岩石力学与钻头.docx

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岩石力学与钻头

钻井岩石力学基础

钻进过程是钻头破碎岩石与岩石反破碎的过程。

为了提高破碎效率，加快钻井速度，安全、优质、低成本开发油气田，必须研究岩石的结构特性、力学性质以及破碎规律。

以便设计出合适的岩石破碎工具——钻头，制定出最优钻井参数及技术措施。

为此，我们要学习岩石结构特性和力学性质、岩石的破碎规律、影响岩石强度的因素等。

1．钻井岩石力学基础

主要介绍岩石的物理力学性质以及破碎规律，进一步研究影响岩石力学性质的因素。

为学习钻井与完井工程打下基础。

1.1岩石的基本知识

岩石：

由各种矿物晶体或矿物颗粒组成的集合体；

矿物：

具有一定物理化学性质的无机物；

造岩矿物：

能生成矿物岩石的无机物。

造岩矿物由八元素组成：

O2，Si，Fe，K，Na，Ca，Mg，Al。

地球上有12种主要造岩矿物。

他们是：

正长石、斜长石、石英、白云母、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、氧化铁。

它们约占98％以上。

1.1.1．岩石分类

地球主要是由岩石组成，而岩石是千变万化的，但归纳起来氛围分为两大类：

A岩浆岩（晶质岩）：

由岩浆冷却或结晶而成，花岗岩、玄五岩等，通常埋藏很深；

B沉积岩（碎屑岩）：

矿物颗粒由水或风力以及其他作用搬运后沉积而成。

分为结晶沉积岩和碎屑岩。

结晶沉积岩由盐类物质结晶而成。

如岩盐、石灰岩、白云岩、石膏等。

碎屑岩由岩屑堆积而成，如砾石、砂岩、泥岩等。

变质岩：

矿物颗粒在高温高压下发生物理化学变化后形成的新岩石。

1.1.2岩石的组织结构特点

岩石的组织结构是指组成岩石的微晶或碎屑岩的颗粒的形状、粒度大小和表面性质等。

（1）岩石的微观结构

A岩石微观结构是指组成岩石的微晶和颗粒的大小、形状、表面性质、胶结物质、孔隙度等。

B造岩矿物本身的性质影响岩石的性质。

但岩石的破坏不是造岩矿物的破坏而是胶结物的破坏。

所以，影响岩石性质的主要因素是胶结物的性质或强度。

按胶结物性质分，岩石胶结分为为硅质胶结、钙质胶结和泥质胶结三种，其胶结强度的关系是：

硅质胶结强度>钙质胶结强度>泥质胶结强度。

按胶结形式分，岩石胶结分为接触胶结、微膜胶结、空隙胶结和基底胶结。

C．岩石孔隙度增大，强度降低；

D．颗粒表面性质指粗糙度和吸附性；

E组成岩石的矿物颗粒越小，接触面积越大，强度越大。

反之越小；

（2）岩石的宏观结构

岩石的宏观结构是指表征岩石的层理、片理、裂隙等宏观特性。

A层理：

组成岩石的成分或颗粒之大小在垂直方向上成层变化。

如软硬交错夹层，泥页岩，砂岩；

B片理：

沿水平方向岩石分解成薄片的现象或能力。

片理可以是水平的，也可以是倾斜的，与沉积环境有关；

D．裂隙：

由于地应力或构造力的作用使岩石断裂成裂隙，其分布和走向与力的作用方向有关。

（3）岩石的密度：

不同的岩石有不同的密度，这取决于岩石的孔隙度和埋藏深度等。

常见的岩石密度如下表：

岩石

密度

岩石

密度

岩石

密度

砂岩

粉砂岩

泥岩

2．4-3．2

2．4-3．0

2．6-2．8

泥灰岩

灰岩

白云岩

2．8-2．9

2．4-3．0

2.5-3.2

硬石膏

盐岩

2．7-3．0

2．1-2．2

（4）岩石的各向异

岩石各向异性是指岩石岩石微观结构的不均匀性。

主要是层理、片理、裂隙、软硬交错夹层、地层倾角、矿物晶体定向排列、岩石劈理等引起的岩石各个方向的力学特性的变化特性。

即平行层理和垂直层理方向上的力学特性具有明显的差异。

具体表现是垂直层面和平行层面的岩石弹性模量、波松比、抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度不同。

