牙轮钻头的选型与应用++共37页文档
2 钻头ppt课件
（二）牙轮钻头工作原理
1．牙轮钻头在井底的运动
滑动：牙轮齿相对于井底的滑移，包
括径向（轴向）和切向（周向）滑动。
引起滑动的原因： ① 超顶和复锥引起切向（周向）滑动 ② 移轴引起径向（轴向）滑动
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超顶引起切向滑动
钻头的运动
复锥产生超顶效果
牙轮的运动
牙轮母线相对 于井底的运动
PDC、 TSP
金刚石以重量计算，国际通用单位是克拉，一克拉相当于0.2克。
油井钻井用的金刚石粒度范围一般在0.5粒/克拉～15 35
粒长/江克大UN拉学IVY。EARNSGITTYZ
（二）金刚石材料钻头的切削齿材料
a、PDC钻头的结构特点
切削元件—聚晶金刚石复合片（PDC）
特性 既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有 碳化钨合金的结构强度和抗冲击能力。 弱点是热稳定性差，350℃以上加速磨 损。抗冲击能力较差。
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4. 牙轮钻头的选型及分类法
2）牙轮钻头的分类方法及型号编码
(1)按结构分类：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8个系列
类别
系列名称 全称
简称
普通三牙轮钻头
普通钻头
喷射式三牙轮钻头
铣 齿 滚动密封轴承喷射式三牙轮钻头
钻 头
滚动密封轴承保径喷射式三牙轮钻头
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UNIVERSITY
（一）金刚石材料钻头的总体结构
金刚石钻头的冠部
1. 钢体 钢体是金刚石钻头的骨架。上部柱体 车制丝扣和钻柱连接，下部铣成爪形 和胎体烧结在一起。
牙轮钻机选型
牙轮钻机设备选型1.已知：表一矿山深孔爆破参数及钻机数量计算表单位东采场西采场备注矿石岩石矿石岩石矿石硬度f=6～12凿岩量万t 588 4165 882 5390 岩石硬度f=5～10年爆破量万3m163.52 1340.95 245.27 1735.35段高m12 12 12 12孔径mm 310mm孔距m 7.5 8 7.5 8排距m 5.5 6 5.5 6孔深m 14 14 14 14 超深2m延米爆破量3m/m35.36 41.14 35.36 41.14延米爆破质量t/m 125.42 127.67 125.42 127.67年穿孔米数万m 4.87 34.31 7.3 44.4 5%废孔率总计万m39.18 51.7年穿孔个数个3477 24506 5216 31713 总计个27983 36929钻机效率万m/ 台年计算台数台合计台数台选取台数台 5 62.要求：（1）按照前面所学知识将表格中的孔填全，并编写计算分析的说明书。
（2）附加一份钻机论文（写出论文的解决问题的核心部分）3.选型原则：（1）牙轮钻机是露天矿技术先进的钻孔设备，适用于各种硬度岩石的钻孔作业，设计大中型矿山设备首选牙轮钻机（2）中硬以上硬度的矿岩选用选用牙轮钻机钻孔优于其他钻孔设备。
（3）在满足矿山年钻孔量的同时，牙轮钻机选型还要保证设计生产要求的钻孔直径、孔深、倾角及其他参数。
（4）根据矿区自然地理条件选择设备及配套部件。
（5）动力条件。
一般选用电动（经济）。
（6）工作可靠，寿命长，价格便宜，零部件供货周期长，应进行综合分析对比。
