第二章1--钻头
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初中物理钻头知识点总结
初中物理钻头知识点总结
本文将着重介绍物理学中一个重要的知识点——钻头。
钻头是指用于钻孔或在地下开凿等工程中的钻石、硬质合金等刀具的统称。
在石油勘探、地质勘测和矿山开采等领域中，钻头扮演着重要的角色。
首先，我们来了解一下钻头的类型。
按功能来分，钻头可分为地质钻头、机械工程用的钻头、石油勘探用的钻头等。
按结构来分，钻头有钻头头部、钻头身段、连接部分、钻头内部的压力平衡系统、切削系统、冷却装置。
钻头的切削原理是指利用钻头上的刀具对被加工物体进行切削，使被加工物体去除一定的金属材料，并将加工后的表面形成一定形状和尺寸的工件。
在切削系统中，刀具的设计、材料的选择、刀尖的形状都对切削效果有着重要的影响。
另外，钻头的冷却装置也是一个很重要的组成部分。
在切削过程中，钻头的工件和刀具都会产生大量的热量，如果不及时散热，将会导致刀具的温升过高，甚至造成刀具的失效。
因此，冷却装置对切削效果和刀具的使用寿命都有重要影响。
在钻头的使用过程中，我们还需要考虑到钻头的使用寿命问题。
钻头的使用寿命是指钻头在一定的使用条件下能够连续工作的时间。
决定钻头使用寿命的因素有很多，比如工件的材料、硬度，切削速度、切削深度等等。
正确选用合适的钻头，并注意切削条件的选择，都是延长钻头使用寿命的关键。
总的来说，钻头是一种非常重要的刀具，广泛应用于石油勘探、地质勘测、矿山开采等领域。
了解钻头的类型、结构、切削原理、冷却装置、使用寿命等知识，对于正确使用和维护钻头都至关重要。
希望本文能对大家对钻头有更深入的了解。
钻进工具钻头专业知识讲座
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一、概述
1. 钻头类型
?按结构及工作原理分类
刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、 金刚石钻头
?按功用分类
全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻 头
2. 钻头尺寸系列
3-3/4 ~ 36 in
密封圈 ?工作原理：
储油压力补偿系统（传压孔、 压力补偿膜、油杯等）保持轴承 腔内的油压与井内钻井液柱压力 相平衡。当轴承腔内油压降低， 储油杯中的润滑油在钻井液柱压 力作用下补充到轴承腔内；当轴 承腔内的油压升高，则流入储油 杯。其中，有效密封是关键。
三、牙轮钻头（ Roller Bit ）
（一）牙轮钻头结构
牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌） 及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润 滑密封系统、喷嘴等部分组成。
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1．牙轮及牙齿
（一）刮刀钻头的结构
上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼。
刀翼
图2-1 刮刀钻头结构
?三刀翼的称作三刮刀 钻头 ?两刀翼的称作两刮刀 钻头或鱼尾刮刀钻头 ?四刀翼的称作四刮刀 钻头
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3. 工作指标
钻头进尺（米）
钻头工作寿命（小时）
机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米）：
C pm
?
Cb
? Cr (t ? tt ) H
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一、概述
1. 钻头类型
?按结构及工作原理分类
刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、 金刚石钻头
?按功用分类
全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻 头
2. 钻头尺寸系列
3-3/4 ~ 36 in
密封圈 ?工作原理：
储油压力补偿系统（传压孔、 压力补偿膜、油杯等）保持轴承 腔内的油压与井内钻井液柱压力 相平衡。当轴承腔内油压降低， 储油杯中的润滑油在钻井液柱压 力作用下补充到轴承腔内；当轴 承腔内的油压升高，则流入储油 杯。其中，有效密封是关键。
三、牙轮钻头（ Roller Bit ）
（一）牙轮钻头结构
牙轮钻头由钻头体、牙抓（巴掌） 及牙轮轴、牙轮及牙齿、轴承、储油润 滑密封系统、喷嘴等部分组成。
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1．牙轮及牙齿
（一）刮刀钻头的结构
上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼。
刀翼
图2-1 刮刀钻头结构
?三刀翼的称作三刮刀 钻头 ?两刀翼的称作两刮刀 钻头或鱼尾刮刀钻头 ?四刀翼的称作四刮刀 钻头
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3. 工作指标
钻头进尺（米）
钻头工作寿命（小时）
机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米）：
C pm
?
Cb
? Cr (t ? tt ) H
钻头方面的基础知识.docx
钻头方面的基础知识钻削与钻头钻削用各种钻头进行钻孔、扩孔或铉孔的切削加工。
钻孔是用麻花钻、扁钻或小心孔钻等在实体材料上钻削通孔或盲孔。
扩孔是用扩孔钻扩人工件上预制孔的孔径。
铠孔是用铠孔钻在预制孔的一端加工沉孔、锥孔、局部平血或球血等，以便安装紧固件。
钻削方式主要有两种：①工件不动，钻头作旋转运动和轴向进给，这种方式一般在钻床、锤床、加工屮心或组合机床上丿应用；②工件旋转，钻头仅作轴向进给，这种方式一•般在车床或深孔钻床上应川。
麻花钻的钻孔孔径范I韦I为0.05〜100伽，采川扁钻可达125伽。
对于孔径人于lOOnrni 的孔，-般先加工出孔径较小的预制孔（或预留铸造孔），而后再将孔径锐削到规定尺寸。
