4海底巖石與鉆頭破巖海洋鉆井工程

1海洋洋石石油油工工程程李瑋博博士、、副教教授Tel-mail:liwei@1目錄錄海上鉆鉆井發(fā)發(fā)展?fàn)顮顩r及及環(huán)境境特點點海上鉆鉆井裝裝置海上鉆鉆井主主要系系統(tǒng)海底巖巖石與與鉆頭頭破巖巖井眼軌軌道設(shè)設(shè)計與與控制制優(yōu)選參參數(shù)鉆鉆井海洋鉆鉆井壓壓力預(yù)預(yù)測與與控制制海上鉆鉆井工工藝技技術(shù)本章主主要內(nèi)內(nèi)容一、海海底巖石的的力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)二、海海底巖石的的研磨磨性與與可鉆鉆性三、刮刀鉆鉆頭及及其破破巖原原理四、牙輪鉆鉆頭及及其破破巖原原理五、金剛石石鉆頭頭及其其破巖巖原理理一、海海底巖巖石的的力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)水龍頭方鉆桿轉(zhuǎn)盤鉆桿扶正器鉆鋌鉆頭頂驅(qū)一、海海底巖巖石的的力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)巖石的的力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)變形特特征強(qiáng)度特特征自生石石英晶晶體,溶孔中中絨球球狀綠綠泥石石一、海海底巖巖石的的力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)變形特特征:指巖石石在各各種載載荷作作用下下的變變形規(guī)規(guī)律(包括括巖巖石石的的彈彈性性變變形形、、塑塑性性變變形形、、粘粘性性流流動動和和破破壞壞規(guī)規(guī)律律)。強(qiáng)度度特特征征:指巖巖石石在在載載荷荷作作用用下下開開始始破破壞壞時時的的最最大大應(yīng)應(yīng)力力(強(qiáng)度度極極限限)以及及應(yīng)應(yīng)力力與與破破壞壞之之間間的的關(guān)關(guān)系系，，它它反反映映了了巖巖石石抵抵抗抗破破壞壞的的能能力力和和破破壞壞規(guī)規(guī)律律。。一、、海海底底巖巖石石的的力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)一、、海海底底巖巖石石的的力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)巖石石試試樣樣的的鉆鉆取取及及制制備備(一)、應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線(二)、強(qiáng)強(qiáng)度度(簡單單應(yīng)應(yīng)力力)(三)、強(qiáng)強(qiáng)度度(復(fù)雜雜應(yīng)應(yīng)力力)一、、海海底底巖巖石石的的力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)圖典型型應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)應(yīng)變變曲曲線線OA段：：曲線線稍稍向向上上凹凹，，這這反反映映巖巖石石試試件件內(nèi)內(nèi)部部裂裂隙隙逐逐漸漸被被壓壓密密。。AB段：：隨著著巖巖石石內(nèi)內(nèi)裂裂隙隙被被壓壓密密進(jìn)進(jìn)入入AB段，，它它的的斜斜率率為為常常數(shù)數(shù)或或接接近近于于常常數(shù)數(shù)，，該該直直線線的的斜斜率率稱稱為為楊楊氏氏彈彈性性模模量量E。(一)、巖巖石石的的應(yīng)應(yīng)力力-應(yīng)變變曲曲線線BC段：：B點為為屈屈服服極極限限，，是是巖巖樣樣彈彈性性行行為為到到塑塑性性行行為為過過渡渡的的點點。。C點為為強(qiáng)強(qiáng)度度極極限限，，是是巖巖樣樣所所能能承承受受的的最最大大應(yīng)應(yīng)力力。。C點以以前前的的階階段段稱稱為為破破壞壞前前階階段段，，之之后后稱稱為為破破壞壞后后階階段段。。特點：變形和荷荷載呈非非線性關(guān)關(guān)系，裂裂隙進(jìn)入入不穩(wěn)定定發(fā)展?fàn)顮顟B(tài)。卸卸載不能能完全恢恢復(fù)，存存在永久久變形。。