典型石油机械结构与工艺特点.docx

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典型石油机械结构与工艺特点

典型石油机械结构与工艺特点

第一节牙轮钻头结构简介

一、概述

随着石油天然气勘探开发难度的不断加大，面临的地质条件和自然环境日趋复杂恶劣，对勘探开发过程中的石油装备也提出了更高的要求。

牙轮钻头作为钻井的主要破岩工具之一，如何进一步提高其工作性能，延长其使用寿命，是目前石油天然气勘探开发领域急需解决的关键技术问题之一，也是减少起下钻次数，缩短完井周期的有效途径，将有利于加快我国石油天然气勘探开发速度，降低原油生产成本和提高原油产量，从而确保我国经济建设持续健康发展。

牙轮钻头的工作寿命对降低钻井成本，提高钻井速度起着十分重要的作用。

钻头从下井开始直到工作寿命结束后才从井底提出，中途在井下无法更换任何零件，其寿命长短直接影响机械进尺和起下钻次数。

因此，这就要求尽可能延长牙轮钻头各部件的工作寿命，从而提高牙轮钻头的整体工作寿命。

三牙轮钻头工作过程中，钻压由钻杆或钻挺施加在牙轮钻头上部，再由牙爪经轴承传递至牙轮，驱使牙轮上的牙齿压入和破碎岩石，同时钻头的旋转使得牙齿破碎岩石的位置发生改变。

通常81/2"三牙轮钻头的钻压在100～150kN左右，每个轴承载荷为30～50kN，轴承直径为57mm，旋转速度约为200转/分钟。

实际钻井过程中，由于牙齿与岩石互作用、钻柱振动产生的动载荷使得作用在钻头上的实际载荷为随机变化的动载荷。

二、牙轮钻头发展简史

自20世纪初期第一个旋转牙轮钻头问世开始，牙轮钻头就不断发展，并很快以其优良的性能成为钻井工业中最主要的破岩工具之一。

1909年8月10日，美国HowardR.Hughes取得了第一个牙轮钻头专利以对付钻井中遇到的刮刀钻头很难或者不可能钻进的较硬地层。

当时由于牙轮在软地层中极易形成泥包，因此在软地层中刮刀钻头仍然享有主导地位。

1925年出现了自洁式钻头。

它的出现克服了当时钻井中遇到软硬夹层地层必须多次起下钻以更换钻头的情况，钻井进尺和机械钻速提高两倍多，明显降低了钻井成本。

1932年对牙轮轴承的改进，出现了滚动轴承，大大提高了钻头使用寿命。

1933年出现了三牙轮钻头，与二牙轮钻头相比，不仅工作更平稳，钻速更快，寿命更长，而且有更多的规径面积维持井径。

1935年出现了移轴三牙轮钻头，这种钻头在当时提高机械钻速达30%，促进了牙轮钻头的广泛使用。

1949年出现了喷射式牙轮钻头，当时的实际测试表明能增加机械钻速达50%。

1951年出现了球型的硬质合金镶齿钻头，大大提高了牙齿寿命，但轴承成了主要的易损部分。

1960年密封润滑轴承研制成功，提高了整体钻头工作时间。

1967年研制成功了用于各类地层的硬质合金镶齿钻头，大大提高了镶齿钻头的适用围和牙齿寿命。

1968年密封润滑滑动轴承的问世，使钻头的工作时间进一步提高一倍以上。

随着钻井技术的不断发展，钻头也得到了较大发展。

如1970年的O型环密封的滑动轴承；1976年用真空/压力注油法向贮油囊注入润滑脂的密封轴承钻头；1979年的精密密封滚动轴承；1981年的勺形齿；1982年用环锁法将牙轮装配在轴承上的全滑动元件的滑动轴承；90年代初推出的用钻头体的三合一元件来确保三个牙掌准确对位焊接技术，可以承受恶劣使用环境的全橡胶补偿器；浮动套滑动轴承，对开丝扣环式保持器，网纹状密封圈等新结构。

综合牙轮钻头的发展过程可以看出，牙轮钻头的发展使其工作寿命大幅度提高，如硬质合金镶齿的出现成倍提高了牙齿寿命；从滚动轴承到密封润滑滑动轴承乃至现在对轴承密封结构等的一系列改进，都大大提高了轴承寿命；新技术、新材料的不断利用又从各方面提高了钻头的工作寿命；伴随钢材质量及热处理工艺的发展，牙轮钻头各部件的性能都得以增强；新型的密封材料、润滑剂和高耐磨材料的出现及加工工艺技术的提高又增强了轴承的抗破坏能力；精密的绞孔工艺增强了镶齿的牢固程度；新型合金成份及加工工艺提高了硬质合金的强度等等。