钻削时，钻削速度v是钻头外径的圆周速度（米/分）；进给量f是钻头（或工件）每转钻入孔• I •的轴向移动距离（mm/r）0图2是麻花钻的钻削要索，由于麻花钻有两个刀齿，故每齿进给量af=f/2（mm/齿）。
切削深度ap有两种：钻孔时按钻头直径d的一半计算；扩孔时按（d-d0）/2计算,其中d0为预制孔直径。
每个刀齿切下的切屑厚度a0=afsin r,单位为mm。
式'I1 r为钻头顶角的一半。
使川高速钢麻花钻钻削钢铁材料时，钻削速度常取16〜40米/分，川硬质合金钻头钻孔时速度可提高1倍。
图2麻花钻的钻削要素钻削过程屮，麻花钻头有两条主切削刃和一条横刃，俗称“一尖（钻心尖）三刃”，参与切削T作，它是在横刃严重受挤和排屑不利的半封闭状态下工作，所以加工的条件比车削或其他切削方法更为复杂和困难，加工精度较低，表面较粗糙。
钻削钢铁材料的精度-•般为IT13〜10,表面粗糙度为Ra20〜1.25urn,扩孔精度可达IT10〜9,表面粗糙度为RalO〜0.63—钻削加工的质量和效率很人程度上决定于钻头切削刃的形状。
在生产屮往往用修磨的方法改变麻花钻头切削刃的形状和角度以减少切削阻力，提高钻削性能，川国的群钻就是采用这种方法创制出來的。
1钻头的选择和应用
钻头的选择和应用中国地质大学（北京）李国民•钻进效果指标：1.平均机械钻速 —单位纯钻进时间内的进尺 H---回次进尺 t —纯钻进时间 ----?.反映了什么？tH v m 反映规程参数合理性，反映钻进方法合理性，反应钻头选择的合理性。
代表谁的水平？-----技术人员的水平2.回次钻速—在一个回次内单位时间的进尺量H---回次进尺t 1—一个回次内的辅助时间t —纯钻进时间tt H v R +=1代表谁的水平？-----技术人员的水平-----操作人员的水平如何选择钻头？•钻头的选择与钻探方法是分不开的；•钻探方法的选择与地层是分不开的；•钻头的选择也是与地层分不开的；•规程参数的选择与地层、钻探方法、钻头有关。
•地层-钻探方法-钻头-规程参数适合硬质合金钻探的地层条件•第四系软地层•风化地层•中硬以下岩石层适合冲击回转钻进地层条件1、硬地层2、坚硬致密打滑地层3、极易引起钻孔弯曲的地层4、强研磨性地层钻头体的磨损量V与摩擦功成正比，即：V=δAV= δA= δ·μ·P·F·ν · t此处δ,为体积磨损系数(cm3／N ·m) μ，滑动摩擦系数P ，钻压F, 钻头与岩石接触面积ν，圆周中线速度，ν=n·π·D金刚石钻头与钻探有关的金刚石物理力学性质• a.硬度：莫式硬度10，研磨硬度是刚玉的150倍，是石英的1000倍；b.强度：天然金刚石抗压强度为8600MPa，约为刚玉3.5倍,硬合金1.5倍,钢的9倍；c.耐磨性:是刚玉的90倍,硬质合金的40~200倍,钢的2000~5000倍；d.热稳定性：金刚石的导热性好,但随温度升高线膨胀增长较大,易引起热损伤。
特性概括：（1）硬而耐磨；（2）脆而怕烧金刚石的度量衡①国际上金刚石的重量计量单位：克拉 1克拉=0.2克；②国际上金刚石的粒度计量单位: “目”筛网每英寸内的网格数问题：如何选择金刚石钻头？坚硬致密打滑地层如何选择绳索取心钻头？胎 体 硬 度：高（）低（） 金刚石品级：高（）低（）金刚石粒度：粗（）细（）金刚石浓度：高（）低（）保 径 强 度：高（）低（）水 口 ： 大（）小（）水口数量： 多（）少（）水口形式：直（）右旋（）左旋（）胎体高度：高（）低（）钻头唇面造型： 绳索时（） （） （） （） （） （） （） （） （） （） 旋冲时 （）（） （） （） （） （） （） （） （） （）硬、碎，裂隙发育地层如何选择绳索取心钻头？胎 体 硬 度：高（）低（） 金刚石品级：高（）低（） 金刚石粒度：粗（）细（） 金刚石浓度：高（）低（） 保 径 强 度：高（）中（）低（） 水 口 ： 大（）小（） 水口数量： 多（）少（） 水口形式：直（）右旋（）左旋（） 胎体高度：高（）低（） 钻头唇面造型： 绳索时 （） （） （） （） （） （） （） （） （） （） 旋冲时 （） （） （） （） （） （） （） （） （） （）绳取钻头要求高胎体所谓高胎体钻头的胎体高度一般应高于12mm。
钻头的知识ppt课件
钻头尺寸 (Inch) 9 1/2
排量 (L/S) 28-50
喷嘴 数量/型号 5N
转速 (rpm) 60-200
保径长度(mm)
API 接头
65
6-5/8" REG
钻压 (KN)
20-120
8
9 1/2 MD3642 (M433)
• 碳化钨胎体钻头 • 标准PDC 齿（Φ19.05 mm） • 圆柱聚晶金刚石保径 • 中等密度布齿，拱肋状排列，深宽水槽 • 适用于软至中等硬度地层 • 可与转盘和井下马达相匹配 • 推荐使用高比水马力
KN
000lbs
45~90 10~20
17
DQ 取芯钻头
碳化钨胎体钻头 聚晶金刚石削齿 圆弧形冠部轮廓 聚晶TSP保径 面泄式水道设置 适用于极硬和高研磨性地层的取芯 推荐使用高比水马力
钻头型号
8440DQ50 6
钻头尺寸 inch 8 1/2×4
mm
215.9×10 2
钻头产品目录
类型
尺寸 (Inch)
联接接头
PDC钻头
4 1/2～17 1/4 2 3/8～7 5/8 REG 6～8 ½（取芯） 250P、川8－3、川6－3
TSP钻头
4～12 1/4 6～8 1/2
2 3/8～6 5/8 REG 250P、川8－3、川6－3
天然金刚石钻头 6～8 1/2
250P、川8－3、川6－3
钻头参数 钻头尺寸
领眼尺寸
扩眼尺寸
喷嘴数量 接头
inch
mm
inch
mm
inch
mm
4 5/8 117.5 3 5/8
92.1 5 1/8
井巷工程-2-1-第2章钻眼爆破
2
（2）机械掘进法
3
钻爆法施工：冲击式（硬岩），旋转式（煤、软岩）
掘进工序：钻眼——装药联线——放炮通风——装岩运输 ——支护 工具设备：凿岩机——炸药——局部扇风机—— 装岩机 ——锚、喷、网、架
煤电钻——雷管、放炮器——风筒—— 矿车电机车、 矿车
浅 孔：深度小于2.5m，直径小于42mm；
教材第58页思考题第2、3、4题
55
电压127v，功率1.2~2.0kW（多为1.2kW），转速2700转/分。 外壳为铝合金铸造，密封防爆。
⑶ 轴推力：人力推顶 。
36
ZM系列矿用隔爆型手持式煤电钻
[适用范围] 本系列煤电钻适用于煤矿井下及其周围介质中有甲 烷、煤尘等爆炸性混合物气体的环境中，在交流50Hz，电压为 127V的供电网络中，在回采及掘进工作面对中硬和硬煤层钻眼之用。 [产品特点] 1、结构紧凑，型式多样，有普通型、强力型、湿式型 等。 2、扭矩大，适合中硬和硬煤层钻眼。