CD段：該段曲線線呈下降降形態(tài)，，巖樣承承受應(yīng)力力的能力力下降，，而巖石石的應(yīng)變變增加，，巖石開開始解體體。(一)、巖石的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線線圖典型應(yīng)力力應(yīng)變曲曲線巖石的強(qiáng)強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度度抗拉強(qiáng)度度抗壓強(qiáng)度度抗彎曲強(qiáng)強(qiáng)度通常情況況下：抗抗壓>抗剪>抗彎>抗拉強(qiáng)度度強(qiáng)度獲取取方法：：對具體體的巖石石進(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)度試驗驗(二)、簡單應(yīng)應(yīng)力條件件下巖石石的強(qiáng)度度巖石抗壓壓縮強(qiáng)度度指巖石抵抵抗外力力壓縮的的能力．．其大小小等于在在巖樣上上施加軸軸向壓縮縮載荷直直至破壞壞時單位位面積上上的載荷荷，可通通過單軸軸抗壓縮縮強(qiáng)度試試驗來獲獲得。三軸應(yīng)力力機(jī)1、巖石抗抗壓縮強(qiáng)強(qiáng)度真實的應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變變曲線1、巖石抗抗壓縮強(qiáng)強(qiáng)度*設(shè)計恰當(dāng)當(dāng)?shù)膴A緊緊機(jī)構(gòu)；；*制備一一定形狀狀的巖樣樣；*確保加加載方向向嚴(yán)格平平行于巖巖樣軸線線。實驗要求求測量方法間接抗拉拉伸強(qiáng)度度試驗直接抗拉拉伸強(qiáng)度度試驗2、巖石抗抗拉伸強(qiáng)強(qiáng)度破裂從圓圓的中心心開始,沿加載直直徑向上上下擴(kuò)展展。巖石石的抗張張強(qiáng)度可可按下式式計算：：巴西劈裂裂實驗1.常規(guī)三軸軸試驗（a）（（b）（（c）（（d）圖1-10三軸巖石石試驗方方法（a）液壓作作用下的的壓（拉拉）試驗驗（常規(guī)規(guī)三軸試試驗）；；（b）用三個個液缸的的柱塞進(jìn)進(jìn)行的三三面壓縮縮試驗（（真三軸軸試驗））；（c）液壓作用用下的壓扭扭試驗；(d）液壓作用用下的兩面面柱塞壓縮縮試驗。(三)、復(fù)雜應(yīng)力力條件下的的巖石強(qiáng)度度σ1P=σ2=σ3σ3P=σ1=σ2（a）壓縮試驗驗（b）拉伸試驗驗1.常規(guī)三軸試試驗2θσ1σ3ψCστoOAB庫侖剪切強(qiáng)強(qiáng)度曲線2.三軸軸應(yīng)力下巖巖石的強(qiáng)度度和變形的的特點巖石的強(qiáng)度度是隨作用用于破壞面面(或剪切滑動動面)的垂直(法向)壓應(yīng)力的增增加而增大大的。庫侖—莫爾強(qiáng)度理理論莫爾提出巖巖石的強(qiáng)度度曲線是一一系列不同圍壓下下的極限應(yīng)應(yīng)力圓的包包絡(luò)線畫在τ-σ平面上的巖巖石強(qiáng)度曲曲線變成了了近似于斜斜率逐漸減減小的拋物線，可可適用于高高圍壓的情情況。O莫爾應(yīng)力圓圓包絡(luò)線τσ0庫侖—莫爾強(qiáng)度理理論卡爾曼在室室溫下的試試驗結(jié)果（（應(yīng)力-應(yīng)變曲線））三軸試驗的的應(yīng)力－應(yīng)應(yīng)變曲線（（圖中有X者為脆性破破壞）3=3260bar3=1650bar3=850bar3=500bar3=235bar3=0應(yīng)變∑z，％（大理巖）(1－3)，bar應(yīng)變∑z，％（砂巖）3＝2175bar3＝1550bar3＝555bar3＝275barX3＝0(1－3)，bar6000400030002000100060004000300020001000XX012345678901234567(四)、三三軸應(yīng)力作作用下巖石石機(jī)械性質(zhì)質(zhì)的變化兩方面顯著著變化1、隨著圍壓壓的增大，，巖石強(qiáng)度度極限增大大。（１）不同同類型的巖巖石，增大大幅度和倍倍數(shù)是不一一樣的；（２）圍壓壓對巖石強(qiáng)強(qiáng)度的影響響程度，并并不是在所所有壓力范圍內(nèi)都相相同。