这就使得沿垂直方向的可钻性与沿水平方向的可钻性不同，常常发生井斜和井眼扩大。

结论：

*岩石的强度性质主要取决于胶结物的性质和颗粒间的接触面积的大小；

*由于岩石固有的结构不均匀性和不连续性，造成岩石的各向异性。

即垂直方向和水平方向的可钻性和强度不一样。

是造成井斜的主要原因；

*岩石的孔隙度影响岩石的密度和强度。

岩石的密度随井深增加而增大，岩石的强度和硬度也随之增大；

*岩石的裂隙影响岩石的强度。

裂隙发育地层强度越低。

常会引起井漏或井喷事故。

2．岩石的力学性质

岩石力学性质是指岩石在受外力作用过程中表现出的物理力学性质。

如弹性、塑性、强度、硬度等应力－应变特性及岩石破坏时的最大应力。

反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。

岩石应力—应变曲线

2.1岩石的应力－应变曲线

如图所示为岩石应力－应变曲线。

在加载初期应力－应变不是线性关系，是由于岩石孔隙压缩使曲线OA向下凹陷。

然后（AB）应力－应变成线性关系，是弹性变形阶段。

BC段为屈服变形。

C点岩石开始破坏，D点岩石完全破坏。

C点的应力为岩石的强度。

2.2岩石的弹性常数

岩石弹性常数包括：

扬氏弹性模量E、剪切弹性模量G、体积弹性模量K、泊松

。

它们的关系是：

G＝E/2（1+

），K＝E/3（1－2

）。

测量岩石弹性常数的方法有静力法，即静载压缩实验；动力法，用声波法测量纵横波速计算两类。

静力法是利用应力—应变曲线的切线的斜率求出E。

特点：

岩石的弹性常数随围压增加而增加，随外载而变化。

一般是压力增大波松比成指数关系增大。

2．3岩石的强度

岩石的强度与应变的形式有关。

只有在压缩时岩石才呈现很大的强度，在其他受力或应变形式，如拉伸、弯曲、扭转时强度很小。

岩石的抗拉强度只有抗压强度的2%。

一般规律是抗压强度》抗剪强度》抗弯强度》抗拉强度。

岩石力学与材料力学弹性的区别：

A岩石力学定义压缩为正，拉伸为负；

B岩石的抗拉强度与抗压强度不相等。

一般EC>Et=1.5－4倍；

C拉伸时E减小，压缩时E增大；

D由于岩石的各向异性，水平方向和垂直方向的弹性模量不相同；

E随围压增加岩石的弹性和强度增加，并且随外载大小和方向而变化；

F一般是

。

结论:

