【正文】 弧形水口效果最好。Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 三、鋼粒鉆進(jìn)的碎巖機(jī)理 鋼粒鉆進(jìn)破碎孔底巖石主要有以下機(jī)理： 壓碎碎巖 —— 體積破碎 （ 1）尖楔壓入破碎巖石 —— 鉆進(jìn)開始階段 （ 2）球形壓模壓入碎巖 —— 鉆進(jìn)中后期 疲勞破碎 —— 鋼粒鉆進(jìn)的主要碎巖方式 脈動(dòng)沖擊碎巖 —— 鋼粒鉆進(jìn)全過(guò)程 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 壓碎碎巖 （ 1）尖楔 壓 入破碎巖石： 開始 時(shí) ， 鋼 粒呈柱狀 ，當(dāng) 邊 棱與巖石接觸 時(shí) ，接觸面 積 小，壓 力集中，接觸面上的 壓 強(qiáng) 較大， 達(dá)到巖石的 壓 入硬度， 鋼 粒 壓 入巖石，巖石呈體 積 破碎方式破裂。 （ 2）球形壓模壓入碎巖： 當(dāng)鋼粒磨成球形，接觸面積雖有所增加，但鋼粒大小不均，仍存在壓力集中，如果鉆壓足夠大，壓強(qiáng)達(dá)到了巖石壓入硬度，同樣發(fā)生壓入碎巖（類似球模壓入碎巖）。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 壓碎碎巖 壓碎碎巖方式雖屬于體積式碎巖，但在鋼粒鉆進(jìn)中，它所占的 碎巖比率不大 ，因?yàn)檫@種碎巖方式主要是靠接觸面積小而造成大的壓強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于接觸面本身甚小，所以每次碎巖的量也不大。同時(shí)在鉆進(jìn)中 以棱角壓巖石的機(jī)會(huì)也比較少 。還有鋼粒上的這些棱角在發(fā)生壓碎巖石的同時(shí)， 鋼粒本身不斷地被磨損。 至于靠 分布不勻壓力集中以達(dá)到壓碎巖石的情況，產(chǎn)生的機(jī)會(huì)也較少。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 疲勞破碎 疲勞破碎 是由鋼粒的碾壓作用而產(chǎn)生的碎巖方式， 鉆進(jìn)中被成球形或橢球形的鋼粒，以一定的壓力壓于巖石表面，當(dāng)壓力未達(dá)到巖石壓入硬度時(shí)，不會(huì)壓入巖石，但其下部 巖石中存在著兩個(gè)危險(xiǎn)極值帶，壓力邊緣處存在拉伸應(yīng)力， 這種壓應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的作用，加上鉆粒的變形、與巖石的摩擦力，將巖石壓裂和撕裂成一定深度的許多裂紋， 稱之為碾壓作用。 隨著眾多鋼粒的重復(fù)碾壓，裂紋加深加密，使交叉發(fā)育的裂紋以巖屑的形式被剝離下來(lái)離開母體。Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 脈動(dòng)沖擊碎巖 鋼 粒 鉆進(jìn) 中，由于 鋼 粒本身和每個(gè) 鋼 粒存在尺寸不均勻、井底的不平、 鉆 桿柱本身 產(chǎn) 生的彎曲 和 扭 轉(zhuǎn) 振 動(dòng) ，回 轉(zhuǎn)時(shí) ，對(duì)井底巖石 產(chǎn) 生脈 動(dòng) 沖 擊 破碎巖石。由于 鋼 粒 鉆進(jìn) 中， 這 種脈動(dòng)沖 擊 比 較 強(qiáng) 烈。會(huì) 產(chǎn) 生 較 大的體 積 破碎， 同 時(shí) ，也會(huì)促 進(jìn) 碾壓裂隙的 發(fā) 展。 正是 由于碾壓疲勞碎巖和脈動(dòng)沖擊碎巖，所以，鋼粒鉆進(jìn)可以破碎比鋼粒和鉆頭體本身還要硬的巖石。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 牙輪鉆進(jìn)的概念： 牙輪鉆進(jìn)是利用牙輪鉆頭在井底回轉(zhuǎn)，使鉆頭上的牙輪在井底滾動(dòng)，以滾動(dòng)沖擊和壓碎剪切方式破碎巖石的一種鉆進(jìn)方法。 牙輪鉆進(jìn)的應(yīng)用： 牙輪鉆進(jìn)一般是不取心的全面鉆進(jìn)，廣泛應(yīng)用于油氣鉆井和大口徑施工鉆進(jìn)，適用于 Ⅰ ～ Ⅻ 級(jí)的巖石，在 Ⅵ ～ Ⅹ 級(jí)的巖石中效果最好。 牙輪鉆頭的類型： 有銑齒式、鑲齒式；有體式、無(wú)體式；單牙輪、雙牙輪和三牙輪等。生產(chǎn)中以三牙輪鉆頭應(yīng)用最多。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 一、牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu) （一）牙輪鉆頭的組成 牙輪鉆頭由 鉆頭體、牙輪爪 （巴掌） 、牙輪、 軸承、水眼和儲(chǔ) 油密封補(bǔ)償系統(tǒng) 等部分組成。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 （二）牙輪鉆頭的基本參數(shù) 牙輪 帶有牙齒的錐體，用以破碎巖石。外錐面有 1—3 種錐度。單錐牙輪由主錐和背錐組成；復(fù)錐牙輪由主錐、副錐和背錐組成。