2、隨著圍壓壓的增大，，巖石表現(xiàn)現(xiàn)出從脆性性到塑性的的轉(zhuǎn)變，且且圍壓越大大，巖石破破碎前所呈呈現(xiàn)的塑性性也越大。。(四)、三三軸應(yīng)力作作用下巖石石機(jī)械性質(zhì)質(zhì)的變化巖石從脆性性到塑性的的轉(zhuǎn)變點（（或稱臨界界壓力）對對深井鉆井井的重要意意義：脆性破壞塑性破壞本質(zhì)差別不同的破碎碎工具不同的破碎碎方式不同的破碎碎參數(shù)因此，確定定巖石的脆脆——塑性轉(zhuǎn)變的的“臨界壓力”將為設(shè)計和和合理選擇擇使用鉆頭頭提供科學(xué)學(xué)依據(jù)。(四)、三三軸應(yīng)力作作用下巖石石機(jī)械性質(zhì)質(zhì)的變化巖心試樣力力學(xué)參數(shù)的的測試結(jié)果果巖石的硬度度（抗壓入入強(qiáng)度）：：巖石抵抗抗外力壓入入的能力平底圓柱壓壓模壓入巖巖石時，在在壓頭下的的巖體中發(fā)發(fā)展了軸對對稱分布的的三向應(yīng)力力狀態(tài)，這這種應(yīng)力狀狀態(tài)使壓頭頭下巖石的的強(qiáng)度會急急劇增大，，同時多數(shù)數(shù)巖石具有有塑性性質(zhì)質(zhì)。(五)、巖巖石的抗壓壓入破碎強(qiáng)強(qiáng)度實驗方法抗壓入破碎碎強(qiáng)度測試試儀器示意意圖測試方法①用加載能力力為10kN的小型液壓壓機(jī)；②壓頭上上作用的載載荷可由液液壓系統(tǒng)的的壓力指示示計算得出出；③壓入深深度可由千分表（或百分表表）指示讀讀出；④記錄下下載荷與吃吃深的相關(guān)關(guān)數(shù)據(jù)，事事后繪制載荷-吃深曲線。壓頭zσzσr=σθz0σpτσzzσrσθσzσr=σθaaap圓柱壓模壓壓入巖石的的應(yīng)力狀態(tài)態(tài)及分布P-巖石平均壓壓強(qiáng)a-壓頭底面的的半徑z-距巖石表面面的深度ν-巖石泊松比比W0OCEDW載荷W/NW0載荷W/N吃入深度ε/m(b)塑脆性巖石EDW吃入深度ε/m載荷W/N吃入深度ε/m(a)脆性巖石(c)塑性巖石OOBA硬度屈服極限塑性系數(shù)壓入實驗確確定巖石的的硬度和塑塑性系數(shù)通過大量的的試驗，可可以根據(jù)上上面所講的的巖石的硬度和塑性將巖石進(jìn)行行分類。1、巖石按塑塑性系數(shù)的的分類類別脆性塑脆性塑性低塑性高塑性級別123456塑性系數(shù)1＞1～22～33～44～6＞6巖石分類參照我國石石油鉆井使使用的鉆頭頭類型，按按巖石的硬硬度大小可可將巖石分分為六類十十二級。2、巖石按硬硬度的分類類類別軟中軟中硬硬堅硬極硬級別123456789101112硬度kbar≤11～2.52.5～55～1010～1515～2020～3030～4040～5050～6060～70＞70巖石分類本章主要內(nèi)內(nèi)容一、海底巖石的力學(xué)學(xué)性質(zhì)二、海底巖石的研磨磨性與可鉆鉆性三、刮刀鉆頭及及其破巖原原理四、牙輪鉆頭及及其破巖原原理五、金剛石鉆頭頭及其破巖巖原理鉆井過程中中，鉆井工工具和巖石石產(chǎn)生接觸觸和摩擦，，從而在破破碎巖石的的同時，工工具本身也也受到巖石石的磨損而而逐漸變鈍鈍甚至損壞壞。巖石磨磨損這些材材料的能力力稱為巖石石的研磨性性。測定巖石研研磨性的方方法(一)、巖石的研磨磨性鉆磨法磨削法微鉆頭鉆進(jìn)進(jìn)法摩擦磨損法法各種巖石的的研磨性研磨性最小的巖石低研磨性巖石高研磨性巖石鹽巖、泥巖和一些硫酸鹽巖石灰?guī)r和白云巖含有剛玉礦物成分的巖石各種巖石的的研磨性由所含長石和石英成分的多少、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(xì)，礦物的硬度差小，研磨性較小，反之研磨性較高。中等或高研磨性巖石由石英顆粒的含量及膠結(jié)強(qiáng)度而定，石英顆粒含量越多，粒度越粗，膠結(jié)強(qiáng)度越小，其研磨性越高；反之研磨性則低。沉積碎屑巖火成巖巖石的研磨磨作用，包包含有兩種種不同的機(jī)機(jī)理：一種是類似似于銼刀銼金屬屬的作用，稱稱之擦蝕。其特征是是被磨蝕物物體的硬度度小于磨蝕蝕物體，而而后者表面面又必須是是粗糙的，，它在前者者的表面上上剋削下碎碎屑末。研磨作用的的物理實質(zhì)質(zhì)：另一種作用用是類似于于硯臺受墨墨的研磨，久而久之之也要被磨蝕，稱之磨損。對于鋼制制工具而言言，除了含含有石英顆顆粒的巖石石以外，巖巖石的磨蝕蝕作用主要要是以磨損損的形式進(jìn)進(jìn)行的。研磨作用的的物理實質(zhì)質(zhì)：牙輪鉆頭的輕度磨損

