第四章 钻头与钻井参数设计
钻头和钻井参数是影响钻井速度、钻井时效和钻井成本的重要的可变因素。
本章主要介绍的是牙轮钻头和金刚石钻头的分类、选型及磨损定级的方法，并结合现场实践，对钻井水力参数、机械参数和钻井液流变参数进行优选设计。
第一节 牙轮钻头的分类
一．牙轮钻头结构特点简介
牙轮钻头有单牙轮、双牙轮和三牙轮钻头之分，而三牙轮钻头是石油钻井中用得最为广泛的一种。牙轮钻头一般由牙掌、牙轮、切削齿、轴承、锁紧元件、储油密封系统、喷嘴装置等部件组成。下面以三牙轮钻头为例，对其结构特点（见图4－1）作一简要介绍。
1．钢齿牙轮钻头与镶齿牙轮钻头 （1）钢齿牙轮钻头
钢齿钻头又称为铣齿钻头，其牙齿是在牙轮毛坯上直接铣削加工而成的，牙齿形状为楔形齿。
钢齿钻头大多用于软的上部地层，研磨性较低的地层一般也选用钢齿钻头。为了提高牙齿的耐磨性或使牙齿有自锐作用，在牙齿的表面及保径面上均敷焊有一层碳化钨粉。 钢齿钻头可分为软、中、硬地层钻头三种，其详细的分类方法及适用地层见后面的 IADC分类。
（2）镶齿牙轮钻头
镶齿钻头，又称碳化钨硬质合金齿钻头，它是将端部形状不同的、圆柱形的烧结碳化钨硬质合金齿压入锻制的牙轮壳体上已精加工好的孔内而构成镶齿牙轮钻头。
镶齿钻头的切削结构具有很高的抗磨损和承载能力，其使用寿命较长，尤其是破碎硬的、研磨性高的地层，如隧石、石英岩等，效果更好。这种钻头适用地层范围广，已在石油钻井得到了广泛的应用。
目前国内外常用的镶齿钻头的硬质合金齿齿形有十多种，如球形、尖卵形、圆锥形、楔形、勺形、锥勺形、偏顶勺形、边楔形、平顶形等等，如图4－2所示。针对不同的地层、不同的岩性，要选择不同齿形的钻头。
楔形齿，齿呈楔子状，对地层具有切削、挖掘作用。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，适用的地层越硬。
球形齿的端部是个半圆形球面，耐磨性最好。它以凿击和压碎作用破碎地层。这种齿钻硬至极硬地层的破岩效率较高。
尖卵形、圆锥形齿，既有凿击和压碎作用，也有刮削和挖掘作用，其抗磨能力及强度都比楔形齿高，适用地层较广，在中硬地层使用效果最好。
勺形齿齿形如勺子，切削地层时，靠向内凹的勺形面挖掘、刮削作用破岩。这种齿形改善了牙齿的受力状况，既提高了破岩效率，又增加了齿的强度，能在极软至中软地层中高效率地破岩。
在勺形齿的基础上，又发展了偏顶勺形齿及圆锥形勺形齿。偏顶勺形齿的齿顶超前了其轴线一个距离，其凹面正对被切削的地层，改善了牙齿的受力分布，进一步提高了牙齿的破岩效率和工作寿命。
表4－l列举了几种常用齿形及其适用的地层。
表4－1 适用不同地层的齿形 齿 形 破 岩 机 理 地层 球形 凿击、压碎 硬、极硬 尖卵形 凿击、压碎 硬 圆锥形 凿击、压碎、挖掘、刮削 中硬、硬 楔形 挖掘、刮削 软至中硬 勺形 挖掘、刮削 极软至中软 2．轴承结构
（1）滚动轴承
滚动轴承（如图4－3所示）的结构形式有滚柱──滚珠──滚柱──止推和滚柱──滚珠──小轴滑动──止推两种。前一种一般是用于311.1mm以上的大尺寸钻头上。 滚动轴承按密封方式可分为非密封滚动轴承与密封式滚动轴承。非密封滚动轴承的特点是能适应较高的转速，但轴承磨损快，工作寿命低，主要用于上部井眼钻头。而密封式滚动轴承是在牙轮底平面处安装了密封元件（密封元件有“O”形图密封、碟形橡胶圈密封和金属密封），从而使轴承的工作寿命大为提高。密封滚动轴承的转速范围一般为100～250r／min。
无论哪种滚动轴承，牙轮的大部分径向载荷都是由滚柱槽承受的，小轴轴承主要起稳定作用，
