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第一章三牙轮钻头工作原理

第一节三牙轮钻头在井底的运动

在石油钻井中，牙轮钻头能适应各种地层的钻井，是主要的破岩工具之一。

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。国内外对牙轮钻头

的工作原理，无论在理论研究或实验研究方面都作了大量的工作，这些研究成果

为钻头的设计使用提供了依据。

三牙轮钻头在井底的运动，决定牙轮与牙齿的运动，也就直接决定牙齿对地

层岩石的破碎作用。因此，在了解钻头破碎岩石的工作原理之前，首先应了解钻

头在井底的运动。

一、钻头的公转

钻头牙轮绕钻头轴线作顺时针方向旋转的运动简称为钻头的公转。钻头公转

的速度就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。钻头公转时，牙轮绕钻头轴线旋转，

牙轮上各排牙齿绕钻头轴线旋转的线速度不同，外排齿的线速度最大。

二、钻头的自转

钻头旋转时，沿着从牙轮底平面到牙轮尖部的方向看，牙轮绕自身的轴线作

反时针方向的旋转称自转。牙轮的转动是岩石对牙齿的吃入破碎作用产生反作用

的结果。牙轮自转转速的影响因素有公转转速、钻头结构、齿面结构、钻井参数

和岩石性质等。一般情况下，牙轮自转的转速比钻头公转的转速快。把牙轮自转

转速与钻头公转转速之比称为轮头比，轮头比的值一般在1--1.5之间。

三、钻头的纵振（轴向振动）

钻头工作时，对一个牙轮而言，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交替进行的。

单齿着地时，牙轮的轮心处于最高位置，双齿着地时则轮心下降。牙轮在转动过

程中，轮心位置不断上下变换，使钻头沿轴向作上下往复运动，这就是钻头的轴

向振动。纵振振幅就是轮心的垂直位移，它与牙齿的齿高、齿距等钻头结构参数

及岩性有关。在软地层，牙齿吃入深、振幅小，硬地层则振动加剧。振动的频率

与牙轮齿数及牙轮转速成正比。在旋转钻井中，钻头纵振频率一般为100～500

次/min。

此外，由于井底不平，钻头产生振幅较大的低频振动。据国外资料介绍，低

频振动的振幅就是井底凹凸部分的高差，一般为10mm左右，频率低于50次/min。

低频纵振对钻头是不利的因素，在硬地层中会造成跳钻。牙轮钻头的纵振是上述

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两种振动之和，它构成了牙齿的冲击压入作用，破碎岩石，提高破碎效率。

四、横向振动

所谓横向振动，就是沿着垂直于钻头轴线方向的振动。造成钻头横向振动的

因素很多，包括钻头与岩石互作用、钻柱的弯曲变形，钻柱的偏心旋转，钻柱质

量分布不均匀、地层倾角以及井底岩石性质差异等等。钻头的横向振动对钻柱的

横向振动有直接的影响，也是造成钻头失效的重要原因。

五、扭转振动

钻头的周期性运动导致扭矩成周期性变化，引起钻头周期性的扭转振动。钻

头的扭转振动主要由钻头的粘滑运动造成的，即钻头旋转速度变化很大，在某一

瞬时钻头可能静止不动，过一段时间后便以数倍于平均转速的速度旋转，这样就

会引起钻头的失效，也可能引起钻柱的早期疲劳破坏。因此应尽量避免钻头出现

这种现象。

六、牙轮的滑动

破碎不同类型岩石，对钻头要求不同的滑动量，可通过设计钻头时采用不同

的结构及参数获得。对于一个牙轮而言，不同位置的齿排的滑动方向是不同的。

外排齿及靠近外排齿的齿排，一般是正向滑动（假设钻头旋转，而牙轮不自转时，

牙齿在井底的滑动就是正向滑动）；牙轮尖部的齿排及靠近牙轮尖部的齿排一般

是负向滑动；而在外排齿与尖部齿排之间的某个中间齿排或虚拟齿排做纯滚动。