鉆井工程巖石力學與破巖原理

1、 巖石巖石就是經(jīng)過地質作用而天然形成的一種或多種礦物的就是經(jīng)過地質作用而天然形成的一種或多種礦物的 集合體。集合體。巖石力學巖石力學就是研究巖石在載荷作用下的應力、變形就是研究巖石在載荷作用下的應力、變形 和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性等問題。和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性等問題。 油氣鉆井的目的就是油氣鉆井的目的就是破碎巖石形成井眼破碎巖石形成井眼，獲取地層地質，獲取地層地質 資料，并將油氣引導出來。資料，并將油氣引導出來。 破巖工具作用下的破巖工具作用下的巖體內部巖體內部處于多向應力狀態(tài)，欲達到處于多向應力狀態(tài)，欲達到 破碎巖石獲得進尺的目的，就必須：一是選擇高質量的破巖破碎巖石獲得進尺的目的，就必須

2、：一是選擇高質量的破巖 工具，二是使鉆頭施加于巖石的外力超過其極限值。工具，二是使鉆頭施加于巖石的外力超過其極限值。 顯然，研究巖石在各種應力狀態(tài)下的顯然，研究巖石在各種應力狀態(tài)下的力學性質力學性質和和機械性機械性 質質是基礎，選擇合適的是基礎，選擇合適的鉆頭類型鉆頭類型則是其主要目的。則是其主要目的。 引引 子子 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的力學性質巖石的力學性質 1 Mechanical Properties of Rock 巖石的力學性質通常包括兩個方面：巖石的力學性質通常包括兩個方面： 1、巖石的變形特征、巖石的變形特征 2、巖石的強度特征。、巖石的強度特征。 巖石的變形特征：巖石的變形特征：

3、 是指巖石在各種載荷作用下的變形規(guī)律（包括巖石的是指巖石在各種載荷作用下的變形規(guī)律（包括巖石的 、粘性流動和破壞規(guī)律）。、粘性流動和破壞規(guī)律）。 巖石的強度特征：巖石的強度特征： 是指巖石在載荷作用下開始破壞時的最大應力（強度是指巖石在載荷作用下開始破壞時的最大應力（強度 極限）以及應力與破壞之間的關系，它反映了巖石抵抗破極限）以及應力與破壞之間的關系，它反映了巖石抵抗破 壞的能力和破壞規(guī)律。壞的能力和破壞規(guī)律。 一、巖石的應力一、巖石的應力應變曲線應變曲線 巖石的變形特征和強度特征，由巖石試件在單軸或三軸巖石的變形特征和強度特征，由巖石試件在單軸或三軸 試驗機上所得到的應力一應變曲線來描述。

4、試驗機上所得到的應力一應變曲線來描述。 圖圖2-1是采用剛性試驗機，是采用剛性試驗機， 對圓形巖樣進行軸向壓縮試對圓形巖樣進行軸向壓縮試 驗，在加載速度充分適應于試件變形速度的條件下，所得到驗，在加載速度充分適應于試件變形速度的條件下，所得到 的的巖石典型應力巖石典型應力應變曲線應變曲線。 OA：巖石裂隙逐漸被壓實：巖石裂隙逐漸被壓實 AB：斜率為巖石的：斜率為巖石的 E B點點-屈服點屈服點 BC：裂隙不穩(wěn)定發(fā)展，先行破壞：裂隙不穩(wěn)定發(fā)展，先行破壞 CD：裂隙不穩(wěn)定傳播，巖石解體：裂隙不穩(wěn)定傳播，巖石解體 巖石的強度與應變形式有很大關系，只有在壓縮情況下，巖石的強度與應變形式有很大關系，只有

5、在壓縮情況下， 巖石才呈現(xiàn)出很大的強度。巖石才呈現(xiàn)出很大的強度。 巖石的規(guī)律是巖石的規(guī)律是: :抗壓強度抗壓強度抗剪強度抗剪強度抗彎強度抗彎強度抗拉強度抗拉強度 巖石巖石且且都會對都會對 巖石的強度產生影巖石的強度產生影 響，因此一般在實響，因此一般在實 際應用時，必須對際應用時，必須對 具體的巖石進行必具體的巖石進行必 要的強度試驗，以要的強度試驗，以 獲取比較準確可靠獲取比較準確可靠 的數(shù)據(jù)。的數(shù)據(jù)。 二、簡單應力條件下巖石的強度二、簡單應力條件下巖石的強度 巖巖 石石 鋼鋼 鋼鋼 巖巖 石石 卡卡 環(huán)環(huán) 單軸抗拉伸強度試驗單軸抗拉伸強度試驗單軸抗壓縮強度試驗單軸抗壓縮強度試驗 巖心柱巖心

6、柱 直徑直徑2.5-5.0cm 高徑比高徑比2.5-3.0 tc 巖石巖石粘結力粘結力(MPa)內摩擦角內摩擦角() 花崗石花崗石14-5045-60 玄武巖玄武巖20-6050-55 石灰?guī)r石灰?guī)r10-5035-50 砂巖砂巖8-4035-50 頁巖頁巖3-3020-35 巖石的巖石的抗剪強度抗剪強度可用粘結力和巖石的內摩擦角表示。可用粘結力和巖石的內摩擦角表示。 粘結力是指由分子引力引起的物體中相同組成的各部分粘結力是指由分子引力引起的物體中相同組成的各部分 傾向于粘結在一起的一種力。巖石的內摩擦角是指巖石破壞傾向于粘結在一起的一種力。巖石的內摩擦角是指巖石破壞 時極限平衡剪切面上的正應力

7、和內摩擦力形成的合力與該正時極限平衡剪切面上的正應力和內摩擦力形成的合力與該正 應力之間的夾角。應力之間的夾角。 內摩擦角概念內摩擦角概念 直接剪切試驗直接剪切試驗 旋轉組合旋轉組合 測力計測力計 C n tan Cf n 1.常規(guī)應力三軸試驗方法常規(guī)應力三軸試驗方法 試件有四種：圓柱、圓筒、長方體、正方體。常規(guī)三軸應試件有四種：圓柱、圓筒、長方體、正方體。常規(guī)三軸應 力試驗是最為常用的一種三軸應力試驗方法。它是將圓柱形力試驗是最為常用的一種三軸應力試驗方法。它是將圓柱形 的巖樣置于一個高壓容器中，的巖樣置于一個高壓容器中， 首先用液壓首先用液壓 P使其四周處于三使其四周處于三 向均勻壓縮的應

8、力狀態(tài)下，然向均勻壓縮的應力狀態(tài)下，然 后保持此壓力不變，對巖樣施后保持此壓力不變，對巖樣施 加軸向載荷，直到使其破壞。加軸向載荷，直到使其破壞。 壓縮試驗施力方案：壓縮試驗施力方案： （ 1 2 = 3 = P ） 拉伸試驗施力方案：拉伸試驗施力方案： （ 1 2 = 3 = P ） 三、復雜應力條件下巖石的強度三、復雜應力條件下巖石的強度 3 2 1 2.三軸應力三軸應力下巖石的強度和變形的特點下巖石的強度和變形的特點 通常，巖石的通常，巖石的總應變量總應變量達到達到35 時，就認為其已開始具有塑性性質或已達時，就認為其已開始具有塑性性質或已達 到了脆到了脆- -塑的轉變。塑的轉變。 對于

