打井出水量小能变大吗(钻井队一线技术员技术小结（九）)

PDC加一度螺杆以复合钻的形式达到了造斜点后，起钻换牙轮钻头，通过两者钻进的进尺和钻时，寿命及起出钻头的状况对比。体会了一把它们之间的不同。加深了印象。PDC是低钻压高转速，一般在实际操作中，我们用4到5吨打，偶尔要把井斜打起来，我们才加5到6吨的钻压。而相应的钻盘转速我们一般采用二档高速，理论上的就是170r/min。而牙轮钻头正向反，要采用高钻压，低转速。而实际现场使用的确是高钻压，但是转速并非是低转速。定向的过程中，螺杆带着牙轮转头就有很高的转速了，而加上复合钻，牙轮已经不在是低钻速了(一档高速117r/min)。本人曾经试过用二档低速和一档高速打钻，同样的钻压来打同一地层(螺杆带牙轮钻头)，发现低转速钻时要高于高转速的钻时。这说明牙轮也需要高转速，只是这个转速不能是PDC的二档高速。比较前口井的钻时与相应地层的记录，也发现了这个”潜规则”。。。。

正文：

一．基本介绍

通过序言，读者应该大致明白本篇想介绍什么。当然是牙轮钻头的科学破岩方式。

基本的牙轮的钻头的特点与结构，读者可以参考教科书。

上图中牙轮钻头的储油润滑和密封系统既能保证轴承得到润滑，又可以有效地防止钻井液体(包括钻井液相和固相以及夹杂在钻井液中的各种岩屑)进入钻头的轴承内。大幅度地提高了轴承以及钻头的使用寿命。

钻头工作时，牙轮上的牙齿在破碎地层的同时受到地层的反作用力，造成牙轮沿轴线方向产生高频振动，造成轴承腔内外的压差，使轴承腔内产生抽吸和排液作用。由于密封圈的作用，钻井液不会被抽吸到轴承腔内，轴承腔内的油脂也不会流出钻头，而储油腔内的润滑油脂则会被抽吸到轴承腔内。储油密封系统还通过传压孔，压力补偿膜使轴承腔内的润滑油脂的压力与钻头外的钻井液压力一致，使密封圈在较小的压差下工作，以保证密封效果。

上图为牙轮钻头的结构示意图。参照此图结合现场使用的牙轮钻头，可以加深了解。

上图为牙轮钻头的结构示意图。参照此图结合现场使用的牙轮钻头，可以加深了解。

牙轮钻头轴承由牙轮内腔，轴承跑道，牙掌轴井，锁紧元件等组成。轴承副有大，中，小和止推轴承四个。

关于牙轮的轴承结构，它是决定钻头寿命长短的重要因素之一，按结构不同分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滑动轴承的摩擦面是面接触，承压面积大，接触压应力较小，轴承寿命较长。由于不用滚柱，可加大轴颈直径和增加轮壳厚度，使轮壳强度增加。

中轴承的作用是锁紧牙轮，中轴承如果磨损，则牙轮会从轴颈上分离，因而中轴承非常重要，即使中轴承磨损后没有达到牙轮从颈上分离的程度，但中轴承也失去了定位作用，牙轮和轴颈之间松动，会加剧轴承磨损。一般用滚珠轴承作为中轴承是由于工艺原因。因而近年来有些钻头用卡簧代替滚珠轴承，这样可以进一步增加大轴承的面积，同时简化轴承结构及加工工艺。

牙轮钻头的轴承承受着由钻柱质量和孔底振动造成的很大载荷，是最容易磨损的薄弱环节，必须加强润滑和保护。

上图分别为自洗不移轴和自洗移轴的铣齿和镶齿钻头的布齿方案。

铣齿牙轮钻头的牙齿均为契形齿，由牙轮毛坯直接铣削加工而成。牙轮因移轴等结构使牙齿在井底有轴向滑动，故需要敷焊牙齿的内端面，牙齿在井底滑动很小，不敷焊碳化钨粉，而是直接对牙齿表面渗碳，淬火处理。这样可以避免敷焊层剥落，增加牙齿的韧性。

用于钻进软和中硬（部分硬岩）的岩石。钻进塑性和粘结性岩石时，常采用自洗式牙轮钻头。镶齿式牙轮钻头是把用粉末冶金方法做成的硬质合金镶嵌体作为齿冠，主要用于钻进硬和坚硬（甚至极硬）岩石。

镶齿的硬度和抗磨性比铣齿高，寿命比铣齿长。特别是在高研磨性的极硬地层中钻进，镶齿更显示出其优越性。

镶齿的齿形：目前国内外常用的镶齿齿形大致有六种。保径措施大多采用加强规径齿保径。这些齿比中间齿圈和轮尖处牙齿的碳化钨含量高，硬度大，抗磨性强。一般保径齿的齿刃高较短，牙齿直径较小，布齿较密，使其不易折断和不易磨损。外排齿的每颗牙齿都经过打磨，外侧的水平面与井壁平行，使外排齿与井壁由点接触变为面接触，不易磨损，从而更好地起到保径作用。

