牙轮钻头分类及新技术介绍
牙轮钻头简介
1.1.5、喷嘴
喷嘴外形结构分标准型和保护盖型。 标准型结构简单，制造成本低，没有凸 台保护锁紧挡圈，装卸使用较为方便， 常用于低研磨性软地层钢齿钻头。保护 盖型喷嘴的顶部有凸台保护，可减少研 磨性物质对锁紧挡圈的冲蚀作用。所有 滑动轴承钻头均采用保护盖型喷嘴，它 可在井下高压喷射的条件下长时间工作， 安全可靠。
1.1.4、储油压力补偿系统
该装置由轴承密封圈、储油囊、保护杯、 压盖、丝堵、挡圈等零件组成。其作用是 平衡牙轮工作时轴承腔内外的压力差，使 轴承密封圈在较小的内外差下长时间正常 工作，防止钻井液进入轴承腔内和避免润 滑脂的漏失，并可储存足够的润滑脂向轴 承腔内不断补充，使钻头轴承处于密封状 态及在良好的润滑条件下工作。
用数字（整数或分数）表示，其数字表示钻头 直径英寸数。
1.2.2、钻头系列代号
对于三牙轮钻头，按其轴承及密封结构主要特征， 分为10个标准系列。除轴承和密封外，钻头结构上 比较大的改进作为特殊结构，标准系列与特殊结构 或特殊结构的组合组成特殊系列。对于单牙轮钻头， 钻头系列代号以“Y×”表示，“Y”指一个牙轮， “×”为设计编号，代表不同的钻头设计特征，油用 钻头系列代号见下表。
牙轮钻头简介
提纲 1.认识三牙轮钻头的结构
2.牙轮钻头型号命名方法
1.1、认识三牙轮钻头的结构
牙轮钻头由切削结构、轴承结构、 锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等 二十多种零部件组成。
牙轮钻头的基本结构
1.1.1、牙掌
牙掌(15CrNiMo)是牙轮钻头的主要零件。一 只钻头由三片牙掌组装焊接在一起。它上部 有连接螺纹，与钻具连接，下部有一定倾角 的轴颈，与牙轮内孔组成轴承副。牙掌上有 水孔流道，还安装有储油压力补偿装置。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。
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。
IADC钻头分类体系
L - Lug Pads M - Motor Application S - Standard Milled Tooth T - Two-Cone Bit W - Enhanced C/S X - Chisel Tooth Insert Y - Conical Tooth Insert Z - Other Shape Inserts
轴承和保径 (Bearing & Gage)
第三位代码 轴承和保径 七个分类: 1---非密封滾柱轴承 2---气冷滾柱轴承 3---非密封滾柱轴承,保径 4---密封滾柱轴承 5---密封滾柱轴承,保径 6---密封滑动轴承 7---密封滑动轴承,保径
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1. 抗压强度低和可钻性高的软地层 2. 抗压强度高的中到中硬地层 3. 半研磨性硬地层和研磨性地层
4. 抗压强度低和可钻性高的软地层 5. 抗压强度低的软到中软地层 6. 抗压强度高的中硬地层 7. 半研磨性硬地层和研磨性地层 8. 坚硬地层和研磨性地层
地层硬度划分
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IADC 牙轮钻头分类
4 位 设计/使用代码 前三位使用数值 第四位使用字母 135M 或 447X 或 637Y
Slide #4
IADC 牙轮钻头分类代码
数字代码由下列三位组成: 硬度系列 (Series) 第一位 类型 (Type) 第二位 轴承和保径 (Bearing & Gage) 第三位 字母代码: 第四位
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IADC 特征
A - Air Application B - Special Bearing/Seal C - Center Jet D - Deviation Control E - Extended Nozzles G - Gage/Body Protection H - Horizontal Application J - Jet Deflection