只承受少量的径向载荷。止推面和止推块承受向外的轴向推力，滚珠轴承使牙轮挂在牙掌上并承受向里的轴向推力。 （2）滑动轴承
滑动轴承（如图4－4）是为了与硬质合金齿的寿命相匹配而设计的。它也有两种结构，一是滑动──滚动（滚珠）滑动──止推；二是滑动──滑动（卡簧）──滑动──止推。为了提高轴承的工作寿命，使轴承能在较高的温度和压力环境中良好地工作，摩擦副材料选用了高强度低碳合金钢制作，对牙掌轴颈（大轴颈）还进行渗碳等硬化处理，以提高其表面硬度和耐磨能力。对牙轮内孔跑道则镶焊铜合金或其他减磨材料，以提高滑动副的抗咬合能力。
滑动轴承可用各种密封圈作径向或者端面密封。与滚动轴承相比，滑动轴承的承压面积大，接触疲劳应力小，使用寿命较长。在常规的转速条件下，滑动轴承能承受更高的钻压。但除金属密封滑动轴承外，普通滑动轴承的转速范围一般在60～140r／min，比滚动轴承低。
除了前面所谈的两种结构形式的滑动轴承外，瑞德工具公司还研制出了一种新型的滑动轴承，即带浮动套的滑动轴承，如图4－5所示。
浮动套轴承是在轴承大轴颈与牙轮内孔之间加了两个可作相对运动的浮动式衬套，并在小轴上套有两个止推垫圈。浮动套与垫圈表面都作镀银处理，这样大大地降低了摩擦力，又不致使耐磨能力减低，使轴承转速和工作寿命大为提高。
3．牙轮锁紧方式 （1）钢球锁紧
钢球锁紧如图4－6所示，是在组装牙轮和牙掌时，将一排钢球从塞销孔道装进轴承跑道，再用塞销封住钢球通道，使钢球能在轴承跑道内自由滚动，既锁住了牙轮还能承受轴向载荷。钢球锁紧的轴承能承受较高的转速，但由于钢球与轴承的接触应力大，轴承失效快，容易掉牙轮。 （2）卡簧锁紧
卡簧锁紧元件是一个开口的弹性钢丝挡圈，如图4－7。挡圈的外径比牙轮内孔的卡簧槽大。卡簧放入牙轮内腔之后，靠自身的弹性锁紧牙轮，并与牙掌轴颈组成一对滑动副，实现了全滑动的轴承。卡簧锁紧的特点是零件少，轴承结构简单，增加了滑动轴承的工作面积，轴承的工作寿命较长，但不能承受高转速。
（3）丝扣环锁紧
除上述两种常见的牙轮锁紧方式之外，瑞德工具公司还研制出了一种新的锁紧元件──哈夫丝扣环锁紧元件，如图4－8所示。丝扣环锁紧实际上是由两个半圆形钢圈组成。这两个钢圈带有丝扣，装入轴承的锁紧槽内组成一个整环，用一个顶针从牙轴背后进入轴承环上的狭槽，暂时将环固定不动，再将牙轮通过丝扣和牙掌上紧，直至密封。取出顶针后，轴承锁紧环便能自由转动，如牙轮上的一个整体部件，而且牙轮工作时的旋转方向与丝扣
环相反，使轴承紧压密封，保证了牙轮不会从丝扣环上脱落。 丝扣环锁紧牙轮的优点是：
①丝扣环锁紧元件是作为整体部件附在牙轮上，不会从牙轮脱落，从而降低了掉牙轮的风险。由于不用担心掉牙轮，使用者能将钻头用得更合理、更彻底，而不必在钻头未用到家时过早地起钻。
②丝扣环与轴承是面接触，而不是传统的滚动点接触或线接触。接触面积增大，轴承受力均匀，不易发生疲劳破坏。 ③能承受更高的转速
④增大了牙轮壳体的厚度，牙轮抵抗碎裂的强度增大，能更深地嵌入牙轮体内部，增强了切削结构，降低了掉牙齿的可能性。
⑤在定向井等环境比较恶劣的井中，这种锁紧方式的钻头能承受更高的侧向载荷，提高了恶劣条件下的钻井能力。 4．密封元件
密封元件是影响轴承密封及使用效果的主要零件之一，一般分三种：
（1）蝶形橡胶密封圈，如图4－9所示。这种密封圈形状如蝶形，外层是橡胶，中间是一蝶形波纹弹簧片。弹簧片与橡胶硫化成一体，增强了密封圈的弹力及耐磨性。蝶形密
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