为了修整井壁和防止背锥磨损，在牙轮背锥上镶装平顶形齿。当规径齿磨损后，它也能起保径作用。

下面来介绍下喷嘴。目前国内外使用的喷嘴有六种：椭圆进口喷嘴，圆弧进口喷嘴，双圆弧进口喷嘴，锥形流道喷嘴，流线形喷嘴和等变速型喷嘴。为了提高射流冲击效果，要求射流流束密集性好，即半扩散角a小，等速核长度要长，为了使液流通过喷嘴时能量损失小，要求流量系数要大。

下面是各个喷嘴的示意图

从上表中，可以看出来流线形喷嘴和等变速喷嘴为最好的。

上图是我们现场使用的牙轮喷嘴，444.5MM的一开钻头的喷嘴要比这个大。上图中间的喷嘴是实心的，有时候我们为了提高在软地层的水利破岩效果，就使用两个喷嘴而堵住另外一只喷嘴。

固定喷嘴的方法就不讲了，有专门的卡簧和卡簧钳。

二．牙轮钻头的工作原理

牙轮钻头的运动学，动力学和岩石破碎力学是牙轮钻头破碎岩石的基本理论，它们研究牙轮钻头的运动状态，受力状态和破碎岩石的规律。

牙轮钻头运动学研究的对象是钻头工作过程中，钻头各部分特别是牙齿的运动轨迹，速度和加速度。钻头钻进时，钻头牙齿不仅要绕牙轮旋转，还要绕钻头轴线旋转。与此同时，牙齿在井底还有滑动，还要随钻头在垂直于井底平面方向上作纵向振动。

苏联BC波廖科夫等人的四个基本假设推出如下结论：

1． 三个牙轮锥体的轴线相交于钻头中心时，钻头上的牙齿在井底作纯滚动运动。

2． 三个牙轮锥体的轴线不通过钻头中心，向钻头旋转方向平移一段距离，称为偏移值或移轴距，则牙轮在滚动过程中要同时引起滑动，这种滑动的方向是沿着牙轮与井底接触的母线，向钻头中心的滑动，称为牙轮的轴向滑动，偏移值越大轴向滑动也愈大。

3． 三个牙轮椎体的顶点超过钻头的中心，超出的距离为超顶距，超顶牙轮的牙齿在井底产生切向滑动，切向滑动的速度随超顶距的增加而增大。

4． 牙轮锥体具有二个或二个以上的复锥体时，牙轮也产生切向滑动。

移轴产生的轴向滑动可以剪切破碎井底齿痕圈之间的岩石，超顶和复锥产生的切向滑动可以剪切破碎井底同一齿痕圈上相邻破碎坑之间的岩石。

牙轮的运动主要包括：牙齿随牙轮绕钻头轴线旋转；牙齿绕牙轮轴线旋转；牙轮滚动引起牙轮及钻头产生纵向振动。在牙轮滚动过程中，牙齿交替地以单齿或双齿接触井底，使牙轮轴线在垂直井底方向上作上下的纵向振动。振动的频率与牙轮齿数及牙轮转速成正比。振动的振幅与牙轮的半径成正比与齿数成反比。振动的冲击速度与牙轮的半径及转速成正比，与齿数成反比。

上图为起钻后的钻头的使用情况。

西南石油学院马德坤等人对牙轮钻头运动情况的研究：

1． 全尺寸钻头的实验：8.5寸XHP4型钻头在石英砂岩中钻进时，三个牙轮的瞬时角速度-时间曲线。可看出牙轮每转一周，其角速度大幅度变化的次数往往等于或接近于该牙轮上次外圈或再次外圈牙齿的齿数，可称该圈牙齿为主齿圈。牙轮每转一周，瞬时角速度大大小小波动的总次数往往接近于该牙轮的总齿数。即每颗牙齿与井底接触一次就引起牙轮运动一次变速，其中主齿圈上的牙齿引起的变速最大。由此可见，可用单轮片的运动规律来解释全尺寸钻头的运动。这由于牙轮本身是由多个牙轮片构成，而牙轮的主齿圈又在整个牙轮的运动中起主导作用。

2． 牙轮片运动学理论：牙轮片的运动属于三个自由度的问题。牙轮钻头实际钻进时，周围的环境形成了某种约束，使自由度减少，牙轮就按某种具体规律运动，那些环境造成的约束条件如果发生变动，牙轮运动规律也随之而变。如果约束条件的变动时随机的，牙轮就作随机运动。

