第三節(jié)牙輪鉆頭鉆進(jìn)

第三節(jié)牙輪鉆頭鉆進(jìn)工程鉆探學(xué)課件第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月工程鉆探主講人：杜振川第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭與工藝第三節(jié)牙輪鉆頭鉆進(jìn)

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一、牙輪鉆頭鉆進(jìn)的特點(diǎn)及應(yīng)用1、特點(diǎn)(1)牙輪在孔底繞鉆孔軸線和繞牙輪軸滾動(dòng)時(shí)，對巖石起壓入、壓碎、剪切作用的同時(shí)，帶有一定頻率的沖擊。在幾種破碎方式聯(lián)合作用下碎巖，提高了碎巖效果；(2）牙輪靠滾動(dòng)和滑動(dòng)，回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩小，消耗的功率?。坏?頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)牙輪鉆頭鉆進(jìn)

一、牙輪鉆頭鉆進(jìn)的特點(diǎn)及應(yīng)用1、特點(diǎn)(3）軸心載荷均勻分布在碎巖牙輪上，在牙齒與巖石不大的接觸面積上；造成很高的比壓，提高了碎巖效果；(4）牙輪沿孔底滾動(dòng)時(shí)，牙齒與巖石的接觸傳遞為瞬時(shí)的，接觸時(shí)間短，減少了牙齒的磨損，延長牙齒的壽命。(5）牙齒與巖石接觸的時(shí)間短，因接觸摩擦而產(chǎn)生的熱量少，此熱量在牙輪回轉(zhuǎn)一周中可由沖洗介質(zhì)完全帶走，因此不會因過熱而降低牙齒的力學(xué)性能。第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)牙輪鉆頭鉆進(jìn)

一、牙輪鉆頭鉆進(jìn)的特點(diǎn)及應(yīng)用2、應(yīng)用牙輪鉆進(jìn)可用于鉆進(jìn)從軟巖到非常堅(jiān)硬的巖石。例如，可鉆極軟的泥巖、軟頁巖，直到極硬的花崗巖、石英巖、玄武巖。目前牙輪鉆頭可用于固體礦床勘探（鉆頭直徑46-151mm）、水井鉆探、石油和天然氣鉆井（鉆頭直徑95.2~660.4mm)、礦山爆破孔及其他工程目的鉆孔。第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)牙輪鉆頭鉆進(jìn)

二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)1、牙輪鉆頭的組成牙輪鉆頭由鉆頭體、牙輪爪（巴掌）、牙輪、軸承、水眼和儲油密封補(bǔ)償系統(tǒng)等部分組成。1）鉆頭體

鉆頭體是牙輪鉆頭的本體，其上部車有螺紋與鉆桿柱相連接，下部有牙輪爪。牙輪爪與牙輪相連，用以支承牙輪。鉆頭體上裝有水眼或鑲裝噴嘴。第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)1、牙輪鉆頭的組成無體式鉆頭有體式鉆頭1-鉆頭體；2-牙輪爪；3-牙輪；4-水眼板；5-塞銷；6-滾珠；7-滾球；8-定位銷第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)1、牙輪鉆頭的組成牙輪鉆頭以其牙輪爪間的焊接方式不同，分為有體式鉆頭和無體式鉆頭兩種。有體式鉆頭是鉆頭體與牙輪爪分別制造，然后牙輪爪焊接在鉆頭體的側(cè)面，直徑較大的鉆頭(374.65mm以上)多為有體式鉆頭。如果由3組裝有牙輪的牙輪爪直接焊接成一體的，叫無體鉆頭，直徑較小的鉆頭(311.15mm以下)，多為無體式鉆頭。第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)1、牙輪鉆頭的組成牙輪爪上接鉆頭體，下帶牙輪軸（軸頸），無體式鉆頭的巴掌在焊成一整體后，然后上端車外螺紋，內(nèi)有水眼，焊以噴管或鑲裝噴嘴。2）牙輪爪（巴掌）