4.钻机预选：表二炮孔直径岩石硬度中硬坚硬极硬270-310 60-R（Ⅲ）YZ-5560-R（Ⅲ）KY-310YZ-2560-R（Ⅲ）KY-310YZ-25310-380 YZ-5560-R（Ⅲ）Z-5560-R（Ⅲ）YZ-5560-R（Ⅲ）根据以上选型原则以及已知条件可以预选钻机为KY-310型或YZ-55型5.钻机的工作参数：表三名称KY-310 YZ-55 钻孔直径/mm 250～310 310-380钻孔深度/m 17.5 19 钻孔方向/（°）90°90°最大轴压/KN 450 550钻进速度/m·min-1交流～0.98 0~1.2 直流0～4.5 0~2回转转速/m·min-10～100 0~120 回转扭矩/N·m 7210 8330 提升速度//m·min-10～11.87～20 30 行走速度/km·h-10～0.63 0~1.1 爬坡能力/（°）12 25 排渣风量/m3·min-140 37 排渣风压/MPa 0.35 2.74外形尺寸（长×宽×高）/m ×m×m 钻架竖起时13.838×5.695×26.326 14.25×6.11×27.08钻架放倒时26.606×5.695×7.620 27.03×6.11×7.55整机重量/t 123 140 1.轴压力fDP)07.0~06.0(=式中f----岩石坚固性系数；D----钻头直径(1)矿石中钻具的轴压力矿石的坚固性系数f为6～12，此时f取12P=0.07×12×310=260.4kN(2)岩石中钻具的轴压力岩石的坚固性系数为5～10，此时取10=P0.07×10×310=217kN2.钻具转矩M=29.6kD 1.5P式中 k-----岩石特性系数，见岩石特性系数表； P-----轴压力，kN (1)矿石中钻具的转矩M=29.6×10×-510×310× 1.5260.4=3855.8N.m (2)岩石中钻具的转矩M=29.6×10×-510×310× 1.5217=2933.2N.m表四 岩石特性系数表 岩石种类 最软 软 中软 中 硬 最硬 抗压强度 /M a P——17.5 56 210 475 k14×-510 12×-51010×-5108×-5106×-5104×-5103.排渣风量式中 b----岩渣的最大粒度，mm ；取5mm ρ----岩石密度，kg/3mQ= 22660πk (D d )v410-⨯ 式中 k----考虑漏风系数，取k=1.1～1.5,此时取1.3d----钻杆外径，mmQ=22660 3.14 1.5(310290)10.5410⨯⨯⨯-⨯⨯=8.93m /min 根据以上经验公式可以计算出钻出该大小的孔所需的钻机的工作参数表五 牙轮钻机工作参数钻孔扭矩/N ·m -1轴压力/KN排查风量/m ³·min -1矿石 3855.8 260.48.9岩石2933.2270根据计算的出的数据与钻机规格参数对比，可知选钻机KY-300较为合适5.选型计算： 1.钻孔速度v=3.75Pn fD式中 P----轴压力 D----钻孔直径f----岩石坚固性系数 n----钻具钻速2.台班生产能力0.6bb bV vT η=式中b V —— 牙轮钻机台班生产能力，m/(台.班)； v ——牙轮钻机的钻进速度，cm/min; b T ——每班工作时间，h ；ηb ——钻机台班时间利用系数，取0.4～0.5；3.台年综合效率3a b a V V Nη=⨯⨯⨯式中a V ——牙轮钻机的台年钻机效率，万m/台年；a η——牙轮钻机的年工作利用率，一般取，0.8； N ——一年所有的工作日，取360；4.设备数量N=1QQ q (1e)-式中 Q ---设计的矿山年采剥总量，t 1Q ---每台牙轮钻机的年穿孔效率。
牙轮钻头选型原则
牙轮钻头选型原则(1)软地层应选择有移轴、超顶、复锥3种结构的牙轮钻头，齿应是高、宽、稀、齿尖角大的铣齿或镶齿。
随着岩石硬度增大，选择钻头的上述3种结构值应相应减小，齿也应矮、窄、密，齿尖角也要相应减小。
(2)钻研磨性地层，应该选用带保径齿的镶齿钻头。
当发现上一个钻头的外排齿磨圆而中间齿磨损较少时，则下一个钻头应该选用有保径齿的镶齿钻头。
(3)在易斜地层钻进时，应选用不移轴或移轴量小、无保径齿并且齿多而短的钻头；同时，在保证移轴小的前提下，所选钻头适应的地层应比所钻地层稍软一些，这样可以在较低的钻压下提高机械钻速。
