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1、第 六 章 破 巖 工 具 及 其 破 巖 機(jī) 理 引 言 石 油 鉆 井 使 用 的 破 巖 工 具 主 要 有 四 類 ： 1.牙 輪 鉆 頭 ； 2.聚 晶 金 剛 石 鉆 頭 ； 3.單 晶 金 剛 石 鉆 頭 ； 4.刮 刀 鉆 頭 。 破 巖 工 具 不 同 ， 其 結(jié) 構(gòu) 、 破 巖 機(jī) 理 不 同 。 了 解 和 掌 握 不 同 破 巖 工 具 的 結(jié) 構(gòu) 及 其 破 巖 機(jī) 理 ， 對(duì) 于 破 巖 工 具 的 選 型 、 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 、 鉆 井 參 數(shù) 的 優(yōu) 化 及 破 巖 工 具 應(yīng) 用 等 都 具 有 重 要 意 義 。 第 一 節(jié) 牙 輪 鉆 頭 牙 輪

2、鉆 頭 是 石 油 鉆 井 工 程 中 應(yīng) 用 最 為 廣 泛 的 一 種 鉆 頭 。 具 有 適 應(yīng) 地 層 廣 ， 機(jī) 械 鉆 速 高 的 特 點(diǎn) 。 牙 輪 鉆 頭 的 分 類 ： 按 牙 齒 的 固 定 方 式 分 為 ： 鑲 齒 和 銑 齒 （ 圖 3.8)； 按 軸 承 類 型 分 為 ： 滾 動(dòng) 軸 承 和 滑 動(dòng) 軸 承 （ 圖 3.9) ； 按 密 封 類 型 分 為 ： 橡 膠 密 封 和 金 屬 密 封 （ 圖 3.10) ； 按 牙 輪 數(shù) 量 分 為 ： 單 牙 輪 鉆 頭 、 雙 牙 輪 鉆 頭 和 三 牙 輪 鉆 頭 （ 圖 3.11) 。 鑲 齒 銑 齒 圖 3

3、.8鑲 齒 和 銑 齒 牙 輪 鉆 頭 滑 動(dòng) 軸 承 結(jié) 構(gòu)滾 動(dòng) 軸 承 結(jié) 構(gòu) 圖 3.9滾 動(dòng) 軸 承 和 滑 動(dòng) 軸 承 牙 輪 鉆 頭 橡 膠 密 封 金 屬 密 封 圖 3.10橡 膠 密 封 和 金 屬 密 封 三 牙 輪 鉆 頭雙 牙 輪 鉆 頭單 牙 輪 鉆 頭 圖 3.11 單 牙 輪 鉆 頭 、 雙 牙 輪 鉆 頭 和 三 牙 輪 鉆 頭 一、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu) 一 、 牙 輪 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 圖 3.12 牙 輪 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 描 述 牙 輪 鉆 頭 牙 爪 （ 巴 掌 ） 牙 輪 鉆 頭 結(jié) 構(gòu) 可 分 為 以 下 主 要 部 分 描 述 (圖 3.12)： 接

4、頭 ： 鉆 頭 上 部 車 有 絲 扣 ， 供 與 鉆 柱 連 接 用 ； 牙 爪 (也 稱 巴 掌 )： 上 接 殼 體 ， 下 帶 牙 輪 軸 (軸 頸 )； 牙 輪 與 牙 齒 ； 軸 承 系 統(tǒng) ； 儲(chǔ) 油 密 封 補(bǔ) 償 系 統(tǒng) ； 水 力 結(jié) 構(gòu) ： 噴 嘴 數(shù) 量 、 尺 寸 形 狀 、 空 間 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 。 一 )牙 輪 及 牙 齒 1.牙 輪 牙 輪 是 用 合 金 鋼 經(jīng) 過(guò) 模 鍛 而 制 成 的 錐 體 (如 圖 3.13) ， 牙 輪 錐 面 或 銑 出 牙 齒 （ 銑 齒 鉆 頭 )， 或 鑲 裝 硬 質(zhì) 合 金 齒 (鑲 齒 鉆 頭 )， 牙 輪

