三牙輪鉆頭工作原理詳解

三牙輪鉆頭工作原理   
第一節(jié)  三牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng) 
在石油鉆井中，牙輪鉆頭能適應(yīng)各種地層的鉆井，是主要的破巖工具之一。牙輪鉆頭在井底工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。國內(nèi)外對牙輪鉆頭的工作原理，無論在理論研究或?qū)嶒?yàn)研究方面都作了大量的工作，這些研究成果為鉆頭的設(shè)計(jì)使用提供了依據(jù)。  三牙輪鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)，決定牙輪與牙齒的運(yùn)動(dòng)，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之前，首先應(yīng)了解鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)。 
一、鉆頭的公轉(zhuǎn)  鉆頭牙輪繞鉆頭軸線作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)簡稱為鉆頭的公轉(zhuǎn)。鉆頭公轉(zhuǎn)的速度就是轉(zhuǎn)盤或井下動(dòng)力鉆具的旋轉(zhuǎn)速度。鉆頭公轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)，牙輪上各排牙齒繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的線速度不同，外排齒的線速度最大。 
二、鉆頭的自轉(zhuǎn)  鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，沿著從牙輪底平面到牙輪尖部的方向看，牙輪繞自身的軸線作反時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。牙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是巖石對牙齒的吃入破碎作用產(chǎn)生反作用的結(jié)果。牙輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的影響因素有公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、鉆頭結(jié)構(gòu)、齒面結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)和巖石性質(zhì)等。一般情況下，牙輪自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速比鉆頭公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速快。把牙輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與鉆頭公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比稱為輪頭比，輪頭比的值一般在1--1.5之間。 
三、鉆頭的縱振（軸向振動(dòng)）  鉆頭工作時(shí)，對一個(gè)牙輪而言，牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交替進(jìn)行的。單齒著地時(shí)，牙輪的輪心處于最高位置，雙齒著地時(shí)則輪心下降。牙輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，輪心位置不斷上下變換，使鉆頭沿軸向作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這就是鉆頭的軸向振動(dòng)。縱振振幅就是輪心的垂直位移，它與牙齒的齒高、齒距等鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)及巖性有關(guān)。在軟地層，牙齒吃入深、振幅小，硬地層則振動(dòng)加劇。振動(dòng)的頻率與牙輪齒數(shù)及牙輪轉(zhuǎn)速成正比。在旋轉(zhuǎn)鉆井中，鉆頭縱振頻率一般為100～500次/min。  此外，由于井底不平，鉆頭產(chǎn)生振幅較大的低頻振動(dòng)。據(jù)國外資料介紹，低頻振動(dòng)的振幅就是井底凹凸部分的高差，一般為10mm左右，頻率低于50次/min。低頻縱振對鉆頭是不利的因素，在硬地層中會(huì)造成跳鉆。牙輪鉆頭的縱振是上述兩種振動(dòng)之和，它構(gòu)成了牙齒的沖擊壓入作用，破碎巖石，提高破碎效率。 
