第四节--牙轮钻头

第四节牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井工程中适用地层最为广泛的一种钻头。具有适应地层广，机械钻速高的特点。镶齿铣齿牙轮钻头的分类：按牙齿的固定方式分为：镶齿和铣齿（图3.4.1)；按轴承类型分为：滚动轴承和滑动轴承（图3.4.2)；按密封类型分为：橡胶密封和金属密封（图3.4.3)；按牙轮数量分为：单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头（图3.4.4)图3.4.1镶齿和铣齿牙轮钻头滑动轴承结构滚动轴承结构图3.4.2滚动轴承和滑动轴承牙轮钻头橡胶密封金属密封图3.4.3橡胶密封和金属密封三牙轮钻头双牙轮钻头单牙轮钻头图3.4.4单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头一、牙轮钻头结构图3.4.5牙轮钻头结构描述轴承系统接头牙轮与牙齿水力结构储油密封系统牙爪（巴掌）1.牙轮钻头总体结构描述牙轮钻头主要有六部分组成(图3.4.5)：①接头：钻头上部车有丝扣，供与钻柱连接用；②牙爪(也称巴掌)；③牙轮与牙齿；④轴承系统；⑤储油密封补偿系统；⑥水力结构。2.牙轮钻头牙爪（巴掌）作用（图3.4.6)：上接接头，下带牙轮轴(轴颈)；是牙轮钻头轴承系统、储油密封系统、水力系统的载体；牙爪外侧镶有保径齿。牙轮轴接头水力系统储油密封系统保径齿图3.4.6牙轮钻头牙爪3.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(如图3.4.7)，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（图3.4.8）。轴承跑道铣齿镶齿位置图3.4.7牙轮结构示意牙轮图3.4.8牙轮锥面结构形式②牙齿铣齿: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3.4.9。根据齿在牙轮钻头上的位置不同分为保径齿、内排齿和修边齿。修边齿为硬质合金镶齿，以强化保径效果。齿结构参数包括：齿高、齿宽、齿距。齿结构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。为增强铣齿的耐磨性，在铣齿表面堆焊硬质合金耐磨层。图3.4.9铣齿的切削结构硬质合金堆焊层保径齿修边齿内排齿图3.4.10内排齿的结构优化硬质合金堆焊层铣齿牙轮钻头特点：铣齿牙轮钻头的牙齿用金属材料直接加工成型，齿形、齿宽、齿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。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过盈配合镶入孔中（图3.4.11)。近几年研发出金刚石复合材料镶齿(图3.4.12)。根据齿在切削结构中的位置不同可将齿分为：内排齿、保径齿和修边齿。密封内排齿牙爪修边齿保径齿图3.4.11镶齿切削结构图3.4.12金刚石复合材料镶齿示意镶齿的齿形：镶齿牙轮钻头齿的形状是根据地层条件设计的。一般情况下，尖、长齿适应于软地层，短、钝齿适合硬地层。具有代表性的齿形如下（图3.4.13）：图3.4.13镶齿的齿形楔形齿（图3.4.14)：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。图3.4.14楔形齿勺形齿（图3.4.15）：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图3.4.15勺形齿圆锥形齿（图3.4.16)：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°用来钻研磨性高的坚硬岩石，如硬砂岩、石英岩、燧石等。图3.4.16圆锥形齿球形齿（图3.4.17):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。图3.4.17球形齿2.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(图3.4.18)。主(大)轴承锁紧轴承（中轴承）小轴承止推轴承滚柱密封图3.4.18牙轮钻头轴承结构示意轴颈滑动轴承结构滚动轴承结构图3.4.19不同轴承结构示意②分类根据轴承副的结构，钻头轴承分为滚动轴承和滑动轴承（图3.4.19）。图3.4.20滚动轴承的结构形式图3.4.21滑动轴承的结构形式③轴承系统的可靠性与钻头使用时间的关系轴承系统的可靠性与钻头的额定工作转速和使用时间的关系图3.4.22。轴承的性能与轴承类型、结构、材料、密封等因素有关。牙轮钻头轴承工作在低速、重载、润滑不良条件下，由于滚动轴承的承载能力低于滑动轴承，工作寿命滚动轴承低于滑动轴承。可靠性回转圈数图3.4.22轴承系统的可靠性与钻头工作转数的关系储油囊轴承系统过油孔密封图3.4.23储油润滑密封系统的构成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。结构组成：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(图3.4.23)。图3.4.24储油囊结构储油囊的结构及工作原理：储油囊(图3.4.24)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。密封（图3.4.25)及其作用：牙轮钻头的密封主要有两方面的作用：防止润滑脂泄露和防止钻井液进入轴承系统。牙轮钻头的密封为动密封，且工作环境恶劣，是牙轮钻头上最易损坏的部件。橡胶密封金属密封图3.4.25牙轮钻头密封结构与类型4.水力结构①牙轮钻头的水力结构钻井液流经钻头喷嘴在井底形成流场，井底流场的变化与喷嘴的数量、形状、空间结构参数有关。喷嘴的数量、尺寸形状、空间结构参数组成牙轮钻头水力结构。