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 （二）牙輪鉆頭的基本參數(shù) 牙輪軸線偏移（移軸） 為了使牙輪產(chǎn)生滑動(dòng)，常使 牙輪軸線沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平移一段距離（或使牙輪軸相對(duì)于鉆頭徑向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度） 。 牙輪軸線的偏移值，應(yīng)根據(jù)巖層的特性來(lái)定。 低硬度、高塑性的巖層，偏移值較大；高硬度、低塑性的巖層，偏移值較??；研磨性的硬地層和堅(jiān)硬地層，偏移值為零。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 牙輪的布置 （ 1）不超頂布置。 牙輪軸線、主錐母線交于鉆頭中心。牙輪純滾動(dòng)，無(wú)滑動(dòng)。齒圈不嚙合。適用于鉆硬地層。 （ 2）超頂不移軸布置。 軸線交于鉆頭軸線，主錐超頂。牙輪在孔底有滑動(dòng)，齒圈嚙合，可自洗。適用于軟及中硬地層鉆進(jìn)。 （ 3）超頂、移軸。 牙輪軸線偏移，且主錐超頂，牙輪可自洗，且可以使牙輪產(chǎn)生軸向滑動(dòng)。適用于軟及中硬地層鉆進(jìn)。Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 （二）牙輪鉆頭的基本參數(shù) 牙輪鉆頭的牙齒 牙齒可分為銑齒和鑲齒兩大類。 （ 1）銑齒： 由牙輪毛坯經(jīng)過(guò)銑削加工而成。為了提高牙齒的耐磨性，在齒面上敷焊硬合金粉。牙齒的抗沖擊韌性較好，主要用于軟地層、中硬地層。 （ 2）鑲齒： 牙齒由硬質(zhì)合金鑲焊而成。硬度高，主要用于堅(jiān)硬地層，也用于中硬和軟地層。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過(guò)程 牙輪鉆頭的孔底碎巖過(guò)程 主要有以下幾種作用： u 牙輪鉆頭的縱向振動(dòng)及對(duì)地層的沖擊、壓碎作用 l 靜載壓入碎巖 l 沖擊動(dòng)載碎巖u 牙齒對(duì)地層的剪切作用l 超頂引起的滑動(dòng)l 復(fù)錐引起的滑動(dòng)l 移軸引起的滑動(dòng)Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過(guò)程 （一）牙輪的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) 牙 輪 的公 轉(zhuǎn) 鉆頭繞鉆柱軸線順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)牙輪也繞鉆頭軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為 “ 公轉(zhuǎn) ” 。 牙 輪 的自 轉(zhuǎn) 在牙 輪 隨 鉆 柱公 轉(zhuǎn) 的同 時(shí) ，由于與地 層間 的相互作用，牙輪還繞 自身 軸線 作反 時(shí)針 方向旋 轉(zhuǎn) ， 這 種旋 轉(zhuǎn) 稱 為 “ 自 轉(zhuǎn) ” 。 在孔底無(wú)滑動(dòng)的情況下，牙輪自轉(zhuǎn)速度與鉆頭旋轉(zhuǎn)速度之比等于鉆頭直徑與牙輪直徑之比。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過(guò)程 （二）牙輪鉆頭的縱向振動(dòng)及對(duì)地層的沖擊、壓碎作用 牙輪鉆頭鉆進(jìn)是沖擊動(dòng)載與靜載壓入一起形成了鉆頭對(duì)地層的沖擊、壓碎作用。 靜 載壓 入碎巖 鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭上的鉆壓經(jīng)牙齒作用在巖石上，這是靜載尖楔壓頭壓入碎巖的過(guò)程。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 沖擊動(dòng)載碎巖 由于牙輪的滾動(dòng)，牙輪齒與孔底巖石呈單齒、雙齒交替接觸。單齒接觸孔底時(shí)，牙輪中心處于高點(diǎn)；雙齒接觸時(shí)牙輪中心處于低點(diǎn)。牙輪在滾動(dòng)過(guò)程中，牙輪中心的位置不斷上下交替，使鉆頭沿軸向作上下往返運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生鉆頭的縱向振動(dòng)。 實(shí)際鉆進(jìn)中，由于鉆頭在孔底的縱向振動(dòng)，使鉆桿柱不斷壓縮與伸張，加之孔底的不平，在牙輪滾振的基礎(chǔ)上還疊加了振幅較大的低頻振動(dòng)，對(duì)地層產(chǎn)生沖擊作用破碎巖石。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 （三）牙齒對(duì)地層的剪切作用 剪切作用主要是由于牙 輪 在 滾動(dòng) 的同 時(shí)還 伴有牙 齒對(duì) 孔底的滑 動(dòng) 而 產(chǎn) 生的， 產(chǎn) 生滑 動(dòng) 的原因在于牙 輪 的超 頂 、復(fù) 錐 和移軸三種 結(jié) 構(gòu)。 