四、橫向振動(dòng)  所謂橫向振動(dòng)，就是沿著垂直于鉆頭軸線方向的振動(dòng)。造成鉆頭橫向振動(dòng)的因素很多，包括鉆頭與巖石互作用、鉆柱的彎曲變形，鉆柱的偏心旋轉(zhuǎn)，鉆柱質(zhì)量分布不均勻、地層傾角以及井底巖石性質(zhì)差異等等。鉆頭的橫向振動(dòng)對鉆柱的橫向振動(dòng)有直接的影響，也是造成鉆頭失效的重要原因。 
五、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)  鉆頭的周期性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致扭矩成周期性變化，引起鉆頭周期性的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主要由鉆頭的粘滑運(yùn)動(dòng)造成的，即鉆頭旋轉(zhuǎn)速度變化很大，在某一瞬時(shí)鉆頭可能靜止不動(dòng)，過一段時(shí)間后便以數(shù)倍于平均轉(zhuǎn)速的速度旋轉(zhuǎn)，這樣就會(huì)引起鉆頭的失效，也可能引起鉆柱的早期疲勞破壞。因此應(yīng)盡量避免鉆頭出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 
六、牙輪的滑動(dòng)  破碎不同類型巖石，對鉆頭要求不同的滑動(dòng)量，可通過設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)采用不同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)獲得。對于一個(gè)牙輪而言，不同位置的齒排的滑動(dòng)方向是不同的。外排齒及靠近外排齒的齒排，一般是正向滑動(dòng)（假設(shè)鉆頭旋轉(zhuǎn)，而牙輪不自轉(zhuǎn)時(shí)，牙齒在井底的滑動(dòng)就是正向滑動(dòng)）；牙輪尖部的齒排及靠近牙輪尖部的齒排一般是負(fù)向滑動(dòng)；而在外排齒與尖部齒排之間的某個(gè)中間齒排或虛擬齒排做純滾動(dòng)。一般情況下，軟地層鉆頭應(yīng)具有較大的滑動(dòng)量，硬地層鉆頭應(yīng)盡量減少或不產(chǎn)生滑動(dòng)，避免牙齒早期損壞。但是，由于鉆頭工作時(shí)，牙輪與牙掌軸頸的相對運(yùn)動(dòng)總是存在摩擦阻力等原因，即使設(shè)計(jì)的是純滾動(dòng)鉆頭，實(shí)際鉆進(jìn)中仍然存在著滑動(dòng)。對純滾動(dòng)鉆頭作室內(nèi)模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)約有20%的滑動(dòng)量。  上述幾種運(yùn)動(dòng)是牙輪鉆頭在井下工作時(shí)同時(shí)發(fā)生的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，還有整個(gè)鉆頭的向下運(yùn)動(dòng)，其向下運(yùn)動(dòng)的速度就是鉆頭鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速。 
第二節(jié)  鉆頭工作時(shí)的受力分析 
前面已經(jīng)分析了，鉆頭鉆進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在每次縱向振動(dòng)中，鉆頭上行壓縮下部鉆柱；鉆頭下行則鉆柱恢復(fù)原長。其位能轉(zhuǎn)化為鉆頭的動(dòng)載荷。鉆頭工作時(shí)，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷（加在鉆頭上的鉆壓）及動(dòng)載荷（鉆頭與下部鉆柱速度下降而產(chǎn)生的動(dòng)載）。也就是說牙齒沖擊破碎巖石時(shí)，鉆頭受到巖石的反作用也等于靜載荷與動(dòng)載荷之和。而橫向振動(dòng)則可能引起鉆頭與井壁的碰撞，使鉆頭受到井壁很大的撞擊力。