近三十年来，由于齿面结构变化不大，所有齿面结构的改进都基于定性认识，依赖于大量的试验结果。

相对于钻头寿命的增加来看，钻头机械钻速的提高比较缓慢。

三、牙轮钻头结构

1．总体结构组成

牙轮钻头一直是钻井工程中最主要的钻井工具之一，由壳体、牙爪、牙轮、轴承、水眼和储油密封补偿系统等部分组成，如图5.1所示。

148/4英寸以上的可制成无体式或有体式，有体式钻头由三组装有牙轮的牙爪焊接在铸造的钻头体上；128/4英寸以下的钻头由三组装有牙轮的牙爪直接焊接而成，称为无体式钻

头。

牙轮钻头主要零部件具有如下特点：

牙掌：

由毛坯基体（包括流道和掌背保径部分）、轴承、水孔、油孔四部分组成，空间结构关系复杂，形状极不规则，设计上最难把握。

牙轮：

分钢齿牙轮和镶齿牙轮两种，都由牙轮体和牙齿组成。

区别在于牙齿，前者用指形铣刀在牙轮体上铣削成齿并敷焊硬质合金材料，后者是在牙轮体上钻铰齿孔后镶嵌硬质合金齿。

小零件钻头小零件通常特征单一，零件已经标准化、系列化。

壳体上部车有丝扣（多为母扣）；下部焊有牙爪（又称巴掌）。

牙轮分为单锥牙轮和复锥牙轮两种，单锥由主锥盒背锥组成；复锥牙轮由主锥、副锥和背锥组成，副锥可有一至三个，如图5.2所示。

轴承由牙轮的轴承跑道、牙轮轴颈和滚动体组成。

大轴承和小轴承承受径向载荷，滚珠轴承主要起定位作用，锁紧牙轮；止推轴承承受轴向载荷。

水眼是泥浆的通道。

储油密封补偿系统可防止泥浆进入轴承腔和防止漏失润滑脂，还可储存和向轴承腔补充润滑脂。

2.牙轮钻头轴承结构

牙轮钻头的轴承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。

（1）滚动轴承结构

滚动轴承结构有两种结构：

滚柱-滚珠-小轴滑动副-止推；滚柱-滚珠-滚柱-止推。

前一种结构用在小尺寸（9英寸以下）钻头上，后一种结构用在大尺寸（9英寸以上）钻头上。

小轴滑动副由牙爪小轴颈（堆焊有碳化钨粉）和衬套组成。

钻头直径小于152毫米时，小轴滑动副由牙爪小轴颈和牙轮小孔组成。

结构示意图如图5.3所示。

图5.3滚动轴承结构示意图

油气钻井用牙轮钻头中的滚动轴承与通用轴承相比，该类轴承具有无外套圈、无保持架、承载力大且耐振动冲击、转速低（<600r/min），脂润滑有限、强磨粒性外部环境等特点，目前国外同类产品的工作寿命尚未超过50h。

由于牙轮钻头轴承几何空间有限、工作环境和工作条件恶劣，而钻井过程中破碎岩石所需的钻压又必须通过轴承来传递，使牙轮钻头轴承始终在巨大的振动冲击载荷下工作，因此接触疲劳是牙轮钻头滚动轴承在短时间失效的主要原因。

（2）滑动轴承结构

其结构为：

大轴滑动副-滚珠轴承-第二道止推-小轴滑动副-第一道止推，如图5.4所示。

目前国外有的厂家生产的钻头已取消第一道止推，仅保留第二道止淮。

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。

由于不用滚珠，可加大轴颈直径和增加轮壳厚度，使轮壳强度增加。

图5.4滑动轴承结构示意图

3.牙齿

目前国外生产的牙轮钻头按牙齿材料不同分为铣齿（也称钢齿）和镶齿（也称硬质合金齿）两大类。

（1）铣齿

铣齿牙轮钻头（如图5.5所示）的牙齿均为楔形齿，由牙轮毛坯直接铁削加工而成。

①铁齿敷焊碳化钨粉的方案为了提高牙齿的耐磨性或使牙齿有自锐作用，在钻极软～中地层钻头的牙齿表面敷焊一层碳化钨粉，。

敷焊部位有以下几种方案；敷焊牙齿啮出面；敷焊牙齿啮入面；敷焊牙齿啮出和啮入面；敷焊牙齿啮出面和啮入而的一部分。

牙轮因移轴等结构使牙齿在井底有轴向滑动，故需敷焊牙齿的端面。

钻中硬和硬地层钻头的牙齿主要靠冲击、压碎作用破碎岩石，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。

