牙轮钻头的特点
第二章三牙轮钻头的结构及类型
第二章三牙轮钻头的结构及类型第一节三牙轮钻头的结构特点三牙轮钻头是由牙掌、牙轮、轴承、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等二十多种零部件组成。
一、牙掌牙掌是牙轮钻头的主要零件。
一只钻头是由三片牙掌组装焊接在一起的。
上部有连接螺纹，以便与钻具连接，下部制成有一定倾斜角度的轴颈，与牙轮内孔组成轴承副。
牙掌上有水孔流道，可以安装储油压力补偿装置。
轴颈承受载荷，需要较高的耐磨性及硬度，同时基体内部又需要有足够的强度及耐冲击韧性。
二、切削结构切削结构包括牙轮和牙齿。
牙轮是一个其上装有（或铣出）牙齿的锥体，分单锥和复锥两种。
单锥由主锥和背锥组成，单锥牙轮在井底的运动为纯滚动，适用于硬地层钻井。
复锥由主锥、副锥和背锥三部分组成，这种牙轮在井底工作时除了滚动外，还能产生滑动，用于较软地层钻井。
牙轮上的牙齿分镶齿和钢齿两种。
镶齿是将牙轮外锥面的齿圈上钻孔，镶装大小形状不同的硬质合金齿；钢齿则直接从牙轮锥体上铣出。
钻头上三个牙轮的各排齿相互啮合，能有效而不重复地全面破碎井底岩石并防止齿糟泥包。
牙齿的形状、大小、数量、长短取决于所钻地层的硬度，地层越软，则牙齿越大、越尖、布置得越少。
反之，地层越硬、则牙齿越小越短、数量越多。
硬质合金齿的硬度和抗磨性比钢齿高，使用寿命比钢齿长，尤其是破碎具有研磨性的硬地层，效果更好。
其适用地层范围广、进尺多、机械钻速多，已在石油钻井中广泛应用。
硬质合金齿的齿形目前常用的有十多种，如球形、尖卵形、圆锥形、楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、边楔形、平头形等。
根据不同地层、不同岩性的破碎机理不同、各种钻头选用不同形状的齿形。
楔形齿，齿形呈“楔子”状，具有切削、凿击作用。
其齿顶角有60°、65°、70°、75°、90°等，适用于软至中硬地层。
齿顶角越大，适用地层越硬。
近几年这种齿形良好的使用性能越来越受到广大用户的青睐。
球形齿，其顶部是个半圆形球面，耐磨性最好。
如何提高油井钻头牙轮性能及加工工艺的改进
如何提高油井钻头牙轮性能及加工工艺的改进在石油钻井中，广泛应用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头（又称PDC钻头）。
其中应用最多的还是牙轮钻头。
牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层；工作刃总长度大，因而相对减少磨损。
牙轮钻头能够适应从软到坚硬的多种地层。
下面就通过问答的方式来了解一下如何提高牙轮钻头的表面硬度及如何选择刀具加工牙轮钻头。
一、牙轮钻头如何分类？答：牙轮钻头是石油钻井工程中应用最为广泛的一种钻头，具有适应底地层广，机械钻速高等特点。
（1）按牙轮数量分类：可分为单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头。
国内外使用最多、最普遍的是三牙轮钻头。
三牙轮钻头是石油钻井的重要工具，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本，主要用于钻井,勘探,石油,钻头,钻井配件中。
（2）按切削材质分类：可分为钢齿（铣齿）和镶齿牙轮钻头。
钢齿牙轮钻头是由牙轮毛坯铣削加工而成的牙齿。