5、內(nèi) 部 有 軸 承 跑 道 及 臺(tái) 肩 ， 牙 輪 外 錐 面 具 有 兩 種 至 多 種 錐 度 。 單 錐 牙 輪 僅 由 主 錐 和 背 錐 組 成 ； 復(fù) 錐 牙 輪 由 主 錐 、 副 錐 和 背 錐 組 成 ， 有 的 有 兩 個(gè) 副 錐 （ 圖 3.14） 。 軸 承 跑 道銑 齒 鑲 齒 位 置 圖 3.13 牙 輪 結(jié) 構(gòu) 示 意 牙 輪 圖 3.14 牙 輪 錐 面 結(jié) 構(gòu) 形 式 2.銑 齒 銑 齒 牙 輪 鉆 頭 的 牙 齒 是 由 牙 輪 毛 坯 經(jīng) 銑 削 加 工 而 成 的 ， 主 要 是 楔 形 齒 ， 齒 的 結(jié) 構(gòu) 見(jiàn) 圖 3.15， 根 據(jù) 齒 位 置 的

6、 不 同 分 為 保 徑 齒 、 內(nèi) 排 齒 和 修 邊 齒 。 修 邊 齒 為 硬 質(zhì) 合 金 鑲 齒 ， 以 強(qiáng) 化 保 徑 效 果 。 齒 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 確 定 兼 顧 有 利 于 破 碎 巖 石 及 齒 的 強(qiáng) 度 。 一 般 軟 地 層 牙 輪 鉆 頭 的 齒 高 、 齒 寬 、 齒 距 都 較 大 ， 而 硬 地 層 則 相 反 。 為 增 強(qiáng) 銑 齒 的 耐 磨 性 ， 在 銑 齒 表 面 堆 焊 硬 質(zhì) 合 金 耐 磨 層 。 圖 3.15銑 齒 的 切 削 結(jié) 構(gòu) 硬 質(zhì) 合 金 堆 焊 層 保 徑 齒 內(nèi) 排 齒 修 邊 齒 圖 3.16 銑 齒 的 結(jié) 構(gòu) 銑 齒

7、牙 輪 鉆 頭 特 點(diǎn) ： 銑 齒 牙 輪 鉆 頭 的 牙 齒 用 金 屬 材 料 直 接 加 工 成 型 ， 齒 形 、 齒 寬 、 齒 高 可 根 據(jù) 地 層 特 性 設(shè) 計(jì) 加 工 ， 因 而 在 軟 地 層 中 機(jī) 械 鉆 速 高 。 銑 齒 牙 齒 材 料 受 到 牙 輪 材 料 的 限 制 ， 雖 經(jīng) 敷 焊 硬 質(zhì) 合 金 層 ， 但 其 耐 磨 性 仍 顯 不 足 ， 在 硬 、 研 磨 性 強(qiáng) 的 地 層 中 ， 使 用 壽 命 很 低 。 鑲 齒 牙 輪 鉆 頭 是 在 牙 輪 上 鉆 出 孔 后 ， 將 硬 質(zhì) 合 金 材 料 制 成 的 齒 鑲 入 孔 中 （ 圖 3.

8、17)。 牙 輪 鉆 頭 上 使 用 的 硬 質(zhì) 合 金 鑲 齒 是 碳 化 鎢 (WC) 、 鈷 (Co)系 列 硬 質(zhì) 合 金 。 它 是 以 碳 化 鎢 粉 末 為 骨 架 金 屬 、 鈷 粉 末 為 粘 結(jié) 劑 ， 有 時(shí) 加 入 少 量 的 鉭 或 鈮 的 碳 化 物 用 粉 末 冶 金 方 法 壓 制 、 燒 結(jié) 而 成 的 。 合 金 中 隨 著 鈷 的 含 量 的 增 加 ， 密 度 有 所 下 降 ， 硬 度 逐 漸 降 低 ， 即 耐 磨 性 能 降 低 ， 但 抗 彎 強(qiáng) 度 逐 漸 增 大 ， 且 沖 擊 韌 性 也 提 高 。 在 不 改 變 碳 化 鎢 和 鈷 含