9、深井鉆井來說，對于深井鉆井來說，研究巖石從脆性到研究巖石從脆性到 塑性的轉變點（或稱臨界壓力）具有重要塑性的轉變點（或稱臨界壓力）具有重要 的實際意義。因為脆性破壞和塑性破壞是的實際意義。因為脆性破壞和塑性破壞是 兩種具有本質差別的破壞形式，需分別利兩種具有本質差別的破壞形式，需分別利 用不同的破碎工具（不同結構的鉆頭類用不同的破碎工具（不同結構的鉆頭類 型），采用不同的破碎方式（沖擊、壓碎、型），采用不同的破碎方式（沖擊、壓碎、 擠壓、剪切或切削、磨削等），以及不同擠壓、剪切或切削、磨削等），以及不同 的破碎參數(shù)（鉆壓、轉速及水力參數(shù)等）的破碎參數(shù)（鉆壓、轉速及水力參數(shù)等） 的組合。的組合。

10、 因此，確定各類巖石的脆因此，確定各類巖石的脆- -塑性轉變的塑性轉變的 “臨界壓力臨界壓力”將為設計、選擇和合理使用將為設計、選擇和合理使用 鉆頭提供科學依據(jù)。鉆頭提供科學依據(jù)。 Von Karman應力應力-應變曲線應變曲線 圍壓對巖石強度的影響（圍壓對巖石強度的影響（24） Homdin-Hager 四、巖石的彈性四、巖石的彈性 巖石的彈性常數(shù)巖石的彈性常數(shù) 楊氏彈性模量楊氏彈性模量 泊松比泊松比 剪切彈性模量剪切彈性模量 體積彈性模量體積彈性模量 確定巖石彈性常數(shù)的實驗方法很多，主要有確定巖石彈性常數(shù)的實驗方法很多，主要有 1.靜力法（靜載壓縮試驗）靜力法（靜載壓縮試驗） 2.動力法（

11、聲波法）動力法（聲波法） )21(3 )1(2 E K E G E 前蘇聯(lián)學者史立涅爾分析了前蘇聯(lián)學者史立涅爾分析了圓柱形的平底壓頭圓柱形的平底壓頭靜壓入巖石靜壓入巖石 時在巖石中產生的應力狀態(tài)并提出了確定巖石時在巖石中產生的應力狀態(tài)并提出了確定巖石“硬度硬度”（即抗（即抗 壓入強度）和塑性性質的一套方法。壓入強度）和塑性性質的一套方法。 底徑底徑1-2mm 505050mm 壓力機壓力機 上下要平整光滑上下要平整光滑 “硬度硬度”（即抗壓入強度）（即抗壓入強度） 硬度：巖石在靜止載荷下抗壓入的能力。硬度：巖石在靜止載荷下抗壓入的能力。 硬度的計算公式為：硬度的計算公式為： H=WS 式中式中

12、 H 巖石硬度，巖石硬度，MPa； W 垂直載荷，垂直載荷，N； S 壓摸底面積，壓摸底面積，mm2。 五、巖石的抗壓入破碎強度五、巖石的抗壓入破碎強度 粘土、軟泥巖粘土、軟泥巖 多屬多屬12級級 泥巖、砂質泥巖泥巖、砂質泥巖 多屬多屬34級級 泥灰?guī)r、粉砂巖、泥質砂巖等泥灰?guī)r、粉砂巖、泥質砂巖等 多屬多屬36級級 石灰?guī)r、砂巖石灰?guī)r、砂巖 多為多為48級級 石英巖、花崗巖、燧石等石英巖、花崗巖、燧石等 9級以上級以上 根據(jù)我國各油田石油鉆井中常遇到的地層，通過對大根據(jù)我國各油田石油鉆井中常遇到的地層，通過對大 量巖樣進行測定，可將巖石的硬度分為十級。量巖樣進行測定，可將巖石的硬度分為十級。

13、巖石的硬度和塑性系數(shù)通常用巖石的硬度和塑性系數(shù)通常用壓入試驗壓入試驗來確定。圖來確定。圖2-6給給 出了巖石的壓入試驗曲線的三種典型形狀。其縱坐標為壓頭出了巖石的壓入試驗曲線的三種典型形狀。其縱坐標為壓頭 上所加載荷，橫坐標為吃入深度（壓入深度）。上所加載荷，橫坐標為吃入深度（壓入深度）。 巖石產生巖石產生 塑性變形的塑性變形的 是由于是由于 巖石內部礦巖石內部礦 物及膠結物物及膠結物 顆粒間的接顆粒間的接 觸面在外力觸面在外力 作用下發(fā)生作用下發(fā)生 相對滑移所相對滑移所 致。用塑性致。用塑性 系數(shù)系數(shù)K表示表示. . 石英巖、花崗巖等石英巖、花崗巖等大理巖等大理巖等 塑性泥巖、多孔砂巖等塑性

14、泥巖、多孔砂巖等 A W P 的面積 的面積 ODE OABC A A K E F K6 塑性巖石塑性巖石 一、巖石的研磨性一、巖石的研磨性 巖石磨損破巖工具的能力稱為巖石磨損破巖工具的能力稱為。 第二節(jié)第二節(jié) 巖石的研磨性與可鉆性巖石的研磨性與可鉆性 2 Abrasive property and drill ability of rock 研磨性磨損是由鉆頭工作刃與巖石相摩擦的過程中產生研磨性磨損是由鉆頭工作刃與巖石相摩擦的過程中產生 等所造成的，等所造成的，屬表面磨損屬表面磨損。 這種研磨性磨損除了與這種研磨性磨損除了與摩擦副摩擦副材料的性質（如化學組成和結材料的性質（如化學組成和結 構

15、）有關外，還取決于摩擦的類型和特點、摩擦表面的形狀和構）有關外，還取決于摩擦的類型和特點、摩擦表面的形狀和 尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介質等因素。顯然，這是尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介質等因素。顯然，這是 個十分復雜的問題。個十分復雜的問題。 研究方法：鉆磨法、磨削法、微鉆頭鉆進法、研究方法：鉆磨法、磨削法、微鉆頭鉆進法、摩擦磨損法摩擦磨損法。 史立涅爾史立涅爾等人用摩擦磨損法對各種巖石的研磨性等人用摩擦磨損法對各種巖石的研磨性 進行了比較詳盡的研究，得出了一些有實際應用價進行了比較詳盡的研究，得出了一些有實際應用價 值的結果。值的結果。 摩擦磨損法摩擦磨損法即是確定一個轉動的金屬

16、圓環(huán)在巖石即是確定一個轉動的金屬圓環(huán)在巖石 表面上相互摩擦時的磨損量，表面上相互摩擦時的磨損量， 以此作為度量巖石研磨性的指以此作為度量巖石研磨性的指 標。研磨性系數(shù)：標。研磨性系數(shù)： P Vs 單位：單位：cm3/mN 史立涅爾法史立涅爾法 史立涅爾等分別以淬火鋼、硬質合金為金屬摩史立涅爾等分別以淬火鋼、硬質合金為金屬摩 擦介質，對各種巖石進行了試驗。試驗結果表明：擦介質，對各種巖石進行了試驗。試驗結果表明： 鹽巖、泥巖和一些碳酸鹽巖鹽巖、泥巖和一些碳酸鹽巖屬于研磨性最小的巖石；屬于研磨性最小的巖石； 其次應為石灰?guī)r和白云巖其次應為石灰?guī)r和白云巖等屬低研磨性的巖石；等屬低研磨性的巖石； 火成