大多数岩石由于受结构的影响，应力－应变一般不服从虎克定律。

弹性模量随外载的大小、方向和加载速度而变化。

确定岩石弹性并不意味着岩石是弹性体。

岩石的弹性指标是在规定的条件下测得的。

2.4岩石的塑性及脆性

A所谓塑性是指岩石在外力作用时只变形而发生破坏的特性。

塑性岩石在外载作用下只产生塑性变形，而最终不发生破坏。

如泥岩，膏岩；

B所谓脆性是指岩石在外力发生破坏时，只发生弹性变形的特性。

脆性岩石在外力作用下发生破坏只产生弹性变形。

如石灰石、白云石、花岗岩等；

C塑脆性岩石破坏时，先产生弹性变形，后产生塑性变形。

如泥页岩，砂岩；

D塑性系数K

岩石破坏前发生弹性变形和塑性变形所需的总功与弹性变形功之比。

脆性岩石K＝1；塑脆性岩石k<1-6；塑性岩石K>6

2.5岩石的硬度PY

岩石的硬度是表示岩石的抗压人能力的大小。

硬度大并不意味着强度大。

岩石硬度是岩石产生脆性破坏时接触面上单位面积的载荷。

即

。

所以岩石的硬度和强度是两个不同的概念，例如有些岩石很硬，但强度很低，强度是一个综合性指标。

2.6简单条件下岩石的强度

简单条件岩石的强度是指在单轴抗压或抗拉强度。

A．

单轴抗压强度

B．单轴抗拉强度：

C．抗拉强度与抗压强度的关系：

。

2.7复杂应力条件下岩石的强度

实际钻井中，岩石是处于三轴应力状态，如图所示。

轴向压缩力为F，岩石围压P。

考虑岩样沿一平面破坏。

则有：

轴向压应力：

；

岩石围岩压力：

；且

。

取单元体如图可知：

在1和3的作用下，在破坏面上存在一法向应力

和剪切应力

。

根据Coulomb-Moure强度理论，可以导出：

以及

莫尔应力园

式中，c－岩石内聚力；

f－内摩擦系数。

；

－内摩擦角，

＝900－2

；

－破坏面法线与水平面的夹角。

将上述应力表示在同一图上，就是莫尔应力圆，如上图所示。

三轴应力下岩石变形和强度特点：

A强度随围压增加而增大；

B不同的岩石在相同围压下强度增加不一样；

C开始增加围压时，对强度影响较大，当围压增加到一定值时强度不变；

D随围压增加岩石从脆性向塑性转变。

2.7岩石的可钻性

表征岩石抵抗破碎能力的大小。

可钻性不是岩石的固有特性。

岩石的可钻性与破碎工具和岩石的强度、硬度有关。

岩石可钻性对钻头选型，确定钻井参数，预测钻速，制定最优化措施具有十分重要的意义。

A确定可钻性的方法

现场方法：

根据机械钻速确定。

一般用钻速方程。

根据岩石力学性质确定可钻性

用微钻头模拟岩石可钻性。

B影响岩石可钻性的因素

地层特性，钻头类型，钻井参数，泥浆性能，水力因素，井底压差，埋藏深度。

2.8岩石的研磨性

表征岩石对破碎工具的研磨能力。

它除与岩石本身的结构特性有关外，还与破碎工具的硬度，钻井参数，切削方式，摩擦类型等有关。

确定岩石研磨性的方法

现场用钻速方程，钻速试验。

室内试验：

钻磨方法，磨削法，微钻头法，摩擦法。

试验结构表明：

晶质岩研磨性与矿物成分的硬度有关；

碎屑岩与岩石的孔隙度，表面粗糙度，颗粒大小，形状等有关。

2.9影响岩石性质的因素

A动载

*岩石对动载的抵抗能力比静载大；

*动载抗拉强度比静载抗拉强度大；

*岩石的抗压强度随加载速度增大而增大；

*动载对高塑性、低强度、孔隙性岩石的影响比高强度低塑性大。

原因：

应力作用时间的短暂性，使岩石变形和破坏在应力波的作用时间内不能达到完全的程度。

结论：