牙輪鉆頭的中度磨損牙輪鉆頭的高度磨損研究巖石的的磨蝕性及及其規(guī)律，，直接關(guān)系系到機(jī)械和和工具的壽壽命、生產(chǎn)產(chǎn)的效率和和成本；作為改進(jìn)機(jī)機(jī)具設(shè)計的的依據(jù)，也也是采取合合適工作參參數(shù)的基礎(chǔ)礎(chǔ)。研究巖石磨磨蝕性的意意義：巖石破碎的的難易性稱稱為巖石的的可鉆性，由此把巖巖石分為難難鉆的和易易鉆的。研究可鉆性性方法生產(chǎn)工藝的的指標(biāo)巖石機(jī)械性性質(zhì)50年代史立涅涅爾壓入硬硬度法60年代羅勞微微鉆法(我國石油行行業(yè))(二)、巖石的的可鉆性可鉆性的單單位采用在在確定條件件下的鉆頭頭進(jìn)尺或者者機(jī)械鉆速速.可用抗壓強(qiáng)強(qiáng)度，d指數(shù)、壓痕痕指數(shù)、縱縱波速度、、抗鉆強(qiáng)度度、實鉆速速度、楊氏氏鉆速模式式中的地層層可鉆性系系數(shù)等幾十十種.微型鉆頭鉆鉆進(jìn)法采用直徑等等于31.75mm（11/4in）的微型鉆鉆頭在小塊塊巖樣上進(jìn)進(jìn)行鉆進(jìn)試試驗。以907.2N的鉆壓，55rpm的轉(zhuǎn)速鉆一一個深度為為2.381mm（3/32in）的孔，根根據(jù)所需的的鉆時（s）計算出微微鉆頭的鉆鉆速。(二)、巖石的的可鉆性每次試驗后后測出微型型鉆頭齒的的磨損高度度，適過查查表可查得得所選用的的鉆頭在該該巖層中鉆鉆進(jìn)的預(yù)計計壽命、進(jìn)進(jìn)尺數(shù)及每每米進(jìn)尺成成本。這種方法是用用微型鉆頭的的試驗鉆速（（m/h）作為確定巖巖石可鉆性的的指標(biāo)。(二)、巖石的可可鉆性當(dāng)以鉆速作為為可鉆性指標(biāo)標(biāo)時，鉆進(jìn)的的速度V與深度H、鉆進(jìn)時間T之間有如下關(guān)關(guān)系：為了統(tǒng)計研究究方法的需要要，對鉆時T作對數(shù)變換，，便可得巖石石可鉆性級值值（Kd）與微鉆時之之間的關(guān)系式式：(二)、巖石的可可鉆性油礦地層可鉆鉆性分級和適適用的鉆頭類類型表微牙輪鉆頭可可鉆性級值分分級(二)、巖石的可可鉆性類別軟中硬級別1234567910鉆速（米/時）≥22~11~0.50.5~0.30.3~0.10.1~0.060.06~0.030.03~0.0080.008~0.004可鉆性級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ適用鉆頭類型JR～RZR～ZZY～YJ～JY本章主要內(nèi)容容一、海底巖石的力學(xué)性性質(zhì)二、海底巖石的研磨性性與可鉆性三、刮刀鉆頭及其其破巖原理四、牙輪鉆頭及其其破巖原理五、金剛石鉆頭及及其破巖原理理牙輪鉆頭PDC鉆頭金剛石鉆頭刮刀鉆頭常用尺寸：26"、171/2"、121/4"、81/2"各種鉆頭各種鉆頭刮刀鉆頭的結(jié)結(jié)構(gòu)：上鉆頭體、下下鉆頭體（分分水帽）、刀刀翼、水水眼。兩刀翼的稱作作兩刮刀鉆頭或或魚尾刮刀鉆鉆頭三刀翼的稱作作三刮刀鉆頭四刀翼的稱作作四刮刀鉆頭三、刮刀鉆頭頭及其破巖原原理刮刀鉆頭特點結(jié)構(gòu)簡單，制制造方便。在軟地層中，可可以得到高的的機(jī)械鉆速和和鉆頭進(jìn)尺。。在較硬地層中，，鉆頭吃入困困難，鉆井效效率低。刮刀鉆頭特點點1.刀翼結(jié)構(gòu)角刀翼結(jié)構(gòu)角刃尖角β切削角α刃前角φ刃后角ψ(一)、刮刀刀鉆頭刀翼的的幾何形狀和和結(jié)構(gòu)參數(shù)2.刀翼幾何形狀狀背部幾何形狀狀拋物線型刀翼的厚度隨隨距刀刃的距距離增加應(yīng)逐逐漸增厚，呈呈拋物線形。。刀翼底部形狀狀平底正階梯梯反階梯梯反錐(一)、刮刮刀鉆鉆頭刀刀翼的的幾何何形狀狀和結(jié)結(jié)構(gòu)參參數(shù)根據(jù)摩摩爾強(qiáng)強(qiáng)度理理論，，如果果忽略略摩擦擦力，，當(dāng)F力等于于或大于剪剪切面面積與與巖石石抗剪剪極限限強(qiáng)度度乘積積時，巖石沿沿剪切切面破破碎。。(二)、刮刮刀鉆鉆頭破破碎巖巖石的的基本本原理理1.