【正文】 弧形水口效果最好。Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 三、鋼粒鉆進的碎巖機理 鋼粒鉆進破碎孔底巖石主要有以下機理： 壓碎碎巖 —— 體積破碎 （ 1）尖楔壓入破碎巖石 —— 鉆進開始階段 （ 2）球形壓模壓入碎巖 —— 鉆進中后期 疲勞破碎 —— 鋼粒鉆進的主要碎巖方式 脈動沖擊碎巖 —— 鋼粒鉆進全過程 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 壓碎碎巖 （ 1）尖楔 壓 入破碎巖石： 開始 時 ， 鋼 粒呈柱狀 ，當 邊 棱與巖石接觸 時 ，接觸面 積 小，壓 力集中，接觸面上的 壓 強 較大， 達到巖石的 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，壓強達到了巖石壓入硬度，同樣發(fā)生壓入碎巖（類似球模壓入碎巖）。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 壓碎碎巖 壓碎碎巖方式雖屬于體積式碎巖，但在鋼粒鉆進中，它所占的 碎巖比率不大 ，因為這種碎巖方式主要是靠接觸面積小而造成大的壓強來實現(xiàn)的。由于接觸面本身甚小，所以每次碎巖的量也不大。同時在鉆進中 以棱角壓巖石的機會也比較少 。還有鋼粒上的這些棱角在發(fā)生壓碎巖石的同時， 鋼粒本身不斷地被磨損。 至于靠 分布不勻壓力集中以達到壓碎巖石的情況，產生的機會也較少。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 疲勞破碎 疲勞破碎 是由鋼粒的碾壓作用而產生的碎巖方式， 鉆進中被成球形或橢球形的鋼粒，以一定的壓力壓于巖石表面，當壓力未達到巖石壓入硬度時，不會壓入巖石，但其下部 巖石中存在著兩個危險極值帶，壓力邊緣處存在拉伸應力， 這種壓應力和拉伸應力的作用，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離開母體。Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 脈動沖擊碎巖 鋼 粒 鉆進 中，由于 鋼 粒本身和每個 鋼 粒存在尺寸不均勻、井底的不平、 鉆 桿柱本身 產 生的彎曲 和 扭 轉 振 動 ，回 轉時 ，對井底巖石 產 生脈 動 沖 擊 破碎巖石。由于 鋼 粒 鉆進 中， 這 種脈動沖 擊 比 較 強 烈。會 產 生 較 大的體 積 破碎， 同 時 ，也會促 進 碾壓裂隙的 發(fā) 展。 正是 由于碾壓疲勞碎巖和脈動沖擊碎巖，所以，鋼粒鉆進可以破碎比鋼粒和鉆頭體本身還要硬的巖石。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 牙輪鉆進的概念： 牙輪鉆進是利用牙輪鉆頭在井底回轉，使鉆頭上的牙輪在井底滾動，以滾動沖擊和壓碎剪切方式破碎巖石的一種鉆進方法。 牙輪鉆進的應用： 牙輪鉆進一般是不取心的全面鉆進，廣泛應用于油氣鉆井和大口徑施工鉆進，適用于 Ⅰ ～ Ⅻ 級的巖石，在 Ⅵ ～ Ⅹ 級的巖石中效果最好。 牙輪鉆頭的類型： 有銑齒式、鑲齒式；有體式、無體式；單牙輪、雙牙輪和三牙輪等。生產中以三牙輪鉆頭應用最多。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 一、牙輪鉆頭的結構 （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 油密封補償系統(tǒng) 等部分組成。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （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；復錐牙輪由主錐、副錐和背錐組成。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （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） 。 牙輪軸線的偏移值，應根據(jù)巖層的特性來定。 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硬地層，偏移值為零。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 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，無滑動。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，齒圈嚙合，可自洗。適用于軟及中硬地層鉆進。 （ 3）超頂、移軸。 牙輪軸線偏移，且主錐超頂，牙輪可自洗，且可以使牙輪產生軸向滑動。適用于軟及中硬地層鉆進。Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （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： 牙齒由硬質合金鑲焊而成。硬度高，主要用于堅硬地層，也用于中硬和軟地層。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 主要有以下幾種作用： u 牙輪鉆頭的縱向振動及對地層的沖擊、壓碎作用 l 靜載壓入碎巖 l 沖擊動載碎巖u 牙齒對地層的剪切作用l 超頂引起的滑動l 復錐引起的滑動l 移軸引起的滑動Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 （一）牙輪的自轉與公轉 牙 輪 的公 轉 鉆頭繞鉆柱軸線順時針方向旋轉時，帶動牙輪也繞鉆頭軸線作旋轉運動，這種運動稱為 “ 公轉 ” 。 