17、巖火成巖的研磨性一般屬于中等或較高，要看這些巖石中的研磨性一般屬于中等或較高，要看這些巖石中 所含長石和石英成分的多少以及顆粒粒度和多晶礦物間的硬所含長石和石英成分的多少以及顆粒粒度和多晶礦物間的硬 度差而定。含長石及石英成分少，粒度細，礦物間的硬度差度差而定。含長石及石英成分少，粒度細，礦物間的硬度差 小的，研磨性也小些，反之則研磨性較高；小的，研磨性也小些，反之則研磨性較高； 含有剛玉礦物成分的巖石含有剛玉礦物成分的巖石應屬于高研磨性的巖石；應屬于高研磨性的巖石； 沉積碎屑巖沉積碎屑巖的研磨性主要視其石英顆粒的含量及其膠結的研磨性主要視其石英顆粒的含量及其膠結 強度而定，石英顆粒含量越多，

18、粒度越粗，膠結強度越大的強度而定，石英顆粒含量越多，粒度越粗，膠結強度越大的 巖石巖石，其研磨性越高；反之其研磨性越高；反之，如果巖石中石英顆粒的含量少，如果巖石中石英顆粒的含量少， 顆粒細，膠結強度低，其研磨性則較低。顆粒細，膠結強度低，其研磨性則較低。 二、巖石的可鉆性二、巖石的可鉆性 現(xiàn)代巖石可鉆性的概念：現(xiàn)代巖石可鉆性的概念： 在一定技術條件下鉆進巖石的難易程度在一定技術條件下鉆進巖石的難易程度 鉆進過程中抗破碎的強度鉆進過程中抗破碎的強度 都涉及鉆碎的對象、使用的工具、鉆碎的難易性都涉及鉆碎的對象、使用的工具、鉆碎的難易性 油氣鉆井工程中，可鉆性一般理解為地層巖石破油氣鉆井工程中，可

19、鉆性一般理解為地層巖石破 碎的難易性，由此把巖石分為碎的難易性，由此把巖石分為難鉆的和易鉆的難鉆的和易鉆的。 在有些情況下，可鉆性可以確定巖石在井底抵抗在有些情況下，可鉆性可以確定巖石在井底抵抗 鉆頭破碎的能力。鉆頭破碎的能力。 （受深度、溫度、壓力、流體等影響）（受深度、溫度、壓力、流體等影響） 巖石的可鉆性是個多變量的函數(shù)，這些變量包含有巖石的可鉆性是個多變量的函數(shù)，這些變量包含有天然天然 的、工藝的和技術性的、工藝的和技術性的因素。因此，到目前為止，適合于油的因素。因此，到目前為止，適合于油 氣鉆井條件的巖石可鉆性問題仍是個尚未徹底解決的問題。氣鉆井條件的巖石可鉆性問題仍是個尚未徹底解決

20、的問題。 但對巖石可鉆性的正確評價又是確定但對巖石可鉆性的正確評價又是確定最優(yōu)鉆井參數(shù)最優(yōu)鉆井參數(shù)、選擇鉆選擇鉆 頭類型、預測鉆井效果頭類型、預測鉆井效果以及以及規(guī)定鉆井工作定額規(guī)定鉆井工作定額時所必需的。時所必需的。 可鉆性直接與巖石的硬度有關，它可用巖石的硬度來表可鉆性直接與巖石的硬度有關，它可用巖石的硬度來表 示。我國油田的地層相應于牙輪鉆頭將巖石硬度分為七類：示。我國油田的地層相應于牙輪鉆頭將巖石硬度分為七類： 極軟極軟 JR，軟軟R，中軟中軟 ZR，中等中等 Z，中硬中硬 ZY，硬硬 Y，極硬極硬 JY。 極軟極軟 JR和和R地層地層 也可用刮刀鉆頭鉆進也可用刮刀鉆頭鉆進 極硬極硬J

21、Y地層地層 也可用金剛石鉆頭鉆進也可用金剛石鉆頭鉆進 牙輪鉆頭可用于這七種類型，對應地層選擇使用牙輪鉆頭可用于這七種類型，對應地層選擇使用 可鉆性極值：可鉆性極值： Kd=log2td 一、鉆頭破碎巖石方式一、鉆頭破碎巖石方式 目前鉆井所使用的鉆頭類型很多，其破碎巖石的工作原理目前鉆井所使用的鉆頭類型很多，其破碎巖石的工作原理 與方式有以下三種：與方式有以下三種： 1）切削）切削 利用軸向壓力使破碎工具吃入巖石，利用軸向壓力使破碎工具吃入巖石， 隨著鉆頭的旋隨著鉆頭的旋 轉轉，巖石在擠壓下破碎，而后進行切削，其方式類似金屬切削。巖石在擠壓下破碎，而后進行切削，其方式類似金屬切削。 2）沖壓）沖

22、壓 利用軸向載荷使巖石在沖擊和擠壓作用下達到破碎。利用軸向載荷使巖石在沖擊和擠壓作用下達到破碎。 3）研磨）研磨 利用抗磨性好的材料，在一定壓力和適當?shù)霓D速下，利用抗磨性好的材料，在一定壓力和適當?shù)霓D速下， 對巖石進行研磨破碎。對巖石進行研磨破碎。 第三節(jié)第三節(jié) 鉆頭破巖方式與鉆頭分類鉆頭破巖方式與鉆頭分類 3 Classification of bits 此外還有水射流破巖方式此外還有水射流破巖方式 其實，這三種破巖方式中，對巖石的作其實，這三種破巖方式中，對巖石的作 用形式主要是用形式主要是壓擠和切削。壓擠和切削。 實際上鉆頭在井內破碎巖石鉆進時，這實際上鉆頭在井內破碎巖石鉆進時，這 三種

23、破巖方式都有，只是根據(jù)巖石的強度和三種破巖方式都有，只是根據(jù)巖石的強度和 鉆頭類型以某種破碎方式為主而已。鉆頭類型以某種破碎方式為主而已。 1）塑性巖石塑性巖石一般強度較小，鉆頭以切一般強度較小，鉆頭以切 削破碎為主。削破碎為主。 2）塑脆性和脆性巖石塑脆性和脆性巖石一般強度較高，一般強度較高， 以沖擊和壓擠破碎為主。以沖擊和壓擠破碎為主。 3）對強度和硬度都很大的巖石對強度和硬度都很大的巖石，則以，則以 研磨破碎為主。研磨破碎為主。 鉆頭是鉆進破碎巖石的基本工具，鉆頭鉆進效果的好壞，鉆頭是鉆進破碎巖石的基本工具，鉆頭鉆進效果的好壞， 直接影響能否直接影響能否多快好省多快好省地鉆成油氣井。鉆頭

24、破碎巖石效果的地鉆成油氣井。鉆頭破碎巖石效果的 高低，主要用單只鉆頭的高低，主要用單只鉆頭的機械鉆速機械鉆速和和進尺進尺兩個指標來衡量。兩個指標來衡量。 機械鉆速機械鉆速純鉆進單位時間內的進尺。純鉆進單位時間內的進尺。 鉆頭進尺鉆頭進尺鉆頭在井底工作從全新到完全磨損不能再用鉆頭在井底工作從全新到完全磨損不能再用 的全部時間內所取得的進尺。的全部時間內所取得的進尺。 機械鉆速、鉆頭進尺之間的關系如下機械鉆速、鉆頭進尺之間的關系如下: Vm=H/t m/h 式中：式中： Vm 一只鉆頭的平均機械鉆速，一只鉆頭的平均機械鉆速，m/h； H 一只鉆頭的鉆頭進尺，一只鉆頭的鉆頭進尺，m； t 一只鉆頭的