3）牙輪它是帶有牙齒的錐體，用以破碎孔底巖石。牙輪毛坯用模鍛鍛出，牙輪錐面銑成牙齒（銑齒鉆頭）或鑲裝硬質(zhì)合金齒（鑲齒鉆頭）。

第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)1、牙輪鉆頭的組成牙輪外錐面有1~3種錐度，如圖所示。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。1-主錐；2-副錐；3-背錐第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)1、牙輪鉆頭的組成4）軸承每個(gè)牙輪內(nèi)有3副承受徑向載荷的軸承和1~2道止推軸承。5）水眼在鉆頭體（巴掌）鉆孔形成水眼，作為清洗孔底的通道。噴射式鉆頭則鑲裝有硬質(zhì)合金的噴嘴。第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)對于不同巖性的地層，鉆頭應(yīng)能夠以最合適的破碎方式鉆進(jìn)，在設(shè)計(jì)、制造鉆頭時(shí)，要選用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。例如，對研磨性硬地層主要以壓碎、沖擊作用碎巖，避免產(chǎn)生滑動(dòng)以減小牙齒的磨損；對于松軟地層，為了獲得較大的剪切作用，鉆頭結(jié)構(gòu)應(yīng)采用移軸、超頂和復(fù)錐，并且為了減少泥包，還應(yīng)采取自洗式等。第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)鉆頭尺寸與井身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它還應(yīng)與套管的尺寸系列相互適應(yīng)。牙輪鉆頭的直徑范圍較大，固體礦床勘探用的46-151mm，石油天然氣鉆井和水井鉆探用的95.2~660.4mm。1）鉆頭直徑

第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)為了使牙輪產(chǎn)生滑動(dòng)，常使牙輪軸線沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平移一段距離（或使牙輪軸相對于鉆頭徑向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度）2）牙輪軸線偏移值（移軸）(a)(b)(c)第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)偏移值的大小，常用偏移系數(shù)u來表示。偏移系數(shù)u為偏移值S與鉆頭直徑D之比值，即：u=S/D2）牙輪軸線偏移值（移軸）(a)(b)(c)第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)除了用S表示外，也有用偏移角α的大小來表示的，還有用偏移后牙輪軸線所交成的三角形內(nèi)切圓半徑r來表示的2）牙輪軸線偏移值（移軸）(a)(b)(c)第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)β角的大小影響鉆頭牙輪空間體積的大小和軸承受力的狀況。一般β角為510~590。軟地層鉆頭的β角較大，硬地層鉆頭的β角較小。3)牙輪軸線與鉆頭軸線夾角β第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)②牙輪的布置：決定牙輪布置的主要參數(shù)是偏移值S，超頂距C，β角和背錐角2γ等。

4)牙輪的形狀及布置①牙輪的幾何形狀：牙輪的幾何形狀尺寸，包括主錐角(2φ)，副錐角（2θ)，牙輪總高(H),牙輪最大外徑(d)，背錐角(2γ)。第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)

4)牙輪的形狀及布置牙輪的布置方式有：a不超頂，無滑動(dòng)式布置。牙輪軸線，主錐母線交于鉆頭中心線，主錐不超頂。牙輪在孔底的運(yùn)動(dòng)屬于純滾動(dòng)，無滑動(dòng)。牙輪的齒圈不與相鄰牙輪齒圈相嚙合，這種布置方案適用于鉆硬地層的鉆頭第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)

4)牙輪的形狀及布置牙輪的布置方式有：b超頂不移軸式布置。牙輪軸線交于鉆頭軸線，但主錐超頂。這種布置方式牙輪在孔底有滑動(dòng)。超頂可使各牙輪的牙齒相互嚙合，這種布置適用于軟及中硬地層的鉆頭第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)

4)牙輪的形狀及布置牙輪的布置方式有：c超頂、移軸。牙輪軸相對于鉆頭徑向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，即牙輪軸線偏移，且主錐有超頂，牙輪產(chǎn)生軸向滑動(dòng)。這種布置方式適用于軟及中硬地層的鉆頭第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)2、牙輪鉆頭的基本參數(shù)

5)牙輪上牙齒的布置牙齒的排布應(yīng)該是鉆頭每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，牙齒應(yīng)全部破碎孔底巖石。這里重要的是合理確定牙輪鉆頭齒圈寬度與齒圈的分布。常用遮蓋系數(shù)來表示：對于軟巖的鉆頭=1.101；對于硬巖的鉆頭=1.4。第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)3、牙輪鉆頭的牙齒銑齒：牙齒與牙輪殼體是一體的，由牙輪毛坯經(jīng)過銑削加工而成。為了提高牙齒的耐磨性，在齒面上敷焊硬合金粉。銑齒主要為楔形齒，其主要參數(shù)是齒高和齒尖角，如下圖所示第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)3、牙輪鉆頭的牙齒銑齒：齒高：同一牙輪各齒圈的齒高略有不同，外排齒圈的齒高較高；同一尺寸鉆頭，軟地層鉆頭的齒高較高，硬地層的齒高較低。齒尖角：軟地層齒尖角=380—400，中硬地層=400—420，硬地層=420—450。第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月二、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)3、牙輪鉆頭的牙齒鑲齒鑲齒是硬合金齒，主要用于堅(jiān)硬地層，也用于中硬和軟地層。鑲齒體部都是圓柱體，其露出的牙齒外形有：楔形齒、錐形齒、球形齒、平頂形齒。楔形齒用于塑性小的中硬及硬的研磨性地層。錐形齒用于堅(jiān)硬的和研磨性大的地層。球形齒適用于高研磨性堅(jiān)硬地層。第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三、牙輪鉆頭的工作原理1、牙輪鉆頭在孔底的運(yùn)動(dòng)孔底的牙輪鉆頭，在一定的鉆壓和回轉(zhuǎn)力作用下帶動(dòng)牙輪旋轉(zhuǎn)，牙輪鉆頭的運(yùn)動(dòng)：1）牙輪繞鉆頭軸線的旋轉(zhuǎn)（稱為公轉(zhuǎn)）當(dāng)鉆頭繞鉆柱軸線作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)牙輪也繞鉆頭軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為“公轉(zhuǎn)”。2）牙輪繞牙輪軸的旋轉(zhuǎn)（稱為自轉(zhuǎn)）當(dāng)牙輪繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞牙輪軸線作反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)稱為“自轉(zhuǎn)”。