牙 輪 的自 轉 在牙 輪 隨 鉆 柱公 轉 的同 時 ，由于與地 層間 的相互作用，牙輪還繞 自身 軸線 作反 時針 方向旋 轉 ， 這 種旋 轉 稱 為 “ 自 轉 ” 。 在孔底無滑動的情況下，牙輪自轉速度與鉆頭旋轉速度之比等于鉆頭直徑與牙輪直徑之比。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 二、牙輪鉆頭的孔底碎巖過程 （二）牙輪鉆頭的縱向振動及對地層的沖擊、壓碎作用 牙輪鉆頭鉆進是沖擊動載與靜載壓入一起形成了鉆頭對地層的沖擊、壓碎作用。 靜 載壓 入碎巖 鉆進時，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程。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 沖擊動載碎巖 由于牙輪的滾動，牙輪齒與孔底巖石呈單齒、雙齒交替接觸。單齒接觸孔底時，牙輪中心處于高點；雙齒接觸時牙輪中心處于低點。牙輪在滾動過程中，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動，產生鉆頭的縱向振動。 實際鉆進中，由于鉆頭在孔底的縱向振動，使鉆桿柱不斷壓縮與伸張，加之孔底的不平，在牙輪滾振的基礎上還疊加了振幅較大的低頻振動，對地層產生沖擊作用破碎巖石。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （三）牙齒對地層的剪切作用 剪切作用主要是由于牙 輪 在 滾動 的同 時還 伴有牙 齒對 孔底的滑 動 而 產 生的， 產 生滑 動 的原因在于牙 輪 的超 頂 、復 錐 和移軸三種 結 構。 超 頂 引起的滑 動 如 圖 ，牙 輪錐頂 超 過鉆頭軸 心的 結構稱 為 超 頂 ，超 過 的距離 ob為 超 頂 距 c。 設工作時牙輪上每一點的公轉為 ω b，自轉轉速為 ω c。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 超 頂 引起的滑 動 （ 1）在牙輪與地層接觸母線上任一點 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 vcb=0。 （ 3） 速度合成后，在 ob段形成一個向后的滑動速度 vsx， 此時牙輪受到一滑動阻力 Ps（ 與滑動方向相反），因而有滑動阻力矩 Ms（ ） =PsR。使牙輪的角速度 ω c降低。Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 超 頂 引起的滑 動 （ 4）由于牙輪角速度降低，在 oa段由 vbx和降低的 vcx合成一個滑動速度 vsx（ 靠近 o的一端向后，靠近 a的一端向前）。同時，在靠近 o的部分產生一個與 Ms（ ） 方向相同的滑動阻力矩 M′ s（ ），在靠近 a的部分產生一個與 Ms（ ） 方向相反的滑動阻力矩 Ms（ +）。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 超 頂 引起的滑 動 （ 5） Ms（ ）、 M′ s（ ）及 Ms（ +） 達到平衡，使 Σ Ms=0。 于是牙 輪 的角速度便 穩(wěn) 定在一個新數(shù)值 下，不再減慢。 （ 6） vsx= vbx+vcx即牙輪相對于巖石的滑動速度，呈直線分布，它與 ab 線交于 M點， vsM=0為純滾動點， bM 段向后滑動， aM 段向前滑動。滑動速度隨超頂距 c的增大而增大。Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 復錐引起的滑動 復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?復錐牙輪之所以產生滑動，主要是牙輪線速度不再作直線分布，而是作折線分布。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 移軸引起的滑動 鉆頭 水平投影面上，牙 輪軸線 相 對 于 鉆頭 徑向平移一段距離， 這 種 結 構稱 為 牙 輪 的移 軸 。牙 輪 移 軸 后 產 生的滑 動 是 軸 向滑 動 。 綜 上所述，超 頂 和復 錐 引起的切 線 方向滑 動 ，可以剪切掉同一 齒 圈相 鄰 牙 齒 破碎坑之 間 的巖脊；移 軸產 生的 軸 向滑 動 ，可以剪切掉 齒 圈之 間 的巖脊。 牙齒的滑動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、超頂和復錐；部分中硬或硬地層的鉆頭有超頂和復錐；用于堅硬和強研磨性地層的牙輪鉆頭是純滾動的（單錐，不超頂，也不移軸）。 Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第七節(jié) 全面鉆頭 本章內容自習： 全面鉆進的基本概念翼片式全面鉆頭 的基本結構 單腰鉆頭和雙腰鉆頭 的基本結構與特點 螺旋鉆進與螺旋鉆頭 的結構金剛石全面鉆頭工作剖面形式與水力結構特點Date 中國地質大學勘查教研室工程鉆探與取樣技術工程鉆探與取樣技術 第七節(jié) 全面鉆頭 u 全面鉆進與全面鉆頭： 鉆進中不采取巖心，對孔底巖石進行全面破碎的鉆進方法稱之為全面鉆進，全面鉆進所使用的鉆頭稱為全面鉆頭。u 全面鉆頭的應用：