在目前牙轮钻头冲击岩石的速度范围内，动压人不会使岩石机械性能发生本质的变化。

B压力的影响

*上覆压力的影响；上覆压力使岩石强度增加。

*液柱压力影响；液柱压力使岩石从脆性向塑性转变。

*孔隙压力影响；孔隙压力有助于岩石破碎

C温度的影响

一般岩石的强度随温度升高而降低，而塑性增大。

D液体介质的影响

岩石的含水量增加强度降低，液体介质对岩石强度的影响是由于固－液表面上发生物理化学变化－润湿和吸附作用。

2．10钻井周围岩石的应力状态和稳定性

A井下岩石的应力状态

井下岩石的应力状态是由上覆岩石压力和地应力引起的。

并处于三向应力状态。

即

垂直上覆压力

水平应力（径向）

令

，称为岩石侧压力系数，

—岩石的波桑系数。

当岩石被钻出井眼后，岩石的应力状态发生变化。

钻井体积内的岩石被钻井液所代替，此时岩石的水平应力为

上式表明，由于钻井后岩石的水平应力减少，有可能引起井壁坍塌。

当孔隙流体压力大于钻井液柱压力时，会引起井喷。

B井壁稳定的条件

当井内压力降低到一定值时，岩石应力达到极限状态，可能使井壁不稳定和破坏。

岩石的塑性变形使井眼缩小，而脆性变形造成井壁掉块和坍塌。

为了保持井壁稳定，必须选择合理的井内压力。

即设计合理的钻井液密度。

按岩石侧压力可估算钻井液密度。

式中，

—岩石剪切强度；

—分别为钻井液和岩石密度；

C岩石水力断裂

不能无限制地增加井内压力，因为这样会使岩石发生水力断裂和原来的裂缝张开。

在钻井过程中岩石破裂表现为当压力超过一定值时，井内钻井液漏失量急剧增加。

在水力断裂时主要是自然裂缝张开。

阻止水力断裂的力是上覆压力和岩石的抗拉强度。

D钻井周围岩石的蠕变

随着钻井深度的增加，井壁岩石的韧性或流变性具有重要意义。

此时泥质的、卤化物和硫酸盐岩石等，明显地表现出流变性或蠕变性特点。

现场所说的缩颈就是岩石蠕变造成的。

所以，在有些地层中钻井需要估计岩石蠕变的问题：

（1）井径在一定时间内不超过允许值，确定钻井液的密度；

（2）在给定钻井液密度的条件下，确定井径变化到允许极限值的时间；

（3）确定岩石对套管柱的外挤压力值，以及确定有蠕变特性的岩石定向位移时对套管柱的作用载荷；

实验结果表明，在任何非均匀应力状态下都发现泥岩有蠕变现象。

岩石的蠕变特性不仅影响钻井的顺利进行，而且也影响套管的寿命。

思考与作用题：

1岩石的组织结构与岩石性质的关系？

2岩石的力学性质有那些？

与金属材料有什么不同？

3岩石可钻性与研磨性的物理意义是什么？

4影响岩石可钻性的因素有那些？

5影响岩石强度的因素有那些？

6已知在围压14MPa，轴向压力69MPa下岩石发生破坏。

破坏时所沿的平面与压缩载荷的方向成270。

试确定内摩擦角、剪切强度、和内聚力。

岩石破碎工具－钻头

在旋转钻井过程中，必须使用钻头破碎岩石。

钻头质量的好坏及钻头选型是否合适，直接影响到钻井速度和钻井成本。

随着钻井技术，冶金和机械制造工业的发展，钻头设计制造也不断提高。

钻头进尺和机械钻速大幅度提高。

如四合一钻头，PDC钻头，金刚石钻头等。

单刮倒

三刮刀

双刮刀

刮刀钻头

滚动轴承

铣齿钻头

单牙轮

滑动轴承

镶齿钻头

双牙轮

牙轮钻头

三牙轮

钻头类型

金刚石钻头

PDC钻头

由于地层岩石特性不同，岩石可钻性也不同，所以破碎岩石的钻头类型也不同。

因为只有这样才能提高破碎效率，提高钻井速度。

这一章我们要各种钻头破碎岩石规律，以及如何选钻头和相应的参数、技术措施等。