冲击式凿岩是由冲击式凿岩机冲击机构产生的冲击能撞击活塞， 进而撞击钎杆，并以应力波的形式将能量传递给岩石，达到破岩 的目的。
9
（1）首次冲击，在孔底形成凿痕I，钎头转到II位置；
（2）二次冲击，在形成BB凿痕的同时，剪 碎了两个IOII范围内的岩石，这是根据岩石 抗剪强度比抗压强度小（1/8~1/12）得多的原 理；
41
42
二、压缩空气的基本生产过程
43
二、空气压缩选型
44
45
四 钻眼工具
一、凿岩机的钎子
1. 整体钎子：
46
2. 组合钎子
一字形：速度快、制造和修磨简单、磨损快、易夹钎。 十字形：速度慢、孔圆，制造和修磨复杂，用料多。 ⑴ 钎头 球齿形：硬岩钻眼 材料 钎头体：合金钢，55SiMnMo、40MnMoV。 钎 刃： 钨钴类合金 。
（2）机械掘进法
3
钻爆法施工：冲击式（硬岩），旋转式（煤、软岩）
掘进工序：钻眼——装药联线——放炮通风——装岩运输 ——支护 工具设备：凿岩机——炸药——局部扇风机—— 装岩机 ——锚、喷、网、架
煤电钻——雷管、放炮器——风筒—— 矿车电机车、 矿车
浅 孔：深度小于2.5m，直径小于42mm；
教材第58页思考题第2、3、4题
55
电压127v，功率1.2~2.0kW（多为1.2kW），转速2700转/分。 外壳为铝合金铸造，密封防爆。
⑶ 轴推力：人力推顶 。
36
ZM系列矿用隔爆型手持式煤电钻
[适用范围] 本系列煤电钻适用于煤矿井下及其周围介质中有甲 烷、煤尘等爆炸性混合物气体的环境中，在交流50Hz，电压为 127V的供电网络中，在回采及掘进工作面对中硬和硬煤层钻眼之用。 [产品特点] 1、结构紧凑，型式多样，有普通型、强力型、湿式型 等。 2、扭矩大，适合中硬和硬煤层钻眼。
冲击式凿岩是由冲击式凿岩机冲击机构产生的冲击能撞击活塞， 进而撞击钎杆，并以应力波的形式将能量传递给岩石，达到破岩 的目的。
9
（1）首次冲击，在孔底形成凿痕I，钎头转到II位置；
（2）二次冲击，在形成BB凿痕的同时，剪 碎了两个IOII范围内的岩石，这是根据岩石 抗剪强度比抗压强度小（1/8~1/12）得多的原 理；
41
42
二、压缩空气的基本生产过程
43
二、空气压缩选型
44
45
四 钻眼工具
一、凿岩机的钎子
1. 整体钎子：
46
2. 组合钎子
一字形：速度快、制造和修磨简单、磨损快、易夹钎。 十字形：速度慢、孔圆，制造和修磨复杂，用料多。 ⑴ 钎头 球齿形：硬岩钻眼 材料 钎头体：合金钢，55SiMnMo、40MnMoV。 钎 刃： 钨钴类合金 。
钻 头(Bit)
第二章钻头（Bit）在旋转钻井中，钻头是破碎岩石的主要工具，钻头质量的优劣和与岩性是否适应对提高钻井速度和降低钻井成本起着重要作用。
近十多年来，随着近代钻井技术、冶金和机械制造工业的发展，钻头设计、制造和作用有了极大的革新，使钻头进尺和机械钻速成倍增长。
原有各类钻头的品种和使用范围也不断扩大，如刮刀钻头从在极软和软地层使用发展到极软、软和中硬地层使用；牙轮钻头从极软到坚硬地层都有相应的品种和系列可供选用；金刚石钻头从坚硬和硬地层使用，发展到坚硬、硬和中硬地层使用。
本章的目的在于对刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头的基本工作原理做一些初步分析，为正确选择使用钻头和改进钻头结构设计打下基础。
第一节刮刀钻头（Drag bit）刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。
这种钻头的结构简单，制造方便，如果设计使用得当，在泥岩和页岩等软地层中强以得到高的机械钻速和钻头进尺。
美国在马拉开波湖地区，有一只鱼尾钻头的进尺达到2527.5米。
我国近十几年来在刮刀钻头的研究和实践方面取得了突出的效果。
六十年代初期出现了千米刮刀钻头，七十年代取得了双知米刮刀钻头，目前，胜利油田采用金刚石刮刀钻头单只钻头进尺达到3135.87米，创造了国内外刮刀钻头进尺的最高记录。
但是，刮刀钻头也有其局限性，由于钻头承压面积大，在钻遇较硬地层或软硬交错硬夹层时，钻头吃入困难，钻进效率低。
近十多年来为了解决这一矛盾，研制一镶齿刮刀钻头，金刚石刮刀钻头，LX金刚石刮刀钻头等新型钻头，提高和扩大了刮刀钻头的钻进效率和使用范围。
下面就刮刀钻头破碎岩石的基本原理、结构设计和提高钻头的耐磨性等几个问题进行分析和讨论。
一、刮刀钻头破碎岩石的基本原理（一）刮刀钻头破碎岩石过程刮刀钻头刀翼在钻压P和扭转力T的作用下，以正螺旋面吃入切削地层，井底平面与水平面成θ角。
设P力和T力的合力为R，R可分解与剪切面垂直的分力N和与剪切面平行的分力F，根据摩尔强度理论，如摩擦力忽略不计，当F力等于或大于剪切面积与岩石抗剪极限强度乘积时，岩石沿剪切面破碎（图2-1）。
钻井与完井工程(第一至第四章)
(a)脆性岩石
(b)塑脆性岩石
(c)塑性岩石
W 硬度： p y A
屈服极限： 0 W0
A
AF 面积OABC 塑性系数：k AE 面积ODE
第二节 岩石的研磨性与可钻性
一、岩石的研磨性
岩石研磨性概念：钻井过程中，钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触
和摩擦，从而在破碎岩石的同时，这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚 至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。 研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削、刻划、擦痕等 所造成，属表面磨损。这种研磨性磨损除了与摩擦副材料性的性质（如化学组成和 结构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸（如表面粗糙 度）及摩擦面的介质等因素。研磨性磨损是一个十分复杂的问题。
σ σ =σ
1
σ
1
2
3
σ
3
σ
(a)液压作用下的压（拉）试验 （常规三轴试验） σ
1
2
(b)用三个液缸的柱塞进行的 三面压缩试验（真三轴试验） σ
1
σ
σ
2
3
(c)液压作用下的压扭试验
(d)液压作用下的两面柱塞 压缩试验
σ
1
σ
3
（a）压缩试验
（b）拉伸试验
常规三轴试验
P=σ
