新型单牙轮钻头研究及应用

李坤燃

1 研究目的及意义

川西地区探井多用小尺寸钻头（6"左右）钻头钻三开后的井段，以探明下部地层油气资源。由于井眼直径小，小尺寸牙轮钻头承压小、轴承小，导致机械钻速慢、钻头消耗多、起下钻作业增加。如果使用金刚石钻头，价格昂贵，配套工具也不过关，钻井效益没有明显的改善。

本文的主要目的是在新型单牙轮钻头前期科学研究、产品试制和台架试验的基础上，进行工艺技术研究及应用，解决川西地区探井小井眼机械钻速慢、钻井效益低的实际生产难题。通过一定数量的钻头下井试验，取得技术经济指标，总结经验，形成技术规范及配套措施，以利于进一步推广应用，将科研成果转化成生产力。

2 单牙轮钻头结构及原理

西南石油大学研制了一种新型小尺寸钻头，它主要由一个偏置的多锥形牙轮、一个圆柱形滚轮及两个牙掌组成。其工作原理不同于球形单牙轮钻头，但是与三牙轮钻头的工作原理相同，主要依靠钻头牙轮牙齿的冲击和压入来破碎岩石，并且由圆柱形滚轮来修整井壁，还有两个靠近井底的喷嘴，因此被称为新型冲击压入式单牙轮钻头。与相同钻头尺寸的三牙轮钻头相比，该新型钻头的牙轮尺寸和轴承尺寸要大得多，因此，它可以承受较大的钻压，从而提高轴承和牙轮的使用寿命，进而提高机械钻速和钻头使用寿命。

新型冲击压入式单牙轮钻头（见图1）主要由钻头体1、牙掌5和它上面的单个多锥形牙轮6、牙掌11和它上面的滚轮12等组成，钻头体1上有连接螺纹2、泥浆流道3和轴承润滑部件4等。牙掌5同三牙轮钻头一样，有多锥形牙轮6、大小滑动轴承7和8、滚动轴承9、密封元件10。在牙掌5上，牙轮及轴颈的轴线布置得较低，而且以一定的轴倾角（b）和钻头体中心线相交（无移轴式）或不相交（移轴式）。多锥形牙轮采用不均匀交错布齿，以全面破碎井底岩石。手掌形牙掌11上有保径滚轮12、双支承轴承13，同时在牙掌11内还有两个泥浆通道及与通道相通的上喷嘴14和下喷嘴15。上喷嘴14主要清洗牙轮6。下喷嘴15主要清洗井底。在手掌形牙掌11的下部，多锥形牙轮顶部安装有止推块17，以保证牙轮在轴承失效的情况下，不致掉入井底。在牙掌11的下端和侧面镶嵌有硬质合金牙齿，下端牙齿的齿顶位置略高于由多锥形牙轮牙齿形成的井底齿坑，以便切削由多锥形牙轮破碎井底形成的井底齿坑凸起部分。在手掌形牙掌11的顶端，位于多锥形牙轮6旋转运动的前方，有与牙掌11连接为整体的肋16，它对泥浆运动的上升产生局部阻挡。在多锥形牙轮旋转运动的后方有足够的空间，保证泥浆的上升流流动顺畅无阻。

在钻头工作时，多锥形牙轮6沿井底滚动，依靠牙轮上不均匀排列的牙齿破碎井底岩石，其破岩方式与三牙轮钻头一致，以冲击压入为主。同时，除了依靠多锥形牙轮6的背锥牙齿和主锥上的外排齿圈牙齿的外缘来修整井壁之外，还主要依靠滚动12来修整井壁。在牙掌11的侧面也布置有硬质合金齿，协同修整井壁。

图1 新型冲击压入式单牙轮钻头

3 实钻情况

通过新型单牙轮钻头实钻对比研究可得，使用结果对比情况如表1所示。

表1 川丰131-1井使用结果对比情况

4 结语

单牙轮钻头钻速接近PDC钻头，远高于三牙轮钻头。由于PDC钻头对地层的适应性也不太好，因而钻井指标也不突出，机械钻速仅比单牙轮钻头高10%。虽然三牙轮钻头的型号适用于中软地层，但钻井指标仍不理想，机械钻速比单牙轮钻头低20%。单牙轮钻头纯钻时间较短，主要原因是钻井过程中钻压加得过高（最高达14T）。川丰131-1井所钻地层对于钻压并不敏感，钻压过高不仅不能明显提高钻速，反而加速了钻头磨损。使用结果表明，在钻头与地层匹配并不理想的情况下，单牙轮钻头仍达到了较好的技术指标。

[1]喻开安，杨世良，邓嵘.单牙轮钻头的应用前景[J].石油机械，1994，22（5）：49-52.

[2]喻开安.单牙轮钻头动力学研究[J].石油矿场机械，2009，（2）：11-14.

[3]赵彦，张福润，郭炜.影响单牙轮钻头切削效率的原因分析[J].西南石油学院学报，2003，（2）：69-71.