1刮刀钻头

旋转钻井最早使用的钻头。

结构简单，制造方便，成本低。

如果设计得当在软地层及中硬地层钻井效果会很好。

这种钻头适用于软地层，如泥岩，页岩，泥质胶结的砂岩。

胜利油田一只金刚石钻头进尺达3135米。

但对硬地层不使用。

刮刀钻头最大的缺点是钻柱承受的扭矩大，振动大，钻柱易损坏。

刮刀钻头分为：

单刮刀钻头；三刮刀钻头；金刚石刮刀钻头；硬质合金刮刀钻头；碳化钨刮刀钻头等。

1.1刮刀钻头破碎机理

A破碎过程分析：

如图所示，刮刀在钻压P和扭矩T的作用下，以螺旋面吃入地层，井底平面与水平面的夹角井底角。

P和T的合力R可分解为水平分力F和垂直分力N。

岩石将向F力方向剪切破碎岩石。

当F力大于剪切面积与岩石抗剪屈服强度的乘积时，岩石将被破碎。

但是，破碎塑性岩石和弹塑性岩石有不同的特点。

其破碎方式以剪切和刮挤为主。

刮刀钻头破岩机理分析

塑性地层硬度低，在钻压的作用下刀片吃入地层，刀刃前岩石在扭矩的作用下不断产生塑性流动。

与金属切削差不多。

如图所示。

但是，由于破碎岩石是在钻压和扭矩同时作用下，因此，吃入深度比钻压单独作用时深得多。

塑性地层破碎规律

C塑脆性岩石

在钻压的作用下，刀刃沿角方向吃入地层，产生体积破碎。

刀刃前岩石沿剪切面破碎后，扭矩减少。

刀刃继续前进冲击岩石，扭矩增大；

刀刃压缩前方的岩石，扭矩继续增大；

刀刃挤压前方的岩石，扭矩增大到一定值时，岩石产生体积破碎。

其破碎过程为：

碰撞－挤压－剪切。

反复进行。

在这个过程中由于扭矩不断变化，所以，引起钻头周向及横向振动动。

塑脆性地层破碎规律

1.2刮刀钻头的运动

特点：

由于送钻和刀片不均匀切削，使钻头产生扭转和横向振动。

A扭转振动沿钻头切线方向。

是由于施加钻压不均匀造成的。

当钻压P增加，钻头吃入深度增加，扭矩增加到M1，钻柱扭转角增加1，位能增加到U1。

当P降低时，扭矩降低到M2，位能减少到U2，此时的扭转角2为

在塑脆性地层钻井时，岩石破碎不均匀，扭矩不断变化，导致钻柱位能不断变化。

形成钻头和钻柱周向振动。

由于钻柱质量很大，使钻头产生很大的冲击载荷，常造成钻头和钻柱损坏。

B横向振动是由于破碎过程受力不均匀造成的。

在钻井过程中某一刀片产生了岩石破碎，而其他的没有发生，这就引起钻头旋转中心移动，由于旋转中心变化会使钻柱发生横向振动，除此之外，施加钻压不均匀也会引起横向振动。

地层的各向异性使得破岩过程受力不均匀也是产生横向振动的原因。

钻头横向振动引起钻柱横向振动，常常引起井壁垮塌，井眼扩大，同时可导致钻柱折断。

当其振动频率与钻柱固有频率相等时，可引起共振。

这是非常有害的

1.3刀片几何形状和结构参数

设计刀片的几何形状的原则是既要有利于提高钻速，又要满足强度要求。

（1）刀片结构参数：

*刀尖角：

前刃和后刃之间的夹角，表示刀片的尖锐程度，确定刀尖角的原则是保证刀片有足够强度的条件下，尽量减少刀尖角。

在软地层角可以稍小，=100，硬地层适当增大，=150

*切削角：

前刃与水平面的夹角。

切削角越大，吃入深度越大。

角的大小由岩石性质确定。

软地层取小些，硬地层取大些。

一般的取值为，松软地层=700，软地层=70—800，硬地层=850；

*刃前角：

前刃与垂直平面的夹角。

＝900－；

*刃后角：

后刃与水平面的夹角。

=-；

刃后角必须大于刃前角，否则，刀片背部直接于井底接触，影响钻井速度。

（2）刀片底部的几何形状