结论：1.钻头钻进时，钻头和牙轮的角速度都是一个随机变量。其变化规律受钻头结构，井底情况和钻柱振动的影响。牙轮角速度的变化必然影响牙齿对井底的冲击和滑动，也会影响钻头的机械钻速。

2.井底接触的牙齿总会对井底有一定的径向滑动。如果井底给牙齿的阻力足以阻止这种滑动，那就会迫使钻头中心移位而引起井眼扩大。

3.距钻头相当距离以上的钻柱才接近匀速转动。在这个距离以内的钻柱扭转振动和纵向振动同时钻头牙轮的运动相互影响。因此钻柱下部结构对钻头工作效果的影响不可忽视。

三．牙轮钻头动力学

牙轮钻头动力学的研究对象是钻头各部分的受力状态。井底模式分析说明牙轮钻头的运动状态不仅与齿面结构有关，还与岩石性质，钻井参数有关。这说明牙轮钻头的运动状态和受力状态时相互影响的。

1. 牙轮钻头工作受力分析：钻头钻进时，轮齿交替地以单齿或双齿接触井底，使牙轮轴产生纵向振动。三个牙轮轴的振动传给钻头，使钻头也产生纵向振动。在每次纵振中，钻头上行将压缩下部钻柱；钻头下行下部钻柱恢复原长，其位能转化为钻头的动载荷。所以钻头工作时，钻头轮齿作用到岩石上的力不仅有静载荷，还有动载荷，即钻头牙齿冲击破碎岩石时，钻头受到的岩石反力也应等于静载荷(大小等于钻压)与动载荷(大小等于钻头与下部钻柱加速下降而产生的动载荷)之和。实际钻进时，钻头结构，井底岩石性质，钻进参数，下部钻柱的尺寸及泵压的脉动等都对动载荷有影响。甚至当牙轮轴的振动频率与钻头钻柱系统的自振频率相同时，还会出现共振，使钻头振幅很大，产生极大的冲击载荷。

钻头在井下工作时，除了受到纵向的载荷和动载荷外，还要受到钻柱传来的扭矩的作用。当钻压较大，牙齿吃入岩石较深，尤其是牙齿在井底滑动较大时，钻头受到的扭矩就更大。此外，钻头背锥和裙部与井壁摩擦，钻头要受到井壁的摩擦力矩。钻头水眼内喷出泥浆，钻头还要受到液流的喷射反力的作用等等。总之钻头在井底工作时，受力情况极其复杂，目前还不能精确计算。

2. 在试验室内测定钻头受力状况：略。

3. 在井下实测钻头受载的情况：正常钻进时钻压的变化通常是在平均钻压的25-50%范围内；有时最大钻压达到平均钻压的3.5倍。正常钻进时，钻头的纵向振幅一般较小，小于或等于1.6毫米。而钻头工作不平稳时，振幅增大到25.4毫米，振动大时钻头会短时间离开井底。当钻杆以自振频率振动时，有可能发生共振。

四．钻头牙齿对岩石的破碎作用

牙轮钻头主要以牙齿对岩石的冲击，压碎作用和剪切作用来破碎岩石。硬和极硬地层主要靠牙齿对岩石的冲击，压碎作用来破碎，极软和软地层主要靠牙齿对岩石的剪切作用来破碎，中软，中，中硬地层靠这两种作用同时破碎地层。

1． 冲击，压碎作用

钻头钻进时，当钻头向井底方向振动，牙齿对岩石的总载荷为钻压(静载)和动载荷之和。钻压使牙齿压碎岩石，称为压碎作用；动载荷使牙齿冲击破碎岩石，称为冲击作用。所以总载荷对岩石的破碎作用称为冲击，压碎作用。

2.剪切作用

钻头在极软或软地层中钻进时，牙齿易吃入地层。由于牙齿在井底有一定滑动，使牙齿在井底移动一小段距离，剪切刮挤掉这一小段的岩石。这种破岩作用称为剪切作用。

牙轮及牙齿的布置方式：

下面引自教科书上的几段话：

剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿队井底的滑动实现的，产生滑动的原因是由牙轮钻头的超顶，复锥和移轴三种结构特点引起的。

牙轮锥顶超过钻头轴线，这种特点称作超顶。牙轮的超顶产生滑动，滑动速度随超顶距的增加而增加。

牙轮的轴线相对于钻头轴线平移一段距离，这种方式称为移轴。超顶复锥所引起的切线方向滑动除可在切线方向与冲击，压碎作用共同破碎岩石外，还可以剪切掉同一圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石：移轴则在轴向产生滑动和切削地层的作用。它可以剪切掉齿圈之间的岩石。

实际上，对于钻极软到中硬地层的钻头，一般兼有移轴，超顶和复锥结构；一部分中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。对于极硬和研磨性很强的地层，所用的钻头结构基本上是纯滚动而无滑动的(单锥，不超顶，也不移轴)，即使这样，钻头工作也会对地层产生剪切作用。