9、量 的 情 況 下 ， 增 大 碳 化 鎢 的 粒 度 ， 可 以 提 高 硬 質(zhì) 合 金 的 韌 性 ， 而 其 硬 度 和 耐 磨 性 不 變 。 近 幾 年 研 發(fā) 出 金 剛 石 復(fù) 合 材 料 鑲 齒 (圖 3.18)。 鑲 齒 在 井 底 組 成 切 削 結(jié) 構(gòu) 的 定 義 見(jiàn) 圖 3.17。 根 據(jù) 齒 在 切 削 結(jié) 構(gòu) 中 的 位 置 不 同 可 將 齒 分 為 ： 內(nèi) 排 齒 、 保 徑 齒 和 修 邊 齒 。 3.鑲 齒 密 封 內(nèi) 排 齒 牙 爪 修 邊 齒 保徑齒 圖 3.17 鑲齒切削結(jié)構(gòu)定義 圖 3.18 金 剛 石 復(fù) 合 材 料 鑲 齒 示 意 鑲 齒 牙 輪

10、 鉆 頭 齒 的 形 狀 ： 鑲 齒 牙 輪 鉆 頭 齒 的 形 狀 是 根 據(jù) 地 層 條 件 設(shè) 計(jì) 的 。 一 般 情 況 下 ， 尖 、 長(zhǎng) 齒 適 應(yīng) 于 軟 地 層 ， 短 、 鈍 齒 適 合 硬 地 層 。 具 有 代 表 性 的 齒 形 描 述 如 下 （ 圖 3.19） ： 圖 3.19 圖 3.20 鑲 齒 結(jié) 構(gòu) 楔 形 齒 （ 圖 3.20) 齒 形 呈 “ 楔 子 ” 狀 ， 齒 尖 角 由 65 90 不 等 。 適 用 于 破 碎 具 有 高 塑 性 的 軟 地 層 以 及 中 硬 地 層 ， 齒 尖 角 小 的 適 合 軟 地 層 ， 齒 尖 角 大 的 適

11、 合 較 硬 地 層 。 勺 形 齒 美 國(guó) 休 斯 公 司 80年 代 推 出 的 新 齒 形 。 它 是 一 種 不 對(duì) 稱 的 楔 形 齒 ， 其 切 削 地 層 的 工 作 面 是 內(nèi) 凹 的 勺 形 ， 背 面 是 微 向 外 凸 的 圓 弧 形 。 這 種 結(jié) 構(gòu) 改 善 牙 齒 的 受 力 狀 況 ， 既 提 高 了 破 碎 效 率 又 增 強(qiáng) 了 齒 的 強(qiáng) 度 ， 可 高 效 破 碎 極 軟 至 中 軟 地 層 巖 石 。 圓 錐 形 齒 錐 形 有 長(zhǎng) 錐 、 短 錐 、 單 錐 、 雙 錐 等 多 種 形 狀 ， 強(qiáng) 度 高 于 楔 形 齒 。 錐 角 60一 70

12、的 中 等 錐 形 齒 用 來(lái) 鉆 中 硬 地 層 ， 如 灰 巖 、 白 云 巖 、 砂 巖 等 。 90 錐 形 及 120 。 雙 錐 形 齒 用 來(lái) 鉆 研 磨 性 高 的 堅(jiān) 硬 巖 石 ， 如 硬 砂 巖 、 石 英 巖 、 燧 石 等 。 球 形 齒 頂 部 為 半 球 體 ， 適 合 高 研 磨 性 的 堅(jiān) 硬 地 層 ， 如 燧 石 、 石 英 巖 、 玄 武 巖 、 花 崗 巖 等 ， 強(qiáng) 度 和 耐 磨 性 均 高 。 二 ） 軸 承 系 統(tǒng) 1.結(jié) 構(gòu) 牙 輪 鉆 頭 軸 承 由 牙 輪 內(nèi) 腔 、 軸 承 跑 道 、 牙 爪 軸 頸 、 鎖 緊 元 件 等 組 成

13、 。 軸 承 副 有 大 、 中 （ 鎖 緊 ） 、 小 和 止 推 軸 承 四 個(gè) (圖 3.21)。 2.分 類 根 據(jù) 軸 承 的 密 封 與 否 ， 可 分 為 密 封 和 非 密 封 兩 類 。 根 據(jù) 軸 承 副 的 結(jié) 構(gòu) ， 鉆 頭 軸 承 分 為 滾 動(dòng) 軸 承 和 滑 動(dòng) 軸 承 （ 圖 3.22） ,指 主 要 承 載 軸 承 即 大 軸 承 )兩 大 類 （ 圖 3.23， 3.24)。 滾 動(dòng) 軸 承 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 有 “ 滾 柱 滾 珠 滾 柱 止 推 ” 和 “ 滾 柱 滾 珠 一 滑 動(dòng) 止 推 ” 兩 類 ； 滑 動(dòng) 軸 承 的 結(jié) 構(gòu) 有 “ 滑 動(dòng)