塑性巖巖石泥巖頁巖鹽巖膏巖塑性巖巖石硬硬度小小，在在鉆壓壓W的作用用下容容易吃吃入地地層，，刃前前巖石石在扭扭轉(zhuǎn)力力T作用下下不斷斷產(chǎn)生生塑性性流動動。因因此，，吃入入深度度要比比力W單獨作作用時時深得得多。。(二)、刮刮刀鉆鉆頭破破碎巖巖石的的基本本原理理2.塑脆性性巖石石刮刀鉆鉆頭破破碎塑塑脆性性巖石石過程程P(a)Th0(b)壓碎和小剪切分離的巖屑TP大剪切分離的巖屑壓實的巖粉(c)TPAAA砂泥巖巖砂砂巖大大理石石碰撞壓碎及及小剪剪切大剪剪切切(二)、、刮刮刀刀鉆鉆頭頭破破碎碎巖巖石石的的基基本本原原理理本章章主主要要內(nèi)內(nèi)容容一、、海海底底巖石石的的力力學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)二、、海海底底巖石石的的研研磨磨性性與與可可鉆鉆性性三、、刮刀刀鉆鉆頭頭及及其其破破巖巖原原理理四、牙輪鉆頭頭及其破破巖原理理五、金剛石鉆鉆頭及其其破巖原原理1909年就出現(xiàn)現(xiàn)了第一一個牙輪輪鉆頭。。1925年，出現(xiàn)現(xiàn)了自潔潔式牙輪輪鉆頭。。1933年出現(xiàn)了了滾動軸軸承的三三牙輪鉆鉆頭。1935年經(jīng)進(jìn)一一步改進(jìn)進(jìn)，出現(xiàn)現(xiàn)了移軸軸三牙輪輪鉆頭。。1949年開始發(fā)發(fā)展噴射射鉆井。。1951年成功地地使用了了鑲硬質(zhì)質(zhì)合金齒齒的鉆頭頭。1960年試制成成功了密密封潤滑滑軸承。。1968年研究成成功了密密封潤滑滑滑動軸軸承鉆頭頭。牙輪鉆頭頭的發(fā)展展牙輪鉆頭頭分類單牙輪鉆鉆頭兩牙輪鉆鉆頭三牙輪鉆鉆頭四牙輪鉆鉆頭牙輪鉆頭頭是使用用最多的的鉆頭，，占鉆頭頭總數(shù)的的70%。牙輪鉆頭頭的分類類單牙輪鉆鉆頭特點點：牙輪輪的轉(zhuǎn)速速比鉆頭頭轉(zhuǎn)速低低得多，，僅為鉆鉆頭轉(zhuǎn)速速的1/2～l/5，能適應(yīng)應(yīng)大幅度度的轉(zhuǎn)速速變化。。這種鉆鉆頭工作作時對井井底的滑滑動作用用很大，，因而有有較大的的切削作作用。兩牙輪鉆鉆頭的優(yōu)優(yōu)點：噴噴嘴的安安裝位置置較充裕裕，噴嘴嘴可以向向下接近近井底以以充分發(fā)發(fā)揮鉆頭頭的水力力作用。。四牙輪鉆鉆頭有兩兩個牙輪輪破碎井井底外緣緣部分，，而另兩兩個牙輪輪破碎井井底中間間部分，，它適于于鉆軟到到中硬地地層。各種牙輪輪鉆頭的的特點1、鉆頭的的復(fù)合運運動牙輪鉆頭頭在鉆頭頭旋轉(zhuǎn)運運動過程程中，由由于牙輪輪鉆頭在在運動過過程中受受到井底底巖石對對鉆頭牙牙齒的摩摩阻力，，鉆頭牙牙輪要向向鉆頭前前進(jìn)時相相反的方方向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。鉆頭與井井底接觸觸母線上上任意點點的實際際運動速速度應(yīng)為為該點隨隨鉆頭運運動所產(chǎn)產(chǎn)生的速速度(稱為牽連速速度)與該點點隨牙牙輪旋旋轉(zhuǎn)所所產(chǎn)生生的速速度(稱為相對速速度)的矢量量和(稱為絕對速速度)。(一)、三牙輪輪鉆頭頭破碎碎巖石石的基基本原原理2.鉆頭的的沖擊擊和壓壓碎作作用由于牙牙輪鉆鉆頭的的縱向向振動動，鉆鉆頭對對巖石石產(chǎn)生生沖擊擊和壓壓碎，，單雙雙齒著著地的的頻率率為：：(一)、三牙輪輪鉆頭頭破碎碎巖石石的基基本原原理3.牙輪對對地層層的剪剪切作作用剪切作作用主主要是是通過過牙輪輪在井井底滾滾動的的同時時，還還產(chǎn)生生輪齒齒對井井底巖巖石的的滑動動來實實現(xiàn)的的。產(chǎn)生滑滑動的的主要要因素素有三三個，，即超頂、復(fù)錐和移軸。當(dāng)牙輪輪錐頂頂不與與鉆頭頭軸線線重合合時，，就有有滑動動產(chǎn)生生。(一)、三牙輪輪鉆頭頭破碎碎巖石石的基基本原原理①超超頂牙牙輪產(chǎn)產(chǎn)生切切線方方向的的滑動動；②滑滑動速速度大大小與與超頂頂距c成正比比；③存存在一一個純純滾動動點，，在該該點兩兩側(cè)的的滑動動方向向相反反。①超頂頂引起起的滑滑動牙輪錐錐頂超超過鉆鉆頭軸軸線，，這種種特點點稱作作超頂。②復(fù)錐引引起的的滑動動復(fù)錐牙牙輪包包括主主錐（（錐頂頂角2Φ）和副副錐（（錐頂頂角2θ），如如主錐錐頂與與鉆頭頭中心心重合合，則則副錐錐頂必必是超超頂?shù)牡?。如前述述，超超頂會會引起起切線線方向向滑動動，所所以復(fù)復(fù)錐同同樣會會產(chǎn)生生切線線方向向的滑滑動。。