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牙轮钻头技术交流内容江钻技术开发部一牙轮钻头工作原理与结构简介二江钻牙轮钻头产品概述三目前最新个性化产品四xxx油田钻头选型建议五三牙轮钻头的使用六国外钻头新技术简介一三牙轮钻头工作原理与结构简介在石油钻井中，牙轮钻头使用最多，并能适应各种地层的钻井。
牙轮与牙齿的运动，也决定牙齿对地层岩石的破碎作用。
（一）三牙轮钻头工作原理1、钻头的公转钻头绕自身轴线作顺时针方向旋转的运动叫公转。
钻头的公转速度就是转盘或井下动力钻具的旋转速度。
钻头公转时，牙轮也绕钻头轴线旋转，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。
2、钻头的自转钻头旋转时，牙轮绕牙掌轴线作反时针旋转的运动叫自转。
牙轮的自转速度决定于钻头的公转转速，并与牙齿对井底的作用有关，是岩石对牙齿的吃入破碎作用产生阻力作用的结果，在纯滚动条件下，牙轮自转的转速是钻头公转转速的1.5倍。
3、钻头的纵振（轴向振动）冲击压碎作用钻头工作时，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，双齿着地时轮心下降。
轮心位置的变化使钻头沿轴向作上下往复运动，就是钻头的纵向振动，它与牙齿的齿高、齿距等钻头结构参数及岩性有关。
软地层振幅小，硬地层振幅大。
振动频率与齿数和牙轮转速成正比。
4、钻头的滑动剪切破碎作用破碎不同类型的岩石，要求钻头有不同的滑动量，滑动量由钻头结构参数决定。
软地层钻头滑动量大，硬地层应尽量小或不滑动，避免牙齿早期损坏。
但实际钻井中，即使设计的纯滚钻头仍然存在着滑动。
5、钻压对岩石破碎速度的影响岩石的破碎过程分三个区段：Ⅰ表面破碎阶段、Ⅱ疲劳破碎阶段、Ⅲ体积破碎阶段。
如下图左，表面破碎时，钻压远小于岩石硬度；随着钻压增大逐渐接近岩石的硬度，通过牙齿多次对岩石的冲击，使岩石出现微裂纹而产生体积破碎，为疲劳破碎；当钻压达到或超过岩石硬度时，牙齿每次冲击都能使岩石产生体积破碎，为体积破碎。
当产生体积破碎时，机械钻速迅速增加。
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头是一种常用的岩石钻探工具，它通过旋转和冲击来破
碎岩石，实现岩石的钻孔作业。
牙轮钻头的破岩原理是基于其特殊
的结构和工作方式，下面我们来详细介绍一下牙轮钻头的破岩原理。
首先，牙轮钻头的结构包括钻头体、切削结构和牙轮。
钻头体
是整个钻头的主体部分，通常由合金钢制成，具有足够的硬度和耐
磨性。
切削结构是钻头上的切削刃，通常呈锥形或圆锥形，用于切
削岩石。
牙轮是钻头上的齿状结构，可以增加钻头与岩石之间的摩
擦力，提高钻进效率。
其次，牙轮钻头的工作方式是通过旋转和冲击来破碎岩石。
当
钻头旋转时，切削结构不断切削岩石，同时牙轮产生的冲击力也在
不断作用于岩石表面。
这种旋转和冲击的组合作用，可以有效地破
碎岩石，使得钻头能够顺利地钻进岩层。
最后，牙轮钻头的破岩原理可以总结为旋转切削和冲击破碎的
综合作用。
旋转切削主要是通过切削结构对岩石进行切削，而冲击
破碎则是通过牙轮产生的冲击力对岩石进行破碎。
这两种作用相互
配合，使得牙轮钻头能够高效地完成岩石钻探作业。
综上所述，牙轮钻头的破岩原理是基于旋转切削和冲击破碎的综合作用，通过钻头结构和工作方式的设计，实现对岩石的高效钻探。
牙轮钻头在矿山、隧道、地下工程等领域有着广泛的应用，对于岩石钻探作业具有重要的意义。
钻头基本知识和选型(技术员培训)
钻头基本知识和选型
Technology Development Centre ( EOTDC).Southwest.Drilling company of Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd Sinopec
