钻头、钻柱及井口工具
第一节 刮刀钻头 ......................................... 1 第二节 牙轮钻头 ......................................... 2 第三节 金刚石钻头 ....................................... 9 第四节 PDC钻头 ........................................ 12 第五节 钻柱及其受力情况 ................................ 16 第六节 钻柱的损坏及合理使用 ............................ 17 第七节 井口工具 ........................................ 19
钻头是破碎岩石形成井眼的主要工具，可根据其结构、功用及原理进行分类，现场常用的钻头有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、PDC钻头等。
第一节 刮刀钻头
刮刀钻头是旋转钻井法中最早使用的钻头，它的结构简单，制造方便，在泥岩、疏松的砂岩、泥质砂岩、页岩等低硬度、高塑性地层中钻进，可得到较高的机械钻速和钻头进尺，并且各油田均能自己设计和制造。刮刀钻头按刀片的数量不同可分为两翼刮刀钻头、三翼刮刀钻头、四翼刮刀钻头等。最常用的是三翼刮刀钻头。由于刮刀钻头需要扭拒大，容易扭断钻具目前已经很少使用。
第二节 牙轮钻头
牙轮钻头是石油钻井中使用最广泛的钻头。这是由于牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙齿与井底的接触面积小，比压高、工作扭矩小、工作刃总长度大等。因而使牙轮钻头能适用于多种性质的岩石，成为使用最广泛的钻头。
牙轮钻头可按牙轮数目的多少分为单牙轮钻头，双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头等。目前普遍使用的是三牙轮钻头。
一、三牙轮钻头的结构
三牙轮钻头可分为五个部分，即钻头体、巴掌、牙轮、轴承和水眼。密封喷射式钻头除上述基本部分外，还有储油补偿系统。
1、钻头体
钻头体上部车有丝扣用于连接钻柱，下部带有巴掌。钻头体上镶装喷嘴。牙轮钻头可分为有体式和无体式两类。钻头体与巴掌分别制造，然后将巴掌焊接在钻头体下侧的叫做有体式钻头，这种钻头的上部丝扣均为母扣；巴掌与三分之一钻头体做为一体，然后将三部分合焊在一起的叫做无体式钻头，无体式钻头均为公扣。
2、巴掌
巴掌与牙轮轴相连，上面有轴颈，用于支承牙轮。 3．牙轮
牙轮是一个外面带有牙齿，内腔加工成与轴颈相对应的滚动体跑道（或滑动磨擦面）的锥体，分单锥与复锥两种结构，如图5-5所示。仅有主锥和背锥两个不同锥度的牙轮叫单锥牙轮，适用于硬或研磨性较强的地层；除主、背锥外还有1～2个副锥的牙轮叫复锥牙轮，适用于软或中硬地层。牙轮表面的牙齿，由牙齿毛胚铣削加工或钻孔镶嵌两种方式制成。牙齿是钻头破岩的主要元件。由牙轮毛胚铣削加工而成的牙齿叫铣齿，这种钻头叫铣齿钻头。将金属材料加工成一定形状的牙齿，镶嵌并固定在轮壳上的钻头叫镶齿钻头。]
4、轴承
牙轮钻头的轴承结构有滚动轴承和滑动轴承两种。目前广泛采用大轴承滑动副一滚珠轴承—第二道止推一小轴滑动副的滑动密封轴承结构。其类型有四种：
（1）普通滑动轴承，目前国产镶齿密封滑动轴承喷射钻头，大多采用这种类型的结构；
（2）带固定衬套的滑动轴承； （3）带浮动补套的滑动轴承； （4）简易滑动轴承。 5、水眼
牙轮钻头在牙轮之间设计有水眼，根据需要可在水眼内安装不同类型、不同直径和不同数量的喷嘴。
二、破岩机理
牙轮钻头是依靠牙轮绕钻头轴线的公转与牙轮绕自身轴线的自转所产生的冲击压碎作用和滑动剪切作用来破碎岩石的。
1、冲击压碎作用
牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振所产生的，轮齿对岩石的冲击压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。旋转钻头时，牙齿以一定速度冲击压入岩石，这一破碎方式与静压入破碎试验特点相似，牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。因此，牙轮钻头的牙齿作用在岩石上的轴向载荷包括静压及冲击载何两部分。加给钻头的钻压为静压部分；冲击载荷是由钻头在井底旋转时产生纵振，使钻头—钻柱系统不断地压缩与伸张，下部钻柱把这种周期的弹性变形能传递给牙轮而产生的，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。加大钻头牙齿对地层的冲击压力，就能提高破碎岩石的效率。
2、滑动剪切作用
在塑性较高的岩石中，除了要求牙齿对井底岩石有冲击压碎作用外，还要求牙齿对地层有一定的滑动作用，使牙齿对岩石进行剪切，以扩大岩石的破碎效果，这一点在软地层钻进时显得很重要。使牙轮在井底滚动时产生滑移的措施有超顶、复锥和移轴。
（1）超顶。超顶就是指牙轮的锥顶超过钻头的中心线。锥顶超过中心线的距离叫做超顶距。超顶距越大滑动量就越大，超顶在切线方向上产生了滑动，剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之间的岩石。
（2）复锥。复锥导致牙轮在切线方向产生滑动，同超顶一样也剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之间的岩石。
（3）移轴。移轴就是指牙轮轴线相对于钻头轴线平移了一段距离。这段距离叫做移轴距。如果移轴距越大，牙轮的滑动量就越大，剪切作用也就越大，移轴使牙齿产生了轴向滑动，剪去了牙轮上齿圈之间的岩石。
3、牙齿本身的剪切作用
牙齿在轴向压力（钻压）的作用下吃入岩石时，牙齿的楔形面就对与其接触的岩石产生了一个水平剪切力，岩石沿剪切面发生了剪切破碎，随着牙齿的移动而将已破碎的岩石剔出，这就是牙齿本身对岩石的剪切作用。
表5-1 国产三牙轮钻头型式代号 型式名称 类别 型式代号 全称 简称 普通轴承三牙钻头 普通钻头 Y 铣齿钻头 普通轴承喷射式三牙轮钻头 喷射钻头 P 密封滚动轴承喷射式三牙轮钻头 密封喷射钻头 MP