超 頂 引起的滑 動(dòng) 如 圖 ，牙 輪錐頂 超 過(guò)鉆頭軸 心的 結(jié)構(gòu)稱 為 超 頂 ，超 過(guò) 的距離 ob為 超 頂 距 c。 設(shè)工作時(shí)牙輪上每一點(diǎn)的公轉(zhuǎn)為 ω b，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 ω c。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 超 頂 引起的滑 動(dòng) （ 1）在牙輪與地層接觸母線上任一點(diǎn) x，由 ω b引起的的速度 Vbx是呈直線分布的，在 oa段方向向前，在 ob段向后，在鉆頭中心 o處速度 vbO=0。 （ 2）由 ω c引起的速度 vcx也是呈直線分布的，方向向后， 在 b點(diǎn) vcb=0。 （ 3） 速度合成后，在 ob段形成一個(gè)向后的滑動(dòng)速度 vsx， 此時(shí)牙輪受到一滑動(dòng)阻力 Ps（ 與滑動(dòng)方向相反），因而有滑動(dòng)阻力矩 Ms（ ） =PsR。使牙輪的角速度 ω c降低。Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 超 頂 引起的滑 動(dòng) （ 4）由于牙輪角速度降低，在 oa段由 vbx和降低的 vcx合成一個(gè)滑動(dòng)速度 vsx（ 靠近 o的一端向后，靠近 a的一端向前）。同時(shí)，在靠近 o的部分產(chǎn)生一個(gè)與 Ms（ ） 方向相同的滑動(dòng)阻力矩 M′ s（ ），在靠近 a的部分產(chǎn)生一個(gè)與 Ms（ ） 方向相反的滑動(dòng)阻力矩 Ms（ +）。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 超 頂 引起的滑 動(dòng) （ 5） Ms（ ）、 M′ s（ ）及 Ms（ +） 達(dá)到平衡，使 Σ Ms=0。 于是牙 輪 的角速度便 穩(wěn) 定在一個(gè)新數(shù)值 下，不再減慢。 （ 6） vsx= vbx+vcx即牙輪相對(duì)于巖石的滑動(dòng)速度，呈直線分布，它與 ab 線交于 M點(diǎn)， vsM=0為純滾動(dòng)點(diǎn)， bM 段向后滑動(dòng)， aM 段向前滑動(dòng)?；瑒?dòng)速度隨超頂距 c的增大而增大。Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 復(fù)錐引起的滑動(dòng) 復(fù)錐牙輪包括主錐和副錐（圖 432），主錐頂與鉆頭中心重合，而副錐錐頂?shù)难由炀€是超頂?shù)摹?復(fù)錐牙輪之所以產(chǎn)生滑動(dòng)，主要是牙輪線速度不再作直線分布，而是作折線分布。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過(guò)程 移軸引起的滑動(dòng) 鉆頭 水平投影面上，牙 輪軸線 相 對(duì) 于 鉆頭 徑向平移一段距離， 這 種 結(jié) 構(gòu)稱 為 牙 輪 的移 軸 。牙 輪 移 軸 后 產(chǎn) 生的滑 動(dòng) 是 軸 向滑 動(dòng) 。 綜 上所述，超 頂 和復(fù) 錐 引起的切 線 方向滑 動(dòng) ，可以剪切掉同一 齒 圈相 鄰 牙 齒 破碎坑之 間 的巖脊；移 軸產(chǎn) 生的 軸 向滑 動(dòng) ，可以剪切掉 齒 圈之 間 的巖脊。 牙齒的滑動(dòng)雖然可以提高破巖效率，但也造成牙齒的劇烈磨損。軟 中硬地層的鉆頭一般兼有移軸、超頂和復(fù)錐；部分中硬或硬地層的鉆頭有超頂和復(fù)錐；用于堅(jiān)硬和強(qiáng)研磨性地層的牙輪鉆頭是純滾動(dòng)的（單錐，不超頂，也不移軸）。 Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第七節(jié) 全面鉆頭 本章內(nèi)容自習(xí)： 全面鉆進(jìn)的基本概念翼片式全面鉆頭 的基本結(jié)構(gòu) 單腰鉆頭和雙腰鉆頭 的基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 螺旋鉆進(jìn)與螺旋鉆頭 的結(jié)構(gòu)金剛石全面鉆頭工作剖面形式與水力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Date 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室工程鉆探與取樣技術(shù)工程鉆探與取樣技術(shù) 第七節(jié) 全面鉆頭 u 全面鉆進(jìn)與全面鉆頭： 鉆進(jìn)中不采取巖心，對(duì)孔底巖石進(jìn)行全面破碎的鉆進(jìn)方法稱之為全面鉆進(jìn)，全面鉆進(jìn)所使用的鉆頭稱為全面鉆頭。u 全面鉆頭的應(yīng)用：