25、工作時間，一只鉆頭的工作時間，h。 機械鉆速機械鉆速反映鉆頭破碎巖的效率，反映鉆頭破碎巖的效率，鉆頭進尺鉆頭進尺反映鉆頭使用的耐久性。反映鉆頭使用的耐久性。 要求：要求：鉆頭鉆速高、進尺多，也就是鉆井速度快，鉆井時鉆頭鉆速高、進尺多，也就是鉆井速度快，鉆井時 間短，這樣也就降低了鉆井的成本。間短，這樣也就降低了鉆井的成本。 二、鉆頭破巖方式與鉆頭分類二、鉆頭破巖方式與鉆頭分類 破巖方式破巖方式適應巖石適應巖石鉆鉆 頭頭 類類 型型 切切 削削塑性巖層塑性巖層刮刀鉆頭刮刀鉆頭 PDC鉆頭鉆頭 壓壓 碎碎脆性巖層脆性巖層牙輪鉆頭牙輪鉆頭 研研 磨磨硬硬 巖巖 層層金剛石鉆頭金剛石鉆頭 水射流水射流

26、松軟巖層松軟巖層射流功率強的鉆頭射流功率強的鉆頭 第四節(jié)第四節(jié) 刮刀鉆頭及其破巖原理刮刀鉆頭及其破巖原理 4 Drag bit 刮刀鉆頭為刮刀鉆頭為切削型鉆頭切削型鉆頭，適用于軟塑性巖層。這，適用于軟塑性巖層。這 種鉆頭體上鑲焊有幾個刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐種鉆頭體上鑲焊有幾個刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐 磨的硬質合金材料，根據(jù)塑性巖石軟硬的特點，刮刀磨的硬質合金材料，根據(jù)塑性巖石軟硬的特點，刮刀 鉆頭有兩翼的（魚尾鉆頭）、三翼的和四翼的，最常鉆頭有兩翼的（魚尾鉆頭）、三翼的和四翼的，最常 用的為用的為三翼刮刀鉆頭三翼刮刀鉆頭。 三翼刮刀鉆頭三翼刮刀鉆頭 刮刀鉆頭是刮刀鉆頭是中最早使用的一種鉆

27、頭。它中最早使用的一種鉆頭。它結構簡結構簡 單，制造方便，成本低廉，在泥巖和頁巖等松軟地層中使用單，制造方便，成本低廉，在泥巖和頁巖等松軟地層中使用 可以得到很高的機械鉆速和鉆頭進尺?？梢缘玫胶芨叩臋C械鉆速和鉆頭進尺。 刮刀鉆頭因其承壓面積大，鉆頭刀刃磨損快，主要應用刮刀鉆頭因其承壓面積大，鉆頭刀刃磨損快，主要應用 在在第四紀和第三紀軟塑性地層第四紀和第三紀軟塑性地層，遇硬地層或軟硬交錯地層，遇硬地層或軟硬交錯地層， 鉆頭刀刃吃入巖石困難，急劇磨損，鉆進效率很低。鉆頭刀刃吃入巖石困難，急劇磨損，鉆進效率很低。 我國在刮刀鉆頭的研制和使用上取得了突出的成果：我國在刮刀鉆頭的研制和使用上取得了突出

28、的成果： 六十年代初期六十年代初期出現(xiàn)了千米刮刀鉆頭出現(xiàn)了千米刮刀鉆頭 七十年代初期七十年代初期在不少油田創(chuàng)造了兩千米刮刀鉆頭在不少油田創(chuàng)造了兩千米刮刀鉆頭 八十年代八十年代勝利油田用金剛石刮刀鉆頭單只鉆頭進尺勝利油田用金剛石刮刀鉆頭單只鉆頭進尺 達到達到313587m，創(chuàng)造了國內外刮刀鉆頭進尺的最高記錄。，創(chuàng)造了國內外刮刀鉆頭進尺的最高記錄。 一、刮刀鉆頭刀翼的幾何形狀和結構參數(shù)一、刮刀鉆頭刀翼的幾何形狀和結構參數(shù) 1.刀翼結構角刀翼結構角 刀翼的結構角包括：刃尖角刀翼的結構角包括：刃尖角、切削角、切削角 、刃前角、刃前角 和刃后和刃后 角角 ，如圖，如圖27所示。所示。 刃尖角刃尖角：是刀

29、翼尖端前后刃之間的夾角是刀翼尖端前后刃之間的夾角， 它表示刀翼的尖銳程度。它表示刀翼的尖銳程度。 從吃入巖石和提高鉆速方面來考慮，從吃入巖石和提高鉆速方面來考慮，角應角應 越小越好，但因越小越好，但因角過小時刀翼強度難以保角過小時刀翼強度難以保 證，所以確定證，所以確定角的原則一般是在保證刀翼角的原則一般是在保證刀翼 有足夠強度的條件下，盡可能減小有足夠強度的條件下，盡可能減小角。角。 角的確定原則：角的確定原則：一般巖石軟時，一般巖石軟時， 角可以角可以 稍小，平均稍小，平均角為角為10左右，甚至可小到左右，甚至可小到 89；巖石較硬；巖石較硬， 角要適當增大角要適當增大，平平 均均角為角為

30、1215； 圖圖2-7 刀翼結構角刀翼結構角 b 切削角切削角：是刀翼前刃和水平面之間的夾角。是刀翼前刃和水平面之間的夾角。 其它條件一定時，其它條件一定時， 角越大，吃人深度越深，但若角越大，吃人深度越深，但若 角過大，刃前巖石角過大，刃前巖石 剪切破碎困難，鉆進時的蹩勁大。剪切破碎困難，鉆進時的蹩勁大。 角的大小應根據(jù)巖石性質來確定，一般軟地層角的大小應根據(jù)巖石性質來確定，一般軟地層角取小一些，硬地層角取小一些，硬地層 角取大一些。角取大一些。 根據(jù)不同巖性，根據(jù)不同巖性， 角所取數(shù)值為：角所取數(shù)值為： 松軟地層松軟地層 = 70o 軟地層軟地層 70o80o 中硬地層中硬地層 80o85

31、o 刃前角、刃后角刃前角、刃后角 刃前角刃前角 90 刃后角必須大于井底角（和井眼軸線垂直的刃后角必須大于井底角（和井眼軸線垂直的 平面與實際井底平面間的夾角平面與實際井底平面間的夾角 ），如果刃后），如果刃后 角小于井底角，角小于井底角， 刀翼以正螺旋面吃入和切削地刀翼以正螺旋面吃入和切削地 層，層， 刀翼背部將直接和井底接觸，這將增加刀刀翼背部將直接和井底接觸，這將增加刀 翼承壓面，影響鉆速。翼承壓面，影響鉆速。 圖圖2-7 刀翼結構角刀翼結構角 b 2.刀翼幾何形狀刀翼幾何形狀 刀翼背部的合理幾何形刀翼背部的合理幾何形 狀應滿足狀應滿足等強度條件等強度條件。 鉆頭工作時，刀翼受力鉆頭工作