主要是楔形齿，但由于牙轮材料的限制，在硬，研磨性强的地层中，使用寿命很低，所以一般都会在牙轮钻头的工作面上堆焊一层耐磨材料，提高钢齿牙轮钻头的硬度及工作寿命；镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔来，将硬质合金材料制成的齿镶在孔中，为了提高钻速人们先后发明了楔形齿、勺形齿、偏顶勺形齿、等磨损齿等等。
（3）按轴承类型分类：滚动轴承和滑动轴承。
（4）按密封类型分类：橡胶密封和金属密封。
二、如何对钢齿牙轮钻头进行齿面强化？答：钢齿牙轮钻头是石油钻井主要破岩工具之一,其性能的好坏直接影响着钻井质量、钻井速度、钻井成本以至整个石油工业的发展。
据调研,钢齿牙轮钻头的过度磨损,在牙轮钻头失效中占50%以上。
之后国内外钻头工作者专门针对钢齿牙轮钻头强化材料进行研究,取得很大的突破。
采用硬质合金和金刚石对钢齿牙轮钻头进行齿面，使钢齿牙轮钻头的使用寿命和工作性能得到成倍提高,大大降低了生产成本。
[资料]三牙轮钻头特点
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摘要：牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。
这是由于三牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙齿与井底的接触面积小，比压高、工作扭矩小、工作刃总长度大等。
因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石，成为使用最广泛的钻头。
牙轮钻头可按牙轮数目的多少分为单牙轮钻头，双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头等。
目前普遍使用的是三牙轮钻头。
一、三牙轮钻头的结构三牙轮钻头可分为五个部分，即钻头体、巴掌、牙轮、轴承和水眼。
密封喷射式钻头除上述基本部分外，还有储油补偿系统。
1、钻头体钻头体上部车有丝扣用于连接钻柱，下部带有巴掌。
钻头体上镶装喷嘴。
牙轮钻头可分为有体式和无体式两类。
钻头体与巴掌分别制造，然后将巴掌焊接在钻头体下侧的叫做有体式钻头，这种钻头的上部丝扣均为母扣；巴掌与三分之一钻头体做为一体，然后将三部分合焊在一起的叫做无体式钻头，无体式钻头均为公扣。
2、巴掌巴掌与牙轮轴相连，上面有轴颈，用于支承牙轮。
3．牙轮牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成与轴颈相对应的滚动体跑道（或滑动磨擦面）的锥体，分单锥与复锥两种结构，如图5-5所示。
仅有主锥和背锥两个不同锥度的牙轮叫单锥牙轮，适用于硬或研磨性较强的地层；除主、背锥外还有1～2个副锥的牙轮叫复锥牙轮，适用于软或中硬地层。
牙轮表面的牙齿，由牙齿毛胚铣削加工或钻孔镶嵌两种方式制成。
牙齿是钻头破岩的主要元件。
由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿叫铣齿，这种钻头叫铣齿钻头。
将金属材料加工成一定形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳上的钻头叫镶齿钻头。
]4、轴承牙轮钻头的轴承结构有滚动轴承和滑动轴承两种。
目前广泛采用大轴承滑动副一滚珠轴承—第二道止推一小轴滑动副的滑动密封轴承结构。
其类型有四种：（1）普通滑动轴承，目前国产镶齿密封滑动轴承喷射钻头，大多采用这种类型的结构；（2）带固定衬套的滑动轴承；（3）带浮动补套的滑动轴承；（4）简易滑动轴承。