通过课本上的介绍，我们对钻头实际选型有了个依据。

布齿原则：转一周牙齿全部破碎井底，不留下未被破碎的凸起；牙轮在重复滚动时应使牙齿不落入别的牙齿的破碎坑内；牙齿磨损均匀。

牙轮布置方案：

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；

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；

自洗移轴布置：各牙轮牙齿齿圈相互嵌合，副锥，超顶，移轴，用于软地层；

因地层的原因造成的断齿：钻头早期多为背锥齿、外排齿和次外排碎断失效，主要原因是钻头使用钻压较低，钻遇强度高于合金齿强度的燧石结核，造成跳钻严重，在未使用减震器和有掉块的环境下，使得线速度最大的外排齿和与井壁接触的背锥齿，受异常冲击载荷而部分先期碎断，随后发展到整颗齿和整排齿碎断，后期碎断断口磨平，形成外排齿至背锥磨牙轮体成圆弧状的特征。

五．关于牙轮的制作工艺(略)

请参考相关书籍！

六．牙轮钻头的合理使用

钻头类型的选型对钻井速度影响很大，往往由于钻头选型不当，使得钻井速度慢成本高。正确的选择钻头，一方面要对现有钻头的工作原理与结构特点清楚的了解，另一方面还应对所钻进的地层岩石物理机械能有充分的认识，地层岩石物理机械性能主要是指岩石的硬度，塑脆性，研磨性，可钻性以及埋藏深度，上覆岩层压力，孔隙压力与渗透性等岩层性质的了解，由于即使同一种岩性，其物理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。

1.研磨性地层的选型：研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速降低很快，钻头进尺少，特别会磨损钻头的规径齿以及牙轮背锥与爪尖，使钻头直径磨小轴承外露，加速钻头的损坏，这时最好选用镶齿钻头。

2.浅井段与深井段钻头的类型的选择：为了达到最好的经济效果，在浅井段应选用机械钻速较高类型的钻头，深井段应该考虑使用寿命长的钻头。如上部的松软地层可选用喷射式的P1或P2型钻头，深部的软地层可选用简易滑动喷射式HP2型钻头，这样可达到降低每米成本的目的，特别是在海洋钻井与钻机成本较高的井队，经济效果更为明显。

3.深部软地层的选型：根据生产实践知道,约在3000米以下井深遇到泥岩，页岩等软地层岩石时，往往选用硬地层钻头时，钻头机械钻速很低，如使用软地层钻头钻进时，又易造成过多断齿的现象，人们形象地称这种地层为”橡皮地层”，这是由于软岩石在深部处于各向高压状态时，岩石物理机械能就要改变，岩石的硬度增大，塑性也增大。因而使用主要靠冲击破碎岩石的硬地层钻头类型时，破碎岩石效果差，机械钻速慢，而用软地层钻头加大刮挤作用来破碎岩石时，易断齿，钻头使用寿命短，所以这时最好方法是用低固相优质轻泥浆，选择中硬地层钻头类型，往往效果较好。

4.易井斜地层的选型：地层倾角较大是造成井斜的客观因素，而下部钻柱的弯曲与钻头类型选择不当，是造成井斜的技术因素。对于钻头类型与井斜的关系，过去往往不被人们所认识，通过理论分析与实验得出，移轴类型的钻头，在倾斜地层钻进时易造成井斜，所以应选用不移轴或移轴量很小的钻头，同时，保证移轴小的前提下，还应选比地层岩石性能较软类型的钻头，这样可以在较低的钻压下提高机械钻速。

5.软硬交错地层的选型：一般应选择镶齿钻头中加高契形齿或加高锥球齿，这样既在软地层中有较高的机械钻速，也能保证对付硬地层，但在钻头钻进时的钻压及钻速上应有区别，钻进软地层时可提高转速降低钻压，在硬地层井段应提高钻压降低钻速，达到更好的经济效果(作者：这一段可能有些问题，大家应该自己做分析理解)。

总之，选择钻头类型的目的是保证井身质量的前提下，达到每米成本最低的经济指标。

七．镶齿滑动密封喷射式三牙轮钻头的正确使用

1．五个不准下井

(1)井底不干净又落物，镶齿钻头不准下井，必须将落物打捞出来才能下井。这是由于镶齿钻头的牙齿材料是碳化钨(通常称硬质合金)，虽然它的硬度与耐磨性都比钢大得多，但它的韧性与冲击性能比钢差，井下有硬的落物碰撞时很容易造成断齿，断或掉了的硬质合金齿又损坏其它齿。

