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三牙輪鉆頭對巖石的破碎作用： 三牙輪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動，除了公轉和自轉外，還有軸向縱振、橫向振動、扭轉振動及牙輪的滑動。這幾種運動是鉆井時同時發生、綜合在一起的復合運動。三牙輪鉆頭就是在上述復合運動所產生的沖擊、壓碎作用及滑動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，由鉆頭縱振產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。鉆頭旋轉時，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間。牙齒與巖石的接觸時間t，應大于巖石破碎所需時間t0，才能有效地破碎巖石。根據實測結果，目前現場所用設備的轉盤轉速范圍內，t0一般都小于t，如脆性巖石，t0=（0.3~0.4）×10-3s;塑性巖石，t0≥2.5×10-3s。當牙輪轉速n=290r/min時，81/2h517鉆頭外排齒與巖石的接觸時間約為11.4×10-3s。鉆進時鉆頭在井底產生縱振，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、滑動剪切作用牙輪鉆頭工作時，由于鉆頭的結構及地層摩擦阻力，當鉆頭作公轉運動的同時，引起牙輪自轉。由于牙輪的自轉是一種被動的轉動，因而，鉆頭上與井底接觸的某一點的公轉線速度大于牙輪上同一點的自轉線速度，因而產生滑動。這種滑動和汽車的被動輪打滑的原理是一樣的。牙輪在井底的滑動使的井底巖石產生剪切破碎。由于巖石的抗剪切的強度小于抗壓強度，因而由牙輪滑動的破巖效率較高。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、復錐和移軸，使得鉆頭上與井底接觸的某一點的公轉線速度與牙輪上同一點的自轉線速度的差值增大，有利于增加剪切破碎作用。所以要增加剪切破碎，應該使牙輪鉆頭具有超頂、復錐和移軸的結構，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）為鉆頭公轉與自轉時二者的合成速度分布。o1為純滾動點，在01兩側的滑動方向是相反的。因此，超頂牙輪產生切線方向滑動。把由牙輪上與井底接觸點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。超頂值使牙輪產生切向滑動，切向滑動速度大小與超頂值c成正比。復錐牙輪的副錐頂（延伸線）是超頂的，主副錐頂點的距離叫錐頂距。錐頂距越大，主副錐角之差值就越大，牙輪產生的滑動量也就越大。復錐產生滑動是由于復錐牙輪繞輪軸轉動時的線速度呈折線分布，其與鉆頭公轉時的合成線速度不為零。同樣，在副錐上也有一個純滾動點。牙輪錐體具有二個，或二個以上復錐時，使得牙輪則會產生切向滑動。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，于是牙輪在滾動過程中同時產生滑動，鉆頭偏移值越大，滑動剪切作用就越大。牙輪移軸所產生的滑動可以分解為切向滑動和徑向滑動。徑向滑動可以剪切破碎井底各齒圈之間的巖石，切向滑動則與超頂和復錐牙輪產生的切向滑動一起，可以剪切破碎井底同一齒圈上的破碎坑之間的巖石。牙齒的滑動可以剪切井底巖石，提高破碎效率，但同時也加劇了牙齒的磨損。軸向滑動使牙齒內端面磨損。因此，應根據齒的不同受力情況進行牙齒的表面強化，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巖石的破碎過程是異常復雜的，因為破碎工具的形狀是多種多樣的，而施加的又是動載，其大小及方向均隨時間而改變。在井底的巖石還受巖石圍壓、鉆井液壓等多種力的作用。通過實驗室的模擬實驗，對鉆井過程中巖石破碎的特點進行分析表明：“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（沖擊動載過程），使齒面下的巖石產生體積破碎，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大，加上水力作用不斷剝離和清除巖屑，沖蝕并擴大巖石的破碎體積。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。所有同時與井底巖石相接觸的齒頂面積總和構成了牙輪鉆頭的承壓面積。鉆井時巖石破碎的效率決定于牙齒上的比載荷和鉆頭的轉速。如果比載荷太小或轉速過高，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區段，牙齒單位面積上承受的鉆壓稱為比載荷。鉆進開始時，比載荷遠小于巖石的硬度，比載荷p與機械鉆速vm成正比。此時，破碎的過程只具表面的性質，稱為“表面破碎區”。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，使井底巖石出現微裂紋，促進了破碎。當某處的巖石經過牙齒多次沖擊而產生了體積破碎，此時機械鉆速vm增加較快。當鉆壓已達到或超過巖石硬度值時，牙齒每次沖擊作用都能使巖石產生體積破碎，稱為“體積破碎區”。進一步提高鉆壓，可以使巖石發生二次體積破碎。這時機械鉆速迅速增加，巖石破碎效率最高。因此，在鉆進時選用的鉆壓，應避免造成低效率的表面破碎，而應達到最高效率的體積破碎。一般地說，提高鉆壓有利于提高機械鉆速，但這有個前提，就是要在承載能力范圍內。所以，最優的鉆壓就是，達到牙齒每次沖擊作用都能使巖石產生二次體積破碎，又在鉆頭的承載能力范圍內。2、鉆頭轉速對巖石破碎速度的影響實驗表明：對于低塑性巖石（如大理巖）和脆性巖石（如花崗巖），在所研究的轉速范圍內，其機械鉆速vm與鉆頭速度n成直線關系。對于高塑性及多隙巖石（如白堊和多孔石灰巖），在相當低的轉速時，其相互關系已偏離直線。其原因在于對塑性高及多孔巖石，其從變形到破碎，需要較長的時間，而牙齒與巖石的接觸時間大約是幾個毫秒。鉆頭的轉速越高，則牙齒與巖石的接觸時間越短。接觸時間不足以使巖石達到完全的破碎，這意味著增大鉆頭轉速時，鉆頭每轉一圈所破碎的巖石深度就要減少。巖石的塑性系數越大，需要接觸時間越長，因此，不宜采用很高的轉速。當鉆頭類型選定之后，對于具體的特定巖層，存在一個最合理的鉆壓和轉速的配合，以達到最高的破巖效率，而巖石不同的硬度和塑性系數是選擇這兩個參數的重要依據。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、超頂及復錐三種結構要素，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、超頂及復錐三種結構要素，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。揚州市水文打井公司是一家專業從事鑿深井、巖石井、回灌井、修井、洗井、管井降水、物探找水、地源熱泵、（風動）潛孔錘鉆孔、埋管、樁基，代銷各種全自動無塔恒壓變頻、深井泵及維修等。歡迎來電洽談。www.yysqdj.com