1
=σ
2
τ
2. 三轴应力下岩石的强度和变形的特点
由岩石可钻性概念和研究方法可知，岩石可钻性会因条件不同，所以实际应用时就有一定 的困难。如果设法固定工作条件，使可钻性指标只反映岩石破碎难易程度，有可能就能克 服应用时的问题，采用微钻头可钻性是行之有效的研究方法。 所谓微钻头岩石可钻性是指在室内固定测试条件下，通过微钻头模拟试验，将所测得 的微钻头指标称之为微钻头岩石可钻性或条件可钻性。我国钻井界目前广泛采用的岩石可 钻性测定仪为华东Ⅲ型微钻头测定仪。测试条件为：钻压W＝889.7牛，转速N＝55转／分， 钻头直径D＝31.75毫米（它是由八片厚2.5毫米硬质合金材料组成的，硬度为HRC ≌ 58）。 实测记录钻孔深度H为2.4毫米所需的时间。测量精度要求控制在测量仪器本身允许的误差 范围以内。 由测量值表示的钻速公式可知，当以钻速作为可钻性指标时，钻进速度V与测量钻进深度 H和钻进时间T之间的表达式为：
金刚石钻头与钻头
入深度的2~5倍。
金刚石破碎岩石的效果，除与岩石的性能有关外， 还与井筒和地层孔隙流体的压差有大小、钻压大小及 金刚石几何形状、粒度和出露有关。
钻头基体 金刚石
出露高度 吃入深度
接触面积
第5页，此课件共13页哦
二、 PDC钻头
聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact)钻头，简称PDC钻头。它是用人造
是在表镶式钻头工作面上薄弱部分的胎体内，孕镶一层金刚石。 破碎效果好，寿命长。
金刚石在钻头工作面上 的排布方式
交错排列法 圆周排列法 脊圈排列法
软到中硬 硬地层 坚硬地层
第3页，此课件共13页哦
(4) 金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。 水眼和水槽的布置原则： 是使金刚石钻头在钻进过程中，保证供给钻头工作面足够的水力能量，
负前角又称后倾角，它是指复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹 角。 采用适当的负前角，可以大大改善切削齿的抗冲击性。一般负前角取值范 围为0 ° ~25 ° 。
软地层：取0或较小负前角值； 硬地层，负前角应较大，以保证有效切削，并防止冲击载荷引起切削齿的损 坏。
侧偏角是指切削齿面与钻头径向平面之间的夹角，有侧偏角的钻头比无侧偏角的钻头钻进
PDC齿具有良好的自锐性，聚晶金刚石晶粒在切削岩石的过程中不断脱落，使刃 面的晶粒更新自锐。此外，碳化钨基片先磨损，形成锋利的刃口，同时具有良好的 抗冲击性能,为金刚石提供良好的弹性依托。
第8页，此课件共13页哦
按形状
标准切削齿 牙嵌式切削齿 环嵌式切削齿 凿形切削齿 倒角切削齿 凸圆形切削齿 齿状碳化钨基柱
第12页，此课件共13页哦
当岩石开始接触切削齿的刀刃最初瞬时，接触点的压 力使岩石内部产生弹性应力和应变；当切削刃逼近岩石时， 岩石内部弹性应力逐渐增大，在岩石内某一位置，剪应力 达到岩石的屈服强度，因而，岩石开始沿剪切力相等的 “初滑移面”滑移（OA面，该面左边代表弹性变形区， 右边代表塑性变形区） 。
金刚石破碎岩石的效果，除与岩石的性能有关外， 还与井筒和地层孔隙流体的压差有大小、钻压大小及 金刚石几何形状、粒度和出露有关。
钻头基体 金刚石
出露高度 吃入深度
接触面积
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二、 PDC钻头
聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact)钻头，简称PDC钻头。它是用人造
是在表镶式钻头工作面上薄弱部分的胎体内，孕镶一层金刚石。 破碎效果好，寿命长。
金刚石在钻头工作面上 的排布方式
交错排列法 圆周排列法 脊圈排列法
软到中硬 硬地层 坚硬地层
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(4) 金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。 水眼和水槽的布置原则： 是使金刚石钻头在钻进过程中，保证供给钻头工作面足够的水力能量，
负前角又称后倾角，它是指复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹 角。 采用适当的负前角，可以大大改善切削齿的抗冲击性。一般负前角取值范 围为0 ° ~25 ° 。
软地层：取0或较小负前角值； 硬地层，负前角应较大，以保证有效切削，并防止冲击载荷引起切削齿的损 坏。
侧偏角是指切削齿面与钻头径向平面之间的夹角，有侧偏角的钻头比无侧偏角的钻头钻进
PDC齿具有良好的自锐性，聚晶金刚石晶粒在切削岩石的过程中不断脱落，使刃 面的晶粒更新自锐。此外，碳化钨基片先磨损，形成锋利的刃口，同时具有良好的 抗冲击性能,为金刚石提供良好的弹性依托。
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按形状
标准切削齿 牙嵌式切削齿 环嵌式切削齿 凿形切削齿 倒角切削齿 凸圆形切削齿 齿状碳化钨基柱
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当岩石开始接触切削齿的刀刃最初瞬时，接触点的压 力使岩石内部产生弹性应力和应变；当切削刃逼近岩石时， 岩石内部弹性应力逐渐增大，在岩石内某一位置，剪应力 达到岩石的屈服强度，因而，岩石开始沿剪切力相等的 “初滑移面”滑移（OA面，该面左边代表弹性变形区， 右边代表塑性变形区） 。
钻头简介介绍
创新应用
钻头技术的创新应用包括开发新型钻 头材料、优化钻头结构和提高钻头寿 命等方面，以及结合大数据和人工智 能等技术进行预测和优化。
CHAPTER 06
钻头使用和维护建议
钻头使用和维护建议
• 钻头是一种用于钻孔的工具，常用于金属、木材、混凝土等 材料的钻孔作业。钻头种类繁多，不同的钻头适用于不同的 材料和钻孔需求。
CHAPTER 03
不同类型钻头的特点和应用
不同类型钻头的特点和应用
• 钻头是一种在工业和建筑领域中广泛使用的工具，它能够通过旋转和切割来穿透坚硬的物质，如金属、混凝土和岩石等。 钻头的主要类型包括高速钢钻头、硬质合金钻头、金刚石钻头和其他类型钻头。
CHAPTER 04
钻头的设计与制造
钻头的设计原则和方法
