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相关打井小知识:三牙轮钻头对岩石的破碎作用： 三牙轮钻头对岩石的破碎作用：一、三牙轮钻头的一般破岩方式钻头在井底运动，除了公转和自转外，还有轴向纵振、横向振动、扭转振动及牙轮的滑动。这几种运动是钻井时同时发生、综合在一起的复合运动。三牙轮钻头就是在上述复合运动所产生的冲击、压碎作用及滑动剪切作用下破碎岩石的。、冲击、压碎作用三牙轮钻头在井底工作时，由钻头纵振产生牙齿对岩石的冲击、压碎作用，是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。钻头旋转时，牙齿以一定速度冲击压入岩石，牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。牙齿与岩石的接触时间t，应大于岩石破碎所需时间t0，才能有效地破碎岩石。根据实测结果，目前现场所用设备的转盘转速范围内，t0一般都小于t，如脆性岩石，t0=（0.3~0.4）×10-3s;塑性岩石，t0≥2.5×10-3s。当牙轮转速n=290r/min时，81/2h517钻头外排齿与岩石的接触时间约为11.4×10-3s。钻进时钻头在井底产生纵振，使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期的弹性变形能传递给牙齿，这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。增加钻头牙齿对地层的冲击力有利于破碎岩石，但也会使钻头的牙齿和轴承受到损坏，使钻柱处于不利的工作条件。2、滑动剪切作用牙轮钻头工作时，由于钻头的结构及地层摩擦阻力，当钻头作公转运动的同时，引起牙轮自转。由于牙轮的自转是一种被动的转动，因而，钻头上与井底接触的某一点的公转线速度大于牙轮上同一点的自转线速度，因而产生滑动。这种滑动和汽车的被动轮打滑的原理是一样的。牙轮在井底的滑动使的井底岩石产生剪切破碎。由于岩石的抗剪切的强度小于抗压强度，因而由牙轮滑动的破岩效率较高。为了提高软至中硬地层的破碎效率，除了要求牙齿对岩石有冲击压碎作用外，还要求有一定的剪切作用。超顶、复锥和移轴，使得钻头上与井底接触的某一点的公转线速度与牙轮上同一点的自转线速度的差值增大，有利于增加剪切破碎作用。所以要增加剪切破碎，应该使牙轮钻头具有超顶、复锥和移轴的结构，使牙轮锥顶不与钻头轴线重合。牙轮锥顶超过中心的距离c叫超顶值如图1-1（a）。牙轮的超顶值越大，钻头的滑动剪切作用也就越大。牙轮超顶引起剪切作用的原因可用速度分析定性说明。图1-1（b）为钻头公转与自转时二者的合成速度分布。o1为纯滚动点，在01两侧的滑动方向是相反的。因此，超顶牙轮产生切线方向滑动。把由牙轮上与井底接触点到井底中心的连线方向称为径向，切向是指与上述径向垂直的方向。超顶值使牙轮产生切向滑动，切向滑动速度大小与超顶值c成正比。复锥牙轮的副锥顶（延伸线）是超顶的，主副锥顶点的距离叫锥顶距。锥顶距越大，主副锥角之差值就越大，牙轮产生的滑动量也就越大。复锥产生滑动是由于复锥牙轮绕轮轴转动时的线速度呈折线分布，其与钻头公转时的合成线速度不为零。同样，在副锥上也有一个纯滚动点。牙轮锥体具有二个，或二个以上复锥时，使得牙轮则会产生切向滑动。牙轮轴线与钻头轴心线在空间形成两条不相交的直线，这两条直线间的最小距离为偏移值。由于钻头具有偏移值s，于是牙轮在滚动过程中同时产生滑动，钻头偏移值越大，滑动剪切作用就越大。牙轮移轴所产生的滑动可以分解为切向滑动和径向滑动。径向滑动可以剪切破碎井底各齿圈之间的岩石，切向滑动则与超顶和复锥牙轮产生的切向滑动一起，可以剪切破碎井底同一齿圈上的破碎坑之间的岩石。