第三节牙轮钻头钻进

第三节牙轮钻头钻进工程钻探学课件第1页，课件共37页，创作于2023年2月工程钻探主讲人：杜振川第2页，课件共37页，创作于2023年2月第三章回转钻进钻头与工艺第三节牙轮钻头钻进

第3页，课件共37页，创作于2023年2月第三章回转钻进钻头与工艺第三节牙轮钻头钻进

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第5页，课件共37页，创作于2023年2月第三章回转钻进钻头与工艺第三节牙轮钻头钻进

一、牙轮钻头钻进的特点及应用1、特点(1)牙轮在孔底绕钻孔轴线和绕牙轮轴滚动时，对岩石起压入、压碎、剪切作用的同时，带有一定频率的冲击。在几种破碎方式联合作用下碎岩，提高了碎岩效果；(2）牙轮靠滚动和滑动，回转时转矩小，消耗的功率小；第6页，课件共37页，创作于2023年2月第三节牙轮钻头钻进

一、牙轮钻头钻进的特点及应用1、特点(3）轴心载荷均匀分布在碎岩牙轮上，在牙齿与岩石不大的接触面积上；造成很高的比压，提高了碎岩效果；(4）牙轮沿孔底滚动时，牙齿与岩石的接触传递为瞬时的，接触时间短，减少了牙齿的磨损，延长牙齿的寿命。(5）牙齿与岩石接触的时间短，因接触摩擦而产生的热量少，此热量在牙轮回转一周中可由冲洗介质完全带走，因此不会因过热而降低牙齿的力学性能。第7页，课件共37页，创作于2023年2月第三节牙轮钻头钻进

一、牙轮钻头钻进的特点及应用2、应用牙轮钻进可用于钻进从软岩到非常坚硬的岩石。例如，可钻极软的泥岩、软页岩，直到极硬的花岗岩、石英岩、玄武岩。目前牙轮钻头可用于固体矿床勘探（钻头直径46-151mm）、水井钻探、石油和天然气钻井（钻头直径95.2~660.4mm)、矿山爆破孔及其他工程目的钻孔。第8页，课件共37页，创作于2023年2月第三节牙轮钻头钻进

二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成牙轮钻头由钻头体、牙轮爪（巴掌）、牙轮、轴承、水眼和储油密封补偿系统等部分组成。1）钻头体

钻头体是牙轮钻头的本体，其上部车有螺纹与钻杆柱相连接，下部有牙轮爪。牙轮爪与牙轮相连，用以支承牙轮。钻头体上装有水眼或镶装喷嘴。第9页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成无体式钻头有体式钻头1-钻头体；2-牙轮爪；3-牙轮；4-水眼板；5-塞销；6-滚珠；7-滚球；8-定位销第10页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成牙轮钻头以其牙轮爪间的焊接方式不同，分为有体式钻头和无体式钻头两种。有体式钻头是钻头体与牙轮爪分别制造，然后牙轮爪焊接在钻头体的侧面，直径较大的钻头(374.65mm以上)多为有体式钻头。如果由3组装有牙轮的牙轮爪直接焊接成一体的，叫无体钻头，直径较小的钻头(311.15mm以下)，多为无体式钻头。第11页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成牙轮爪上接钻头体，下带牙轮轴（轴颈），无体式钻头的巴掌在焊成一整体后，然后上端车外螺纹，内有水眼，焊以喷管或镶装喷嘴。2）牙轮爪（巴掌）

