牙轮钻头的尺寸知识讲解

1．钻具口型

5寸（127mm）钻杆411*410扣型、外径127mm、 内径108mm。

7寸（178mm）钻挺411*410扣型、外径178mm、内径 71.40mm

8寸（203mm）钻挺631*630扣型、外径203mm、内径 71.40mm

1）完整的钻杆接头代号 由四部分组成：

对于内平、贯眼、正规型接头螺纹，接头螺纹代号用接头所配钻杆通称外径（以英寸为单位）和代表接头接头类型的符号来表示，而对于数字型接头，用NC和和表示螺纹基面中径尺寸（1/10in）的数字表示。如4IF_42X表示配外径为4in（101.6mm）钻杆、线密度为20.8kg/m、X级钻杆用内平式接头。NC50_62E表示陪外径5in(127.00mm)、线密度29.0kg/m、E级钻杆用数字型接头。

2）钻挺的扣型表示方法

NC26_35,表示扣型短横线“_”前面的两位数字是以英制单位表示的丝扣节圆直径，后两位数字是以英制单位表示的外径尺寸。

水龙头下端扣型（631）

上旋塞（631*630）

方钻杆扣型（521*630）

转换接头（411*520）

下旋塞（411*410）

方保接头（411*410）

书写钻具组合时规范为：外径+名称+长度

合川001-83-H1井二开双扶通井钻具组合

○1311.2mm钻头*0.29m+○1203mm双母接头*0.81m+○1203mm回压凡尔*0.5m+○1310mm扶正器*1.72m+○1203mm无磁钻挺*9.01m+○1210mm转换接头*0.48m+○1308mm扶正器*0.97m+○1219mm转换接头*0.46m+○1219mm转换接头*0.80m+○1127mm加重钻杆*27.72m+○1203mm旁通阀*0.50m+○1127mm加重钻杆*251.89m+○1127mm钻杆*1115.86m+○1 _方保接头*0.81m+○1_下旋塞*0.44m+○1_转换接头*0.80m

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。它以凿击和压碎作用破碎岩石。因为齿顶球面与井底岩石为点接触，其产生的接触应力大，当接触应力大于岩石本身的强度时，即发生脆性破碎，其破碎体积远大于接触面积，因此，钻硬至极硬地层破碎效率高。

文章编号:1004—5716(2001)02—100—02中图分类号:P634.4　文献标识码:A󰂡104牙轮钻头设计与加工工艺樊腊生1　李山1　魏学仁2(中国地质科学院探矿工艺研究所　四川　成都　610081)　(甘肃探矿机械厂　甘肃　榆中　730100)摘　要:详细介绍了󰂡104牙轮钻头的设计计算过程和加工工艺。关键词:牙轮钻头　啮合图　O型密封圈　加工工艺 针对小井眼石油钻井和5″尾管(内径107～115mm)完井一直没有适用的牙轮钻头的情况,我们设计试制了DK104XH4三牙轮钻头。该型钻头采用硬质合金镶齿、滑动轴承密封润滑和储油压力平衡补偿;在掌背结构上作了改进,以在满足强度要求的情况下尽量增大环空面积,使岩屑上返更迅速,适合于高时效的钻井。1　牙轮钻头的设计牙轮钻头是由牙掌、牙轮、轴承、水眼和储油密封补偿系统等部分组成,它由三组装有牙轮的牙掌直接焊接而成(如图1)。

图1　三牙轮钻头1.牙掌;2、3、4.牙轮;5.结合销;6.齿刃;7.钢球;8.O型密封圈;9.塞销;10.骑缝钉;11.孔用弹性挡圈;12.压盖;13.橡胶囊;14.堵头1.1　牙轮钻头直径D1的设计计算牙轮钻头直径设计主要采用校验方法,首先确定钻头的C值(牙掌牙轮基准尺寸),e(装配后的间隙值),h(牙轮背锥高度),Β(牙轮轴线与钻头轴线交角),2󰂡(主锥角),S(牙轮轴线偏移值)。基本参数C=39.4mm;e=0.4mm;Β=54°;h=6mm;2󰂡=88°;S=0;b=2.8tg22.5°=1.16mm。P=C󰃗sinΒ-(e+h+b)=41.14mmd1=20.25D2-P2=20.25×1052-41.42=65.23mm取d1=65.2mm,d=d1-6=59.22m校D1=20.25d12+P2=20.25×65.22+41.142=104.98mm1.2　牙轮钻头牙轮的设计计算牙轮直径d=d1-6=59.2mm牙轮背锥角2Χ=2Β+1°=109°牙轮背锥直径d′=d-2×6󰃗tg35.5°=42.38mm牙轮背锥高度h=6mm牙轮锥高H=P+h+b+M-3󰃗sin󰂡=41.14+6+1.16+1.02-3󰃗sin44°=45mm超顶距M=1.02mm1.3　硬质合金镶齿硬质合金牙齿采用粉末冶金的方法压制、烧结,主要成分是碳化钨和钴。硬质合金齿的体部是圆柱体,齿刃部分按在牙轮体上的部位(主锥、规径、锥尖、背锥)有楔形、球头、平头等几种。采用冷压固齿工艺把硬质合金齿镶装在牙轮体上,镶齿过盈量在0.04～0.07mm。1.4　牙轮钻头的齿圈啮合图和井底击碎图(S=0)定一中心,作半径为M的圆;通过中心,作为󰂪号牙轮轴线,从圆和轴线交点作为牙轮顶点画牙轮剖面轮廓;从󰂪号牙轮轴线逆时针转2sin-1[sin60°sinΒ],画󰂬号牙轮轴线,同样画上第三牙轮剖面轮廓;从󰂪号牙轮轴线逆时针转2sin-1[sin60°sinΒ],从󰂬号牙轮轴线顺时针转2sin-1[sin60°sinΒ],各画一根代表󰂫号牙轮轴线的中心线,把两半󰂫号牙轮分开画在上述两根󰂫号牙轮轴线上。这样就形成了全钻头的近似牙轮啮合图(如图2)。总第69期2001年第2期　西部探矿工程WEST_CHINAEXPLORATIONENGINEERINGseriesNo.69Mar2001井底击碎图是把三个牙轮的牙齿合并画在一个牙轮上所形成的井底覆盖图(如图2)。

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一、牙轮钻头

1、结构

1）钻头的结构特点

三牙轮钻头是由牙掌、牙轮、轴承、锁紧元件、储油密封系统、切削齿和流道喷嘴水力结构等二十多种零部件组成。

2、工作原理

1)钻头的公转

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。

3)钻头的纵振（轴向振动）冲击压碎作用

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。

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3、江钻牙轮钻头表示方法

江钻三牙轮钻头型号由四部分组成：

钻头直径代号 钻头系列代号 钻头分类号 钻头附加结构特征代号

示例：8 1/2MD517X

8 1/2：钻头直径8.5英寸（215.9mm）

MD：高速马达钻头系列代号

517：适合低抗压强度和高可钻性地层的镶齿钻头

X：主切削齿为凸顶楔形齿

1)钻头直径代号：用数字（整数或分数）表示，单位一般为英寸。

2)钻头系列代号：对于三牙轮钻头，按其适用功能、轴承及密封结构主要特征等方面，分为13个标准系列。

钻头应用表

钻头应用 MD HF SWT Q YC HJ/GJ HA/GA SKF SKH/SKG SKW

高转速 ● ●

高温 ● ●

高研磨性 ● ●