②牙轮钻头水力结构的作用（图3.4.26)钻井液流出钻头射向井底的通道；喷嘴数量、尺寸决定了钻头的过流面积，通过调节过流面积改变钻头压降，可强化水力辅助破岩效果；通过合理调节喷嘴的空间位置，形成最优的水力结构，有效清洗牙轮和井底岩粉。图3.4.26水力结构的作用流体通道清洗牙轮携岩辅助破岩水眼（喷嘴）③喷嘴的结构（图3.4.27)：喷嘴又称水眼，为硬质合金材料制成。内部流道形状多样，可拆卸。图3.4.27喷嘴的结构卡簧喷嘴密封2205.0AQPρ=∇式中：△P—设计钻头压降；Q—排量；ρ—泥浆密度；A—钻头喷嘴过流面积；D—喷嘴当量直径；Dj—第j个喷嘴的直径；n—喷嘴个数。241DAπ=∑==njjdD12④喷嘴的数量与尺寸喷嘴数量和尺寸是由水力学参数优化设计结果确定的。喷嘴的当量直径可由排量和设计钻头压降计算得到：⑤喷嘴的空间结构参数喷嘴的空间结构参数主要包括：空间分布、喷距、喷射角度。通过优化这些参数可得到携岩、清岩、辅助破岩的最佳效果。图3.4.28加长喷嘴的作用加长喷嘴使得喷距达到最优值，有利于增强流体的辅助破岩效果，提高机械钻速。图3.4.29喷射角度的影响直喷嘴辅助破岩效果好，清岩效果较差，通过调节喷射角度使得清岩和辅助破岩效果更佳直喷嘴斜喷嘴图3.4.30喷嘴空间分布对井底流场的影响通过调节喷嘴的空间分布消除涡流区，可改善井底流场，使清岩效果达到最佳。二、牙轮钻头的工作及破岩原理1.牙齿的运动状态（图3.4.31)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齿对井底的作用有关。牙轮以及牙轮上牙齿的自转是破碎岩石时牙齿与地层岩石之间相互作用的结果。公转—顺时针旋转自转—牙轮逆时针旋转图3.4.31牙轮钻头的运动分析2.钻头的破岩机理①冲击、压碎作用牙轮钻头的冲击压碎作用是由两方面的原因引起的。一方面，钻头工作时，牙轮滚动，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交错进行的。单齿接触井底时，牙轮的中心处于最高位置；双齿接触井底时则牙齿的中心下降。牙轮在滚动过程中，牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动，这就是钻头的纵向振动；另一方面，由于井底不平和有凸台存在，牙轮在滚动过程中会产生纵向振动。钻头在井底的纵向振动，使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形能又传递给钻头形成冲击（图3.4.32）。钻头的纵向振动使牙齿产生冲击力，与静载压入力一起形成了钻头对地层岩石的冲击、压碎作用（图3.4.33）。牙齿单双齿交替作用于地层，牙轮中心的位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动的。图3.4.32振动产生的原因由于井底不平和有凸台存在，牙轮在滚动过程中会产生纵向振动。图3.4.33冲击压碎作用过程示意冲击载荷作用牙齿下部形成局部破碎（密实核）密实核传递冲击载荷至周围岩石岩石产生大体积的崩裂，形成破碎坑。②剪切作用牙轮钻头除对地层岩石产生冲击、压碎作用外，还对地层岩石产生剪切作用。剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底的滑动实现的，产生滑动的原因是由牙轮钻头的超顶、复锥和移轴三种结构特点引起的。超顶和复锥引起的滑动：牙轮锥顶超过钻头轴线，这种特点称作超顶，超过的距离oo′称作超顶距。以下定性分析由于超顶引起的滑动。无超顶结构超顶结构图3.4.34牙轮超顶结构图示超顶牙轮上的牙齿产生滑动的原因：牙轮与井底接触点（牙齿）如果是纯滚动，那么接触点相对于井底的绝对速度应为零。假定牙轮钻头公转速度为ω1、自转速度为ω2，设牙轮与井底接触的某点B距钻头旋转中心O点的距离为x，牙轮的内锥角为2a，超顶牙轮的超顶距为e。对于无超顶牙轮，接触点B与井底的相对速度为：ωωα12xtgxv−=0=v当：αωωtg=11表明：无超顶牙轮与井底接触的各点B与井底的相对速度均为零，为纯滚动。()ωωα12xtgxev−+=αωωαωtgtgex212−=对于超顶牙轮，接触点B与井底的相对速度为：当：0=v表明：对于超顶牙轮，牙轮与井底的接触线上只有一点与井底的相对运动速度为零，这一点为纯滚动点；其它部分与井底的相对运动速度不为零，在这些部分既有滚动又有与井底的相对滑动。复锥牙轮包括主锥和副锥。主锥顶与钻头中心重合，而副锥锥顶的延伸线是超顶的（图3.4.35）。复锥牙轮由于牙轮线速度不再作直线分布，同时由于副锥是超顶的，因而产生滑动。其分析方法同超顶情况。图3.4.35复锥即超顶示意副锥副锥的延伸线（超顶）(2)移轴引起的滑动牙轮轴线相对于钻头轴线平移一段距离，这种方式称作移轴（图3.4.36），平移的距离oo’，称作偏移值。由于牙轮的移轴，牙轮作公转时，牙轮与岩石接触母线上任一点都产生垂直于牙轮轴的分速度和沿牙轮轴线方向的分速度，从而产生滑动。oO'图3.4.36移轴示意超顶、复锥、移轴使牙齿产生滑动的作用：超顶和复锥所引起的切线方向滑动除可在切线方向与冲击、压碎作用共同破碎岩石外，还可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石；移轴则在轴向产生滑动和切削地层的作用，它可以剪切掉齿圈之间的岩石(如图3.4.37)。图3.4.37超顶、复锥、移轴使牙齿产生滑动的作用示意图钻头牙齿破碎岩石形成的井底示意图无超顶复锥，同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的存在未破碎部分超顶复锥设计，可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石超顶、复锥、移轴设计准则：牙齿的滑动虽然可以剪切井底岩石以提高破碎效率，但也相应地使牙齿磨损加剧。移轴引起的轴向滑动使牙齿的内端面部分磨损，而超顶和复锥引起的切线方向滑动使牙齿侧面磨损。实际钻头的超顶、复锥、移轴是根据地层特性设计，一般遵循以下准则：对于钻极软到中