量的问题。
使用环境因素对钻头性能的影响
影响PDC钻头机械钻速的因素： 钻头本身的因素和使用环境因素 钻头本身因素（或内因）包括：
钻头选型 PDC钻头对地层相对比较敏感，根据地层情况选择合适的钻头 型号或根据地层情况进行针对性的设计钻头，是非常重要的，也是PDC 钻头能否取得较好经济指标的前提和关键。
钻井工程数据
– 井身结构 – 井眼轨迹 – 泥浆性能 – 钻具组合 – 钻井参数
邻井钻头使用资料
岩石力学分析及应用
常用测井方式、代码和单位
测井代码 DT, DTc RHOB, DEN GR, GRc Pe CAL RES S-POR，S-PORc D-POR，D-POR N-POR ND-POR UCS-psi CCS-psi
钻头设计参数和制造工艺； 切削齿性能及质量；
使用环境因素对钻头性能的影响
使用环境因素包括：
地层岩性和压实强度； 使用的钻井参数；包括钻压、转速和排量等。
✓ PDC的刚脆性要求钻头旋转要平稳、减少振动，钻具组合时最好加上减振器， 减少振动，防止跳钻和溜钻；
✓ PDC的热敏性要求选择合适的排量，以达到清洗和冷却切屑齿。通过水力参 数计算，一般选择的排量要求钻头喷嘴的射流冲击力要达到40米/秒以上，钻 头比水马力要达到1.5马力/in2以上，以满足清洗岩屑和冷却PDC的要求，泥 浆环空最低返速达到0.6-1米/秒。
牙轮钻头 工作原理
牙轮钻头工作原理
牙轮钻头是一种用于岩土工程和石油钻探等领域的钻具。
它通过牙轮的旋转和钻杆的下压力来实现岩石或地层的钻进。
以下是牙轮钻头的工作原理的简要描述：
1. 结构：牙轮钻头通常由钻头头部、钻杆连接部和牙轮装置组成。
钻头头部有一系列的牙轮，每个牙轮上都装有硬质合金或切削齿。
钻杆连接部连接钻头和钻杆，传递旋转力和下压力。
2. 旋转：钻机通过驱动钻杆的旋转运动，传递旋转力到牙轮钻头。
当钻杆旋转时，牙轮也开始旋转。
3. 下压力：钻机通过钻杆向下施加一定的压力，将牙轮钻头推向地层。
这个下压力帮助牙轮钻头克服岩石或地层的阻力，进而实现钻进。
4. 切削作用：牙轮上的硬质合金或切削齿与地层接触，施加切削力进行钻进。
随着牙轮的旋转，切削齿会破碎、削除地层，并将岩屑或钻屑带到钻孔的底部。
5. 冷却和冲洗：在钻进过程中，牙轮钻头需要冷却和冲洗，以防止过热和清除岩屑。
通常，水或泥浆会通过钻杆流入钻头，冷却切削齿并将岩屑从钻孔中排出。
6. 进给速度和旋转速度：钻机操作人员根据不同的地层条件和钻孔要求，调整钻机的进给速度和旋转速度。
合理的进给速度和旋转速度能够提高钻进效率和钻孔质量。
通过以上工作原理，牙轮钻头能够在各种岩石和地层条件下进行高效的钻进操作，广泛应用于勘探、建筑、挖掘和石油钻探等领域。
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。
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钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
Smith 牙轮钻头产品系列
Smith 牙轮钻头产品系列
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容 谢谢 !!!
钻头水力学
钻头保径
切削结构
Bit Sizes 3½” - 12¼”
滑动轴承特性
180 160 140 120 100 80 60 60 40 20 0 Be. Copper Spinodal Spinodal-2 97
抗拉强度
168
2.5 2
% 延伸率
2.3
1.6 1.5 1 0.5 0 Be. Copper Spinodal Spinodal2 1
4
Normalized Impingement Press.
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
S-Flo(TM) 3 98 Series S-Flo(TM), 3 95 Series
NOTE: Identical TFA conditions.