14、滾 動(dòng) 滑 動(dòng) 止 推 ” 及 “ 滑 動(dòng) 一 滑 動(dòng) 一 滑 動(dòng) 止 推 ” 兩 種 。 主 (大 )軸 承 鎖 緊 軸 承 （ 中 軸 承 ） 小 軸 承 止 推 軸 承 滾 柱 密 封 圖 3.21牙 輪 鉆 頭 軸 承 結(jié) 構(gòu) 示 意 軸 頸 滑 動(dòng) 軸 承 結(jié) 構(gòu) 滾 動(dòng) 軸 承 結(jié) 構(gòu) 圖 3.22 不 同 軸 承 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 3.23 滾 動(dòng) 軸 承 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 圖 3.24 滑 動(dòng) 軸 承 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 圖 3.25 牙 輪 鉆 頭 軸 承 結(jié) 構(gòu) 名 稱 3.軸 承 系 統(tǒng) 的 性 能 與 鉆 頭 工 作 特 性 之 間 的 關(guān) 系 軸 承 系 統(tǒng) 的

15、可 靠 性 與 鉆 頭 的 額 定 工 作 轉(zhuǎn) 速 密 切 相 關(guān) 。 軸 承 的 性 能 與 軸 承 類 型 、 結(jié) 構(gòu) 、 材 料 、 密 封 等 因 素 有 關(guān) 。 牙 輪 鉆 頭 軸 承 工 作 在 低 速 、 重 載 、 潤(rùn) 滑 不 良 條 件 下 ， 由 于 滾 動(dòng) 軸 承 的 承 載 能 力 低 于 滑 動(dòng) 軸 承 ， 工 作 壽 命 滾 動(dòng) 軸 承 低 于 滑 動(dòng) 軸 承 。 3.儲(chǔ) 油 潤(rùn) 滑 密 封 系 統(tǒng) 作 用 ： 為 軸 承 系 統(tǒng) 提 供 潤(rùn) 滑 油 ； 防 止 鉆 井 液 進(jìn) 入 軸 承 。 結(jié) 構(gòu) 與 原 理 ： 儲(chǔ) 油 潤(rùn) 滑 密 封 系 統(tǒng) 主 要 由

16、儲(chǔ) 油 囊 、 過(guò) 油 通 道 、 密 封 等 部 分 組 成 (圖 3.26)。 儲(chǔ) 油 囊 (圖 3.27)由 橡 膠 制 成 ， 內(nèi) 部 儲(chǔ) 油 ， 外 部 與 環(huán) 空 相 通 。 工 作 時(shí) ， 由 于 鉆 頭 振 動(dòng) 使 軸 承 內(nèi) 部 產(chǎn) 生 抽 吸 ， 同 時(shí) 泥 漿 壓 力 作 用 于 油 囊 壓 縮 油 囊 ， 使 油 囊 內(nèi) 的 潤(rùn) 滑 油 不 斷 通 過(guò) 過(guò) 油 孔 進(jìn) 入 軸 承 內(nèi) 部 潤(rùn) 滑 軸 承 。 同 時(shí) 密 封 防 止 泥 漿 進(jìn) 入 軸 承 系 統(tǒng) 和 防 止 潤(rùn) 滑 油 漏 失 。 儲(chǔ)油囊 軸承系統(tǒng) 過(guò)油孔 密封 圖 3.26儲(chǔ) 油 潤(rùn) 滑 密 封 系

17、統(tǒng) 的 構(gòu) 成 圖 3.27儲(chǔ) 油 囊 結(jié) 構(gòu) 4.水 力 結(jié) 構(gòu) 牙 輪 鉆 頭 的 水 力 結(jié) 構(gòu) ： 鉆 井 液 流 經(jīng) 鉆 頭 噴 嘴 在 井 底 形 成 流 場(chǎng) ， 井 底 流 場(chǎng) 的 變 化 與 噴 嘴 的 數(shù) 量 、 形 狀 、 空 間 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 有 關(guān) 。 噴 嘴 的 數(shù) 量 、 尺 寸 形 狀 、 空 間 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 組 成 牙 輪 鉆 頭 水 力 結(jié) 構(gòu) 。 牙 輪 鉆 頭 水 力 結(jié) 構(gòu) 的 作 用 ： 鉆 井 液 流 出 鉆 頭 射 向 井 底 的 通 道 ； 噴 嘴 數(shù) 量 、 尺 寸 決 定 了 鉆 頭 的 過(guò) 流 面 積 ， 通 過(guò) 調(diào) 節(jié) 過(guò)