鉆頭在井下工作時(shí)，除了受到縱向靜載荷和動(dòng)載荷及橫向載荷外，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，于是還受扭矩作用。當(dāng)鉆壓較大，牙齒吃入巖石較深，尤其是牙齒在井底滑動(dòng)較大時(shí)，鉆頭承受的扭矩更大。而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)引起鉆頭的扭矩的進(jìn)一步增加。此外，還有牙輪背錐面及牙掌背部與井壁摩擦而產(chǎn)生摩擦力矩以及受鉆頭噴嘴噴出高壓噴射液流的反力作用等。受力情況十分復(fù)雜，目前仍未能進(jìn)行精確的計(jì)算。  近幾年美國和俄羅斯等國家都在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了鉆頭受力的試驗(yàn)研究工作。國內(nèi)西南石油學(xué)院鉆頭研究所等部門也都進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，對牙齒及軸承的受力狀況進(jìn)行了測定，并取得了有價(jià)值的試驗(yàn)成果。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆頭三個(gè)牙輪承受的載荷不相等，而且差別很大，受力大的牙輪先期失效。因此，設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)，應(yīng)盡量使三個(gè)牙輪的切削結(jié)構(gòu)合理布局，使三個(gè)牙輪的載荷分配趨于平衡。嚴(yán)格控制三個(gè)牙輪的高低差及輪背與鉆頭連接螺紋的同軸度誤差。這樣可使鉆頭工作平穩(wěn)，延長牙輪及軸承的使用壽命。試驗(yàn)還測定出，鉆頭小軸頸載荷約為大軸頸的20~30%。因此，目前鉆頭設(shè)計(jì)已由原來的一道止推（小軸端面）承載改為二道止推（大軸臺(tái)肩面）承載，這樣就減少了大軸頸的徑向載荷而延長了軸承壽命。  井下實(shí)測鉆頭承載情況表明：鉆頭在井下工作時(shí)受力情況變化很大。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓的變化通常是在平均鉆壓的25~50%范圍內(nèi)，有時(shí)最大鉆壓達(dá)到平均鉆壓的3.5倍。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭縱向振幅一般不大于1.6mm。但鉆頭工作不平穩(wěn)時(shí)，振幅可增大至25mm。振動(dòng)大時(shí)，鉆頭會(huì)短時(shí)離開井底，出現(xiàn)跳鉆現(xiàn)象。因此，在下部鉆具中安裝減震器，減少不正常的鉆壓和扭矩的峰值，將有利于增加鉆頭的壽命。 
第三節(jié)  鉆頭對巖石的破碎作用 
一、三牙輪鉆頭的一般破巖方式  鉆頭在井底運(yùn)動(dòng)，除了公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)外，還有軸向縱振、橫向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及牙輪的滑動(dòng)。這幾種運(yùn)動(dòng)是鉆井時(shí)同時(shí)發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。三牙輪鉆頭就是在上述復(fù)合運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊、壓碎作用及滑動(dòng)剪切作用下破碎巖石的。 沖擊、壓碎作用  三牙輪鉆頭在井底工作時(shí)，由鉆頭縱振產(chǎn)生牙齒對巖石的沖擊、壓碎作用，是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式。鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙齒以一定速度沖擊壓入巖石，牙齒壓入巖石需要足夠的比壓與接觸時(shí)間。牙齒與巖石的接觸時(shí)間T，應(yīng)大于巖石破碎所需時(shí)間T0，才能有效地破碎巖石。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，目前現(xiàn)場所用設(shè)備的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，T0一般都小于T，如脆性巖石，T0=（0.3~0.4）×10-3s;塑性巖石，T0≥2.5×10-3 s。當(dāng)牙輪轉(zhuǎn)速n=290r/min時(shí)，8 1/2 H517鉆頭外排齒與巖石的接觸時(shí)間約為11.4×10-3 s。  鉆進(jìn)時(shí)鉆頭在井底產(chǎn)生縱振，使鉆柱不斷壓縮與伸張，下部鉆柱把這種周期的彈性變形能傳遞給牙齒，這就是鉆頭破碎巖石時(shí)牙齒沖擊壓力的來源。增加鉆頭牙齒對地層的沖擊力有利于破碎巖石，但也會(huì)使鉆頭的牙齒和軸承受到損壞，使鉆柱處于不利的工作條件。 