(2)井眼缩小或井下复杂，需要长井段划眼时不能使用镶齿滑动密封喷射式钻头。因为划眼使钻头各牙轮的外排齿受到较大的井壁反力，方向垂直于井壁(尚有沿着井壁的摩擦力)。井壁反力对牙轮可分解成径向分力和轴向分力，轴向分力向钻头中心方向，造成牙轮背锥及牙爪尖的磨损，会引起钻头密封圈的早期失效，使钻头轴承提前损坏，同时，由于目前的牙轮上没有专门承受沿钻头中心的轴向止推结构，所以该轴向分力将全部由滚珠承受，因此造成滚珠磨损甚至压碎，使轴承早期失效。

(3)地面设备有刺漏损坏等现象，达不到喷射钻井的要求，镶齿滑动密封喷射式钻头不准入井。

(4)泥浆性能不好不准下井：钻井时必须保证除砂器，除泥器，高效率振动筛正常运转，使泥浆固相含量降低到最小值，才能充分发挥这种钻头的作用。

(5)钻头水利参数未经认真设计，镶齿滑动密封轴承钻头不准下井。

2．七点操作要求：

(1)为保证钻头在井下平稳的工作以延长钻头与轴承的寿命，应在钻头上面接减震器与扶正器，特别当使用的钻压或转速超过钻头厂推荐的范围时，必须加减震器才能使用。

(2)新钻头下入井内时速度不宜太快，太快可能造成镶齿与井壁受撞击而损坏，尤其在下套管与井斜大的井段。另一方面，起下钻速度太快，还易造成过大的压力激动，使泥砂进入轴承而影响轴承寿命。

(3)下钻接近井底时或接单根下放钻具时速度不能过快，更不允许突然刹车，这样会造成井下钻具在惯性作用下伸长而冲击井底，损坏硬质合金齿。列如：某井使用5寸无细扣壁厚为9.19毫米的2000米钻具(钻铤重20吨)，如忽略钻具下放时与井壁及泥浆中的阻力，由于操作过猛，造成1米/秒减加速度时，通过理论计算可引起1.43米的伸长。而当井深4000米时的钻具，减加速度1米/秒可引起4.50米的伸长，而且这种因伸长而撞击井底，在指重表上是不易察觉，因此最易造成牙齿的损坏。

(4)新钻头下到井底，开始要轻压慢转一段时间，因为旧钻头形成的井底与新钻头底面形状不相符合(即使同一类型的钻头)，造成钻头上的个别齿首先接触井底，形成很大的冲击载荷，使个别牙齿蹩断，断后的牙齿又损坏其它牙齿，所以新钻头下入井底，必须用低钻速低钻压钻进，逐渐使井底与钻头各圈牙齿全面接触，同时也使轴承跑合一段时间，在任何情况下都不允许加压起动转盘。

(5)钻头转速应控制在厂家推荐的范围内，任意增大钻头转速，会造成牙轮与牙爪摩擦部位，因相对线速度的增大产生大量热量而损坏，国产滑动密封轴承钻头一般应控制在40-60转/分，引起钻头可根据厂家推荐的钻速范围内选用(作者：实际现场并不是这样，根据自己的需要调整)。

(6)钻进中加压必须均匀，不允许间断加压法，应允速的下放钻具，操作者还必须集中精力切忌溜钻。

(7)加压钻进中的钻具，需要停止转动时，如接单根，必须使指重表恢复原悬重或基本恢复后才能摘去转盘，以防止钻具被扭成数圈后，突然摘去转盘而恢复原长度，形成相当大的附加钻压，以致损伤钻头。

八．现场钻头使用评价与分析

在本油田本队承钻的严X平Y井中，我们分别使用了MD517X的钻头和HJ517G的两种牙轮钻头。先看看他们之间有什么不同。

上图是这两只钻头的齿间距离。随着岩石硬度增大，选择合适的钻头，钻头的牙齿也要减短，加密。齿形对地层的适应性也要考虑。

上图就是MD517X与HJ517G两只外观还不错的钻头之间的对比图。它们之间还是有很大差别的。从江汉钻头厂的使用手册上，我们了解到：

HJ517G：适用地层为低抗压强度，高可钻性的软地层，如页岩，粘土，砂岩，软石灰岩等。钻头的主要特征是大直径偏顶勺形内排齿，契形外排齿。齿出露高，不等距布齿。推荐钻压0.35-1.05KN/mm(钻头直径)。那么215.9mm的钻头钻压范围就在75.6KN到226.7KN之间。一般我们不超过18吨。定向时一般是12吨，如果有拖压也才加到14吨。让我们接着看看MD517X钻头的厂家介绍。

MD517X适用地层为低抗压强度，高可钻性的软地层，如页岩，粘土，砂岩，软石灰岩等。正常钻压在0.35-1.05KN/mm(钻头直径)。这是一种能和螺杆配合使用的钻头。其特点有掌背金刚石复合齿保径(适合于地层研磨性强的定向井和水平井)，牙轮金刚石复合齿保径(大大增强钻头保径能力，延长其寿命。适合于研磨性强的地层)，硬塑性地层切削结构(采用独特的设计参数和加长的切削齿齿顶，提高牙齿的井底破碎体积和井底覆盖率，提高钻头在塑性地层中钻进速度)，凸顶契形齿(具有切削效率高和抗破碎能强等特性，有效提高钻头机械钻速和延长钻头使用寿命。适合中软至中硬地层)，流道强化，锥球齿(适合在硬脆性地层中钻进)。