32、時，刀翼受力 類似一懸臂梁。根據(jù)理論類似一懸臂梁。根據(jù)理論 分析，刀翼背部應做成拋分析，刀翼背部應做成拋 物線形狀，即刀翼的寬度物線形狀，即刀翼的寬度 一定一定(為鉆頭直徑的一半為鉆頭直徑的一半)， 刀翼的厚度隨距刀刃的距刀翼的厚度隨距刀刃的距 離增加應逐漸增厚，呈拋離增加應逐漸增厚，呈拋 物線形。物線形。 a a、刀翼背部、刀翼背部 圖圖2-7 刀翼結構角刀翼結構角 b 刀翼底部形狀：刀翼底部形狀：平底、正階梯、反階梯、反錐形。平底、正階梯、反階梯、反錐形。 平底刮刀鉆頭平底刮刀鉆頭形成的井底只有一個裸露自由面，而階梯形成的井底只有一個裸露自由面，而階梯 刮刀鉆頭（階梯數(shù)一般取兩階梯和三階梯

33、）形成井底的自由刮刀鉆頭（階梯數(shù)一般取兩階梯和三階梯）形成井底的自由 面較多。因此，在功率一定的情況下，階梯刮刀鉆頭機械鉆面較多。因此，在功率一定的情況下，階梯刮刀鉆頭機械鉆 速比平底刮刀鉆頭要快。速比平底刮刀鉆頭要快。 b、刀翼底部、刀翼底部 就階梯形刮刀鉆頭而言，正、反階梯刮刀鉆頭就階梯形刮刀鉆頭而言，正、反階梯刮刀鉆頭 的實際鉆進效果也是不同的。的實際鉆進效果也是不同的。 正階梯正階梯 外緣的線速度大，易磨成錐形，鉆頭效外緣的線速度大，易磨成錐形，鉆頭效 率降低并引起鉆頭縮徑，容易造成卡鉆、蹩泵和井率降低并引起鉆頭縮徑，容易造成卡鉆、蹩泵和井 斜，重新下鉆時必須進行斜，重新下鉆時必須進行

34、，不利于提高鉆速。，不利于提高鉆速。 反階梯反階梯 該刮刀鉆頭雖然在一定程度上能夠解決該刮刀鉆頭雖然在一定程度上能夠解決 縮徑問題，但蹩鉆嚴重，有時甚至把縮徑問題，但蹩鉆嚴重，有時甚至把“外階外階”蹩斷。蹩斷。 反錐形刮刀鉆頭反錐形刮刀鉆頭 是根據(jù)反階梯的優(yōu)點設計的，是根據(jù)反階梯的優(yōu)點設計的， 不僅能較好地保持鉆頭直徑，而且由于錐形井底對不僅能較好地保持鉆頭直徑，而且由于錐形井底對 鉆頭的扶正而具有防斜作用。鉆頭的扶正而具有防斜作用。 刀翼底刃的厚度刀翼底刃的厚度b（圖（圖27）要適當，）要適當，過薄，刃尖易折過薄，刃尖易折 斷；過厚，增加承壓面積，影響吃人深度。從斷；過厚，增加承壓面積，影響

35、吃人深度。從等磨損等磨損觀點考觀點考 慮，底刃一般做成內薄外厚。慮，底刃一般做成內薄外厚。 刀翼長度不要過長，刀翼長度不要過長，加長刀翼加長刀翼 固然可以增加刀翼的可磨損量，從固然可以增加刀翼的可磨損量，從 而增加鉆頭進尺，但刀翼過長，水而增加鉆頭進尺，但刀翼過長，水 眼至井底的距離增大，使射流對井眼至井底的距離增大，使射流對井 底的沖擊力減小，不利于清潔井底底的沖擊力減小，不利于清潔井底 和破碎地層。目前國內各油田刀翼和破碎地層。目前國內各油田刀翼 的磨損長度一般設計為的磨損長度一般設計為50-70mm， 如果正常磨損，可不必設計這么長。如果正常磨損，可不必設計這么長。 c、刀翼底刃厚度、長

36、度、刀翼底刃厚度、長度 圖圖2-7 刀翼結構角刀翼結構角 b 為提高刮刀鉆頭的為提高刮刀鉆頭的耐磨性能耐磨性能，要在刀翼上焊硬質合金材料，要在刀翼上焊硬質合金材料， 常用的硬質合金是鎢鋼硬質合金塊（俗稱鎢鋼塊）和碳化鎢粉常用的硬質合金是鎢鋼硬質合金塊（俗稱鎢鋼塊）和碳化鎢粉 （俗稱鎢鋼粉）。方法：在刀片的正面（俗稱鎢鋼粉）。方法：在刀片的正面表鑲矩形硬質合金塊再表鑲矩形硬質合金塊再 堆焊碳化鎢粉，堆焊碳化鎢粉，形成硬表層以提高耐磨性；也可采用刨槽或鉆形成硬表層以提高耐磨性；也可采用刨槽或鉆 孔嵌鑲硬質合金塊的方法，這種方法優(yōu)點是容易焊牢硬合金塊，孔嵌鑲硬質合金塊的方法，這種方法優(yōu)點是容易焊牢硬

37、合金塊， 缺點是使刀片增厚變鈍。缺點是使刀片增厚變鈍。 設計和制造刮刀鉆頭時，既要考慮到鉆頭有高的破碎效率，設計和制造刮刀鉆頭時，既要考慮到鉆頭有高的破碎效率， 提高提高，又要考慮鉆頭具有一定的耐磨性，使鉆頭獲得，又要考慮鉆頭具有一定的耐磨性，使鉆頭獲得 較高的較高的。因此，保證鉆頭在工作過程中各部分均勻磨損是因此，保證鉆頭在工作過程中各部分均勻磨損是 一個十分重要的問題。目前國內一般選擇高強度一個十分重要的問題。目前國內一般選擇高強度 材質作為刀翼材料，在刀翼側面、刀翼正面鑲裝材質作為刀翼材料，在刀翼側面、刀翼正面鑲裝 或平鋪硬質合金及孕鑲金剛石（或人造金剛石）或平鋪硬質合金及孕鑲金剛石（或

38、人造金剛石） 塊等方法來提高刮刀鉆頭的耐磨性。塊等方法來提高刮刀鉆頭的耐磨性。 二、刮刀鉆頭破碎巖石的基本原理二、刮刀鉆頭破碎巖石的基本原理 刮刀鉆頭刀翼在鉆壓刮刀鉆頭刀翼在鉆壓W和扭轉力和扭轉力T的作用下，以正螺旋的作用下，以正螺旋 面吃人切削地層，井底平面與水平面成面吃人切削地層，井底平面與水平面成角。角。 設設W力和力和T力的合力為力的合力為R，R可分解為與剪切面垂直的分可分解為與剪切面垂直的分 力力N和與剪切面平行的分力和與剪切面平行的分力 F，根據(jù)摩爾強度理論，如果忽，根據(jù)摩爾強度理論，如果忽 略摩擦力，當略摩擦力，當 F力等于或大于剪切面力等于或大于剪切面 積與巖石抗剪極限強度乘積