喷嘴冲击区域
Flow rate
普通喷嘴 (S-Flo) 井底冲击压力
Shamal™ 轴承系统
Cone Cone
Journal Standard Clearance
Journal Shamal™ Clearance
Bit Sizes 16” - 28”
滚柱轴承与双密封分解图
Bit Sizes 16” - 28”
Bit Sizes 12” - 14½”
滑动轴承与密封
主轴承(外) 辅轴承(内) 球轴承 密封
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
密封盘根
滚柱轴承与双密封
Gemini™ I 和 Gemini™II 密封
Gemini™ I 密封 Gemini™ II 密封(新型)
增加尺寸, 接触压力和密封更紧
增加内径和外径处的耐磨性
普通喷嘴配置
喷嘴冲击位置 冲突区域
普通喷嘴 (S-Flo) 井底速度矢量
等径喷嘴配置
3 个等径喷嘴
12/32”
- 12/32” - 12/32” (TFA = 0.331)
非等径喷嘴配置
3 个非等径喷嘴
9/32”
- 12/32” - 15/32” (TFA = 0.345)
斜喷嘴配置
4
Normalized Impingement Press.
牙轮钻头分类－－双牙轮钻头
8-1/2” IADC 517Y
12-1－－三牙轮钻头
三牙轮钻头
牙轮钻头解剖图
API 接头
喷嘴座 巴掌部位 喷嘴
裙尾部
牙轮
牙轮钻头解剖图
储油腔盖
碳化物硬涂层 背锥齿 (修边齿)
外排齿 (保径齿)
内排齿
牙轮钻头解剖图
润滑脂储油腔
润滑脂通道
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
S-Flo(TM), 3 95 Series V-Flo 3 97 Series V-Flo 3 95 Series
喷嘴冲击位置
Flow rate
V-Flo 斜喷嘴井底冲击压力
斜喷嘴配置
V-Flo 斜喷嘴液流通道
牙轮钻头水力学－井底流场
标准喷嘴 不对称喷嘴 斜喷嘴
母式储油腔 (折叠式压力补偿系统)
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
铣齿牙轮钻头井底击碎图
•A
B
铣齿齿形的改进
普通内排齿齿形
改进的圆弧齿 顶齿形
完善的齿形
铣齿牙轮钻头切削结构与保径
镶齿牙轮钻头切削结构
镶齿排间小镶齿
镶齿牙轮钻头井底击碎图
镶齿牙轮钻头井底击碎图比较
Trucut Gage Structure
镶齿牙轮钻头保径齿(切削齿和修边齿)
镶齿牙轮钻头加强保径 (两排保径齿)
牙轮钻头巴掌保护
牙轮钻头巴掌保护
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
钻头水力学作用原理
• 清洗牙齿 • 清洁井底 • 岩屑运移
普通喷嘴配置
镶齿牙轮钻头切削结构
金刚石镶齿过渡层
外表层 第一层
第二层
碳化钨 (TC)
先进的碳化钨 (TC) 配方技术
耐磨涂层: 金刚石 韧性基体: 碳化钨
碳化钨 (TC) 组份 (放大) 碳化钨(WC), 钴(Co)
碳化钨 WC 钴Co
Zak fang, Smith Tool, Smith Bits, Sii, Apr.11, 2000
镶齿牙轮钻头常用切削齿
F17
F1
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
铣齿牙轮钻头切削结构定义
Gage Row Inner Row Heel Row Gage Row (off-gage row) Inner Row
Conventional Gage Structure
Trucut Gage Structure
铣齿牙轮钻头保径齿(切削齿和修边齿)
镶齿牙轮钻头切削结构定义
Heel Row Gage Row Inner Row Heel Row Gage Row (off-gage row) Inner Row
Conventional Gage Structure
牙轮钻头分类 及新技术介绍
December 18, 2017
钻头分类 钻头系列 及命名
轴承和密封
交流内容
钻头水力学
钻头保径
切削结构
牙轮钻头
•
牙论钻头以冲击, 压 碎和剪切作用方式来 破岩的;
钻压较大,比压较高, 压碎岩石; 钻头上有活动件.
牙轮钻头冲击压碎岩石
•
•
牙轮钻头分类－－单牙轮钻头
单牙轮钻头