(4)选用镶硬质合金齿钻头时要注意：所钻地层页岩占多数时，用楔形齿钻头；钻石灰岩地层时，使用抛物体形或双锥形齿钻头；当用高密度钻井液钻井时，使用楔形齿钻头；当所选地层中页岩成分增加或钻井液密度增大时，用偏移值大的钻头；钻石灰岩或砂岩地层，选用偏移值小的钻头；钻硬的研磨性石灰岩、燧石、石英石时，用无移轴的球齿轱斗。
(5)在软硬交错地层钻进时，一般应按其中较硬的岩石选择钻头类型，这样既在软地层中有较高的机械钻速，也能顺利地钻穿硬地层。
在钻进过程中钻井参数要及时调整，在软地层钻进时，可适当降低钻压并提高转速；在硬地层钻进时可适当提高钻压并降低转速。
(6)浅井段岩石一般较软，同时起下钻所需时间较短，应选用能获得较高机械钻速的钻头；深井段地层一般较硬，起下钻时间较长，应选用有较高总进尺的钻头。
(7)在小井眼(井眼直径小于177mm)钻井中常选用单牙轮钻头，单牙轮钻头比同尺寸三牙轮钻头的牙轮、牙齿、轴径、轴承大，强度高，破岩效率高。
(8)按钻头产品目录选择钻头类型。
钻头生产厂家通过大量的试验，对各型钻头的适用地层情况进行了界定，形成了钻头产品目录。
根据钻头产品目录，结合所钻地层性质选择钻头类型，基本能够做到对号入座，匹配合理。
表卜10为国产三牙轮钻头产品目录。
(9)由于即使是同一种岩性，其机械性能差别也很大，所以仅根据岩性按钻头产品目录来确定钻头类型是不够全面的，还应收集邻近井相同地层钻过的钻头资料及上一个钻头的磨损分析，结合本井的具体情况来选择。
牙轮转机
牙轮钻机设备选型1.已知条件：见附表2.选型原则：①牙轮钻机是露天矿技术先进的钻孔设备，适用于各种硬度岩石的钻孔作业，设计大中型矿山设备首选牙轮钻机。
②中硬以上硬度的矿岩选用选用牙轮钻机钻孔优于其他钻孔设备。
③在满足矿山年钻孔量的同时，牙轮钻机选型还要保证设计生产要求的钻孔直径、孔深、倾角及其他参数。
④根据矿区自然地理条件选择设备及配套部件。
⑤动力条件。
一般选用电动（经济）。
⑥工作可靠，寿命长，价格便宜，零部件供货周期长，应进行综合分析对比。
3.设备匹配：3.1轴压力P=（0.06～0.07）fD式中：P——轴压力，kN；f——岩石的坚固性系数；D——钻头的直径，mm；；3.2钻孔速度3.75Pn fDν=⨯式中： v——牙轮钻机钻进速度，cm/minn—钻具的转速，r/min；3.3钻机效率0.6bbbVvT η=式中： V b —— 牙轮钻机台班生产能力，m/(台.班)； v ——牙轮钻机的钻进速度，cm/min; T b ——每班工作时间，h ；ηb ——钻机台班时间利用系数，取0.83.4钻机数量的确定1Q N Q .q(1-e)=式中： Q ——设计的矿山年采剥总量，t ；Q 1———每台牙轮钻机的年穿孔效率，m/a ； q ——每米炮孔的爆破量，t/m ； e ——费孔率，一般取5%；4.计算过程：4.1对于矿石： 4.1.1轴压力当系数取0.07时有P=0.07×10×310=217KN 4.1.2钻孔速度当n=95r/min 时有V=3.75×217×95/（10×310）=24.94cm/min 4.1.3钻机效率Vb=0.6×（24.93 /100）×8×60×0.8=57.44m 4.1.4钻机数量的确定Q 1=57.44×3×300=51695m/a 东采场：N=)05.01(42.125516955880000-⨯⨯=0.95台取N=1台 西采场：N=)05.01(42.125516950000882-⨯⨯=1.43台取N=2台4.2对于岩石：4.2.1轴压力当系数取0.07时有P=0.07×12×310=260.4KN 4.2.2钻孔速度当n=80r/min 时有V=3.75×260.4×80/（10×310）=25.2cm/min 4.2.3钻机效率Vb=0.6×（25.2 /100）×8×60×0.8=58.06m 4.2.4钻机数量的确定Q 1=58.06×3×300=52254m/a 