5、水眼牙轮钻头在牙轮之间设计有水眼，根据需要可在水眼内安装不同类型、不同直径和不同数量的喷嘴。
牙轮钻头
c.牙齿 牙齿是钻头破岩的主要元件，要求其破 岩效率高和工作寿命长。为此，牙齿既要耐 磨，又要有足够的强度，还要有合理的几何 外形。牙轮钻头的牙齿有铣齿（钢齿）、镶 齿（硬合金齿）两种。
(a)铣齿 铣齿是由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿。 这种钻头叫铣齿钻头。铣齿断面形状主要是楔 形。铣齿的齿形参数主要有齿尖角、齿高、齿 顶削平度（钝度）和外排齿形等。
非自洁式又称重叠式，其特点是各牙轮上 可任意布臵齿圈，不受相邻牙齿的影响，故可 加密齿圈。重叠式牙轮钻头适应于硬及研磨性 较高的地层。 牙齿的加硬。钻进中，在钻头破碎岩石的 同时牙齿逐渐被磨损，影响牙齿磨损的主要因 素是地层岩石的研磨性、钻井技术参数、牙齿 材料与齿形、加工工艺技术等。
为了提高铣齿钻头的工作寿命，通常 要对铣齿进行加硬，即在钻头牙齿的工作 面上加焊一层硬质合金粉。两侧堆焊抗磨 力强，适用于研磨性较高的地层；一侧堆 焊牙齿则能在不断磨损中保持自锐。
d.牙轮钻头的轴承 决定钻头工作寿命最关键的因素是轴承。 通常轴承先于钻头牙齿及其他部分而报损 （称为轴承的先期损坏），密封润滑的滑动 轴承钻头大大提高了牙轮钻头的使用寿命。 目前普遍使用的是硬质合金齿喷射式密封滑 动轴承牙轮钻头。
(a)普通轴承（滚动不密封轴承） 牙轮钻头的普通轴承由牙爪轴颈、牙轮内 腔、滚动体组成。在牙轮内腔及轴颈上加工了 相对应的三个不同尺寸的滚动体跑道，构成三 副轴承。大轴承主要承受由钻压引起的径向载 荷，小轴承起扶正及承受少量径向载荷的作用， 中间的滚珠轴承主要起锁紧定位作用，它将牙 轮及牙爪轴颈锁在一起并承受部分轴向载荷。
(2)牙轮钻头的分类 牙轮钻头有单牙轮钻头、双牙轮钻头、 三牙轮钻头、多牙轮钻头等。其中使用最多 的是三牙轮钻头，它的三个牙轮锥体按120o 夹角对称分布。牙轮钻头还可分为全面钻进 牙轮钻头、取心牙轮钻头、铣齿牙轮钻头、 镶齿牙轮钻头、滚动轴承牙轮钻头、滑动轴 承牙轮钻头等。
第三节牙轮钻头钻进
三、牙轮钻头的工作原理
2、牙轮钻头的碎岩原理 在一定的压力和回转力作用下，钻头上的牙轮既公转又自转，
产生了滚动、滑动、冲击振动的复合碎岩作用，这种复合 作用，可分为冲击、压碎作用和切削剪切作用。 1）冲击、压碎作用
钻进时，加在钻头上的轴心载荷（静载），使牙齿压碎岩石，
这就是压碎作用。 压入压碎为尖楔工具对岩石的压入压碎过程，而镶硬合金的
几种破碎方式联合作用下碎岩，提高了碎岩效果；
(2）牙轮靠滚动和滑动，回转时转矩小，消耗的功率小；
工程钻探学课件
第三节 牙轮钻头钻进 一、牙轮钻头钻进的特点及应用 1、特点
(3）轴心载荷均匀分布在碎岩牙轮上，在牙齿与岩石不大
的接触面积上；造成很高的比压，提高了碎岩效果； (4）牙轮沿孔底滚动时，牙齿与岩石的接触传递为瞬时的， 接触时间短，减少了牙齿的磨损，延长牙齿的寿命。 (5）牙齿与岩石接触的时间短，因接触摩擦而产生的热量
3、牙轮钻头的牙齿
镶齿
镶齿是硬合金齿，主要用于坚硬地层，也用于中硬和软地层。
镶齿体部都是圆柱体，其露出的牙齿外形有：楔形齿、锥形 齿、球形齿、平顶形齿。 楔形齿用于塑性小的中硬及硬的研磨性地层。 锥形齿用于坚硬的和研磨性大的地层。
球形齿适用于高研磨性坚硬地层。
工程钻探学课件
三、牙轮钻头的工作原理
1、牙轮钻头在孔底的运动
(a)
工程钻探学课件
(b)
(c)