以上就是两只钻头的基本情况，从厂家使用说明书上看。给人第一印象还是MD517X钻头可能会好用一些。

同时引用下教科书上对齿型的描述及使用：

1． 契形齿：齿形呈”契子状”，齿尖角由65到90度不等。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。齿尖部位皆做成圆弧面，各处棱角倒圆，以防止齿尖崩碎。对中硬地层，齿尖部位圆弧较大(称纯契形齿)或齿较宽(称为宽契形齿)。我国生产的有些契形齿的钻头的保径齿采用边契齿是一种不对称的契形齿，齿刃部分一边宽一边窄，宽的一边抗磨性能强，装 在钻头的外缘，以起到保径作用。

2． 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，强度高于契形齿。锥角60到70度的中等锥形齿用来钻中硬地层，如灰岩，白云岩，砂岩等。90度锥形及120度双锥形齿用来钻研磨性高的坚硬岩石，如硬砂岩，石英岩，燧石等。

3． 球形齿：顶部为半球体，以压碎和冲击方式破碎高研磨性的地层，如燧石，石英岩，玄武岩，花岗岩等，强度和耐磨性均高。

4． 勺形齿：是一种不对称的契形齿，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。这种结构改善了牙齿的受力情况，既提高了破碎效率又增强了齿的强度，可高效破碎极软至中软地层的岩石。在勺形齿的基础上，近期又进一步地发展了偏顶勺形齿及圆锥勺形齿。偏顶勺形齿的齿顶相对于其轴线超前偏移了一个距离，其凹面正对被切削地层，这样可以进一步改善牙齿受力面的应力分布，提高牙齿的破岩效率和工作寿命，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。

以上就是书本上，对牙轮牙齿破岩有了个初步的概念。

上图是两只钻头的齿之间的差别，请读者仔细阅读厂家说明，就可以明白两种钻头齿间的差别。

其实一口井在某一井段的两只钻头不好对比，但是在严X平Y井中，我们新下的MD517X钻时明显偏高，然后立即起钻下HJ517G钻头钻时变快。首先参数是没有变化过的。钻压140KN，钻速28r/min，喷嘴16+14+19,泥浆性能1.30，粘度80。井段从2943米到-3078米之间，井斜由76.04度到86.70之间递增变化，且方位不变。

上图为连续井段的钻时数据，读者可以仔细体会。个人认为，虽然选用的是28r/min的转速(LWD仪器厂商要求)，但是井底的螺杆的转速应该也有100转/分钟。同样的参数下，却有不同的钻时。有没有可比性我也不知道，每个人见解不同。通过上面的牙轮破岩机理，个人觉得HJ517G的偏顶勺形内排齿要比MD517X的凸顶契形齿要好，纵向运动插入地层，由于牙轮的公转，带动勺形齿把岩屑挖动，又由于牙轮的自转产生滚动的效果，将岩屑推移了一小段位移。且HJ51G小齿也比MD517X相对要密。

上图在前面几篇里出现过，这里拿出来说下。主要是牙轮本体上的凹陷。在以前的文章里，说这是由于水利冲蚀造成的。可有心的读者在学习本文后会发现，凹陷的部位大多都在起纵向冲击压碎破岩的齿的中间。个人认为MD517X的齿要比HJ517G的齿稀疏一点。在现场HJ517很少有这么严重的情况。 所以造成了本体的不平整。

上图是本口井使用的HJ517G钻头，出现的脱轴的情况。当然这是在使用寿命之外出现的，不属于质量原因(未经允许请勿转载此图，后果自负)。从钻时和地层上来分析，此钻头脱轴可能是钻头接近尾期，在起钻前的某段所造成的。在钻灰色粉砂岩和灰色泥岩时平均钻时42分钟/米。而此时井斜20.6度。所以准确判断牙轮在井下的状况是非常关键的(此钻头的判断方法在顶岗日记日出现过，读者可以参考)。

九．判断三牙轮钻头井下工况异常的要素

地面设备的运转．岩屑与钻压．扭矩．机械钻速．压力等地面仪表都能直接反映井下情况，应密切注视，特别是扭矩．泵压．机械钻速和岩屑。

扭矩变化取决于井底情况和转速变化，正常扭矩值相对稳定，在软或塑性均质地层扭矩值较低，中软到中硬均质地层扭矩值居中，硬地层扭矩值较大并存在一定范围的波动。扭矩变化可能存在：扶正器划眼．钻头保径磨损．出现夹层．井底有落物．井身出现键槽或狗腿．钻压过大．转速变化．钻头或井底总成泥包．钻具刺漏或干钻等。