單錐牙牙輪：：主錐錐+背錐，，硬地地層復(fù)錐牙牙輪：：主錐錐+副錐+背錐，，軟到到中硬硬a—單錐；b、c—復(fù)錐；1—主錐；2—副錐；3—背錐abc牙輪輪①移移軸牙牙輪僅僅產(chǎn)生生軸向向滑動動；②滑滑動量量的大大小和和偏移移值s成正比比。③移軸引引起的的滑動動牙輪軸軸線相相對于于鉆頭頭軸線線平移移一段段距離離，這這種方方式稱稱作移軸。①移軸引引起的軸向滑動剪剪切掉齒圈圈之間的巖巖石；②超頂和和復(fù)錐所引引起的切線線方向滑動動剪切掉同一齒圈相相鄰牙齒之之間的巖石石；③移軸引引起的軸向向滑動使牙牙齒的內(nèi)端面部分分磨損；④超頂和和復(fù)錐引起起的切線方方向滑動使使牙齒側(cè)面磨磨損；⑤對于極極軟到中硬硬地層的鉆鉆頭，兼有有移軸、超超頂和復(fù)錐錐；⑥中硬或或硬地層鉆鉆頭有超頂頂和復(fù)錐；；⑦對于極極硬和研磨磨性很強(qiáng)的的地層的鉆鉆頭是純滾動而無無滑動?；瑒臃治鲅垒嗐@頭結(jié)結(jié)構(gòu)：牙輪鉆頭由由鉆頭體、、牙抓（巴巴掌）及牙牙輪軸、牙牙輪及牙齒齒、軸承、、儲油潤滑滑密封系統(tǒng)統(tǒng)、噴嘴等等部分組成成。(二)、牙輪鉆頭的的結(jié)構(gòu)和類類型鉆頭直徑牙輪軸線偏偏移值牙輪軸線與與鉆頭軸線線夾角牙輪的形狀狀與布置牙輪上牙齒齒的布置１.牙輪鉆頭的的基本參數(shù)數(shù)(二)、牙輪鉆頭的的結(jié)構(gòu)和類類型鉆頭直徑原則：以最最少的尺寸寸系列來滿滿足鉆井工工作需要。。①我國目前前已審訂出出牙輪鉆頭頭的直徑系系列。最小小直徑為97mm（37/8in），最大尺尺寸為445mm（171/2in）。②鉆頭制造造時規(guī)定了了它的直徑徑公差。牙輪軸線偏偏移值①牙輪軸線沿沿鉆頭旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方向平移移一段距離離（或偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一個角度度）②牙輪軸軸線的偏移移值應(yīng)根據(jù)據(jù)巖層的特特性來定。。③用偏移移系數(shù)來表表示；偏移移系數(shù)為偏偏移值s與鉆頭直徑徑之比值。。１.牙輪鉆頭的的基本參數(shù)數(shù)牙輪軸線與與鉆頭軸線線夾角影響牙輪的的空間體積積大小和軸軸承受力狀狀況。①角為5l～59。②軟地層層鉆頭角較較大大，，硬硬地地層層鉆鉆頭１.牙輪輪鉆鉆頭頭的的基基本本參參數(shù)數(shù)牙輪輪的的形形狀狀及及布布置置（a）牙牙輪輪的的幾幾何何形形狀狀及及尺尺寸寸牙輪輪的的幾幾何何形形狀狀尺尺寸寸包包括括主主錐錐角角（（2）、副錐角（（2）、牙輪總高高（H）、牙輪最大大外徑（d）、背錐角（（2）。（b）牙輪上牙齒的布置置①著重考慮牙牙輪及牙齒對對井底的破碎碎效果；②考慮到相鄰鄰牙輪的牙齒齒之間的嚙合合；③牙輪鉆頭對對井壁的切削削和修整作用用。１.牙輪鉆頭的基基本參數(shù)牙輪及牙齒的的布置方式布齒原則：（1）轉(zhuǎn)一周牙齒齒全部破碎井井底，不留下下未被破碎的的凸起；（2）牙輪在重復(fù)復(fù)滾動時應(yīng)使使牙齒不落入入別的牙齒的的破碎坑內(nèi)；；（3）牙齒磨損均均勻。１.牙輪鉆頭的基基本參數(shù)牙輪布置方案案：（1）非自洗無滑滑動布置：各牙輪牙齒齒齒圈不嵌合，，單錐、不超超頂，不移軸軸，用于硬地地層；（2）自洗不移軸軸布置：各牙輪牙齒齒齒圈相互嵌合合，副錐、超超頂，不移軸軸，用于中硬硬地層；（3）自洗移軸布布置：各牙輪牙齒齒齒圈相互嵌合合，副錐、超超頂，移軸，，用于軟地層層；１.牙輪鉆頭的基基本參數(shù)非自洗自洗無移軸自洗移軸１.牙輪鉆頭的基基本參數(shù)齒間相互齒合產(chǎn)生自洗作用對于牙齒的基基本要求是破破巖效率高、、壽命長。要要滿足這兩點點，必須從兩兩方面著手:一是牙齒的幾幾何形狀要合合理；二是齒的材料料要耐磨并有有足夠的強(qiáng)度度。目前牙輪鉆頭頭的牙齒有銑齒（也稱鋼齒））和硬質(zhì)合金金齒（簡稱鑲齒）兩大類。2、牙輪鉆頭的的牙齒銑齒(也稱鋼齒)硬質(zhì)合金齒(簡稱鑲齒)2、牙輪鉆頭的的牙齒①銑齒牙輪輪鉆頭的牙齒齒與牙輪殼體體成一體。②銑齒牙輪輪鉆頭的牙齒齒主要是楔形形。用于地層研磨磨性高的鉆頭頭，為了防止止鉆頭直徑磨磨小，外排齒齒做成π型、T型、或L型，稱為保徑徑齒。