3）牙轮它是带有牙齿的锥体，用以破碎孔底岩石。牙轮毛坯用模锻锻出，牙轮锥面铣成牙齿（铣齿钻头）或镶装硬质合金齿（镶齿钻头）。

第12页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成牙轮外锥面有1~3种锥度，如图所示。单锥牙轮仅由主锥和背锥组成；复锥牙轮由主锥、副锥和背锥组成。有的有两个副锥。1-主锥；2-副锥；3-背锥第13页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成4）轴承每个牙轮内有3副承受径向载荷的轴承和1~2道止推轴承。5）水眼在钻头体（巴掌）钻孔形成水眼，作为清洗孔底的通道。喷射式钻头则镶装有硬质合金的喷嘴。第14页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数对于不同岩性的地层，钻头应能够以最合适的破碎方式钻进，在设计、制造钻头时，要选用相应的结构参数。例如，对研磨性硬地层主要以压碎、冲击作用碎岩，避免产生滑动以减小牙齿的磨损；对于松软地层，为了获得较大的剪切作用，钻头结构应采用移轴、超顶和复锥，并且为了减少泥包，还应采取自洗式等。第15页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数钻头尺寸与井身结构密切相关，它还应与套管的尺寸系列相互适应。牙轮钻头的直径范围较大，固体矿床勘探用的46-151mm，石油天然气钻井和水井钻探用的95.2~660.4mm。1）钻头直径

第16页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数为了使牙轮产生滑动，常使牙轮轴线沿钻头旋转方向平移一段距离（或使牙轮轴相对于钻头径向偏转一个角度）2）牙轮轴线偏移值（移轴）(a)(b)(c)第17页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数偏移值的大小，常用偏移系数u来表示。偏移系数u为偏移值S与钻头直径D之比值，即：u=S/D2）牙轮轴线偏移值（移轴）(a)(b)(c)第18页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数除了用S表示外，也有用偏移角α的大小来表示的，还有用偏移后牙轮轴线所交成的三角形内切圆半径r来表示的2）牙轮轴线偏移值（移轴）(a)(b)(c)第19页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数β角的大小影响钻头牙轮空间体积的大小和轴承受力的状况。一般β角为510~590。软地层钻头的β角较大，硬地层钻头的β角较小。3)牙轮轴线与钻头轴线夹角β第20页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数②牙轮的布置：决定牙轮布置的主要参数是偏移值S，超顶距C，β角和背锥角2γ等。

4)牙轮的形状及布置①牙轮的几何形状：牙轮的几何形状尺寸，包括主锥角(2φ)，副锥角（2θ)，牙轮总高(H),牙轮最大外径(d)，背锥角(2γ)。第21页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数

4)牙轮的形状及布置牙轮的布置方式有：a不超顶，无滑动式布置。牙轮轴线，主锥母线交于钻头中心线，主锥不超顶。牙轮在孔底的运动属于纯滚动，无滑动。牙轮的齿圈不与相邻牙轮齿圈相啮合，这种布置方案适用于钻硬地层的钻头第22页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数

4)牙轮的形状及布置牙轮的布置方式有：b超顶不移轴式布置。牙轮轴线交于钻头轴线，但主锥超顶。这种布置方式牙轮在孔底有滑动。超顶可使各牙轮的牙齿相互啮合，这种布置适用于软及中硬地层的钻头第23页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数

4)牙轮的形状及布置牙轮的布置方式有：c超顶、移轴。牙轮轴相对于钻头径向偏转一个角度，即牙轮轴线偏移，且主锥有超顶，牙轮产生轴向滑动。这种布置方式适用于软及中硬地层的钻头第24页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数

5)牙轮上牙齿的布置牙齿的排布应该是钻头每转一转，牙齿应全部破碎孔底岩石。这里重要的是合理确定牙轮钻头齿圈宽度与齿圈的分布。常用遮盖系数来表示：对于软岩的钻头=1.101；对于硬岩的钻头=1.4。第25页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构3、牙轮钻头的牙齿铣齿：牙齿与牙轮壳体是一体的，由牙轮毛坯经过铣削加工而成。为了提高牙齿的耐磨性，在齿面上敷焊硬合金粉。铣齿主要为楔形齿，其主要参数是齿高和齿尖角，如下图所示第26页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构3、牙轮钻头的牙齿铣齿：齿高：同一牙轮各齿圈的齿高略有不同，外排齿圈的齿高较高；同一尺寸钻头，软地层钻头的齿高较高，硬地层的齿高较低。齿尖角：软地层齿尖角=380—400，中硬地层=400—420，硬地层=420—450。第27页，课件共37页，创作于2023年2月二、牙轮钻头的结构3、牙轮钻头的牙齿镶齿镶齿是硬合金齿，主要用于坚硬地层，也用于中硬和软地层。镶齿体部都是圆柱体，其露出的牙齿外形有：楔形齿、锥形齿、球形齿、平顶形齿。楔形齿用于塑性小的中硬及硬的研磨性地层。锥形齿用于坚硬的和研磨性大的地层。球形齿适用于高研磨性坚硬地层。第28页，课件共37页，创作于2023年2月三、牙轮钻头的工作原理1、牙轮钻头在孔底的运动孔底的牙轮钻头，在一定的钻压和回转力作用下带动牙轮旋转，牙轮钻头的运动：1）牙轮绕钻头轴线的旋转（称为公转）当钻头绕钻柱轴线作顺时针方向旋转时，带动牙轮也绕钻头轴线作旋转运动，这种旋转运动称为“公转”。2）牙轮绕牙轮轴的旋转（称为自转）当牙轮绕钻头轴线旋转的同时，还绕牙轮轴线作反时针方向旋转，这种旋转称为“自转”。