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
钻头的主要用途
在金属、木材、塑料 等材料上打孔，用于 安装螺丝、铆钉等紧 固件。
在地质勘探、水文地 质等领域中，用于钻 探地下岩层、寻找水 源等。
在岩石、混凝土等材 料上打孔，用于爆破 、锚固等工程。
CHAPTER 02
钻头的基本结构
钻头的基本结构
• 钻头是一种用于在材料中钻孔的工具，广泛应用于机械制造、 建筑、石油和地质勘探等领域。钻头的设计和制造质量直接影 响着钻孔的效率和质量。
。
柄部是钻头与钻床连接的部分 ，用于将钻头固定在钻床主轴
上。
尾部是钻头的附件部分，用于 安装钻头夹持器或延伸杆等辅
助工具。
钻头的分类
01
02
03
按用途分类
可分为普通钻头、深孔钻 头、扩孔钻头、锪孔钻头 等。
按结构分类
可分为整体钻头、焊接式 钻头、装配式钻头等。
钻头技术的创新应用包括开发新型钻 头材料、优化钻头结构和提高钻头寿 命等方面，以及结合大数据和人工智 能等技术进行预测和优化。
CHAPTER 06
钻头使用和维护建议
钻头使用和维护建议
• 钻头是一种用于钻孔的工具，常用于金属、木材、混凝土等 材料的钻孔作业。钻头种类繁多，不同的钻头适用于不同的 材料和钻孔需求。
CHAPTER 03
不同类型钻头的特点和应用
不同类型钻头的特点和应用
• 钻头是一种在工业和建筑领域中广泛使用的工具，它能够通过旋转和切割来穿透坚硬的物质，如金属、混凝土和岩石等。 钻头的主要类型包括高速钢钻头、硬质合金钻头、金刚石钻头和其他类型钻头。
CHAPTER 04
钻头的设计与制造
钻头的设计原则和方法
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
钻头的主要用途
在金属、木材、塑料 等材料上打孔，用于 安装螺丝、铆钉等紧 固件。
在地质勘探、水文地 质等领域中，用于钻 探地下岩层、寻找水 源等。
在岩石、混凝土等材 料上打孔，用于爆破 、锚固等工程。
CHAPTER 02
钻头的基本结构
钻头的基本结构
• 钻头是一种用于在材料中钻孔的工具，广泛应用于机械制造、 建筑、石油和地质勘探等领域。钻头的设计和制造质量直接影 响着钻孔的效率和质量。
。
柄部是钻头与钻床连接的部分 ，用于将钻头固定在钻床主轴
上。
尾部是钻头的附件部分，用于 安装钻头夹持器或延伸杆等辅
助工具。
钻头的分类
01
02
03
按用途分类
可分为普通钻头、深孔钻 头、扩孔钻头、锪孔钻头 等。
按结构分类
可分为整体钻头、焊接式 钻头、装配式钻头等。
第一节 钻头
布齿原则： （1）转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被 破碎的凸起； （2）牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的 牙齿的破碎坑内； （3）牙齿磨损均匀。
牙轮布置方案
（1）非自洗无滑动布置： 各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用
于硬地层； （2）自洗不移轴布置：
各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用 于中硬地层； （3）自洗移轴布置：
（3）金刚石钻头类型(按金刚石材料分) 1）天然金刚石钻头 2）聚晶金刚石复合片钻头(PDC) 3）热稳定聚晶金刚石钻头(TSP)。
刮刀钻头（drag bit）
牙轮钻头（cone bit）
金刚石钻头（diamond drill bit）
ＰＤＣ钻头
ＰＤＣ双心钻头
ＴＳＰ钻头
(二）三类钻头的使用率
刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。 破碎塑性岩石过程：
在钻压W 作用下，刀翼容易吃入地层；刃 前岩石在扭转力T 的作用 下不断产生塑性流动。
这和车刀切削软金属的过程类似。
（三）刮刀钻头的应用
刮刀钻头制造工艺简单，成本低； 刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低； 刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜； 刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备； 刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。
密封圈
滚密 柱封
圈 止推
台阶
滑动摩 擦衬套 滑动摩 擦副
③根据轴承副的结构（大轴承）分类： 滚动轴承和滑动轴承两大类。
滚动轴承的结构形式： a.“滚柱—滚珠—滚柱—止推” b.“滚柱—滚珠—滚珠—止推”
滑动轴承的结构： a.“滑动—滚动—滑动—止推” b.“滑动—滑动—滑动—止推”
4．储油润滑密封系统
牙轮钻头使用约占总进尺的80%左右，其 次是金刚石材料钻头，刮刀钻头很少用。
牙轮布置方案
（1）非自洗无滑动布置： 各牙轮牙齿齿圈不嵌合，单锥、不超顶，不移轴，用
于硬地层； （2）自洗不移轴布置：
各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥、超顶，不移轴，用 于中硬地层； （3）自洗移轴布置：
（3）金刚石钻头类型(按金刚石材料分) 1）天然金刚石钻头 2）聚晶金刚石复合片钻头(PDC) 3）热稳定聚晶金刚石钻头(TSP)。
刮刀钻头（drag bit）
牙轮钻头（cone bit）
金刚石钻头（diamond drill bit）
ＰＤＣ钻头
ＰＤＣ双心钻头
ＴＳＰ钻头
(二）三类钻头的使用率
刮刀钻头主要以切削作用破碎地层。 破碎塑性岩石过程：
在钻压W 作用下，刀翼容易吃入地层；刃 前岩石在扭转力T 的作用 下不断产生塑性流动。
这和车刀切削软金属的过程类似。
（三）刮刀钻头的应用
刮刀钻头制造工艺简单，成本低； 刮刀钻头适用于软地层，钻速快，每米钻进成本低； 刮刀钻头容易磨损成锥形，造成缩径和井斜； 刮刀钻头产生剧烈的扭转振动，破坏钻具和设备； 刮刀钻头目前逐渐被PDC钻头取代。
密封圈
滚密 柱封
圈 止推
台阶
滑动摩 擦衬套 滑动摩 擦副
③根据轴承副的结构（大轴承）分类： 滚动轴承和滑动轴承两大类。
滚动轴承的结构形式： a.“滚柱—滚珠—滚柱—止推” b.“滚柱—滚珠—滚珠—止推”