二、牙轮钻头的结构
2、牙轮钻头的基本参数
3) 牙轮轴线与钻头轴线夹角β β 角的大小影响钻头牙轮空 间体积的大小和轴承受力
的状况。一般β角为
510~590。软地层钻头的β 角较大，硬地层钻头的β角 较小。
工程钻探学课件
牙轮钻头简介
牙轮钻头的选择方法
地层适应性
选择适合特定地层的牙轮 钻头，如软地层、硬地层 、研磨性地层等。
Hale Waihona Puke 尺寸与规格根据钻井设备的尺寸和规 格选择合适的牙轮钻头， 以确保与钻杆、马达等设 备的配合。
耐磨性与寿命
考虑牙轮钻头的耐磨性和 寿命，选择具有较长使用 寿命和较低维护成本的牙 轮钻头。
牙轮钻头的使用方法
安装与调试
牙轮钻头的结构
牙轮钻头的结构可以分为三大部分： 上部、中部和下部。
上部主要包含轴承座和轴承，中部是 牙轮和钻头体，下部则是喷嘴和密封 件等。
牙轮钻头的分类
根据牙轮数目，牙轮 钻头可分为单牙轮钻 头和多牙轮钻头；
根据结构特点，可分 为常规牙轮钻头和新 型牙轮钻头。
根据使用条件，可分 为软地层牙轮钻头和 硬地层牙轮钻头；
根据不同的牙轮钻头类型和规格，进行正确的安 装和调试，确保与钻杆的配合良好。
使用条件
确保牙轮钻头在使用过程中保持适当的转速和压 力，避免过度磨损和破裂。
维护与保养
定期检查牙轮钻头的磨损情况，及时更换磨损严 重的牙轮，保持钻头的良好状态。
牙轮钻头的发展趋势与研究方
05
向
牙轮钻头的发展趋势
01
高效化
牙轮钻头的工作原理
02
牙轮钻头的工作过程
01
旋转运动
牙轮钻头在旋转过程中，每个牙轮都会围绕钻头轴线旋 转，同时也会绕自身的轴线旋转。这种旋转运动使得牙 轮能够有效地破碎岩石。
02
轴向压力
在钻进过程中，牙轮钻头会受到轴向压力，帮助破碎岩 石。这种压力可以由液压系统或机械系统提供。
03
剪切力
牙轮钻头在旋转过程中，相邻牙轮之间会产生剪切力， 这种剪切力能够使岩石破裂。
pdc钻头与牙轮钻头的区别
pdc钻头与牙轮钻头的区别随着石油勘探和采油技术的不断发展，钻井技术也在不断创新与改进。
在钻井作业中，钻头是最为重要的工具之一。
在众多钻头中，PDC钻头和牙轮钻头是常见的两种类型。
它们在结构、用途等方面存在着一些区别。
本文将以PDC钻头与牙轮钻头的区别为主题，进行论述。
一、结构差异1. PDC钻头PDC钻头，即聚晶体脱碳钻头，具有聚晶脱碳片作为切削牙的特点。
其切削牙片由多个聚晶脱碳片组成，聚晶脱碳片表面覆盖有金属钎料。
这些片状的切削牙片均匀分布在钻头的切削部分上。
2. 牙轮钻头牙轮钻头是由多个牙齿环绕钻头的周边构成，每个牙齿由硬质合金制成。
牙轮钻头的结构类似于传统的手动牙轮，因此得名牙轮钻头。
二、切削原理1. PDC钻头PDC钻头的切削原理是采用多个聚晶脱碳片进行边界切削，并由金属钎料支撑和固定切削牙片。
PDC钻头的结构使得其在钻井作业中具有较高的钻进效率和切削质量。
2. 牙轮钻头牙轮钻头的切削原理是通过牙轮上的牙齿进行旋转切削，类似于手动牙轮的工作原理。
牙轮钻头的切削效果主要取决于牙齿的质量和设计。
三、用途差异1. PDC钻头PDC钻头适用于各种地质环境下的岩石层钻进作业，尤其是对于硬质岩石和砾石层具有良好的适应性。
在水平井钻进和定向井钻进中，广泛采用PDC钻头。
2. 牙轮钻头牙轮钻头主要适用于软质地层的钻进作业，对于较硬的地层适应性较少。
它通常被应用在一些非常规井眼或具有特定地质特征的油气井中。
四、性能对比1. 切削能力PDC钻头由多个切削牙片组成，每个牙片都有较高的切削效率和耐磨性。
