第六章 刮刀钻头与牙轮钻头钻进.ppt

第六章刮刀钻头与牙轮钻头钻进Drillingwithdragbitsandrockbits第一节刮刀钻头二、刮刀钻头的碎岩原理
（一）钻头运动的基本情况
在刀翼上任取一点A（x、y、z），设该点距旋转轴轴心的距离为ρ，当刀翼同时做垂直向下和旋转运动时，此点即构成一条螺旋线，线上各点座标可用下式表示：

所研究点A在时间T内所经过的轨迹为：当ρ=0时由上面的分析可知,钻头每一点运动轨迹是不相同的,钻头中心运动轨迹相当于钻头的垂直运动距离,即相当于钻头在T时间内的进尺.刀翼的最外边缘运动轨迹最长.当刀翼吃入深度为零时运动轨迹等于以ρ为半径T时间内的圆周长.
由于刀翼具有一定的宽度,所以钻进时刀翼的运动实际上以螺旋面的轨迹前进的.刀翼以螺旋面吃入岩石,故井底为一倾斜面,倾斜面与水平面夹角称为井底角(角),井底角可用下式表示.(二)破碎岩石的基本原理
1、塑性岩石
塑性岩石硬度小,在钻压P的作用下容易吃入地层,刃前岩石在扭转力T作用下不断产生塑性流动,这和软金属的切削没有多大差别,如图:由于破碎岩石是在P和T力的同时作用下,因此吃入深度要比P力单独作用时深得多.
2、弹塑性岩石
在P力和T力的作用下,垂直压强不必大于岩石硬度(大约比硬度小6-14倍即可)刀翼就可沿角切入岩石,使其产生体积破碎.碰撞、压碎及小剪切、大剪切，这三个过程反复进行，就是刮刀钻头破碎弹塑性岩石的整个过程。由此可见，扭力T并不是一个不变的量，随时间周期变化。二、刀翼的几何形状和结构参数
（一）刀翼结构角（二）刀翼背部的几何形状设T为刀翼工作时所受阻力，Z为任意截面距底面高度，则任一截面上所受的弯曲力矩为
M=TZ
材料的许用弯曲力矩为
[M]=[]Wb
Wb：弯曲截面系数（或抗弯截面模量，sectionmodulusinbending）
（三）刀翼底部的几何形状刮刀钻头的技术特点及推荐的钻进规程第二节牙轮钻头
（Rockbitorroller-conebit）
一、牙轮钻头的发展简况
二、牙轮钻头钻进的特点及应用
三、牙轮钻头的工作原理
四、牙轮钻头的结构
五、牙轮钻头的分类和编号
六、钻头的合理使用
一、牙轮钻头的发展简况
1909年出现了第一个牙轮钻头；
1925年，为了解决钻进软硬交错地层而避免频繁更换刮刀钻头和牙轮钻头的起下钻问题，出现了自洁式牙轮钻头（self-clearingbit），它解决了软地层钻头牙齿间积存岩屑（cuttings）而易产生泥包问题；
1933年出现了滚动轴承的三牙轮钻头；
1935年出现了移轴（coneoffset）三牙轮钻头；
1949年开始发展喷射钻井（jetdrilling），钻速可提高50%；
1951年第一次使用了镶硬质合金齿的钻头；1959年试制成功了密封润滑轴承钻头，钻头工作时间长达40-60小时，钻头进尺提高了50%；
1968年研究成功了密封润滑滑动轴承钻头，它使钻头工作时间提高了一倍以上，达到了80-120小时
现在，喷射密封润滑（滚动或滑动）轴承镶硬质合金齿钻头（简称三合一、四合一钻头）的优越性已在实践中显示出来，它的技术经济指标大大超过了普通牙轮钻头。
喷射式水眼、硬质合金齿、密封轴承和滑动轴承的使用是牙轮钻头发展史上的几次重大变革。
二、牙轮钻头钻进的特点及应用（4）牙轮沿孔底滚动时，牙齿与岩石的接触传递载荷为瞬时的，因此接触时间短，这便减少了牙齿的磨损，延长牙齿的寿命。同时，瞬时接触造成的动载，亦强化了碎岩；
（5）牙齿与岩石的接触时间短，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。

2、应用
由于上述特点，牙轮钻进可用于钻进从软岩到非常坚硬的岩石。
三、牙轮钻头的工作原理
（一）牙轮钻头在井底工作的复合运动钻头公转线速度（牵连速度）牙轮的纵向振动（二）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
实际工作中，钻头工作时，产生的冲击载荷有利于破碎岩石，但也会使钻头轴承过早地磨损，使轮齿特别是硬质合金齿崩碎。故钻进硬岩层时，要装减震器，以降低冲击力的影响。
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。
（1）由移轴引起的轴向滑动，可以剪切掉齿圈之间的岩石；
（2）由超顶和复锥所引起的切线方向滑动，可以剪切掉同一齿圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石；
（3）钻极软到中硬岩层的钻头，一般兼有移轴、超顶和复锥；一部分中硬或硬地层用的钻头，有超顶和复锥；极硬和研磨性很强的岩层所用的钻头是纯滚动而无滑动的钻头。副锥A四