滑动轴承的结构： a.“滑动—滚动—滑动—止推” b.“滑动—滑动—滑动—止推”
4．储油润滑密封系统
牙轮钻头使用约占总进尺的80%左右，其 次是金刚石材料钻头，刮刀钻头很少用。
第二章第四节 井身结构设计1PPT课件
最大允许压差（避免压 差卡钻）
▪ ΔPN(ΔPa)
Gf Gp
当量泥浆密度
井身结构设计
1、正常作业时（起下钻、钻进）： 起钻： 最大钻井液密度：某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密
度应不小于和该井段中的最大地层压力梯度当量密度与最大抽吸 压力梯度当量密度之和。
ma x PmaxSw
ρmax:某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3； ρpmax该井段的最大地层压力梯度， g/cm3； Sw:考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为了平衡地层压力
井底压力随作业不同而变化： (1)静止状态，井底压力＝环形空间静液压力； (2)正常循环时，井底压力＝环形空间静液压力+环形空间压力损失； (3)用旋转防喷器循环钻井液时，井底压力＝环形空间静液压力+环形空间压力损
失+旋转防喷器的回压， (4)循环出气涌时，井底压力＝环形空间静液压力十环形空间压力损失+节流器压
压力的差值过大．除使机械钻速降低外，而且也 是造成压差卡钻的直接原因，这会使下套管过程 中，发生卡套管事故。）。
套管层次和下入深度确定
考虑的因素
地层压力剖面
地层破裂压力剖面
工程参数(必封点确定）
正常作业：抽吸压力系
数地层Sw压、裂激安动全压增力值系S数f Sg、井深
出现井涌：抽吸压力系 数Sw、地层压裂安全增 值Sf、考虑液流情况下 地层压力增加值 SK
Sk
pa 0.00981H x
关井后井内压力平衡方程 pmE pm pa
mEH (p Sw)H Sk Hx
mE p
Sw Sk
Hx H
x
井身结构设计
井身结构设计关键参数
▪ ΔPN(ΔPa)
Gf Gp
当量泥浆密度
井身结构设计
1、正常作业时（起下钻、钻进）： 起钻： 最大钻井液密度：某一层套管的钻进井段中所用的最大钻井液密
度应不小于和该井段中的最大地层压力梯度当量密度与最大抽吸 压力梯度当量密度之和。
ma x PmaxSw
ρmax:某层套管的钻进井段中所使用的最大钻井液密度，g/cm3； ρpmax该井段的最大地层压力梯度， g/cm3； Sw:考虑到上提钻柱时抽吸作用使井底压力降低，为了平衡地层压力
井底压力随作业不同而变化： (1)静止状态，井底压力＝环形空间静液压力； (2)正常循环时，井底压力＝环形空间静液压力+环形空间压力损失； (3)用旋转防喷器循环钻井液时，井底压力＝环形空间静液压力+环形空间压力损
失+旋转防喷器的回压， (4)循环出气涌时，井底压力＝环形空间静液压力十环形空间压力损失+节流器压
压力的差值过大．除使机械钻速降低外，而且也 是造成压差卡钻的直接原因，这会使下套管过程 中，发生卡套管事故。）。
套管层次和下入深度确定
考虑的因素
地层压力剖面
地层破裂压力剖面
工程参数(必封点确定）
正常作业：抽吸压力系
数地层Sw压、裂激安动全压增力值系S数f Sg、井深
出现井涌：抽吸压力系 数Sw、地层压裂安全增 值Sf、考虑液流情况下 地层压力增加值 SK
Sk
pa 0.00981H x
关井后井内压力平衡方程 pmE pm pa
mEH (p Sw)H Sk Hx
mE p
Sw Sk
Hx H
x
井身结构设计
井身结构设计关键参数
2第二章 矿山法施工技术 第1-4节
眼底落在： ①硬岩——超出设计轮廓线以外100-150mm； ②中硬岩——布臵在设计轮廓线上； ③软岩——布臵在设计轮廓线以内。 （2）底眼 布臵在巷道底板上的一排炮眼。 眼距：600-800mm 眼口高于底板150mm左右（便于打眼）。 眼底低于底板150mm左右，加深200mm左右。 装药系数：0.5-0.7，即每个眼多装1-2药卷。
l
3、炮眼数目（N） 影响钻眼工作量、岩石块度、巷道成形。 确定方法：计算法和经验统计法，二者相结合。 （1）计算法
①
式中： N ——炮眼数目； q ——定额单位炸药消耗量Kg/m3,查表； s ——巷道掘进面积，m2； m ——每个药卷长度； ——炮眼利用率，0.85-0.9； ——平均装药系数，0.5-0.7， 装药长度 ， 炮眼长度 掏槽眼取0.7-0.8，周边眼小； p ——每个药卷的重量，Kg。
直线一楔形掏槽
混合掏槽意图
三角柱一楔形掏槽
2、辅助眼（崩落眼） 作用：进一步扩大自由面，崩落岩石。 位臵：均匀垂直布臵在掏槽眼与周边眼之间。 最小抵抗线——药卷的重心到自由面的垂直距离（圈距）。 炮眼间距和最小抵抗线为400-800mm，决定爆破岩石块度。 装药系数：0.5-0.6 3、周边眼 作用：形成巷道轮廓，是决定巷道成形好坏的关键。 包括：顶眼、帮眼、底眼 （1）顶眼和帮眼 眼距：400-600mm 眼口布臵在设计掘进轮廓线上，计算掘进轮廓线比设计掘进 轮廓线每侧增加75mm。
主要依据：普氏系数f、巷道断面积S、循环时间t、钻眼设 备、炸药、工作方式（三八制，四六制）、计划月进度。 决定因素：钻眼设备、循环时间 发展趋势：由浅眼→中深孔、深孔发展。 ③深度确定 经验类比法和计算法。 经验法 气腿式风钻：1.5-2.0m 凿岩台车：2.5-3.5m 计算法： 可按月计划计算炮眼深度 l 。
钻井工程理论与技术第二章钻进工具钻头(3学时).pptx
牙轮钻头工作时，牙轮滚动，单齿与双 齿交替接触井底，使钻头产生纵向振动。 钻头纵向振动产生的冲击载荷和钻压通过 牙齿作用在岩石上，对井底岩石产生冲击 压碎作用，形成体积破碎坑穴。
（2）滑动剪切作用
牙轮钻头的超顶、复锥和移轴结构，使 牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底 的滑动，剪切齿间岩石。
二、牙轮钻头（Roller Bit）
第二章 钻进工具
第一节 钻头 第二节 钻柱
第一节 钻 头
一、概 述 二、牙轮钻头 三、金刚石钻头 四、PDC钻头
一、概 述
1. 钻头分类
按结构及工作原理分
刮刀钻头 牙轮钻头 PDC钻头 金刚石钻头
按功用分
全面钻进钻头 取心钻头 扩眼钻头
一、概 述
2. 钻头尺寸系列
3-3/4 ~ 36 in
3. 钻头性能指标