*平底，刀片底部无阶梯为一平面；

*正阶梯，刀片底部为一正阶梯；

*反阶梯，刀片底部为一反阶梯；

*反锥，刀片底部无阶梯为一锥形。

刀片背面的形状应作出抛物线，以满足等强度要求

平底刀片正阶梯刀片反阶梯刀片反锥刀片

（3）提高刀片的耐磨性

刀片的耐磨性直接影响钻头寿命，设计时应保证刀片各部分均匀磨损，即等强度。

*刀片体的材料：

35CrMo，35SiMnMoV等高强度合金钢。

*镶装和平铺硬质合金提高刀片的耐磨性。

在刀片的正面和侧面都要镶焊硬质合金。

*金刚石刮刀钻头。

在刀片和钻头胎体上镶焊金刚石。

*聚金刚石刮刀钻头。

在刀片上镶装由金刚石颗粒聚集的金刚石块。

2牙轮钻头

牙轮钻头是目前使用最多的钻头。

自1909年出现牙轮钻头以来，牙轮钻头结构和类型发展很快。

出现了各种类型的牙轮钻头。

最典型的是三牙轮钻头和小尺寸的单牙轮钻头。

牙轮钻头的最好改进是采用镶齿、滑动、密封轴承、喷射式。

这种钻头的寿命很长，比原来铣齿、滚动、非密封钻头提高数倍至数十倍。

号称科学钻井的四大钻井技术之一。

由于这种钻头的出现使钻井成本成倍下降，钻井速度和钻头进尺大幅度提高，建井周期也大大缩短。

钻头的另一个重大进步是研制和开发了PDC钻头，这种钻头的主要特点是耐磨、寿命长、钻速快、进尺多，一只钻头能钻数千米。

在中硬地层和软地层效果极佳。

滚动轴承

滑动轴承

铣齿钻头

牙轮钻头

滚动轴承

滑动轴承

镶齿钻头

四合一钻头：

镶齿、滑动、密封、喷射一体的钻头。

2.1牙轮钻头在井底的运动及工作原理

2.1.1牙轮钻头在井底的复合运动

A基本假设：

井底平面平整刚性，钻头是刚性的，牙轮与井底平面接触压力均匀分布，钻头与牙轮等速旋转。

B钻头的复合运动

钻头牙轮一方面绕钻柱轴线旋转，

另一方面绕自己的轴线旋转。

所以，

牙轮的运动是绕钻头轴线的公转和

绕牙轮轴线的自转组成的复合运动。

牙轮钻头在井底的运动

钻头绕井眼轴线旋转角速度nb,

则钻头切向速度为

这个速度叫牵连速度。

在纯滚动的情况下，牙轮与井底接触母线上任意点的速度。

由于牙轮在运动过程中受井底的阻力，牙轮向钻头相反方向运动。

其转速为nc,则牙轮的切向速度为

这个速度是牙轮相对于钻头的运动，叫相对速度。

当井底无滑动时，Vca=Vba。

牙轮转速与钻头转速比

一般，Vba

Vca，这就产生了相对滑动速度VS。

上述三种运动都是在井底平面上的圆周运动。

纵向振动：

钻头牙齿单双齿交替接触井底，使牙轮轴心上下移动，引起牙轮上下运动，从而产生冲击作用。

2.1.2钻头的冲击压碎作用

振动频率：

由于

，所以，

单双齿交替接触井底产生振动

振动周期：

冲击载荷：

最大纵向振动速度：

式中，

－牙轮轴与水平面的夹角。

弹脆性岩石T0＝3－410－4S；弹塑性岩石T0＝7－2510－4S；塑性岩石T0＝2.510－3S

井底冲击作用除单双齿交替接触井底外，还有井底图额凸凹不平引起的振动。

2.1.3剪切作用

为了提高破碎效率，除需要冲击压碎作用外，还要求一定的剪切和刮挤作用。

这种作用主要靠牙轮在井底滑动作用完成。

产生滑动的因素有：

移轴，超顶，复锥。

A超顶引起滑动

如图所示，超顶距C，Vba为牵连速度，

Vca为相对速度。

合成速度为相对速度和牵连速度的合成。

由于速度有两个方向。

于是产生了滑动。

B复锥引起的滑动

复锥包括主锥和副锥。

如主锥与钻头轴

心重合，则副锥是超顶的。

如图所示。

