齿的寿命，但轴承成为主要的易损件。 1960年研制成功密封润滑轴承，提高了整体钻头的工作时间。 1967年研制成功各种地层硬质合金刀片，大大提高了刀片的适用周长和齿寿命。 1968 年密封和润滑滑动轴承的出现使钻头的工作时间进一步增加了一倍多。 随着钻井技术的不断发展，钻头也得到了很大的发展。如1970年的O型圈密封滑动轴承； 1976真空/压力注油法将油脂注入油藏密封轴承钻头； 1979精密密封滚动轴承； 1981汤匙牙； 1982 ring 带有全滑动元件的滑动轴承，通过锁定方法将滚子组装在轴承上；钻头体的三合一元件是在1990 年代初引入的，以确保三个齿掌的精确对准。焊接技术，可承受恶劣环境的全橡胶补偿器；浮动套筒滑动轴承、剖分螺纹保持架、网状密封圈等新结构。 从牙轮钻头的发展历程可以看出，牙轮钻头的发展大大提高了其工作寿命。例如，硬质合金刀片的出现使牙齿的寿命增加了一倍；从滚动轴承到密封润滑的滑动轴承，甚至到现在的轴承密封结构等一系列改进，大大提高了轴承的使用寿命；新技术、新材料的不断使用，全方位提高了钻头的使用寿命；随着钢材质量和热处理工艺的发展，牙轮钻头各部分的性能得到了提高；新型密封材料、润滑剂和高耐磨材料的出现以及加工工艺的提高，增强了轴承的抗破坏能力；精密铰孔工艺增强了刀片的坚固性；新的合金成分和加工工艺提高了硬质合金的强度等。近三十年来，由于牙面结构变化不大，所有对牙面结构的改进都是建立在定性知识的基础上，依赖于大量的测试结果。与钻头寿命的增加相比，钻头ROP的增加相对缓慢。 三、牙轮钻头的结构 一、整体结构组成 牙轮钻头一直是钻井工程中最重要的钻具之一。它由壳体、卡爪、牙轮、轴承、水孔和储油密封补偿系统组成，如图5.1所示。超过 14 8/4 英寸可以制成无主体或有主体，三个组装爪焊接到铸造钻头主体； 12 8/4英寸以下的钻头由三个组装的锥体制成，爪子直接焊接，称为无体钻头 头。牙轮钻头的主要部件具有以下特点： 齿掌：由毛坯基体（包括流道和掌后规部分）、轴承、水孔、油孔四部分组成。空间结构关系复杂，形状极不规则，设计最难把握。 图5.1 三牙轮钻头整体结构示意图 图5.1 三牙轮钻头整体结构示意图 锥体：分为钢齿和镶齿两种，均由锥体和齿组成。区别在于牙齿。前者使用指形铣刀在锥体上铣齿并焊接硬质合金材料，而后者在锥体上使用钻孔和扩孔的齿孔插入硬质合金齿。 小零件钻头小零件通常具有单一的特征，并且