第29页，课件共37页，创作于2023年2月三、牙轮钻头的工作原理1、牙轮钻头在孔底的运动3）牙轮的滑动具有超顶、移轴和复锥式牙轮的牙轮钻头，在牙轮沿孔底滚动同时，还产生牙轮齿相对于岩石表面的滑动，即牙轮钻头的牙轮，在孔底工作，既有滚动也有滑动。滚动冲击、压碎岩石、滑动剪切岩石。第30页，课件共37页，创作于2023年2月三、牙轮钻头的工作原理1、牙轮钻头在孔底的运动4）牙轮的纵向振动牙轮旋转滚动，当牙轮为双齿接触孔底岩石时，牙轮的轴心最低；当滚动到单齿与孔底岩石表面接触时，轴心便升到最高。这样在牙轮滚动过程中，轴心从最低到最高，再从最高到最低，反复交替，从而产生纵向振动。

牙轮钻头在孔底工作时，同时产生上述4种运动的复合运动。牙轮钻头是靠此复合运动而破碎孔底岩石的。第31页，课件共37页，创作于2023年2月三、牙轮钻头的工作原理2、牙轮钻头的碎岩原理在一定的压力和回转力作用下，钻头上的牙轮既公转又自转，产生了滚动、滑动、冲击振动的复合碎岩作用，这种复合作用，可分为冲击、压碎作用和切削剪切作用。

1）冲击、压碎作用钻进时，加在钻头上的轴心载荷（静载），使牙齿压碎岩石，这就是压碎作用。压入压碎为尖楔工具对岩石的压入压碎过程，而镶硬合金的球齿钻头，则是球形工具压入压碎岩石的过程。同时，钻头旋转时，牙轮的纵向振动，产生冲击载荷（动载），使牙齿冲击破碎岩石，称为冲击破碎。第32页，课件共37页，创作于2023年2月三、牙轮钻头的工作原理2、牙轮钻头的碎岩原理2）剪切破碎作用牙轮齿对岩石的剪切破碎作用，是由于牙齿相对孔底岩石的滑动而产生的。产生滑动的主要因素是由于牙齿布置时的超顶、移轴和复锥而产生的。第33页，课件共37页，创作于2023年2月四、影响牙轮钻进的因素（钻进规程）1、钻压实验表明，钻进速度与钻压之间呈非线性关系。由图看出，牙轮钻进的钻压有个门槛值，当钻压小于这个门槛值时，根本不进尺；钻压值在ab区间内，钻进速度较低；在be段钻压与钻速成正比；当钻压处于cd段时，随着钻压的增加，钻速增加的速率呈下降趋势；当超过d点时钻压的增加反而会引起钻速的下降。第34页，课件共37页，创作于2023年2月四、影响牙轮钻进的因素（钻进规程）2、转速在一定范围内，转速与钻速成正比。当超过这个范围，随转速的增加，钻进速度的增加率减小。第35页，课件共37页，创作于2023年2月四、影响牙轮钻进的因素（钻进规程）3、钻头水力学若钻压较小，钻速较低时，所需的冲洗液量较小，这种情况对应于图中曲线“水平1”；若钻压增大，钻速增加，产生的岩粉增多，最终会导致冲洗液难以完全排除岩粉，这种情况对