18、流 面 積 改 變 鉆 頭 壓 降 ， 實(shí) 現(xiàn) 水 力 參 數(shù) 優(yōu) 化 鉆 井 ； 通 過(guò) 合 理 調(diào) 節(jié) 噴 嘴 的 空 間 位 置 ， 形 成 最 優(yōu) 的 水 力 結(jié) 構(gòu) ， 有 效 清 洗 牙 輪 和 井 底 巖 粉 。 圖 3.29 水 力 結(jié) 構(gòu) 的 作 用 輔 助 破 巖 水眼 （噴嘴 ） 噴 嘴 的 結(jié) 構(gòu) （ 圖 3.28)： 噴 嘴 又 稱 水 眼 ， 為 硬 質(zhì) 合 金 材 料 制 成 ， 內(nèi) 部 流 道 形 狀 多 樣 ， 可 拆 卸 。 圖 3.28噴 嘴 的 結(jié) 構(gòu) 噴 嘴 的 數(shù) 量 與 尺 寸 噴 嘴 數(shù) 量 和 尺 寸 是 由 水 力 學(xué) 參 數(shù) 優(yōu) 化

19、設(shè) 計(jì) 結(jié) 果 確 定 的 。 噴 嘴 的 當(dāng) 量 直 徑 可 由 排 量 和 設(shè) 計(jì) 鉆 頭 壓 降 計(jì) 算 得 到 ： 2 205.0 A QP = 式 中 ： P設(shè) 計(jì) 鉆 頭 壓 降 ； Q排 量 ； 泥 漿 密 度 ； A鉆 頭 噴 嘴 過(guò) 流 面 積 ； D噴 嘴 當(dāng) 量 直 徑 ； Dj第 j個(gè) 噴 嘴 的 直 徑 ； n噴 嘴 個(gè) 數(shù) 。 2 4 1 DA pi= = = n j jdD 1 2 噴 嘴 的 空 間 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 噴 嘴 的 空 間 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 主 要 包 括 ： 空 間 分 布 、 噴 距 、 噴 射 角 度 。 圖 3.30井底射流沖擊力與流量

20、的關(guān)系 圖 3.31 噴嘴對(duì)井底流場(chǎng)的影響 二 、 牙 輪 鉆 頭 的 工 作 及 破 巖 原 理 1.牙 齒 的 公 轉(zhuǎn) 與 自 轉(zhuǎn) （ 圖 3.32) 牙 輪 鉆 頭 依 靠 牙 齒 破 碎 巖 石 ， 牙 輪 鉆 頭 工 作 時(shí) ， 固 定 在 牙 輪 上 的 牙 齒 隨 鉆 頭 一 起 繞 鉆 頭 軸 線 作 順 時(shí) 針 方 向 的 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 這 種 運(yùn) 動(dòng) 稱 作 公 轉(zhuǎn) 。 公 轉(zhuǎn) 的 轉(zhuǎn) 速 就 是 轉(zhuǎn) 盤 或 井 下 動(dòng) 力 鉆 具 的 旋 轉(zhuǎn) 速 度 。 牙 輪 上 各 排 牙 齒 公 轉(zhuǎn) 的 線 速 度 是 不 同 的 ， 外 排 齒 公 轉(zhuǎn) 的 線 速 度 最

21、大 。 鉆 頭 工 作 時(shí) ， 牙 齒 繞 牙 輪 軸 線 作 逆 時(shí) 針 方 向 的 旋 轉(zhuǎn) 稱 為 自 轉(zhuǎn) 。 牙 輪 自 轉(zhuǎn) 的 轉(zhuǎn) 速 與 鉆 頭 轉(zhuǎn) 速 即 公 轉(zhuǎn) 的 轉(zhuǎn) 速 以 及 牙 齒 對(duì) 井 底 的 作 用 有 關(guān) 。 牙 輪 以 及 牙 輪 上 牙 齒 的 自 轉(zhuǎn) 是 破 碎 巖 石 時(shí) 牙 齒 與 地 層 巖 石 之 間 相 互 作 用 的 結(jié) 果 。 公 轉(zhuǎn) --- 順 時(shí) 針 旋 轉(zhuǎn) 自 轉(zhuǎn) 牙 輪 逆 時(shí) 針 旋 轉(zhuǎn) 圖 3.32 牙輪鉆頭的運(yùn)動(dòng)分析 2.鉆 頭 的 縱 向 振 動(dòng) 及 對(duì) 地 層 的 沖 擊 、 壓 碎 作 用 鉆 頭 工 作 時(shí) ， 牙 輪

