
工礦信息
|
三牙輪鉆頭工作原理詳解 山東卓力工礦是知名道岔廠(chǎng)家,專(zhuān)業(yè)生產(chǎn):往復式給煤機,恒阻器,煤礦道岔,鐵路道岔.道岔型號齊全,價(jià)格實(shí)在!Tel:13280082001. 三牙輪鉆頭工作原理 第一節 三牙輪鉆頭在井底的運動(dòng) 在石油鉆井中,牙輪鉆頭能適應各種地層的鉆井,是主要的破巖工具之一。牙輪鉆頭在井底工作時(shí)的運動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當復雜的。國內外對牙輪鉆頭的工作原理,無(wú)論在理論研究或實(shí)驗研究方面都作了大量的工作,這些研究成果為鉆頭的設計使用提供了依據。 三牙輪鉆頭在井底的運動(dòng),決定牙輪與牙齒的運動(dòng),也就直接決定牙齒對地層巖石的破碎作用。因此,在了解鉆頭破碎巖石的工作原理之前,首先應了解鉆頭在井底的運動(dòng)。 一、鉆頭的公轉 鉆頭牙輪繞鉆頭軸線(xiàn)作順時(shí)針?lè )较蛐D的運動(dòng)簡(jiǎn)稱(chēng)為鉆頭的公轉。鉆頭公轉的速度就是轉盤(pán)或井下動(dòng)力鉆具的旋轉速度。鉆頭公轉時(shí),牙輪繞鉆頭軸線(xiàn)旋轉,牙輪上各排牙齒繞鉆頭軸線(xiàn)旋轉的線(xiàn)速度不同,外排齒的線(xiàn)速度最大。 二、鉆頭的自轉 鉆頭旋轉時(shí),沿著(zhù)從牙輪底平面到牙輪尖部的方向看,牙輪繞自身的軸線(xiàn)作反時(shí)針?lè )较虻男D稱(chēng)自轉。牙輪的轉動(dòng)是巖石對牙齒的吃入破碎作用產(chǎn)生反作用的結果。牙輪自轉轉速的影響因素有公轉轉速、鉆頭結構、齒面結構、鉆井參數和巖石性質(zhì)等。一般情況下,牙輪自轉的轉速比鉆頭公轉的轉速快。把牙輪自轉轉速與鉆頭公轉轉速之比稱(chēng)為輪頭比,輪頭比的值一般在1--1.5之間。 三、鉆頭的縱振(軸向振動(dòng)) 鉆頭工作時(shí),對一個(gè)牙輪而言,牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交替進(jìn)行的。單齒著(zhù)地時(shí),牙輪的輪心處于最高位置,雙齒著(zhù)地時(shí)則輪心下降。牙輪在轉動(dòng)過(guò)程中,輪心位置不斷上下變換,使鉆頭沿軸向作上下往復運動(dòng),這就是鉆頭的軸向振動(dòng)。縱振振幅就是輪心的垂直位移,它與牙齒的齒高、齒距等鉆頭結構參數及巖性有關(guān)。在軟地層,牙齒吃入深、振幅小,硬地層則振動(dòng)加劇。振動(dòng)的頻率與牙輪齒數及牙輪轉速成正比。在旋轉鉆井中,鉆頭縱振頻率一般為100~500次/min。 此外,由于井底不平,鉆頭產(chǎn)生振幅較大的低頻振動(dòng)。據國外資料介紹,低頻振動(dòng)的振幅就是井底凹凸部分的高差,一般為10mm左右,頻率低于50次/min。低頻縱振對鉆頭是不利的因素,在硬地層中會(huì )造成跳鉆。牙輪鉆頭的縱振是上述兩種振動(dòng)之和,它構成了牙齒的沖擊壓入作用,破碎巖石,提高破碎效率。 四、橫向振動(dòng) 所謂橫向振動(dòng),就是沿著(zhù)垂直于鉆頭軸線(xiàn)方向的振動(dòng)。造成鉆頭橫向振動(dòng)的因素很多,包括鉆頭與巖石互作用、鉆柱的彎曲變形,鉆柱的偏心旋轉,鉆柱質(zhì)量分布不均勻、地層傾角以及井底巖石性質(zhì)差異等等。鉆頭的橫向振動(dòng)對鉆柱的橫向振動(dòng)有直接的影響,也是造成鉆頭失效的重要原因。 五、扭轉振動(dòng) 鉆頭的周期性運動(dòng)導致扭矩成周期性變化,引起鉆頭周期性的扭轉振動(dòng)。鉆頭的扭轉振動(dòng)主要由鉆頭的粘滑運動(dòng)造成的,即鉆頭旋轉速度變化很大,在某一瞬時(shí)鉆頭可能靜止不動(dòng),過(guò)一段時(shí)間后便以數倍于平均轉速的速度旋轉,這樣就會(huì )引起鉆頭的失效,也可能引起鉆柱的早期疲勞破壞。因此應盡量避免鉆頭出現這種現象。 六、牙輪的滑動(dòng) 破碎不同類(lèi)型巖石,對鉆頭要求不同的滑動(dòng)量,可通過(guò)設計鉆頭時(shí)采用不同的結構及參數獲得。對于一個(gè)牙輪而言,不同位置的齒排的滑動(dòng)方向是不同的。