第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三、牙輪鉆頭的工作原理1、牙輪鉆頭在孔底的運(yùn)動(dòng)3）牙輪的滑動(dòng)具有超頂、移軸和復(fù)錐式牙輪的牙輪鉆頭，在牙輪沿孔底滾動(dòng)同時(shí)，還產(chǎn)生牙輪齒相對于巖石表面的滑動(dòng)，即牙輪鉆頭的牙輪，在孔底工作，既有滾動(dòng)也有滑動(dòng)。滾動(dòng)沖擊、壓碎巖石、滑動(dòng)剪切巖石。第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三、牙輪鉆頭的工作原理1、牙輪鉆頭在孔底的運(yùn)動(dòng)4）牙輪的縱向振動(dòng)牙輪旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，當(dāng)牙輪為雙齒接觸孔底巖石時(shí)，牙輪的軸心最低；當(dāng)滾動(dòng)到單齒與孔底巖石表面接觸時(shí)，軸心便升到最高。這樣在牙輪滾動(dòng)過程中，軸心從最低到最高，再從最高到最低，反復(fù)交替，從而產(chǎn)生縱向振動(dòng)。

牙輪鉆頭在孔底工作時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生上述4種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。牙輪鉆頭是靠此復(fù)合運(yùn)動(dòng)而破碎孔底巖石的。第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三、牙輪鉆頭的工作原理2、牙輪鉆頭的碎巖原理在一定的壓力和回轉(zhuǎn)力作用下，鉆頭上的牙輪既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了滾動(dòng)、滑動(dòng)、沖擊振動(dòng)的復(fù)合碎巖作用，這種復(fù)合作用，可分為沖擊、壓碎作用和切削剪切作用。

1）沖擊、壓碎作用鉆進(jìn)時(shí)，加在鉆頭上的軸心載荷（靜載），使牙齒壓碎巖石，這就是壓碎作用。壓入壓碎為尖楔工具對巖石的壓入壓碎過程，而鑲硬合金的球齒鉆頭，則是球形工具壓入壓碎巖石的過程。同時(shí)，鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪的縱向振動(dòng)，產(chǎn)生沖擊載荷（動(dòng)載），使牙齒沖擊破碎巖石，稱為沖擊破碎。第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月三、牙輪鉆頭的工作原理2、牙輪鉆頭的碎巖原理2）剪切破碎作用牙輪齒對巖石的剪切破碎作用，是由于牙齒相對孔底巖石的滑動(dòng)而產(chǎn)生的。產(chǎn)生滑動(dòng)的主要因素是由于牙齒布置時(shí)的超頂、移軸和復(fù)錐而產(chǎn)生的。第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月四、影響牙輪鉆進(jìn)的因素（鉆進(jìn)規(guī)程）1、鉆壓實(shí)驗(yàn)表明，鉆進(jìn)速度與鉆壓之間呈非線性關(guān)系。由圖看出，牙輪鉆進(jìn)的鉆壓有個(gè)門檻值，當(dāng)鉆壓小于這個(gè)門檻值時(shí)，根本不進(jìn)尺；鉆壓值在ab區(qū)間內(nèi)，鉆進(jìn)速度較低；在be段鉆壓與鉆速成正比；當(dāng)鉆壓處于cd段時(shí)，隨著鉆壓的增加，鉆速增加的速率呈下降趨勢；當(dāng)超過d點(diǎn)時(shí)鉆壓的增加反而會引起鉆速的下降。第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月四、影響牙輪鉆進(jìn)的因素（鉆進(jìn)規(guī)程）2、轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速與鉆速成正比。當(dāng)超過這個(gè)范圍，隨轉(zhuǎn)速的增加，鉆進(jìn)速度的增加率減小。第35頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月四、影響牙輪鉆進(jìn)的因素（鉆進(jìn)規(guī)程）3、鉆頭水力學(xué)若鉆壓較小，鉆速較低時(shí)，所需的沖洗液量較小，這種情況對應(yīng)于圖中曲線“水平1”；若鉆壓增大，鉆速增加，產(chǎn)生的巖粉增多，最終會導(dǎo)致沖洗液難以完全排除巖粉，這種情況對