第二节牙轮钻头钻进

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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,工程钻探学课件,*,工程钻探,主讲人:杜振川,工程钻探学课件,第三章,回转钻进钻头与工艺,第二节 牙轮钻头钻进,工程钻探学课件,第三章,回转钻进钻头与工艺,第二节 牙轮钻头钻进,工程钻探学课件,第三章,回转钻进钻头与工艺,第二节 牙轮钻头钻进,工程钻探学课件,第三章,回转钻进钻头与工艺,第二节 牙轮钻头钻进,工程钻探学课件,第三章,回转钻进钻头与工艺,第二节 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;,工程钻探学课件,第二节 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。,工程钻探学课件,第二节 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,95.2660.4mm),、矿山爆破孔及其他工程目的钻孔。,工程钻探学课件,第二节 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。,工程钻探学课件,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,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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)。,工程钻探学课件,二、牙轮钻头的结构,1,、牙轮钻头的组成,牙轮外锥面有,13,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,工程钻探学课件,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,12,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。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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,95.2660.4mm,。,1,)钻头直径,工程钻探学课件,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),工程钻探学课件,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/D,2,)牙轮轴线偏移值(移轴),(a),(b),(c),工程钻探学课件,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,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),工程钻探学课件,二、牙轮钻头的结构,2,、牙轮钻头的基本参数,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,角为,51,0,59,0,。软地层钻头的,角较大,硬地层钻头的,角较小,。,3),牙轮轴线与钻头轴线夹角,工程钻探学课件,二、牙轮钻头的结构,2,、牙轮钻头的基本参数,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,,,角和背锥角,2,等。,4),牙轮的形状及布置,牙轮的几何形状:牙轮的几何形状尺寸,包括主锥角,(,2,),,副锥角(,2,),,牙轮总高,(H),牙轮最大外径,(d),,背锥角,(,2,),。,工程钻探学课件,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,工程钻探学课件,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,工程钻探学课件,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,工程钻探学课件,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,。,工程钻探学课件,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,工程钻探学课件,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,=38,0,40,0,,中硬地层,=40,0,42,0,,硬地层,=42,0,45,0,。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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”。,工程钻探学课件,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,即这种牙轮钻头的牙轮,既有滚动也有滑动。,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。,工程钻探学课件,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。,钢齿钻头的压入压碎是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。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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,这种情况对应于图中曲线“水平,2”,;,如果冲洗液量增加,将会达到高钻压,快钻速钻进的目标,这相当于“水平,3”,工程钻探学课件,四、影响牙轮钻进的因素(钻进规程),4,、钻速方程,为了定量地表示出各参数对钻进速度的影响,许多研究者导出了钻速方程。,式中:,V,P,为钻进速度,,K,为实验常数,,W/d,b,为单位钻头直径上的钻压,,a,为指数常数,,a=1.02.4,N,为转速,工程钻探学课件,
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