外排齒及靠近外排齒的齒排,一般是正向滑動(dòng)(假設鉆頭旋轉,而牙輪不自轉時(shí),牙齒在井底的滑動(dòng)就是正向滑動(dòng));牙輪尖部的齒排及靠近牙輪尖部的齒排一般是負向滑動(dòng);而在外排齒與尖部齒排之間的某個(gè)中間齒排或虛擬齒排做純滾動(dòng)。一般情況下,軟地層鉆頭應具有較大的滑動(dòng)量,硬地層鉆頭應盡量減少或不產(chǎn)生滑動(dòng),避免牙齒早期損壞。但是,由于鉆頭工作時(shí),牙輪與牙掌軸頸的相對運動(dòng)總是存在摩擦阻力等原因,即使設計的是純滾動(dòng)鉆頭,實(shí)際鉆進(jìn)中仍然存在著(zhù)滑動(dòng)。對純滾動(dòng)鉆頭作室內模擬試驗,發(fā)現約有20%的滑動(dòng)量。 上述幾種運動(dòng)是牙輪鉆頭在井下工作時(shí)同時(shí)發(fā)生的復合運動(dòng)。實(shí)際鉆進(jìn)時(shí),還有整個(gè)鉆頭的向下運動(dòng),其向下運動(dòng)的速度就是鉆頭鉆進(jìn)的機械鉆速。 第二節 鉆頭工作時(shí)的受力分析 前面已經(jīng)分析了,鉆頭鉆進(jìn)時(shí)會(huì )產(chǎn)生縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)及扭轉振動(dòng)。在每次縱向振動(dòng)中,鉆頭上行壓縮下部鉆柱;鉆頭下行則鉆柱恢復原長(cháng)。其位能轉化為鉆頭的動(dòng)載荷。鉆頭工作時(shí),牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)及動(dòng)載荷(鉆頭與下部鉆柱速度下降而產(chǎn)生的動(dòng)載)。也就是說(shuō)牙齒沖擊破碎巖石時(shí),鉆頭受到巖石的反作用也等于靜載荷與動(dòng)載荷之和。而橫向振動(dòng)則可能引起鉆頭與井壁的碰撞,使鉆頭受到井壁很大的撞擊力。 鉆頭在井下工作時(shí),除了受到縱向靜載荷和動(dòng)載荷及橫向載荷外,由于鉆柱旋轉,于是還受扭矩作用。當鉆壓較大,牙齒吃入巖石較深,尤其是牙齒在井底滑動(dòng)較大時(shí),鉆頭承受的扭矩更大。而扭轉振動(dòng)會(huì )引起鉆頭的扭矩的進(jìn)一步增加。此外,還有牙輪背錐面及牙掌背部與井壁摩擦而產(chǎn)生摩擦力矩以及受鉆頭噴嘴噴出高壓噴射液流的反力作用等。受力情況十分復雜,目前仍未能進(jìn)行精確的計算。 近幾年美國和俄羅斯等國家都在實(shí)驗室內開(kāi)展了鉆頭受力的試驗研究工作。國內西南石油學(xué)院鉆頭研究所等部門(mén)也都進(jìn)行了大量的試驗研究工作,對牙齒及軸承的受力狀況進(jìn)行了測定,并取得了有價(jià)值的試驗成果。通過(guò)實(shí)驗,發(fā)現鉆頭三個(gè)牙輪承受的載荷不相等,而且差別很大,受力大的牙輪先期失效。因此,設計鉆頭時(shí),應盡量使三個(gè)牙輪的切削結構合理布局,使三個(gè)牙輪的載荷分配趨于平衡。嚴格控制三個(gè)牙輪的高低差及輪背與鉆頭連接螺紋的同軸度誤差。這樣可使鉆頭工作平穩,延長(cháng)牙輪及軸承的使用壽命。試驗還測定出,鉆頭小軸頸載荷約為大軸頸的20~30%。因此,目前鉆頭設計已由原來(lái)的一道止推(小軸端面)承載改為二道止推(大軸臺肩面)承載,這樣就減少了大軸頸的徑向載荷而延長(cháng)了軸承壽命。 井下實(shí)測鉆頭承載情況表明:鉆頭在井下工作時(shí)受力情況變化很大。正常鉆進(jìn)時(shí),鉆壓的變化通常是在平均鉆壓的25~50%范圍內,有時(shí)最大鉆壓達到平均鉆壓的3.5倍。正常鉆進(jìn)時(shí),鉆頭縱向振幅一般不大于1.6mm。但鉆頭工作不平穩時(shí),振幅可增大至25mm。振動(dòng)大時(shí),鉆頭會(huì )短時(shí)離開(kāi)井底,出現跳鉆現象。因此,在下部鉆具中安裝減震器,減少不正常的鉆壓和扭矩的峰值,將有利于增加鉆頭的壽命。 第三節 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(dòng),除了公轉和自轉外,還有軸向縱振、橫向振動(dòng)、扭轉振動(dòng)及牙輪的滑動(dòng)。這幾種運動(dòng)是鉆井時(shí)同時(shí)發(fā)生、綜合在一起的復合運動(dòng)。