39、時，巖石積與巖石抗剪極限強度乘積時，巖石 沿剪切面破碎如圖沿剪切面破碎如圖28所示。所示。 刮刀鉆頭破碎刮刀鉆頭破碎塑性塑性和和塑脆性塑脆性 巖石巖石時破碎特點是不同的。時破碎特點是不同的。 1.塑性巖石塑性巖石 塑性巖石硬度小，刮塑性巖石硬度小，刮 刀鉆頭在鉆壓刀鉆頭在鉆壓W的作用下的作用下 容易吃入地層，刃前巖石容易吃入地層，刃前巖石 在扭轉力在扭轉力 T作用下不斷產作用下不斷產 生生塑性流動，塑性流動，如圖如圖2-9 所所 示。由于破碎巖石是在力示。由于破碎巖石是在力 W 和和T的同時作用下，因的同時作用下，因 此吃入深度要比力此吃入深度要比力W單獨單獨 作用時深得多。作用時深得多。 W

40、 T 圖圖2-9 破碎塑性巖石過程破碎塑性巖石過程 2.塑脆性巖石塑脆性巖石 在力在力W和和T的同時作用下，垂直壓強不必大于巖石硬的同時作用下，垂直壓強不必大于巖石硬 度（大約為硬度的度（大約為硬度的1/61/14即可）刀翼即可沿即可）刀翼即可沿角切角切 入巖石，使其產生入巖石，使其產生體積破碎體積破碎。 這主要是因為，此時刃前巖石這主要是因為，此時刃前巖石 的應力狀態(tài)不同于刃底巖石的的應力狀態(tài)不同于刃底巖石的 應力狀態(tài)，刀翼吃入深度與應力狀態(tài)，刀翼吃入深度與 及及有關。有關。 塑脆性巖石的破碎大體可分為塑脆性巖石的破碎大體可分為碰撞碰撞、 壓碎及小剪切、大剪切壓碎及小剪切、大剪切三個過程。三

41、個過程。 a.刃前巖石沿剪切面破碎后，刃前巖石沿剪切面破碎后，T減減 小，刀翼向前推進，碰撞刃前巖石，小，刀翼向前推進，碰撞刃前巖石， 圖圖210（a）所示。）所示。 b.刀翼在扭力刀翼在扭力T作用下壓碎刃前的作用下壓碎刃前的 巖石，使其產生小剪切破碎，旋轉力巖石，使其產生小剪切破碎，旋轉力 增大，圖增大，圖210（b）所示。）所示。 C.刀翼繼續(xù)擠壓刃前的巖石（部分刀翼繼續(xù)擠壓刃前的巖石（部分 被壓成粉狀），當扭力被壓成粉狀），當扭力 T增大到極限增大到極限 值時值時，巖石沿剪切面產生大剪切破碎巖石沿剪切面產生大剪切破碎， 然后扭力又突然變小，圖然后扭力又突然變小，圖210（C） 所示。所示

42、。 粉粉 牙輪鉆頭是石油鉆井中使用最多、適應性最強的鉆頭。按鉆牙輪鉆頭是石油鉆井中使用最多、適應性最強的鉆頭。按鉆 頭上牙輪的個數(shù)可將牙輪鉆頭分為頭上牙輪的個數(shù)可將牙輪鉆頭分為 ，其中使用最多的是三牙輪鉆頭。，其中使用最多的是三牙輪鉆頭。 牙輪牙輪是一個其上裝有牙齒的錐體。是一個其上裝有牙齒的錐體。 三牙輪鉆頭三牙輪鉆頭在井底的運動，決定牙輪與牙齒的在井底的運動，決定牙輪與牙齒的 運動，也就直接決定牙齒對地層巖石的破碎作用。運動，也就直接決定牙齒對地層巖石的破碎作用。 因此，在了解鉆頭破碎巖石的工作原理因此，在了解鉆頭破碎巖石的工作原理 之前，首先應了解鉆頭在井底的運動。之前，首先應了解鉆頭在

43、井底的運動。 公轉公轉 自轉自轉縱振縱振 滑動滑動 1、鉆頭的公轉鉆頭的公轉 鉆頭繞自身軸線作順時針方向旋轉的運動叫鉆頭繞自身軸線作順時針方向旋轉的運動叫公轉公轉。 鉆頭公轉的轉速就是轉盤或井下動力鉆具的旋轉速度。鉆頭鉆頭公轉的轉速就是轉盤或井下動力鉆具的旋轉速度。鉆頭 公轉時，牙輪也繞鉆頭軸線旋轉，牙輪上各排牙齒繞鉆頭軸公轉時，牙輪也繞鉆頭軸線旋轉，牙輪上各排牙齒繞鉆頭軸 線旋轉的線速度不同，外排齒的線速度最大。線旋轉的線速度不同，外排齒的線速度最大。 2、鉆頭的自轉、鉆頭的自轉 鉆頭旋轉時，牙輪繞牙掌軸線作反時針方向的旋轉稱鉆頭旋轉時，牙輪繞牙掌軸線作反時針方向的旋轉稱自轉自轉。 牙輪的自

44、轉轉速決定于公轉的轉速，并與牙齒對井底的牙輪的自轉轉速決定于公轉的轉速，并與牙齒對井底的 作用有關。在理想的純滾動條件下，作用有關。在理想的純滾動條件下， 即牙齒與巖石間無滑動即牙齒與巖石間無滑動 時，時， 牙輪自轉的轉速比鉆頭公轉的轉速快得多（大約是牙輪自轉的轉速比鉆頭公轉的轉速快得多（大約是 1.5 倍左右）。倍左右）。 牙輪的轉動是巖石對牙齒的吃人破碎作用產生阻牙輪的轉動是巖石對牙齒的吃人破碎作用產生阻 力作用的結果。力作用的結果。 3、鉆頭的縱振（軸向振動）、鉆頭的縱振（軸向振動） 鉆頭工作時，牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交替進鉆頭工作時，牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交替進 行地。行地

45、。單齒著地時，牙輪的輪心處于最高位置，雙齒著地單齒著地時，牙輪的輪心處于最高位置，雙齒著地 時則輪心下降。時則輪心下降。牙輪在轉動過程中，輪心位置不斷上下變牙輪在轉動過程中，輪心位置不斷上下變 換，使鉆頭沿軸向作上下往復運動，即為鉆頭的換，使鉆頭沿軸向作上下往復運動，即為鉆頭的. 4、牙輪的滑動、牙輪的滑動 破碎不同類型巖石，對鉆頭要求不同的滑動量，破碎不同類型巖石，對鉆頭要求不同的滑動量，可通可通 過設計鉆頭時采用不同的結構及參數(shù)獲得。過設計鉆頭時采用不同的結構及參數(shù)獲得。 一般情況下，軟地層鉆頭應具有較大的滑動量，硬地一般情況下，軟地層鉆頭應具有較大的滑動量，硬地 層鉆頭應盡量減少或不產生

46、滑動，避免牙齒早期損壞。層鉆頭應盡量減少或不產生滑動，避免牙齒早期損壞。 但是，由于鉆頭工作時，牙輪與牙掌軸頸的相對運動但是，由于鉆頭工作時，牙輪與牙掌軸頸的相對運動 總是存在摩擦阻力等原因，即使設計的是總是存在摩擦阻力等原因，即使設計的是純滾動鉆頭，純滾動鉆頭，實實 際鉆進中仍然存在著滑動。際鉆進中仍然存在著滑動。 二、二、 三牙輪鉆頭破碎巖石的基本原理三牙輪鉆頭破碎巖石的基本原理 牙輪鉆頭在井底對巖石的破碎作用是與其運動規(guī)律牙輪鉆頭在井底對巖石的破碎作用是與其運動規(guī)律緊密緊密 相關的，因此要研究牙輪鉆頭的破巖原理就必須從分析其運相關的，因此要研究牙輪鉆頭的破巖原理就必須從分析其運 動規(guī)律入