22、 滾 動(dòng) ， 牙 齒 與 井 底 的 接 觸 是 單 齒 、 雙 齒 交 錯(cuò) 進(jìn) 行 的 。 單 齒 接 觸 井 底 時(shí) ， 牙 輪 的 中 心 處 于 最 高 位 置 ； 雙 齒 接 觸 井 底 時(shí) 則 牙 齒 的 中 心 下 降 。 牙 輪 在 滾 動(dòng) 過(guò) 程 中 ， 牙 輪 中 心 的 位 置 不 斷 上 下 交 換 ， 使 鉆 頭 沿 軸 向 作 上 下 往 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) ， 這 就 是 鉆 頭 的 縱 向 振 動(dòng) 。 鉆 頭 的 縱 向 振 動(dòng) 使 牙 齒 產(chǎn) 生 沖 擊 力 ， 以 沖 擊 方 式 破 碎 巖 石 （ 圖 3.33） 。 由 于 井 底 不 平 和 有 凸 臺(tái) 存

23、在 ， 牙 輪 在 滾 動(dòng) 過(guò) 程 中 會(huì) 產(chǎn) 生 縱 向 振 動(dòng) 。 鉆 頭 在 井 底 的 縱 向 振 動(dòng) ， 使 鉆 柱 不 斷 壓 縮 與 伸 張 ， 下 部 鉆 柱 把 這 種 周 期 性 變 化 的 彈 性 變 形 能 通 過(guò) 鉆 頭 牙 齒 轉(zhuǎn) 化 為 對(duì) 地 層 的 沖 擊 作 用 力 用 以 破 碎 巖 石 ， 與 靜 載 壓 入 力 一 起 形 成 了 鉆 頭 對(duì) 地 層 巖 石 的 沖 擊 、 壓 碎 作 用 （ 圖 3.34)。 牙 齒 單 雙 齒 交 替 作 用 于 地 層 ， 牙 輪 中 心 的 位 置 不 斷 上 下 交 換 ， 使 鉆 頭 沿 軸 向 作 上 下

24、 往 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 的 。 牙 輪 鉆 頭 縱 向 振 動(dòng) 如 圖 3.33所 示 ： 圖 3.33振 動(dòng) 產(chǎn) 生 的 原 因 由 于 井 底 不 平 和 有 凸 臺(tái) 存 在 ， 牙 輪 在 滾 動(dòng) 過(guò) 程 中 會(huì) 產(chǎn) 生 縱 向 振 動(dòng) 。 圖 3.34 沖 擊 壓 碎 作 用 示 意 3.牙 齒 對(duì) 地 層 的 剪 切 作 用 牙 輪 鉆 頭 除 對(duì) 地 層 巖 石 產(chǎn) 生 沖 擊 、 壓 碎 作 用 外 ， 還 對(duì) 地 層 巖 石 產(chǎn) 生 剪 切 作 用 。 剪 切 作 用 主 要 是 通 過(guò) 牙 輪 在 井 底 滾 動(dòng) 的 同 時(shí) 還 產(chǎn) 生 牙 齒 對(duì) 井 底 的 滑 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 的

25、， 產(chǎn) 生 滑 動(dòng) 的 原 因 是 由 牙 輪 鉆 頭 的 超 頂 、 復(fù) 錐 和 移 軸 三 種 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 引 起 的 。 (1)超 頂 和 復(fù) 錐 引 起 的 滑 動(dòng) 牙 輪 錐 頂 超 過(guò) 鉆 頭 軸 線 ， 這 種 特 點(diǎn) 稱 作 超 頂 ， 超 過(guò) 的 距 離 ob稱 作 超 頂 距 。 以 下 定 性 分 析 由 于 超 頂 引 起 的 滑 動(dòng) 。 超 頂 牙 輪 上 的 牙 齒 產(chǎn) 生 滑 動(dòng) 的 原 因 ： 假 定 牙 輪 為 光 滑 圓 錐 ， 井 底 與 牙 輪 為 絕 對(duì) 剛 體 。 牙 輪 與 井 底 接 觸 為 一 條 直 線 ba， vb表 示 牙 輪 隨 鉆