2、滑動(dòng)剪切作用  牙輪鉆頭工作時(shí)，由于鉆頭的結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力，當(dāng)鉆頭作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，引起牙輪自轉(zhuǎn)。由于牙輪的自轉(zhuǎn)是一種被動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因而，鉆頭上與井底接觸的某一點(diǎn)的公轉(zhuǎn)線速度大于牙輪上同一點(diǎn)的自轉(zhuǎn)線速度，因而產(chǎn)生滑動(dòng)。這種滑動(dòng)和汽車的被動(dòng)輪打滑的原理是一樣的。  牙輪在井底的滑動(dòng)使的井底巖石產(chǎn)生剪切破碎。由于巖石的抗剪切的強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度，因而由牙輪滑動(dòng)的破巖效率較高。為了提高軟至中硬地層的破碎效率，除了要求牙齒對巖石有沖擊壓碎作用外，還要求有一定的剪切作用。超頂、復(fù)錐和移軸，使得鉆頭上與井底接觸的某一點(diǎn)的公轉(zhuǎn)線速度與牙輪上同一點(diǎn)的自轉(zhuǎn)線速度的差值增大，有利于增加剪切破碎作用。所以要增加剪切破碎，應(yīng)該使牙輪鉆頭具有超頂、復(fù)錐和移軸的結(jié)構(gòu)，使牙輪錐頂不與鉆頭軸線重合。  牙輪錐頂超過中心的距離C叫超頂值如圖1-1（a）。牙輪的超頂值越大，鉆頭的滑動(dòng)剪切作用也就越大。牙輪超頂引起剪切作用的原因可用速度分析定性說明。

圖1-1（b）為鉆頭公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)時(shí)二者的合成速度分布。
O1為純滾動(dòng)點(diǎn)，在01兩側(cè)的滑動(dòng)方向是相反的。因此，超頂牙輪產(chǎn)生切線方向滑動(dòng)。把由牙輪上與井底接觸點(diǎn)到井底中心的連線方向稱為徑向，切向是指與上述徑向垂直的方向。超頂值使牙輪產(chǎn)生切向滑動(dòng)，切向滑動(dòng)速度大小與超頂值C成正比。  復(fù)錐牙輪的副錐頂（延伸線）是超頂?shù)模鞲卞F頂點(diǎn)的距離叫錐頂距。錐頂距越大，主副錐角之差值就越大，牙輪產(chǎn)生的滑動(dòng)量也就越大。復(fù)錐產(chǎn)生滑動(dòng)是由于復(fù)錐牙輪繞輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的線速度呈折線分布，其與鉆頭公轉(zhuǎn)時(shí)的合成線速度不為零。同樣，在副錐上也有一個(gè)純滾動(dòng)點(diǎn)。牙輪錐體具有二個(gè)圖1-1 超頂牙輪速度分析    或二個(gè)以上復(fù)錐時(shí)，使得牙輪則會(huì)產(chǎn)生切向滑動(dòng)。  牙輪軸線與鉆頭軸心線在空間形成兩條不相交的直線，這兩條直線間的最小距離為偏移值。由于鉆頭具有偏移值s，于是牙輪在滾動(dòng)過程中同時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)，鉆頭偏移值越大，滑動(dòng)剪切作用就越大。  牙輪移軸所產(chǎn)生的滑動(dòng)可以分解為切向滑動(dòng)和徑向滑動(dòng)。徑向滑動(dòng)可以剪切破碎井底各齒圈之間的巖石，切向滑動(dòng)則與超頂和復(fù)錐牙輪產(chǎn)生的切向滑動(dòng)一起，可以剪切破碎井底同一齒圈上的破碎坑之間的巖石。  牙齒的滑動(dòng)可以剪切井底巖石，提高破碎效率，但同時(shí)也加劇了牙齒的磨損。軸向滑動(dòng)使牙齒內(nèi)端面磨損。因此，應(yīng)根據(jù)齒的不同受力情況進(jìn)行牙齒的表面強(qiáng)化，以提高其耐磨性。