它能够在不同岩石层中实现快速和高效的钻进，提高钻井作业效率。
牙轮钻头适用于较软的地层，其切削能力相对较弱。
在遇到较硬的地层时，牙轮钻头容易受到损坏，需要频繁更换。
2. 钻头寿命由于PDC钻头切削牙片覆盖有金属钎料，具有较高的耐磨性和抗磨损能力，因此其寿命相对较长。
牙轮钻头的寿命相对较短，因为牙齿容易受到地层中颗粒物的磨损和损坏。
牙轮钻头详解
运动速度v 均为v v 的合成，即： v =
gx
bx、 cx
gx
v +v ；V 呈直线分布，它与ba交于m点，m点
bx cx gx
vbx
的合成速度为零，为纯滚动点。而其它位置合
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。
内排齿
保径齿 修边齿
硬质合金堆焊层
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。
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：
∇P
=
0.05ρQ2
A2
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。
第一节 牙轮钻头
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牙轮钻头的特点
牙轮钻头在钻井开井工程中是非常重要的一种工具，牙轮钻头是一种在不断实践中产生的工具，所以实用性非常的高。
今天小编就重点介绍一下它的几个方面，希望对大家有所帮助。
一、牙轮钻头
牙轮钻头是使用最广泛的一种钻井钻头。
牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层；工作刃总长度大，因而相对减少磨损。
牙轮钻头能够适应从软到坚硬的多种地层。
二、牙轮钻头的种类及用途
牙轮钻头按牙轮数量可分为单牙轮钻头、三牙轮钻头和组装多牙轮钻头。
按切削材质可分为钢齿（铣齿）和镶齿牙轮钻头。
国内外使用最多、最普遍的是三牙轮钻头。
在石油、地以及各种钻探行业中牙轮钻头是不可缺少的重要部分，但是牙轮钻头对一些钻探行业来说价格实在太高，这就促使一些钻探行业对二手牙轮钻头产生了很大兴趣，其价格低，质量可靠（在石油钻探中只使用了其寿命的1/3），为钻探行业降低了大量成本，所以二手牙轮钻头已经成为一些钻探行业中的一重要部分。
牙轮钻头的主要用途：钻井，勘探，石油，钻头，钻井配件。
三、牙轮钻头的特点
1、钢球锁紧牙轮，适应高转速。
2、采用可耐250°C高温、抗磨损的新型润滑脂。
3、采用可限制压差并防止钻井液进入润滑系统的全橡胶储油囊，为轴承系统提供了良好的润滑保证。
4、采用高精度的金属密封。
金属密封由一副精心设计加工的金属密封环作为轴承轴向动密封，两个高弹性的橡胶供能圈分别位于牙掌和牙轮密封区域内作为静密封，优化的密封压缩量确保了两个金属环密封表面始终保持良好接触。
5、镶齿钻头采用高强度高韧性硬质合金齿，优化设计的齿排数、齿数、露齿高度和独特的合金齿外形，充分发挥了镶齿钻头高耐磨性和优异的切削能力。
钢齿钻头齿面敷焊新型耐磨材料，在保持钢齿钻头高机械钻速的同时，提高了钻头切削齿寿命。
6、采用浮动轴承结构，浮动元件由高强度、高弹性、高耐温性、高耐磨性特点的新材料制成，表面经固体润滑剂处理。
在降低轴承副相对线速度的同时，减少摩擦面温升，能有效提高高钻压或高转速钻井工艺条件下的轴承寿命和轴承可靠性。
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