2. 钻压在1.36~2.7吨/英寸范围内，钻速与所加钻压成正比。一般常用最 佳范围：1.82~2.27吨/英寸。
3. 增加转速，可提高钻速，但轴承和牙齿磨损加快。常用转速范围： 55rpm~110rpm。
4. 在排量满足携带岩屑要求的前提下，尽可能提高泵压，以充分利用 高压水射流的破岩作用，提高钻速。
（二）金刚石钻头结构
冠部
胎体
金刚石钻头为无活动部件的整体
式钻头。由钢体、胎体（冠部和保
径部分）、水眼及水槽、金刚石切
保径
排
削刃等部分组成。
屑 槽
金刚石
钢体
水槽
水眼
胎体
接头 钢体 金刚石
三、金刚石钻头（Diamond Bit）
（二）金刚石钻头结构
1. 钻头冠部形状
a．双锥阶梯形； b．双锥形； c．“B”形； d．脊圈式“B” 形
（2）滑动剪切作用
牙轮钻头的超顶、复锥和移轴结构，使 牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿对井底 的滑动，剪切齿间岩石。
二、牙轮钻头（Roller Bit）
第二章 钻进工具
第一节 钻头 第二节 钻柱
第一节 钻 头
一、概 述 二、牙轮钻头 三、金刚石钻头 四、PDC钻头
一、概 述
1. 钻头分类
按结构及工作原理分
刮刀钻头 牙轮钻头 PDC钻头 金刚石钻头
按功用分
全面钻进钻头 取心钻头 扩眼钻头
一、概 述
2. 钻头尺寸系列
3-3/4 ~ 36 in
3. 钻头性能指标
2. 钻压在1.36~2.7吨/英寸范围内，钻速与所加钻压成正比。一般常用最 佳范围：1.82~2.27吨/英寸。
3. 增加转速，可提高钻速，但轴承和牙齿磨损加快。常用转速范围： 55rpm~110rpm。
4. 在排量满足携带岩屑要求的前提下，尽可能提高泵压，以充分利用 高压水射流的破岩作用，提高钻速。
（二）金刚石钻头结构
冠部
胎体
金刚石钻头为无活动部件的整体
式钻头。由钢体、胎体（冠部和保
径部分）、水眼及水槽、金刚石切
保径
排
削刃等部分组成。
屑 槽
金刚石
钢体
水槽
水眼
胎体
接头 钢体 金刚石
三、金刚石钻头（Diamond Bit）
（二）金刚石钻头结构
1. 钻头冠部形状
a．双锥阶梯形； b．双锥形； c．“B”形； d．脊圈式“B” 形
第一节-钻头【可修改文字】
第一节钻头（Drill Bit）一、概述(一) 钻头分类1.按结构及工作原理分：刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头2.按功用分类：全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头3.钻头次分类（1）刮刀钻头类型（按翼数分）1）二刮刀钻头；2）三刮刀钻头；3）四刮刀钻头（2）牙轮钻头类型(按牙齿材料)1）铣齿钻头；2）镶齿钻头（3）金刚石钻头类型(按金刚石材料分) 1）天然金刚石钻头2）聚晶金刚石复合片钻头(PDC)3）热稳定聚晶金刚石钻头(TSP)。
刮刀钻头（drag bit）牙轮钻头（cone bit）金刚石钻头（diamond drill bit）ＰＤＣ钻头ＰＤＣ双心钻头ＴＳＰ钻头(二）三类钻头的使用率牙轮钻头使用约占总进尺的80%左右，其次是金刚石材料钻头，刮刀钻头很少用。
(三)钻头公称尺寸和系列钻头以其最大外径为其公称尺寸，国际上已经形成基本统一的系列。
常见钻头尺寸有14种：单位：in(mm)26(660.4)20(508) 17-1/2(444.5) 14-3/4(347.6) 12-1/4(311.1) 10-5/8(269.9) 9-1/2(241.3)8-3/4(222.2) 8-1/2(215.9) 7-7/8(200) 6-1/2(165.1)6-1/8(155.5) 5-7/8(149.2)4-3/4(120.6)1.钻头进尺（米）2.钻头工作寿命（小时）3.机械钻速（米/小时）4.单位进尺成本（元/米）Ht t C C C t r b pm )( （四）钻头的技术、经济指标钻头的技术、经济指标1.钻头进尺(H)一个钻头钻进的井眼总长度，m。
2.钻头工作寿命(t)一个钻头的累计总使用时间，h。
3.钻头平均机械钻速一个钻头的进尺与工作寿命之比，m/h。
4)钻头单位进尺成本：式中：C pm —单位进尺成本(cost)，元/米；C b —钻头(bit)成本，元；C r —钻机(rig)作业费，元/小时；t —钻头钻进时间，h；t t —起下钻及接单根时间(total)，h；H —钻头进尺(headway)，m。
第一章---钻头(Bit)
第一章钻头（Bit）在旋转钻井中，钻头是破碎岩石的主要工具，钻头质量的优劣和与岩性是否适应对提高钻井速度和降低钻井成本起着重要作用。
近十多年来，随着近代钻井技术、冶金和机械制造工业的发展，钻头设计、制造和作用有了极大的革新，使钻头进尺和机械钻速成倍增长。
原有各类钻头的品种和使用范围也不断扩大，如刮刀钻头从在极软和软地层使用发展到极软、软和中硬地层使用；牙轮钻头从极软到坚硬地层都有相应的品种和系列可供选用；金刚石钻头从坚硬和硬地层使用，发展到坚硬、硬和中硬地层使用。
本章的目的在于对刮刀钻头、牙轮钻头和金刚石钻头的基本工作原理做一些初步分析，为正确选择使用钻头和改进钻头结构设计打下基础。
第一节刮刀钻头（Drag bit）刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。
这种钻头的结构简单，制造方便，如果设计使用得当，在泥岩和页岩等软地层中强以得到高的机械钻速和钻头进尺。
美国在马拉开波湖地区，有一只鱼尾钻头的进尺达到2527.5米。
我国近十几年来在刮刀钻头的研究和实践方面取得了突出的效果。
六十年代初期出现了千米刮刀钻头，七十年代取得了双知米刮刀钻头，目前，胜利油田采用金刚石刮刀钻头单只钻头进尺达到3135.87米，创造了国内外刮刀钻头进尺的最高记录。
但是，刮刀钻头也有其局限性，由于钻头承压面积大，在钻遇较硬地层或软硬交错硬夹层时，钻头吃入困难，钻进效率低。
近十多年来为了解决这一矛盾，研制一镶齿刮刀钻头，金刚石刮刀钻头，LX金刚石刮刀钻头等新型钻头，提高和扩大了刮刀钻头的钻进效率和使用范围。
下面就刮刀钻头破碎岩石的基本原理、结构设计和提高钻头的耐磨性等几个问题进行分析和讨论。
一、刮刀钻头破碎岩石的基本原理（一）刮刀钻头破碎岩石过程刮刀钻头刀翼在钻压P和扭转力T的作用下，以正螺旋面吃入切削地层，井底平面与水平面成θ角。