26、 頭 公 轉(zhuǎn) 的 線 速 度 ， vc表 示 牙 輪 繞 牙 輪 軸 自 轉(zhuǎn) 的 線 速 度 ， 直 線 ba上 任 一 點(diǎn) 相 對(duì) 井 底 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 vgx均 為 vbx、 vcx的 合 成 ， 即 ： vgx= vbx+vcx； Vgx呈 直 線 分 布 ， 它 與 ba交 于 m點(diǎn) ， m點(diǎn) 的 合 成 速 度 為 零 ， 為 純 滾 動(dòng) 點(diǎn) 。 而 其 它 位 置 合 成 速 度 不 為 零 ， 在 滾 動(dòng) 的 同 時(shí) 產(chǎn) 生 滑 動(dòng) 。 由 此 可 知 ： 超 頂 牙 輪 的 牙 輪 鉆 頭 在 井 底 工 作 時(shí) ， 牙 輪 上 的 牙 齒 在 井 底 以 m點(diǎn) 為 中

27、心 產(chǎn) 生 切 向 扭 轉(zhuǎn) 滑 動(dòng) 。 vbx vcx Vgx 復(fù) 錐 牙 輪 包 括 主 錐 和 副 錐 。 主 錐 頂 與 鉆 頭 中 心 重 合 ， 而 副 錐 錐 頂 的 延 伸 線 是 超 頂 的 。 復(fù) 錐 牙 輪 由 于 牙 輪 線 速 度 不 再 作 直 線 分 布 ， 同 時(shí) 由 于 副 錐 是 超 頂 的 ， 因 而 產(chǎn) 生 滑 動(dòng) 。 其 分 析 方 法 同 超 頂 情 況 。 (2)移軸引起的滑動(dòng)牙 輪 軸 線 相 對(duì) 于 鉆 頭 軸 線 平 移 一 段 距 離 ， 這 種 方 式 稱 作 移 軸 ， 平 移 的 距 離 oo， 稱 作 偏 移 值 。 由 于 牙 輪

28、的 移 軸 ， 牙 輪 作 公 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 牙 輪 與 巖 石 接 觸 母 線 上 任 一 點(diǎn) 都 產(chǎn) 生 垂 直 于 牙 輪 軸 的 分 速 度 和 沿 牙 輪 軸 線 方 向 的 分 速 度 ， 從 而 產(chǎn) 生 滑 動(dòng) 。 o O 超 頂 、 復(fù) 錐 、 移 軸 使 牙 齒 產(chǎn) 生 滑 動(dòng) 的 作 用 ： 超 頂 和 復(fù) 錐 所 引 起 的 切 線 方 向 滑 動(dòng) 除 可 在 切 線 方 向 與 沖 擊 、 壓 碎 作 用 共 同 破 碎 巖 石 外 ， 還 可 以 剪 切 掉 同 一 齒 圈 相 鄰 牙 齒 破 碎 坑 之 間 的 巖 石 ； 移 軸 則 在 軸 向 產(chǎn) 生 滑 動(dòng) 和

29、切 削 地 層 的 作 用 ， 它 可 以 剪 切 掉 齒 圈 之 間 的 巖 石 (如 圖 3.35)。 圖 3.35超 頂 、 復(fù) 錐 、 移 軸 使 牙 齒 產(chǎn) 生 滑 動(dòng) 的 作 用 示 意 圖 鉆 頭 牙 齒 破 碎 巖 石 形 成 的 井 底 示 意 圖 無(wú) 超 頂 復(fù) 錐 ， 同 一 齒 圈 相 鄰 牙 齒 破 碎 坑 之 間 的 存 在 未 破 碎 部 分 超 頂 復(fù) 錐 設(shè) 計(jì) ， 可 以 剪 切 掉 同 一 齒 圈 相 鄰 牙 齒 破 碎 坑 之 間 的 巖 石 牙 齒 的 滑 動(dòng) 雖 然 可 以 剪 切 井 底 巖 石 以 提 高 破 碎 效 率 ， 但 也 相 應(yīng) 地