保徑齒齒型L型T型

π型銑齒楔形齒齒：適適用于于高塑塑性的的軟地地層以以及中中硬地地層。。錐形齒齒：以以壓碎碎方式式破碎碎巖石石，它它的強(qiáng)強(qiáng)度高高于楔楔形齒齒。三棱形形齒：：適用用于硬硬、脆脆地層層和軟軟、塑塑性地地層的的交錯錯層。。球形齒齒：以以壓碎碎和沖沖擊的的方式式破碎碎高研研磨性性的堅堅硬地地層。。鑲齒①鑲齒齒的齒齒形歸納為為兩類類：一類端端部為為球面形形的如球球齒、、錐形形齒及及拋射射體形形齒，，這類類齒壓壓入巖巖石時時與球體壓壓入巖巖石相似。。另一類類楔形形齒齒齒鋒是是圓弧形形，在破破碎巖巖石時時相當(dāng)當(dāng)于圓圓柱體體沿母母線壓壓入巖巖石，，巖石破破碎所所需壓壓力與與圓弧弧半徑徑大小小和齒齒鋒長長度（（齒寬寬）關(guān)關(guān)。鑲齒硬質(zhì)合合金齒齒的材材料是是燒結(jié)碳碳化鎢鎢類硬硬質(zhì)合合金，硬質(zhì)質(zhì)合金金既應(yīng)應(yīng)具有有高的硬硬度和和耐磨磨性，又有有較好好的韌性以以抵抗抗鉆進(jìn)進(jìn)中的的沖擊擊載荷荷。所以以一般般多采采用粗粗粒碳碳化鎢鎢硬質(zhì)質(zhì)合金金來制制造牙牙齒。。②硬質(zhì)質(zhì)合金金齒的的材料料鑲齒固齒工工藝又又叫鑲鑲齒工工藝，，目前前多采采用過過盈配配合鑲鑲齒工工藝。。提高固固齒強(qiáng)強(qiáng)度的的關(guān)鍵鍵在于于以下下兩點點：首先牙牙輪基基體材材料要要有一一定的的強(qiáng)度度，齒齒圈表表面要要有適適當(dāng)?shù)牡挠捕榷?，第二，，鑲齒齒過盈盈量要要適當(dāng)當(dāng)。室室內(nèi)研研究及及現(xiàn)場場實驗驗得出出過盈盈量在在0.04～0.07mm范圍內(nèi)內(nèi)較好好。③固固齒工工藝鑲齒①軸軸承結(jié)結(jié)構(gòu)牙輪鉆鉆頭每每個牙牙輪一一般有有三副承承受徑徑向載載荷的的軸承承，外排排是滾柱軸軸承，內(nèi)排排是滑動軸軸承，中間間的是是滾珠軸軸承。目前常常用的的軸承承結(jié)構(gòu)構(gòu)有兩兩種，，一種種是滾滾柱-滾珠-滑動，，另一一種是是滾柱柱-滾珠-滾柱。。3、牙輪輪鉆頭頭的軸軸承②鉆頭頭軸承承的工工作條條件和和磨損損4~5顆大滾滾柱軸軸承承承受60%~70%的鉆壓壓；牙爪軸軸承要要承受受多次次沖擊擊載荷荷的作作用。。這這導(dǎo)致致了軸軸承特特別是是軸頸頸的嚴(yán)嚴(yán)重接接觸疲疲勞剝剝落。。泥漿中中所含含的砂砂粒、、巖屑屑和軸軸承元元件碎碎屑等等固體體硬顆顆粒，，它們們的棱棱角可可在軸軸承元元件的的表面面產(chǎn)生生微切切削和和研磨磨等機(jī)機(jī)械作作用，，又叫叫磨粒磨磨損。3、牙輪輪鉆頭頭的軸軸承噴嘴：：鉆井液液流出出鉆頭頭射向向井底底的流流道。。高壓壓鉆井井液流流經(jīng)噴噴嘴后后產(chǎn)生生高速速流動動的水水射流流，清清除井井底巖巖屑，，輔助助破碎碎巖石石。三牙輪輪鉆頭頭一般般安裝裝3個噴嘴嘴，直徑7~13mm。用卡卡簧固固定在在水眼眼內(nèi)，，并用用o形圈密密封。。4、噴噴嘴國產(chǎn)牙牙輪鉆鉆頭分分類方方法（1）按結(jié)結(jié)構(gòu)分分類：Y，P，MP，MPB，HP，HPB，XMP，XH共8個系列列(三)、牙輪鉆鉆頭類類型（2）按地地層分分類：：JR，R，ZR，Z，ZY，Y，JY1，2，3，4，5，6，7國產(chǎn)三三牙輪輪鉆頭頭類型型及適適應(yīng)地地層(三)、牙輪鉆鉆頭類類型1.根據(jù)地地層性性質(zhì)合合理選選擇鉆鉆頭類類型，，標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)是每每米鉆鉆進(jìn)成成本最最低。。地層較較軟時時：選選用牙牙齒高高度大大并帶帶有超超頂或或移軸軸的鉆鉆頭；；地層較較硬時時：選選用牙牙齒高高度小小，無無超頂頂或移移軸的的鉆頭頭；2.優(yōu)選鉆鉆進(jìn)參參數(shù)：：鉆壓壓、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、、水力力參數(shù)數(shù)等。。