设P力和T力的合力为R，R可分解与剪切面垂直的分力N和与剪切面平行的分力F，根据摩尔强度理论，如摩擦力忽略不计，当F力等于或大于剪切面积与岩石抗剪极限强度乘积时，岩石沿剪切面破碎（图2-1）。
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图2-9 铣齿结构参数
齿高h：指齿根到齿顶的距离。 齿顶削平度k：指齿尖的宽度。 一般小钻头k=0.75～1mm；大钻头k=2mm。 一般软地层钻头的齿高、齿宽、齿距较大，而硬地 层则相反。
在研磨性较强的地层的钻头增大钻头外径部位的耐磨性的做 法称作保径。铣齿钻头为达到保径要求外排齿制成“П”形、“T” 形或“L”形(见图2-10)。
87 14.0～14.0
抗弯强度 /MPa 15 17.5
20
齿的体部都是圆柱体，是镶进牙轮壳体的齿孔内的部分，齿形 是指露出在牙轮壳体以外部分的形状及高度。
国内外常见的硬质合金齿的齿形如图2-11所示。
图2-11 硬质合金齿齿形图
楔形齿：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。
图2-3 刮刀钻头刀翼结构角
(θ)。 刃前角与切削角互为补角，刃前角φ＝90°-α。
(2)刀翼背部几何形状。刀翼背部应成抛物线形状，即刀翼的厚 度随距刀刃的距离增加而逐渐增厚，呈抛物线形。
(3)刀翼底部几何形状。有平底、正阶梯、反阶梯和反锥形几种 形状。
图2-4 刀翼底刃几何形状
平底刮刀钻头：钻速慢，结构稳定； 正阶梯型：钻速快，缩径； 反阶梯型：钻速快，易蹩断； 反锥型：钻速较快，不缩径，不易蹩断。 (4)提高刀翼的耐磨性。刀翼一般采35CrMo或MnSiMoV 高强度合金钢锻制而成，以保证有足够的强度。
勺形齿：是美国休斯公司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。
偏顶勺形齿的齿顶相对于其轴线超前偏移了一个距离，其凹面 正对被切削的地层。
圆锥勺形齿是在圆锥形齿的基础上产生的，它切削地层的工作 面内凹，背面是微向外凸的圆弧形。
平顶形齿，齿形为圆柱体，端部有倒角，它只用在牙轮钻头的 背锥上，以防止背锥磨损，达到保径及提高钻头寿命的目的。
刀翼
•三刀翼的称作三刮刀钻头 •两刀翼的称作两刮刀钻头 或鱼尾刮刀钻头 •四刀翼的称作四刮刀钻头
图2-1 刮刀钻头结构
刮刀钻头刀翼的结构特点： (1)刀翼结构角，包括刃尖角、切削角、刃前角 和刃后角。 刃尖角β是刀翼尖端前后刃之间的夹角，它表示 刀翼的尖锐程度。 切削角α是刀翼前刃和水平面之间的夹角。 刃后角ψ＝α-β。刃后角必须大于井 底角θ。 井底岩石表面和水平面成一夹角，此夹角称作井底角
三、牙轮钻头的结构 及工作原理
牙轮钻头分为三牙轮钻头，两牙轮钻头、单牙轮钻头 和四牙轮钻头。
(一)牙轮钻头的结构
分为有体式和无体式两类
图2-7 三牙轮钻头（铣齿密封滚动轴承喷射式）
1．牙轮及牙齿 (1)牙轮具有单锥和复锥两大类， 单锥牙轮适用于硬或研磨性较强的地层，复锥牙轮适用 于软或中硬地层。
(二)刮刀钻头的工作原理
刮刀钻头主要以切削、剪切和挤压
方式破碎地层，具体方式取决于钻头的
切削结构及所钻地层的岩性。
刮刀钻头破碎塑性岩石的方式 在钻
压W和扭转力T的作用下不 断产生塑性 流动。
图2-5 刮刀钻头破碎塑性岩石过程
破碎塑脆性岩石大体分为三个过程：
(1)刃前岩石沿剪切面破碎后。T力减小， 切削刃向前推进。碰撞刃前岩石锥牙轮
a—单锥； b、c—复锥； 1—主锥； 2—副锥； 3—背锥
(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， 齿的结构参数为齿尖角、齿高、齿顶削平度、 齿距等。
齿尖角 ：一般软地层 =38º～40º； 中硬地层 =40º～42º，硬地层， =42º～ 45º。
(2)在扭力T作用下压碎前方的岩石，使其 产生小剪切破碎，旋转力T增大(图2-6b)；
(3)刀翼或切削齿继续压挤前方的岩石(部 分被压成粉状)，当扭力T增大到极限值时， 岩石沿剪切面破碎，然后扭力突然变小(图 2-6c)。
图2-6 刮刀钻头破碎塑脆性岩石过程
碰撞、压碎及小剪切、大剪切这三个过程反复进行，形成 破碎塑脆性岩石的全过程。
3．储油润滑密封系统 既能保证轴承得到润滑，又可 有效地防止钻井液进入轴承内。 整个储油装置安装在牙爪的储 油孔内，与外界用传压孔相通，与
圆锥形齿：锥形有长锥、短锥、单锥、双锥等多种形状， 以压碎方式破碎岩石。锥角60°～70°的中等锥形齿用来钻中 硬地层，90°锥形及120°双锥形齿用来钻研磨性高的坚硬岩 石。
球形齿：顶部为半球体，以压碎和冲击方式破碎高研磨性 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。
抛物体形齿：是球形齿的变形，齿高较大但有一定强度，同样用 在高研磨性的坚硬地层。
第二章 钻进工具
第一节 钻头 第二节 钻柱
第一节 钻 头
一、概述
钻头分为牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三类。 钻头的技术、经济指标包括以下方面： 钻头进尺：指一个钻头钻进的井眼总长度； 钻头工作寿命：指一个钻头的累计总使用时间；
钻头平均机械钻速：指一个钻头的进尺与工作寿命之比。 钻头单位进尺成本：
2．轴承
牙轮钻头轴承由牙轮内腔、轴承跑道、牙掌轴颈、锁紧元件等组成。
根据轴承的密封与否，分为密封和非密封两类。 根据轴承副的结构，分为滚动轴承和滑动轴承。 对于滚珠轴承、滚柱轴承及滑动轴承，轴与轴承副 之间的接触方式分别为点接触、线接触与面接触。 密封圈有碟形密封圈、“O”形密封圈及金属密封圈 等几种。
图2-10 保径齿齿形
(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。
牌号
YG8 YG8C YG11 YG11C
表2-1 国产硬质合金性能
硬质合金成分/% 硬度 密度
WC
Co
/RA
/g·cm3
89
8
89 14.4～14.8
92
8
88 14.4～14.8
89
11
89
11
C Cb Cr t tr
H
式中：C——单位进尺成本，元/m； Cb——钻头成本，元； Cr——钻机作业费，元/h； t——钻头钻进时间，h； tr——起下钻及接根时间，h； H——钻头进尺，m。
二、刮刀钻头的结构及工作原理
(一)刮刀钻头的结构
刮刀钻头结构可分为四部分：上钻头体、下钻头体、刀翼、水眼