30、使 牙 齒 磨 損 加 劇 。 移 軸 引 起 的 軸 向 滑 動(dòng) 使 牙 齒 的 內(nèi) 端 面 部 分 磨 損 ， 而 超 頂 和 復(fù) 錐 引 起 的 切 線 方 向 滑 動(dòng) 使 牙 齒 側(cè) 面 磨 損 。 實(shí) 際 鉆 頭 的 超 頂 、 復(fù) 錐 、 移 軸 是 根 據(jù) 地 層 特 性 設(shè) 計(jì) ， 一 般 遵 循 以 下 準(zhǔn) 則 ： 對(duì) 于 鉆 極 軟 到 中 硬 地 層 的 鉆 頭 ， 一 般 兼 有 移 軸 、 超 頂 和 復(fù) 錐 結(jié) 構(gòu) ； 一 部 分 中 硬 或 硬 地 層 鉆 頭 有 超 頂 和 復(fù) 錐 。 對(duì) 于 極 硬 和 研 磨 性 很 強(qiáng) 的 地 層 ， 所 用 的 鉆 頭

31、結(jié) 構(gòu) 基 本 上 是 純 滾 動(dòng) 而 無(wú) 滑 動(dòng) 的 (即 單 錐 、 不 超 頂 、 也 不 移 軸 )。 超 頂 、 復(fù) 錐 、 移 軸 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 ： 4.牙 輪 鉆 頭 的 自 洗 牙 輪 鉆 頭 工 作 時(shí) ， 特 別 是 在 軟 地 層 鉆 進(jìn) 時(shí) ， 牙 齒 間 易 積 存 巖 屑 產(chǎn) 生 泥 包 ， 影 響 鉆 進(jìn) 效 果 。 為 解 決 這 一 問(wèn) 題 ， 出 現(xiàn) 了 自 洗 式 鉆 頭 。 牙 輪 鉆 頭 的 自 洗 是 通 過(guò) 牙 輪 布 置 使 各 牙 輪 的 牙 齒 齒 圈 互 相 嚙 合 ， 一 個(gè) 牙 輪 的 齒 圈 之 間 積 存 的 巖 屑 由 另 一

32、個(gè) 牙 輪 的 齒 圈 的 牙 齒 剔 除 。 這 種 方 式 稱 作 牙 輪 鉆 頭 的 自 洗 。 三 、 牙 輪 鉆 頭 的 特 點(diǎn) 優(yōu) 點(diǎn) ： 1.沖 擊 和 剪 切 雙 重 作 用 破 巖 ， 既 有 牙 齒 的 沖 擊 又 有 滑 動(dòng) 引 起 的 剪 切 ， 破 巖 效 率 高 。 2.適 應(yīng) 地 層 范 圍 廣 ， 適 合 在 所 有 地 層 中 鉆 進(jìn) 。 3.鉆 頭 自 洗 效 果 好 ， 不 容 易 泥 包 。 4.鉆 頭 成 本 較 低 。 缺 點(diǎn) ： 1、 由 于 軸 承 的 壽 命 和 牙 齒 耐 磨 性 的 限 制 ， 鉆 頭 壽 命 相 對(duì) 較 低 ； 2、 由

33、于 存 在 薄 弱 環(huán) 節(jié) （ 如 軸 承 密 封 與 鎖 緊 部 位 ） ， 經(jīng) 常 會(huì) 造 成 牙 輪 脫 落 ， 造 成 鉆 井 事 故 ； 3、 由 于 軸 承 在 高 轉(zhuǎn) 速 下 壽 命 較 低 ， 因 此 牙 輪 鉆 頭 不 適 合 高 轉(zhuǎn) 速 ， 一 般 適 合 在 200轉(zhuǎn) /分 以 下 。 4、 在 高 溫 條 件 下 ， 鉆 頭 密 封 和 潤(rùn) 滑 系 統(tǒng) 容 易 損 壞 ， 因 而 不 適 合 高 溫 地 層 。 5、 在 小 井 眼 中 由 于 牙 輪 尺 寸 受 到 限 制 ， 壽 命 很 低 ， 因 此 不 適 合 小 井 眼 鉆 井 。 6、 所 需 鉆 壓 相 對(duì) 較 高 ， 不 適 合 在 易 斜 地 層 使 用 。