课题_牙轮钻头的选型与应用

1、工程钻探学课件工程钻探学课件工程钻探学课件工程钻探学课件工程钻探学课件第三节第三节 牙轮钻头钻进牙轮钻头钻进 工程钻探学课件第三节第三节 牙轮钻头钻进牙轮钻头钻进 一、牙轮钻头钻进的特点及应用一、牙轮钻头钻进的特点及应用1、特点、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；工程钻探学课件第三节第三节 牙轮钻头钻进牙轮钻头钻进 一、牙轮钻头钻进的特点及应用一、牙轮钻头钻进的特点及应用1、特点、特点工程钻探学课件第三节第三节 牙轮钻头钻进牙轮

2、钻头钻进 一、牙轮钻头钻进的特点及应用一、牙轮钻头钻进的特点及应用2、应用、应用工程钻探学课件第三节第三节 牙轮钻头钻进牙轮钻头钻进 二、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成、牙轮钻头的组成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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组

3、成、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成、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

4、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构1、牙轮钻头的组成、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参

5、数、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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

6、钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、牙轮钻头的基本参数偏移值的大小，常用偏移系数偏移系数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)工程钻探学课件二、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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

7、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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510590。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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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牙轮的布置：决定牙轮布置的主要参数是偏移值S，超顶距超顶距C， 角和背锥角角和背锥角2等。等。 4) 牙轮的形状及布置牙轮的几何形状： 牙轮的几

8、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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。

9、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构2、牙轮钻头的基本参数、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

10、：对于软岩的钻头 =1. 101；对于硬岩的钻头 =1. 4。井底接触母线长度各齿圈齿宽总和工程钻探学课件二、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构3、牙轮钻头的牙齿、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、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构3、牙轮钻头的牙齿、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=380400，中硬地层=400420，硬地层硬

11、地层=420450。工程钻探学课件二、牙轮钻头的结构二、牙轮钻头的结构3、牙轮钻头的牙齿、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三、牙轮钻头的工作原理1、牙轮钻头在孔底的运动、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

12、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三、牙轮钻头的工作原理1、牙轮钻头在孔底的运动、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。工程钻探学课件三、牙轮钻头的工作原理三、牙轮钻头的工作原理1、牙轮钻头在孔底的运动、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

13、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三、牙轮钻头的工作原理2、牙轮钻头的碎岩原理、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

14、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。 工程钻探学课件三、牙轮钻头的工作原理三、牙轮钻头的工作原理2、牙轮钻头的碎岩原理、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）四、影响牙轮钻进的因素（钻进规程）1、钻压、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）四、影响牙轮钻进的因素（钻进规程）2、转速、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）四、影响牙轮钻进的因素（钻进规程）3、钻头水力学、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，