C移轴引起的滑动

超顶引起的滑动

牙轮轴心与钻头轴心线不重合，平移了

一段距离。

如图所示。

移轴引起的滑动沿轴向方向。

2.2牙轮钻头的结构和类型

2.2.1基本参数

对于不同的岩石地层，钻头应能以最合适的破碎方式钻进。

在设计钻头时要选用相应的结构参数。

例如对研磨性地层主要是以冲击和压碎作用破碎岩石，而避免产生滑动以减少牙齿磨损。

对于软地层以剪切和刮挤作用破碎岩石，钻头结构应采用移轴、超顶和复锥，并且为了减少泥包还应采用自洗式等。

*钻头直径：

由油田井身结构确定，已经系列化；

*牙轮偏移距：

低硬高塑性地层偏移距可大一些，

高硬度地层较小，研磨性地层及极硬地层为零；

大尺寸钻头要大些，小尺寸钻头小些；

*牙轮轴线与钻头轴线的夹角：

夹角增大牙轮体

积增大，软地层夹角大，硬地层小。

*牙轮几何形状及布置：

（1）牙轮形状：

牙轮的形状应能在有限的空间内尽量加大牙轮的体积。

这样可以加大轴承的尺寸，使轴承有较大的工作能力。

保证壳体有足够的厚度，以免破裂。

在牙轮表面上可布置更多的牙齿，提高切削效率。

对硬地层用单锥牙轮，使牙轮在井底为纯滚动而无滑动。

对软到中硬地层用复锥牙轮，使牙轮在井底产生切向滑动以利于破碎岩石。

复锥牙轮还可以增大牙轮体积。

牙轮几何尺寸包括主锥角

（2），

副锥角

（2），牙轮总高（H），

牙轮最大外径（d），背锥角

（2），

（见图）

（2）牙轮布置：

既要考虑对岩石的破碎作用

，又要考虑相邻牙轮齿的啮合和牙

轮对井壁的切削和修正作用。

考虑牙

布置的主要参数是偏移距、超顶距、牙轮轴线与钻头轴线的夹角、和背锥角。

常用的布置方案有：

（A）牙轮轴线和主锥母线交于钻头中心线，主锥不超顶，牙轮在井底作纯滚动。

牙轮的齿圈不与相邻齿圈啮合，齿宽不受相邻齿圈的限制，各牙轮间要保持一定间隙。

这种布置牙轮体积小，适合硬地层钻头。

（B）牙轮轴线交于钻头轴线，但主锥是超顶的。

由于超顶可使各牙轮牙齿互相啮合，牙轮可以自洗，有助于消除钻头泥包。

这种牙轮布置在井底有滑动作用。

由于相邻齿圈有间隙，所以会形成井底的环状凸起，对软地层影响很小。

适用于软和中硬地层钻头。

（C）牙轮轴线偏移，牙轮自洗。

由于移轴可产生轴向滑动，使井井底不留环状突起。

适用于软和中硬地层钻头。

*牙轮牙齿布置：

牙齿的布置直接影响岩石破碎效率，设计时应仔细考虑。

（A）每转一周牙齿应全部接触井底。

用井底遮盖系数来表示齿圈分布合理程度。

D—各轮圈齿宽总和；L—井底接触母线长度。

（B）牙齿不重复前面已形成的破碎坑；

（B）各圈牙齿破碎机会相等，即外排齿多内排齿少。

2.2.2牙轮钻头的牙齿

*洗齿：

牙轮和牙齿为一体，牙齿敷焊硬质合金粉，用于软地层；

*镶齿：

硬质合金块

（A）楔形齿使用于软地层和中硬地层，齿尖角由650—900，齿尖角小的适合软地层；大的适合硬地层。

有一种楔形齿两边不对称，其中一边凹入称为勺楔齿，适合软地层。

（B）锥形齿：

分单锥和双锥两种。

以压碎方式破碎岩石，其强度高于楔形齿。

根据齿高的大小和椎角的大小又分为多种。

60—700的中等锥形齿用来钻中硬地层，如石灰岩、白云岩、燧石等；900锥形齿及1200双锥用来钻研磨性高的坚硬地层，如硬砂岩、石英岩和燧石等。

（C）三棱齿。

是介于楔形齿和锥形齿之间的一种齿形。

适用于硬脆地层和软塑性地层的交错层。

（D）球形齿：

齿顶为半球形。

这种齿无论是强度和耐磨性都比前