【正文】 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(chǎn)中以三牙輪鉆頭應用最多 。 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 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（ 圖 111） 。 牙輪鉆頭 銑齒與鑲齒 牙輪鉆頭的軸承及其潤滑 噴嘴與牙輪清洗 噴嘴與牙輪清洗 牙掌、牙輪的保強設計 牙輪鉆頭的鑲齒 報廢牙輪鉆頭 （ 一 ） 牙輪鉆頭的組成 鉆頭體 鉆頭體是牙輪鉆頭的本體 ， 上部有螺紋與鉆桿柱連接 ， 下部有牙輪爪 。 牙輪爪與牙輪相連 ， 用以支承牙輪 。 鉆頭體上裝有水眼或噴嘴 。 有體式鉆頭是鉆頭體與牙輪爪分別制造 ， 然后牙輪爪焊接在鉆頭體的側面 ， 螺紋多為內螺紋 。 一般應用于大直徑的鉆頭 。 無體式鉆頭是由 3個牙輪爪直接焊接成一體 ， 上端直接車有外螺紋 ， 一般應用于小直徑的鉆頭 。 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （ 一 ） 牙輪鉆頭的組成 牙輪爪 （ 巴掌 ） 牙輪爪上接鉆頭體 ，下帶牙輪軸 ， 掌背鉆有一斜孔 ， 直通滾珠跑道 ， 牙輪與軸頸組裝好后 ， 由該孔裝入滾珠 ， 用銷子插入 ，然后焊死 。 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （ 一 ） 牙輪鉆頭的組成 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 。 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 （ 一 ） 牙輪鉆頭的組成 軸承 每個牙輪內有 3副徑向軸承和1~2副止推軸承 。 徑向軸承承受徑向載荷 ， 有滾柱 、 滾珠和滑動幾種形式；止推軸承承受軸向載荷 ，一般是滑動軸承 。 水眼 是清洗孔底的通道 。 為防止水眼沖蝕 ， 鑲焊經(jīng)滲碳淬火的鋼質水眼套 。 噴射式鉆頭則鑲裝有硬質合金的噴嘴 。 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(chǎn)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?。谎心バ缘挠驳貙雍蛨杂驳貙?， 偏移值為零 。 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 。 牙輪軸線交于鉆頭軸線 ， 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(chǎn)生軸向滑動 。 適用于軟及中硬地層鉆進 。 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 。 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： ?牙輪鉆頭的縱向振動及對地層的沖擊 、 壓碎作用 ； ?靜載壓入碎巖； ?沖擊動載碎巖； ?牙齒對地層的剪切作用； ?超頂引起的滑動； ?復錐引起的滑動； ?移軸引起的滑動 。 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 。 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 。 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(chǎn)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(chǎn)生沖擊作用破碎巖石 。 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(chǎn)生的 ， 產(chǎn)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。 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 。 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(chǎn)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(chǎn)生一個與 Ms（ ） 方向相反的滑動阻力矩 Ms（ +） 。 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 ΣMs=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 。 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)?。 復錐牙輪之所以產(chǎn)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 。 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 移軸引起的滑動 在鉆頭的水平投影面上 ， 讓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(chǎn)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(chǎn)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 ） 。 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 第七節(jié) 全面鉆頭 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 。 全面鉆頭的應用：使用全面鉆頭不受回次進尺的限制 ， 可節(jié)約大量升降鉆具和取心的輔助作業(yè)時間 ，因此在油氣鉆井 、 水井鉆探和工程施工鉆井中得到廣泛應用 。 全面鉆頭的類型：全面鉆頭包括硬質合金全面鉆頭 、 金剛石全面鉆頭 、 鋼粒全面鉆頭 、 牙輪鉆頭和螺旋鉆頭等 。 本節(jié)著重討論硬質合金和金剛石全面鉆頭的結構 ， 其破巖機理與取心鉆頭類似 。 一 、 硬質合金全面鉆頭 （ 一 ） 翼片式全面鉆頭 翼片式全面鉆頭主要包括刮刀鉆頭和翼片鉆頭 。 刮刀鉆頭刀翼呈曲面形 ， 切削具正斜鑲 ， 刃尖角較小 ， 多用于鉆進松軟巖層鉆進； 翼片鉆頭的翼片切削具采用直鑲 ， 多用于鉆進軟 ~中硬巖層 。 一般按翼片數(shù)量命名 。 如三刀翼的稱為三刮刀鉆頭或三翼鉆頭 ， 兩刀翼的常叫做魚尾鉆頭 。 第七節(jié) 全面鉆頭 （ 一 ） 翼片式全面鉆頭 刀翼的結構角 （ 1） 刃尖角 β ：刀翼尖端前后刃之間的夾角 ， 表示刀刃的尖銳程度 。 β 越小 ， 切入巖石的能力 越強 ， 但強度減小 。 鉆軟巖層時 ， 取 8176。 ～ 10176。 ； 巖石較硬時 ， 取 12176。 ～ 15176。 ；夾層多 ， 孔較深時 ， β 角也應適當增大 。 （ 2） 切削角 α ：刀翼前刃與水平面之間的夾角 。 α 角越大 ， 吃入深度越深 ， 但 α 角過大時 ， 剪切破碎困難 ， 鉆進阻力大 。 一般α = 70176。 ～ 85176。 ， 軟地層 α 角應小一些 ， 硬地層 α 角大一些 。 （ 3） 刃后角 ψ ： ψ =α β 。 必須大于孔底碎巖傾角 。 第七節(jié) 全面鉆頭 刀翼底部幾何形狀 刀翼底部有平底 、 正階梯 、 反階梯和反錐形幾種形狀 。 平底刀翼形成的孔底只有一個裸露自由面 ， 階梯鉆頭可形成較多 自由面 ， 碎巖速度較快 ， 扭矩和功率消耗也較小 ， 但正階梯容易磨 損成錐形 ， 使鉆孔縮徑 。 反階梯鉆頭可在一定程度上解決縮徑問題 ，但刀翼外側底刃既起掏槽作用又起保徑作用 ， 蹩鉆嚴重 。 第七節(jié) 全面鉆頭 刀翼背部幾何形狀 鉆進時 ， 刀翼的受力類似于懸臂梁 ， 根據(jù)等 強度要求 ， 刀翼背部應成拋物線形狀 ， 且刀翼 的厚度隨距刃尖的距離增加而逐漸增厚 。 提高刀翼的耐磨性 （ 1） 為保證足夠的強度 ， 刀翼一般用高強 度合金鋼鍛制而成 。 （ 2） 刀翼表面平鋪一層 YG8硬質合金塊 ， 以增強刀翼的耐磨性和防止泥漿對刀翼的沖刷 。 刀翼的側部鑲焊 YG8硬質合金以保徑 。 第七節(jié) 全面鉆頭 典型翼片鉆頭舉例 （ 1） 常用二翼 、 三翼鉆頭適用于 Ⅰ ～ Ⅳ 級的巖層 。 三翼鉆頭在大口徑鉆進中應 用廣泛 ， 它的鋼體上裝有可