二、牙齒對巖石的破碎效率及影響因素  鉆井時(shí)巖石的破碎過程是異常復(fù)雜的，因?yàn)槠扑楣ぞ叩男螤钍嵌喾N多樣的，而施加的又是動(dòng)載，其大小及方向均隨時(shí)間而改變。在井底的巖石還受巖石圍壓、鉆井液壓等多種力的作用。通過實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)，對鉆井過程中巖石破碎的特點(diǎn)進(jìn)行分析表明：“壓入的破碎”在破碎過程中起主要作用。牙輪鉆頭的牙齒在軸向載荷作用下壓入巖石（沖擊動(dòng)載過程），使齒面下的巖石產(chǎn)生體積破碎，形成坑穴；由于牙齒沿井底的滾碾作用，使破碎的坑穴不斷擴(kuò)大，加上水力作用不斷剝離和清除巖屑，沖蝕并擴(kuò)大巖石的破碎體積。對于切削或磨削型的鉆頭（刮刀鉆頭或金剛石鉆頭），既有在鉆壓作用下對巖石的壓入，又有在鉆頭扭矩的作用下對巖石的切削。  所有同時(shí)與井底巖石相接觸的齒頂面積總和構(gòu)成了牙輪鉆頭的承壓面積。鉆井時(shí)巖石破碎的效率決定于牙齒上的比載荷和鉆頭的轉(zhuǎn)速。如果比載荷太小或轉(zhuǎn)速過高，都有可能形成不了體積破碎。 
1、鉆壓對巖石破碎速度的影響  巖石的破碎過程大致劃分為三個(gè)區(qū)段，牙齒單位面積上承受的鉆壓稱為比載荷。鉆進(jìn)開始時(shí)，比載荷遠(yuǎn)小于巖石的硬度，比載荷P與機(jī)械鉆速Vm成正比。此時(shí)，破碎的過程只具表面的性質(zhì)，稱為“表面破碎區(qū)”。  隨著比載荷的增大，逐漸接近巖石的硬度值，牙齒每次對巖石的沖擊，使井底巖石出現(xiàn)微裂紋，促進(jìn)了破碎。當(dāng)某處的巖石經(jīng)過牙齒多次沖擊而產(chǎn)生了體積破碎，此時(shí)機(jī)械鉆速Vm增加較快。  當(dāng)鉆壓已達(dá)到或超過巖石硬度值時(shí)，牙齒每次沖擊作用都能使巖石產(chǎn)生體積破碎，稱為“體積破碎區(qū)”。進(jìn)一步提高鉆壓，可以使巖石發(fā)生二次體積破碎。這時(shí)機(jī)械鉆速迅速增加，巖石破碎效率最高。因此，在鉆進(jìn)時(shí)選用的鉆壓，應(yīng)避免造成低效率的表面破碎，而應(yīng)達(dá)到最高效率的體積破碎。  一般地說，提高鉆壓有利于提高機(jī)械鉆速，但這有個(gè)前提，就是要在承載能力范圍內(nèi)。  所以，最優(yōu)的鉆壓就是，達(dá)到牙齒每次沖擊作用都能使巖石產(chǎn)生二次體積破碎，又在鉆頭的承載能力范圍內(nèi)。 
2、鉆頭轉(zhuǎn)速對巖石破碎速度的影響  實(shí)驗(yàn)表明：對于低塑性巖石（如大理巖）和脆性巖石（如花崗巖），在所研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其機(jī)械鉆速Vm與鉆頭速度n成直線關(guān)系。對于高塑性及多
孔隙巖石（如白堊和多孔石灰?guī)r），在相當(dāng)?shù)偷霓D(zhuǎn)速時(shí)，其相互關(guān)系已偏離直線。其原因在于對塑性高及多孔巖石，其從變形到破碎，需要較長的時(shí)間，而牙齒與巖石的接觸時(shí)間大約是幾個(gè)毫秒。鉆頭的轉(zhuǎn)速越高，則牙齒與巖石的接觸時(shí)間越短。接觸時(shí)間不足以使巖石達(dá)到完全的破碎，這意味著增大鉆頭轉(zhuǎn)速時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈所破碎的巖石深度就要減少。巖石的塑性系數(shù)越大，需要接觸時(shí)間越長，因此，不宜采用很高的轉(zhuǎn)速。當(dāng)鉆頭類型選定之后，對于具體的特定巖層，存在一個(gè)最合理的鉆壓和轉(zhuǎn)速的配合，以達(dá)到最高的破巖效率，而巖石不同的硬度和塑性系數(shù)是選擇這兩個(gè)參數(shù)的重要依據(jù)。 
三、各類型鉆頭的主要破巖方式 
（1）適用于極軟至中軟地層的鉆頭（如437、517、116、126型等）兼有移軸、超頂及復(fù)錐三種結(jié)構(gòu)要素，主要靠牙齒的壓入剪切作用破碎地層。 
（2）適用于中軟至中硬地層的鉆頭（如537、617、136、216型等），也是兼有移軸、超頂及復(fù)錐三種結(jié)構(gòu)要素，但其偏移量及超頂值較小，靠牙齒的沖擊、壓碎作用及剪切作用同時(shí)破碎地層。 
（3）適用于硬至極硬地層的鉆頭（如737、837型），其移軸及超頂值極小，甚至為零，多為單錐形牙輪，主要靠牙齒的沖擊、壓碎作用破碎地層。