牙轮钻头详解

第六章破岩工具及其破岩机理引言石油钻井使用的破岩工具主要有四类：1.牙轮钻头；2.聚晶金刚石钻头；3.单晶金刚石钻头；4.刮刀钻头。破岩工具不同，其结构、破岩机理不同。了解和掌握不同破岩工具的结构及其破岩机理，对于破岩工具的选型、结构优化设计、钻井参数的优化及破岩工具应用等都具有重要意义。第一节牙轮钻头牙轮钻头是石油钻井工程中应用最为广泛的一种钻头。具有适应地层广，机械钻速高的特点。牙轮钻头的分类：按牙齿的固定方式分为：镶齿和铣齿（图3.8)；按轴承类型分为：滚动轴承和滑动轴承（图3.9)；按密封类型分为：橡胶密封和金属密封（图3.10)；按牙轮数量分为：单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头（图3.11)。镶齿铣齿图3.8镶齿和铣齿牙轮钻头滚动轴承结构滑动轴承结构图3.9滚动轴承和滑动轴承牙轮钻头橡胶密封金属密封图3.10橡胶密封和金属密封单牙轮钻头双牙轮钻头三牙轮钻头图3.11单牙轮钻头、双牙轮钻头和三牙轮钻头一、牙轮钻头的结构一、牙轮钻头结构图3.12牙轮钻头结构描述牙轮钻头牙爪（巴掌）牙轮钻头结构可分为以下主要部分描述(图3.12)：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)：上接壳体，下带牙轮轴(轴颈)；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：喷嘴数量、尺寸形状、空间结构参数。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(如图3.13)，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3.14）。铣齿轴承跑道镶齿位置牙轮图3.13牙轮结构示意图3.14牙轮锥面结构形式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3.15，根据齿位置的不同分为保径齿、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。硬质合金堆焊层内排齿保径齿修边齿图3.15铣齿的切削结构图3.16铣齿的结构铣齿牙轮钻头特点：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。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（图3.17)。牙轮钻头上使用的硬质合金镶齿是碳化钨(WC)、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。近几年研发出金刚石复合材料镶齿(图3.18)。镶齿在井底组成切削结构的定义见图3.17。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。牙爪密封修边齿保径齿内排齿图3.17镶齿切削结构定义图3.18金刚石复合材料镶齿示意镶齿牙轮钻头齿的形状：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。具有代表性的齿形描述如下（图3.19）：图3.19图3.20镶齿结构①楔形齿（图3.20)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(图3.21)。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（图3.22）,指主要承载轴承即大轴承)两大类（图3.23，3.24)。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。轴颈密封主(大)轴承滚柱锁紧轴承（中轴承）止推轴承小轴承图3.21牙轮钻头轴承结构示意滚动轴承结构滑动轴承结构图3.22不同轴承结构示意图3.23滚动轴承的结构形式图3.24滑动轴承的结构形式图3.25牙轮钻头轴承结构名称3.轴承系统的性能与钻头工作特性之间的关系轴承系统的可靠性与钻头的额定工作转速密切相关。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。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(图3.26)。储油囊储油囊(图3.27)由橡胶制成，内部储油，过油孔外部与环空相通。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轴承系统缩油囊，使油囊内的润滑油不断通过过油孔进密封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。图3.26储油润滑密封系统的构成图3.27储油囊结构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：①钻井液流出钻头射向井底的通道；②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，实现水力参数优化钻井；③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。辅助破岩图3.29水力结构的作用③喷嘴的结构（图3.28)：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。水眼（喷嘴）图3.28喷嘴的结构④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：0.05ρQ2∇P=A2式中：△P—设计钻头压降；Q—排量；12A=πDρ—泥浆密度；4A—钻头喷嘴过流面积；D—喷嘴当量直径；n2=Dj—第j个喷嘴的直径；D∑djj=1n—喷嘴个数。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。图3.30井底射流冲击力与流量的关系图3.31喷嘴对井底流场的影响二、牙轮钻头的工作及破岩原理1.牙齿的公转与自转（图3.32)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3.32牙轮钻头的运动分析2.钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用①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。钻头的纵向振动使牙齿产生冲击力，以冲击方式破碎岩石（图3.33）。②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通过钻头牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破碎岩石，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3.34)。牙轮钻头纵向振动如图3.33所示：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。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3.33振动产生的原因图3.34冲击压碎作用示意3.牙齿对地层的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。(1)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ob称作超顶距。以下定性分析由于超顶引起的滑动。超顶牙轮上的牙齿产生滑动的原因：假定牙轮为光滑圆锥，井底与牙轮为绝对刚体。牙轮与井底接触为一条直线ba，vb表示牙轮随钻头公转的线速度，vc表示牙轮绕牙轮轴自转的线速度，直线ba上任一点相对井底的运动速度vgx均为vbx、vcx的合成，即：vgx=vbx+vcx；Vgx呈直线分布，它与ba交于m点，m点的合成速度为零，为纯滚动点。而其它位置合vbx成速度不为零，在滚动的同时产生滑动。vcx由此可知：超顶牙轮的牙轮钻头在井底工作时，牙轮上的牙齿在井底以m点为中心产生切向扭转滑动。Vgx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。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。牙轮轴线相(2)对于钻移轴引起的滑动头轴线平移一段距离，这种方式称作移轴，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'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3.35)。钻头牙齿破碎岩石形无超顶复锥，同一齿超顶复锥设计，成的井底示意图圈相邻牙齿破碎坑之可以剪切掉同一齿圈间的存在未破碎部分相邻牙齿破碎坑之间的岩石图3.35超顶、复锥、移轴使牙齿产生滑动的作用示意图超顶、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：对于钻极软到中硬地层的钻头，一般兼有移轴、超顶和复锥结构；一部分中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。对于极硬和研磨性很强的地层，所用的钻头结构基本上是纯滚动而无滑动的(即单锥、不超顶、也不移轴)。4.牙轮钻头的自洗牙轮钻头工作时，特别是在软地层钻进时，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。牙轮钻头的自洗是通过牙轮布置使各牙轮的牙齿齿圈互相啮合，一个牙轮的齿圈之间积存的岩屑由另一个牙轮的齿圈的牙齿剔除。这种方式称作牙轮钻头的自洗。三、牙轮钻头的特点优点：1.冲击和剪切双重作用破岩，既有牙齿的冲击又有滑动引起的剪切，破岩效率高。2.适应地层范围广，适合在所有地层中钻进。3.钻头自洗效果好，不容易泥包。4.钻头成本较低。缺点：1、由于轴承的寿命和牙齿耐磨性的限制，钻头寿命相对较低；2、由于存在薄弱环节（如轴承密封与锁紧部位），经常会造成牙轮脱落，造成钻井事故；3、由于轴承在高转速下寿命较低，因此牙轮钻头不适合高转速，一般适合在200转/分以下。4、在高温条件下，钻头密封和润滑系统容易损坏，因而不适合高温地层。5、在小井眼中由于牙轮尺寸受到限制，寿命很低，因此不适合小井眼钻井。6、所需钻压相对较高，不适合在易斜地层使用。