这样可避免敷焊层剥落，增加了牙齿韧性。

（2）镶齿

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，镶齿更只示出其优越性。

目前国外常用的镶齿齿形大致有六种，如图5.6所示。

其中瓢形齿是一种不对称的楔形齿，啮入面是向凹的瓢形，啮出面是微向外凸的圆弧，适用于软到中软地层。

镶齿牙轮钻头如图5.7所示

图5.5铣齿钻头

。

图5.7镶齿密封滑动轴承三牙轮钻头

4.密封圈及储油补偿系统

O形密封圈（如图5.8所示）用在滑动密封轴承钻头上。

它是一种径向密封元件，由具有一定硬度的耐油橡胶制成，其结构简单，制造方便，密封性可靠。

要使O形密封圈具有理想的密封性能和较长的工作寿命，必须有合适的预压缩率，一般为15%左右。

储油补偿系统一船包括压盖、卡簧、压力补偿膜（又称橡皮囊）、储油腔、护膜杯和长油道等六部分。

带传压孔的压盖装在爪背上方肩部处，也有的传压孔开在牙爪侧。

后一种结构不仅可避免岩屑堵塞传压孔，而且还使传压孔处井压力与密封圈外侧井压力非常接近，可减少压力传递阻力，更容易保持密封圈外侧的压力平衡。

图5.9所示的为盘形波纹式压力补偿系统和风箱式压力补偿系统。

图5.8O形密封圈

a盘形波纹式压力补偿系统b风箱式压力补偿系统

图5.9储油补偿系统

第二节牙轮钻头牙轮及牙爪的加工工艺

一、牙爪的加工工艺

牙轮钻头不论是有体式还是无体式其牙爪都应采用锻压件，这是由于钻头在井下工作的恶劣条件所决定的，要有足够的强度，能承受大的铀压和扭矩，所以对金属材质也要求有高的机械性能，常用的是铬-镍-钼或镍钼等合金钢。

1）毛坯

用压力机、蒸汽锤模锻——精锻整形——切边。

锻造温度应严格控制，不能有过烧现象或终锻温度过低造成的裂纹。

比如20Ni4Mo合金的加热始锻温度在1300～1S50℃之间，毛坯需要正火消除应力。

2）划线及加工120°结合面

划线的目的是为了找出120°结合面的相关位置。

所谓120°结合面是指钻头体由三个牙爪合成一个整体圆柱，因此有三个120°结合面。

在刨床或组合铣床上加工出120°结合面，为以后各工序的加工作定位基准，这一道工序不足之处是120°结合面的几何形状误差及角度误差都给以后的工序带来较大的积累误差从而影响钻头的直径。

3）精车“C”点平面及保证“C”点尺寸

“C”点平面的加工在牙爪加工中非常重要，“C”点尺寸误差直接影响钻头直径大小。

如“C”点尺寸大0.06毫米，则钻头直径就必然要大1．20毫米，反之亦小，所以“C”尺寸不仅在设计中是重要尺寸，而且在加工中也要特别注意“C”点尺寸的精度。

4）堆焊大、小轴颈及一、二道止推面的耐磨合金

牙轮在井底破碎岩石时的轴向力和径向力直接传递到牙爪轴的一、二道止推面和大、小轴颈，因此则要求大小铀颈及—、二道止推面除有足够的强度外，还要求耐磨。

目前国常用的堆焊耐磨合金有以高碳钴钨粉制焊条和高铬合金铸铁焊条。

堆焊后应保证无裂纹和气孔，其洛氏硬度HRc48～50较好，加工时不易打刀。

5）牙爪的热处理

牙爪的热处理在钻头中十分重要，如果热处理不当会给使用中带来不少麻烦，容易发生井下事故，影响钻井时间，增加钻井成本。

比如牙爪尖发生断裂，如果是密封钻头则密封得不到应造成轴承的先期损坏从而大大减少了钻头的使用寿命。

又如牙有的保护使之易于损伤而造成泥浆或岩屑侵入轴承腔，这样便加速了轴承的磨损，爪轴的断裂致使牙轮掉落井底，牙轮的断裂掉落并底这些都给清洁井底和打捞带来很多麻烦，因此热处理这一环对钻头的制造和使用很重药。

我国各钻头制造厂在热处取方面出摸索到一些比较成功的经验，比如采用重复韧化处理收到比较好的效果。

其办法是；

第一次淬火——高温回火一一清洗；

第二次淬火——低温回火

其目的是为了提高它的综合机械性能。

6）大轴颈密封台肩抛光

7）磁力探伤

主要检查大轴颈123°处耐磨合金的焊接情况，如果123°堆焊的耐磨合全一经磨削后，经磁力探伤发现有裂纹或其它缺陷则需报废。

因为有了裂纹、夹渣、气孔等缺陷，钻头在井下工作处于高压和大的扭振情况易使裂纹扩展造成耐磨合金呈块状或片状剥落，从而造成轴承的剧烈磨损，影响钻头的使用寿命。

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