泵压不稳定存在：钻头泥包．环空内岩屑堆积．流量波动．钻到破碎地层或团块状地层．扶正器引起环空不暢。

机械钻速变化可能：地层变化．泥浆性能变化．钻压或转速变化．钻头磨损或泥包．清洗效果变化．钻具刺漏。

通过岩屑可了解：地层类型和岩性变化、压力带、井眼是否坍塌。钻头工作状况和磨损情况，钻井参数是否合理。

泥包：页岩或泥灰岩从泥浆中吸水后变粘，极易粘附在钻头上造成泥包。

钻头蹩跳表现为转盘负荷异常．扭矩大．钻具振动剧烈，仪表显示不稳定。

原因有：塑性地层摩擦扭矩过大而振动；钻遇软硬交错地层．裂缝地层．破碎性地层；井底有落物．断齿掉齿等。

十．钻盘钻进三牙轮钻头井下工况判断及处理

当发现钻头在井下工作异常：

首先、停止钻进，对所钻的地质情况、钻遇岩性、硬度、抗压强度、钻井液性能进行分析。

其次、对机械设备工况进行查询有无变化。

第三、在上述一、二正常情况下，采用轻压钻进（钻压30～50KN、其它参数不变）进行判断钻头在井下工作情况。

轴承损坏。转盘出现周期性蹩跳，钻压小蹩跳轻，钻压大则蹩跳重；钻速下降，泵压正常而指重表指针有摆动。

牙轮卡死。转盘负荷增大，转盘链条跳动，方钻杆有蹩劲，停转盘打倒车；钻速下降指重表指针摆动严重。

掉牙轮。转盘负荷增大，转盘链条严重跳动，停转盘打倒车；蹩钻严重；指重表指针来摆动；钻速明显下降或无进尺，上提钻具变换方向下探方入有变化，高差约为一牙轮高度。

牙齿磨光。转盘负荷减轻；方钻杆无蹩跳；钻速明显下降或无进尺；指重表指示平稳无摆动；泵压正常。

钻头泥包。转盘负荷增大有跳钻现象；钻速下降；上提钻具有不同程度的挂卡；泵压上升，严重时憋泵。

第四、区分钻具结构与钻头，引起转盘负荷（蹩钻）增大的工作。

具体操作方法：

上提钻具使钻头离开井底3～5M，缓慢启动转盘。观察转盘是否有蹩钻情况。

缓慢下放钻具，观察转盘是否有蹩钻情况。

如果是钻具结构引起蹩钻，应考虑进行短起下钻，处理钻井液的性能（密度、粘度、失水量、含砂量、塑性粘度和表观粘度）。同时根据砂样分析地层岩性和各个扶正器在井眼曲线中有位置。对于扶正器引起蹩钻的地层进行划眼工作，保证井壁的平滑，减少钻具结构下行摩阻。

第五、钻头泥包处理(其它钻头在井下工作异常情况：循环、起钻)：

处理钻头泥包的第一条原则就是：不要急于钻进，因为在钻进同时钻头上牙轮泥包的岩屑不能及时清理，钻头上牙轮泥包的岩屑不断累积，引起钻头环空变小，促使泵压升高、转盘负荷增大。

无论预防或处理钻头泥包，调整泥浆性能都是必然的，发现钻头有泥包迹象，应立即停钻并配置清洁剂在第一时间打入井内对钻头进行清洗。

停止钻进。在机械设备条件允许的情况下，提高钻井泵的排量，利用钻井液高压射流清洗钻头。同时将钻具上提使钻头离开井底5～8M，略提高转盘转速（10～20r/min）进行间断划眼工作。当钻井液性能符合井下要求后，用10～30KN钻压，跑合半个小时钻头。钻头工作正常后，全面钻进。将上述过程反复操作；如果在2个循环周内无效，就应当考虑起钻了。

十一.井下动力钻具钻进三牙轮钻头井下工况判断

井下动力钻具工作原理：以钻井液、清水为动力介质，通过钻杆中心孔输送到孔底的螺杆钻，实质上是把液体压力能转换为机械能的一种能量转换装置。钻探时，螺杆钻具直接带动连接在其孔底传动轴上的岩心管和钻头回转，整个钻杆柱仅作为输送高压工作介质的通道和支撑钻头反扭矩的杆件，不作回转运动。