47、手。動規(guī)律入手。 1.鉆頭的復合運動鉆頭的復合運動 鉆頭的自轉鉆頭的自轉 鉆頭的公轉鉆頭的公轉 鉆頭的縱振鉆頭的縱振 牙輪的滑動牙輪的滑動 整個鉆頭向下的運動整個鉆頭向下的運動 2.鉆頭的沖擊和壓碎作用鉆頭的沖擊和壓碎作用 鉆進時，鉆頭上承受的鉆壓經(jīng)牙輪作用在巖石鉆進時，鉆頭上承受的鉆壓經(jīng)牙輪作用在巖石 上。除此靜載以外還有一沖擊載荷，這是由于鉆頭上。除此靜載以外還有一沖擊載荷，這是由于鉆頭 的縱向振動產生的。的縱向振動產生的。 3.牙齒對地層的剪切作用牙齒對地層的剪切作用 為了提高牙輪鉆頭對中硬和軟巖層的破碎效率，除了要為了提高牙輪鉆頭對中硬和軟巖層的破碎效率，除了要 求牙齒對井底巖石有求牙

48、齒對井底巖石有壓碎、沖擊壓碎、沖擊作用外，還要求有一定的作用外，還要求有一定的剪剪 切作用。切作用。 產生滑動的主要因素有三個，即產生滑動的主要因素有三個，即超頂超頂、復錐復錐和和移軸移軸。當。當 牙輪錐頂不與鉆頭軸線重合時就有滑動產生。牙輪錐頂不與鉆頭軸線重合時就有滑動產生。 從破碎巖石角度考慮，從破碎巖石角度考慮，硬地層硬地層用單錐牙輪，使牙輪在井用單錐牙輪，使牙輪在井 底為純滾動而無滑動；底為純滾動而無滑動；軟到中硬地層軟到中硬地層用復錐牙輪，使牙輪產用復錐牙輪，使牙輪產 生切向滑動以利破碎巖石。復錐牙輪還可增大牙輪的體積，生切向滑動以利破碎巖石。復錐牙輪還可增大牙輪的體積， 有時為了加

49、大軸承尺寸也使用復錐牙輪。有時為了加大軸承尺寸也使用復錐牙輪。 復錐：復錐：牙輪由兩個或兩牙輪由兩個或兩 上以上不同錐度的錐體組上以上不同錐度的錐體組 成，不同錐體錐頂不一致，成，不同錐體錐頂不一致， 造成滑動。造成滑動。 超項：超項：牙輪的錐頂超過了鉆頭中心線叫做超頂，錐頂超過鉆頭中心線愈牙輪的錐頂超過了鉆頭中心線叫做超頂，錐頂超過鉆頭中心線愈 大，滑動量愈大。大，滑動量愈大。 移軸：移軸：移軸是將牙輪軸線方向水平移一定距離，牙輪軸線不與鉆頭中心移軸是將牙輪軸線方向水平移一定距離，牙輪軸線不與鉆頭中心 相交于一點，而三個牙輪軸線在鉆頭中央相交成一個三角形。三角形愈大，相交于一點，而三個牙輪軸

50、線在鉆頭中央相交成一個三角形。三角形愈大， 移軸愈大，滑動愈大。移軸愈大，滑動愈大。 abc 牙輪布置方案牙輪布置方案 軸；軸； 牙輪鉆頭結構組成牙輪鉆頭結構組成 鉆頭體鉆頭體 牙掌牙掌 牙輪牙輪 軸承軸承 鎖緊元件鎖緊元件 儲油密封儲油密封 噴嘴噴嘴 三、三、牙輪鉆頭的結構和類型牙輪鉆頭的結構和類型 牙輪鉆頭結構示意圖牙輪鉆頭結構示意圖 1.牙輪鉆頭的基本參數(shù)牙輪鉆頭的基本參數(shù) 對于不同巖性的地層，鉆頭應能夠以最適合的破碎方式鉆對于不同巖性的地層，鉆頭應能夠以最適合的破碎方式鉆 進，在設計制造鉆頭時要選擇相應的結構參數(shù)。進，在設計制造鉆頭時要選擇相應的結構參數(shù)。 （1）鉆頭直徑）鉆頭直徑 三

51、牙輪鉆頭直徑的確定應從鉆井工作的發(fā)展及油田實際情三牙輪鉆頭直徑的確定應從鉆井工作的發(fā)展及油田實際情 況出發(fā)，以最小的尺寸系列來滿足鉆井工作需要。鉆頭尺寸與況出發(fā)，以最小的尺寸系列來滿足鉆井工作需要。鉆頭尺寸與 井身結構密切相關，所以它應與套管的尺寸系列相互適應。井身結構密切相關，所以它應與套管的尺寸系列相互適應。 （2）牙輪軸線偏移值）牙輪軸線偏移值 為了使牙輪產生滑動，常使牙輪軸線沿鉆頭旋轉方向平移為了使牙輪產生滑動，常使牙輪軸線沿鉆頭旋轉方向平移 一段距離或使牙輪軸相對于鉆頭徑向偏轉一個角度。一段距離或使牙輪軸相對于鉆頭徑向偏轉一個角度。 牙輪軸線的偏移值應據(jù)巖層的特性來定。牙輪軸線的偏移

52、值應據(jù)巖層的特性來定。一般來說一般來說，對低對低 硬度、高塑性的巖層，偏移值要大；對高硬度低塑性的巖層，硬度、高塑性的巖層，偏移值要大；對高硬度低塑性的巖層， 偏移值則要?。粚τ谘心バ缘挠驳貙雍蜆O硬地層，鉆頭偏移偏移值則要??；對于研磨性的硬地層和極硬地層，鉆頭偏移 值應為零。值應為零。 （3）牙輪軸線與鉆頭軸線夾角）牙輪軸線與鉆頭軸線夾角 牙輪軸線與鉆頭軸線夾角牙輪軸線與鉆頭軸線夾角如如 圖圖215所示。所示。角的大小影響到角的大小影響到 給予牙輪的空間體積大小和軸承給予牙輪的空間體積大小和軸承 受力狀況。受力狀況。角增大時，相鄰兩牙角增大時，相鄰兩牙 輪的夾角也增加，因而牙輪體積輪的夾角也增

53、加，因而牙輪體積 可加大；可加大；角減小則相反角減小則相反.一般一般角角 為為51o59o，軟地層鉆頭，軟地層鉆頭角較角較 大，硬地層鉆頭大，硬地層鉆頭角較小。角較小。 （4）牙輪的形狀與布置）牙輪的形狀與布置 牙輪的幾何形狀應能在牙輪的幾何形狀應能在有限的有限的 空間空間內盡量加大牙輪的體積，加內盡量加大牙輪的體積，加 大軸承的尺寸，使軸承有較大的大軸承的尺寸，使軸承有較大的 工作能力，并保證輪殼有足夠的工作能力，并保證輪殼有足夠的 厚度以免斷裂。同時在牙輪的外厚度以免斷裂。同時在牙輪的外 表面也可以布置表面也可以布置更多的牙齒更多的牙齒，以，以 延長切削部分的使用延長切削部分的使用壽命壽命