牙齿的滑动可以剪切井底岩石，提高破碎效率，但同时也加剧了牙齿的磨损。轴向滑动使牙齿内端面磨损。因此，应根据齿的不同受力情况进行牙齿的表面强化，以提高其耐磨性。二、牙齿对岩石的破碎效率及影响因素钻井时岩石的破碎过程是异常复杂的，因为破碎工具的形状是多种多样的，而施加的又是动载，其大小及方向均随时间而改变。在井底的岩石还受岩石围压、钻井液压等多种力的作用。通过实验室的模拟实验，对钻井过程中岩石破碎的特点进行分析表明：“压入的破碎”在破碎过程中起主要作用。牙轮钻头的牙齿在轴向载荷作用下压入岩石（冲击动载过程），使齿面下的岩石产生体积破碎，形成坑穴；由于牙齿沿井底的滚碾作用，使破碎的坑穴不断扩大，加上水力作用不断剥离和清除岩屑，冲蚀并扩大岩石的破碎体积。对于切削或磨削型的钻头（刮刀钻头或金刚石钻头），既有在钻压作用下对岩石的压入，又有在钻头扭矩的作用下对岩石的切削。所有同时与井底岩石相接触的齿顶面积总和构成了牙轮钻头的承压面积。钻井时岩石破碎的效率决定于牙齿上的比载荷和钻头的转速。如果比载荷太小或转速过高，都有可能形成不了体积破碎。1、钻压对岩石破碎速度的影响岩石的破碎过程大致划分为三个区段，牙齿单位面积上承受的钻压称为比载荷。钻进开始时，比载荷远小于岩石的硬度，比载荷p与机械钻速vm成正比。此时，破碎的过程只具表面的性质，称为“表面破碎区”。随着比载荷的增大，逐渐接近岩石的硬度值，牙齿每次对岩石的冲击，使井底岩石出现微裂纹，促进了破碎。当某处的岩石经过牙齿多次冲击而产生了体积破碎，此时机械钻速vm增加较快。当钻压已达到或超过岩石硬度值时，牙齿每次冲击作用都能使岩石产生体积破碎，称为“体积破碎区”。进一步提高钻压，可以使岩石发生二次体积破碎。这时机械钻速迅速增加，岩石破碎效率最高。因此，在钻进时选用的钻压，应避免造成低效率的表面破碎，而应达到最高效率的体积破碎。一般地说，提高钻压有利于提高机械钻速，但这有个前提，就是要在承载能力范围内。所以，最优的钻压就是，达到牙齿每次冲击作用都能使岩石产生二次体积破碎，又在钻头的承载能力范围内。2、钻头转速对岩石破碎速度的影响实验表明：对于低塑性岩石（如大理岩）和脆性岩石（如花岗岩），在所研究的转速范围内，其机械钻速vm与钻头速度n成直线关系。对于高塑性及多隙岩石（如白垩和多孔石灰岩），在相当低的转速时，其相互关系已偏离直线。其原因在于对塑性高及多孔岩石，其从变形到破碎，需要较长的时间，而牙齿与岩石的接触时间大约是几个毫秒。钻头的转速越高，则牙齿与岩石的接触时间越短。接触时间不足以使岩石达到完全的破碎，这意味着增大钻头转速时，钻头每转一圈所破碎的岩石深度就要减少。岩石的塑性系数越大，需要接触时间越长，因此，不宜采用很高的转速。当钻头类型选定之后，对于具体的特定岩层，存在一个最合理的钻压和转速的配合，以达到最高的破岩效率，而岩石不同的硬度和塑性系数是选择这两个参数的重要依据。三、各类型钻头的主要破岩方式（1）适用于极软至中软地层的钻头（如437、517、116、126型等）兼有移轴、超顶及复锥三种结构要素，主要靠牙齿的压入剪切作用破碎地层。（2）适用于中软至中硬地层的钻头（如537、617、136、216型等），也是兼有移轴、超顶及复锥三种结构要素，但其偏移量及超顶值较小，靠牙齿的冲击、压碎作用及剪切作用同时破碎地层。（3）适用于硬至极硬地层的钻头（如737、837型），其移轴及超顶值极小，甚至为零，多为单锥形牙轮，主要靠牙齿的冲击、压碎作用破碎地层。扬州市水文打井公司是一家专业从事凿深井、岩石井、回灌井、修井、洗井、管井降水、物探找水、地源热泵、（风动）潜孔锤钻孔、埋管、桩基，代销各种全自动无塔恒压变频、深井泵及维修等。欢迎来电洽谈。www.yysqdj.com