1 井下动力钻具入井的准备工作

1.1 用提升短节将钻具提起，入转盘卡瓦内，使旁通阀位于转盘之上，装上安全卡瓦，卸去提升短节。

1.2 检查旁通阀的灵活性，方法是用木棒压下阀芯，然后松开，阀芯在弹簧力的作用下，恢复正常，反复压下3-5次，阀芯无卡阻，运动灵活。

1.3 接方钻杆将钻具旁通孔部位下到钻盘以下，缓慢开泵增大排量，使旁通孔封闭，马达启动，驱动接头旋转。并记录该排量。

1.4 停泵后，阀芯复位，钻井液从旁通孔泻出，钻具正常。

2 下钻完、钻进时参数记录

2.1 下钻至井底0.5M可开泵启动螺杆钻具。

2.2 开泵后逐步增加排量达到所需排量，记录下总泵压和排量。

2.3 短时间冲洗井底，缓慢加压，钻进1M左右后进一步加大钻压（随着钻压的增大，泵压也会上升，同时造成的压差值不得超过所规定的数值）。钻井液循环两周后，记录下加钻压前后钻压、总泵压、排量和钻井液性能。

2.4 司钻交接班时，将记录的数据交接清楚。

3 三牙轮钻头、井下动力钻具工作异常判断与处理

3.1 三牙轮钻头、井下动力钻具工作异常表现为四种情况：

3.1.1 泵压突然升高。

3.1.2 泵压逐渐升高。

3.1.3 泵压逐渐下降。

3.1.4 无机械进尺。

3.2 三牙轮钻头、井下动力钻具工作异常处理：

三牙轮钻头、井下动力钻具工作异常立即上提钻具0.5m左右，核对循环压力、钻井液的性能、立管压力表和检查设备。

3.2.1 　泵压突然升高

泵压突然升高，上提钻具0.5m左右，泵压恢复正常状态。逐步加钻压，压力表逐步升高，均正常。说明马达曾是失速，马达、传动轴卡死，钻头喷咀被堵。钻具提离井底，立管压力表读数仍很高，应起出钻具检查或更换。说明动力钻具马达、传动轴卡死钻头或钻头喷咀堵死。上提钻具0.5m左右，泵压恢复正常状态，逐步加钻压，压力表读数仍很高，应起出钻具检查，更换钻具或钻头。

3.2.2 　泵压逐渐升高

压力表压力慢慢地增高 (不是随井深或井温正常，增加的正常压降) 钻头水眼被堵钻具提离井底，再检查泵压，如果泵压仍然高于正常循环压力，可试着改变循环排量或上、下移动钻具，如无效，起出钻具检查、维修。钻头磨损 可以继续钻进，细心观察，仍无进尺，取出更换。

地层变化：把钻具稍稍提起，如果压力与循环压力相同，则可继续工作。

3.2.3 　泵压逐渐下降

泵压缓慢降低循环压力损失变化，检查钻井泵排量、钻井液罐内钻井液量。如果钻井液罐内钻井液量减少，发生井漏。立即进行堵漏工作。

在钻井泵排量、钻井液罐内钻井液量和钻井液性能都正常情况下，压力表读数偏低，稍提钻具，启、停钻井泵两次仍无效，起钻检查钻具是否剌漏。

3.2.4 　无机械进尺

在钻压、钻井泵排量、泵压和钻井液性能都正常情况下，地层岩性发生变化，试着改变钻压和排量钻进。

在钻压、钻井泵排量、泵压、钻井液性能和地层岩性都正常情况下，上提钻具，核对循环压力、钻井液的性能、立管压力表和检查设备。应考虑起钻更换钻头或动力钻具。

十二.单牙轮钻头小介

由于我们上口井下了小钻杆，钻了盲板。所有的钻头就是单牙轮钻头。

单牙轮钻头有多种形状，有呈球面的，呈锥面的，呈阶梯面的单牙轮钻头。单牙轮钻头与三牙轮钻头相比较，有以下优缺点：

优点：

(1)单牙轮钻头牙轮转速比钻头转速低得多，如球面单牙轮钻头，其牙轮转速只有钻头的转速的1/3到1/5，而三牙轮钻头的转速，一般是钻头钻速的1.2到1.4倍，因而在涡轮钻井时，尽管钻头转速很高，牙轮转速并不高，这样可以延长轴承的寿命。

(2)单牙轮钻头与三牙轮钻头相同尺寸时，单牙轮钻头的轴承尺寸比三牙轮钻头的轴承大得多，因而能承受较大的钻压与延长轴承的寿命。

(3)钻进时单牙轮钻头的牙齿相对地层滑动大，对地层的刮切作用大。单牙轮钻头钻进时受到的冲击载荷比三牙轮钻头小。

缺点：

(1) 单牙轮钻头的牙齿容易先期损坏，这由于一个单牙轮钻头的牙齿总数比三牙轮钻头少得多，而牙齿相对于地层的滑动又大，这就使牙齿更容易损坏，特别是在研磨性较高的地层或有硬夹层时，单牙轮钻头的牙齿寿命更短。

(2) 单牙轮钻头钻进时比三牙轮钻头更易引起井斜。