东采场：N=)05.01(68.1275225441650000-⨯⨯=6.57台西采场： N=)05.01(68.1275225453900000-⨯⨯=8.5台4.3综上所计算：4.3.1本次设计所选用的牙轮钻机为KY-310型号 4.3.2东采区共配有0.95+6.57=7.52台，取8台 4.3.3西采区共配有1.43+8.5=9.93台，取10台5、 KY-310型牙轮钻机型号表KY -310型牙轮钻机技术特征名称特征参数 适应岩石硬度（f ） 5~20 钻孔直径/m 250~310 钻孔深度/m17.5钻孔方向/（°） 90（垂直） 最大轴压/kN 交流 500 直流310 钻进速度/m ·min -1 交流0~0.98 直流 0~0.45 回转速度/ m ·min -1 0~100 回转扭矩/N ·m 7210提升速度/ m ·min -10~11.87~20 行走方式 液压驱动履带 行走速度/km ·h -1 0~0.63 爬坡能力/（°） 12 接地比压/MPa 0.05除尘方式 干湿任选 空压机类型螺杆式排渣风量/m3·min-140 排渣风压0.35 装机功率/kW 450外形尺寸（长*宽*高）/m*m*m 钻架竖起时13838*5.695*26.326 钻架放到时26.606*5.695*7.620整机重量/t 1236、产品描述：KY-310型钻机由钻架和机架、回转供风机构、加压提升机构、接卸及存入钻杆机构、行走机构、除尘装置以及压气系统和液压系统等组成，该机全部采用电动，由高压电缆向机内输电。
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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。
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。
三、HJ系列油用三牙轮钻头的可选...
江钻油用牙轮钻头江钻股份公司1982年开始使用国外先进的J、X、R系列钻头制造技术，以后又陆续引进了ATJ、ATM、ATX、MAX、GT等系列钻头技术。
经公司科技人员二十多年来卓有成效的研究，不仅发展了原引进的系列产品，而且还先后开发出具有自主知识产权的浮动轴承技术、大井底覆盖技术、双流道技术、等磨损齿技术、单牙轮钻头技术等多项技术，并形成系列钻头新产品江钻油用牙轮钻头结构新颖，品种齐全，现有9个标准系列25种规格600多个品种，可适用于软到极硬的各类不同地层。
江钻油用牙轮钻头型号介绍江钻油用牙轮钻头型号由四部分组成：钻头直径代号：用数字（整数或分数）表示，其数字表示钻头直径英寸数。
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9 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1。
表1钻头分类号：分类号采用SPE/IADC 23937的规定，由三位数字组成，首位数为切削结构类别及地层系列号，第二位为地层分级号，末位数为钻头结构特征代号。
钻头附加结构特征代号：为了满足钻井及地层的某些特殊需要，钻头需改进或加强时，则在分类号后加附加结构特征，采用1个或多个字母表示。
钻头附加结构特征代号如下表3。
表3示例：8 1/2HJT537GL钻头8 1/2：钻头直径为8.5英寸（即215.9mm）HJT:滑动轴承金属密封、特别保径。
537:低抗压强度，软至中地层镶齿钻头。
G:掌背强化。
L:掌背扶正块。
钻头附加特征技术介绍（注：每个特征后附照片）C：表示在钻头中心位置布置有喷嘴。
中心喷嘴能够有效清洗牙轮，减少钻头的泥包现象，提高钻头的机械钻速。
它适合极软到软地层的钻井。
H：表示金刚石复合齿保径。
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。