54、。 牙輪的幾何形狀尺寸：見圖牙輪的幾何形狀尺寸：見圖 決定牙輪布置的主要參數(shù)：決定牙輪布置的主要參數(shù)： 偏移值偏移值 s、超頂距、超頂距 c、角和角和 2角。角。 (主錐角主錐角) (副錐角副錐角) (背錐角背錐角) (牙輪最牙輪最 大外徑大外徑) (牙輪總高牙輪總高) 1）牙輪軸線、主錐母線交于鉆頭中心線，主錐不超頂）牙輪軸線、主錐母線交于鉆頭中心線，主錐不超頂 牙輪在井底的運動屬于牙輪在井底的運動屬于純滾動純滾動，無滑動，牙輪的，無滑動，牙輪的 齒圈不與相鄰牙輪齒圈相嚙合，確定齒寬時不受相鄰齒圈不與相鄰牙輪齒圈相嚙合，確定齒寬時不受相鄰 牙輪齒圈的限制，但各牙輪間要保持一定的間隙，牙牙輪齒

55、圈的限制，但各牙輪間要保持一定的間隙，牙 輪的尺寸必須適當縮小，因輪的尺寸必須適當縮小，因 而牙輪體積較小，這種布置而牙輪體積較小，這種布置 方案適合于方案適合于硬地層鉆頭硬地層鉆頭。 純純 滾滾 動動 牙牙 輪輪 牙輪布置方案一牙輪布置方案一 2）牙輪軸線交于鉆頭軸線，但主錐超頂。）牙輪軸線交于鉆頭軸線，但主錐超頂。 由于超頂可使各牙輪牙齒互相嚙合，因而牙輪由于超頂可使各牙輪牙齒互相嚙合，因而牙輪 可以自洗，它有助于消除泥包現(xiàn)象?？梢宰韵?，它有助于消除泥包現(xiàn)象。 這種布置的牙輪在井底有滑動這種布置的牙輪在井底有滑動 （切向滑動）時，由于相鄰牙輪齒（切向滑動）時，由于相鄰牙輪齒 圈之間有間隙，

56、所以會形成井底環(huán)圈之間有間隙，所以會形成井底環(huán) 狀突起，但在鉆進軟地層時影響不狀突起，但在鉆進軟地層時影響不 大。這種布置方案適于大。這種布置方案適于軟及中硬地軟及中硬地 層層鉆頭。鉆頭。 牙輪布置方案二牙輪布置方案二 3）牙輪軸線偏移，牙輪可自洗。）牙輪軸線偏移，牙輪可自洗。 由于移軸可使牙輪產由于移軸可使牙輪產 生軸向滑動，使井底不留生軸向滑動，使井底不留 環(huán)狀突起，故可以消除方環(huán)狀突起，故可以消除方 案二的缺點，它適合于案二的缺點，它適合于軟軟 及中硬地層及中硬地層的鉆頭。的鉆頭。 牙輪布置方案三牙輪布置方案三 （5）牙輪上牙齒的布置）牙輪上牙齒的布置 牙齒在牙輪上的排列布置直接影響鉆頭

57、的鉆進效牙齒在牙輪上的排列布置直接影響鉆頭的鉆進效 率，因此是非常重要的。率，因此是非常重要的。布齒原則：布齒原則： l ）在鉆頭每轉一周中，牙齒應全部破碎井底。在鉆頭每轉一周中，牙齒應全部破碎井底。 2）牙輪在重復滾動時應使牙齒不致落入別的齒已牙輪在重復滾動時應使牙齒不致落入別的齒已 破碎的舊坑內。破碎的舊坑內。 3）各牙輪齒圈上的牙齒數(shù)應使每各牙輪齒圈上的牙齒數(shù)應使每 齒均勻地承擔破碎井底巖石的任務，齒均勻地承擔破碎井底巖石的任務， 因此外圈齒數(shù)應多些，內圈齒數(shù)可少因此外圈齒數(shù)應多些，內圈齒數(shù)可少 些。些。 2.牙輪鉆頭的牙齒牙輪鉆頭的牙齒 牙齒是牙輪鉆頭破碎巖石的主要元件，對于牙齒的基本

58、牙齒是牙輪鉆頭破碎巖石的主要元件，對于牙齒的基本 要求是破巖效率高，壽命長。要求是破巖效率高，壽命長。 要滿足這兩點，必須從兩方面著手：要滿足這兩點，必須從兩方面著手： 1）、牙齒的幾何形狀要合理。）、牙齒的幾何形狀要合理。 2）、齒的材料要耐磨并有足夠的強度。）、齒的材料要耐磨并有足夠的強度。 目前牙輪鉆頭的牙齒有目前牙輪鉆頭的牙齒有銑齒（也稱鋼齒）和硬質合金齒銑齒（也稱鋼齒）和硬質合金齒 （簡稱鑲齒）兩大類。（簡稱鑲齒）兩大類。 牙輪鉆頭牙齒磨損分級：牙輪鉆頭牙齒磨損分級： 鋼齒的磨損分級。鋼齒的磨損分級。以齒磨去的高度與新齒高度之以齒磨去的高度與新齒高度之 比作為定級標準，共分四級：比作

59、為定級標準，共分四級： 鑲齒的磨損分級。鑲齒的磨損分級。用牙輪上斷、掉的齒數(shù)與該牙用牙輪上斷、掉的齒數(shù)與該牙 輪總齒數(shù)之比作為評定鉆頭的磨損標準。輪總齒數(shù)之比作為評定鉆頭的磨損標準。 代代 號號Y1Y2Y3Y4 磨去高度磨去高度/新齒高度新齒高度1/42/43/4 齒全齒全 磨光磨光 3.牙輪鉆頭的軸承牙輪鉆頭的軸承 牙輪鉆頭的軸承有：牙輪鉆頭的軸承有：滾動軸承滾動軸承和和滑動軸承滑動軸承兩種。兩種。 a. 滑動滑動-滾珠滾珠-滑動滑動 b. 滑動滑動-滑動滑動-滑動滑動 a.滾柱滾柱-滾珠滾珠-滑動滑動 b.滾柱滾柱-滾珠滾珠-滾柱滾柱 4.鉆頭水眼鉆頭水眼 鉆頭水眼是在鉆頭體的適當位置開出

60、的孔道，與鉆頭體內鉆頭水眼是在鉆頭體的適當位置開出的孔道，與鉆頭體內 腔流道相連通，構成了鉆井液由鉆桿內部進入井底的通路。腔流道相連通，構成了鉆井液由鉆桿內部進入井底的通路。 普通（非噴射式）鉆頭的水眼，僅是在鉆頭體的適當位置普通（非噴射式）鉆頭的水眼，僅是在鉆頭體的適當位置 開孔并焊上水眼套。開孔并焊上水眼套。 適合噴射鉆井需要的鉆頭則在水眼處安裝硬質合金噴嘴，適合噴射鉆井需要的鉆頭則在水眼處安裝硬質合金噴嘴， 且對水眼有關的鉆頭結構有特殊的要求，即：且對水眼有關的鉆頭結構有特殊的要求，即： a. 鉆頭體內腔流道應使鉆井液流動時阻力最小鉆頭體內腔流道應使鉆井液流動時阻力最小. b. 噴嘴形狀