(四)、牙輪鉆鉆頭的的正確確使用用本章主主要內(nèi)內(nèi)容一、海海底巖石的的力學(xué)學(xué)性質(zhì)質(zhì)二、海海底巖石的的研磨磨性與與可鉆鉆性三、刮刀鉆鉆頭及及其破破巖原原理四、牙輪鉆鉆頭及及其破破巖原原理五、金剛石石鉆頭頭及其其破巖巖原理理金剛石石鉆頭頭是以以鋒利利、耐耐磨和和能夠夠自銳銳的天天然金金剛石石或人人造金金剛石石為切切削齒齒，在在鉆低低鉆壓壓下即即可獲獲得較較高的的鉆速速和鉆鉆頭進(jìn)進(jìn)尺，，是石石油鉆鉆井中中廣泛泛使用用的一一種高高效鉆鉆頭。。三、金金剛石石鉆頭頭及其其破巖巖原理理類型按來源源分按功用用分按鑲嵌嵌方式式分按鉆井井方式式分天然金金剛石石鉆頭頭人造造金剛剛石鉆鉆頭全面鉆鉆進(jìn)鉆鉆頭表鑲孕鑲轉(zhuǎn)盤鉆鉆井渦輪鉆鉆井取心鉆鉆頭金剛石石鉆頭頭類型型1、金剛剛石鉆鉆頭的的結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼體胎體切削刃刃水眼與與水槽槽(一)、金剛石石鉆頭頭結(jié)構(gòu)雙錐階階梯形形剖面面軟到中中硬地地層雙錐形形剖面面較硬地地層“B”型剖面面硬地層層帶波紋紋的“B”型剖面面堅硬地地層①鋼體鋼體是是金剛剛石鉆鉆頭的的骨架架。上上部螺螺紋連連接鉆鉆具，，下部部與胎胎體燒燒結(jié)。。②胎體體鑲嵌金金剛石石顆粒粒的基基體．．胎體體形狀狀，主主要指指工作作面的的幾何何形狀狀和工工作面面積的的大小小，根根據(jù)巖巖性設(shè)設(shè)計的的。1、金剛剛石鉆鉆頭的的結(jié)構(gòu)構(gòu)金剛石在鉆頭工作面上的排布方式軟到中硬硬地層堅硬地層交錯排列法圓周排列法脊圈排列法切削刃刃表鑲式式孕鑲式式表孕鑲鑲式③切削削刃1、金剛剛石鉆鉆頭的的結(jié)構(gòu)構(gòu)金剛石石鉆頭頭的水水眼與與水槽槽是構(gòu)構(gòu)成鉆鉆頭水水動力力的通通道。。④水眼眼與水水槽1、金剛剛石鉆鉆頭的的結(jié)構(gòu)構(gòu)水眼和和水槽槽的布布置原原則使金剛石石鉆頭在在鉆進(jìn)時時，保證證供給鉆鉆頭工作作面有足足夠的水水力能量量。用于軟到到中硬地地層的金金剛石鉆鉆頭，由由于工作作小，金金剛石顆顆粒粗而而稀，鉆鉆進(jìn)時鉆鉆速快，，巖屑多多而粗，，因此水水槽應(yīng)寬寬而少。。對于硬和和堅硬地地層，鉆鉆頭工作作面大、、金剛石石顆粒細(xì)細(xì)而密，，且出刃刃低，鉆鉆壓大，，水槽應(yīng)應(yīng)多、密密、窄。。1、金剛石石鉆頭的的結(jié)構(gòu)④水眼與與水槽接觸面積吃入深度出露高度金剛石鉆頭基體當(dāng)鉆某些些硬地層層時，鉆鉆頭上的的每粒金金剛石在在鉆壓作作用下壓壓入巖石石使下面的巖巖石處于于極高的的應(yīng)力狀狀態(tài)，呈呈現(xiàn)塑性性，同時時在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)扭矩的的作用下下產(chǎn)生切削削作用，，破碎巖巖石的體體積大體體上等于于金剛石石吃入巖巖石的位位移體積積。2、金剛石鉆鉆頭破巖巖原理①、適用用于硬、、研磨性性地層，，渦輪鉆鉆井，深深井鉆井井，取心心作業(yè)。。②、壽命命長，進(jìn)進(jìn)尺高。。③、鉆鉆頭下井井前，井井底打撈撈干凈，，確保沒沒有金屬屬落物。。④、先先用小鉆鉆壓、低低轉(zhuǎn)速跑跑合，然然后用合合適鉆壓壓和高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)進(jìn)。⑤、采用用低鉆壓壓（30-50kN）、高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、大大排量鉆鉆進(jìn)。3、金剛石石鉆頭的的正確使使用(1)金剛石鉆鉆頭是一一體性鉆鉆頭，可可以使用用高的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低鉆鉆壓（30-70kN)，適合與與高轉(zhuǎn)速速的井下下動力鉆鉆具一起起使用，，適合于定定向鉆井井。(2)金剛石鉆鉆頭耐磨磨且壽命命長，適適合于深井及研研磨性地地層使用。(3)在地溫較高高時，牙輪輪鉆頭的的軸承密密封易失失效，金金剛石鉆鉆頭則不不會出現(xiàn)現(xiàn)此問題題。(4)金剛石鉆鉆頭的鉆鉆壓低于于牙輪鉆鉆頭，因因而在鉆壓受受到限制制(如防斜鉆鉆進(jìn))的情況下下應(yīng)使用用金剛石石鉆頭。。(5)金剛石鉆鉆頭結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計、、制造比比較