三牙輪鉆頭就是在上述復合運動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊、壓碎作用及滑動(dòng)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(shí),由鉆頭縱振產(chǎn)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(shí),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(shí)間。牙齒與巖石的接觸時(shí)間T,應大于巖石破碎所需時(shí)間T0,才能有效地破碎巖石。根據實(shí)測結果,目前現場(chǎng)所用設備的轉盤(pán)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≥2.5×10-3 s。當牙輪轉速n=290r/min時(shí),8 1/2 H517鉆頭外排齒與巖石的接觸時(shí)間約為11.4×10-3 s。 鉆進(jìn)時(shí)鉆頭在井底產(chǎn)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(shí)牙齒沖擊壓力的來(lái)源。增加鉆頭牙齒對地層的沖擊力有利于破碎巖石,但也會(huì )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(dòng)剪切作用 牙輪鉆頭工作時(shí),由于鉆頭的結構及地層摩擦阻力,當鉆頭作公轉運動(dòng)的同時(shí),引起牙輪自轉。由于牙輪的自轉是一種被動(dòng)的轉動(dòng),因而,鉆頭上與井底接觸的某一點(diǎn)的公轉線(xiàn)速度大于牙輪上同一點(diǎn)的自轉線(xiàn)速度,因而產(chǎn)生滑動(dòng)。這種滑動(dòng)和汽車(chē)的被動(dòng)輪打滑的原理是一樣的。 牙輪在井底的滑動(dòng)使的井底巖石產(chǎn)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(dòng)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(diǎn)的公轉線(xiàn)速度與牙輪上同一點(diǎn)的自轉線(xiàn)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(xiàn)重合。 牙輪錐頂超過(guò)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(dòng)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(shuō)明。 ![]() 圖1-1(b)為鉆頭公轉與自轉時(shí)二者的合成速度分布。 O1為純滾動(dòng)點(diǎn),在01兩側的滑動(dòng)方向是相反的。因此,超頂牙輪產(chǎn)生切線(xiàn)方向滑動(dòng)。把由牙輪上與井底接觸點(diǎn)到井底中心的連線(xiàn)方向稱(chēng)為徑向,切向是指與上述徑向垂直的方向。超頂值使牙輪產(chǎn)生切向滑動(dòng),切向滑動(dòng)速度大小與超頂值C成正比。 復錐牙輪的副錐頂(延伸線(xiàn))是超頂的,主副錐頂點(diǎn)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(chǎn)生的滑動(dòng)量也就越大。復錐產(chǎn)生滑動(dòng)是由于復錐牙輪繞輪軸轉動(dòng)時(shí)的線(xiàn)速度呈折線(xiàn)分布,其與鉆頭公轉時(shí)的合成線(xiàn)速度不為零。同樣,在副錐上也有一個(gè)純滾動(dòng)點(diǎn)。牙輪錐體具有二個(gè)圖1-1 超頂牙輪速度分析 或二個(gè)以上復錐時(shí),使得牙輪則會(huì )產(chǎn)生切向滑動(dòng)。 牙輪軸線(xiàn)與鉆頭軸心線(xiàn)在空間形成兩條不相交的直線(xiàn),這兩條直線(xiàn)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(dòng)過(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng),鉆頭偏移值越大,滑動(dòng)剪切作用就越大。 牙輪移軸所產(chǎn)生的滑動(dòng)可以分解為切向滑動(dòng)和徑向滑動(dòng)。徑向滑動(dòng)可以剪切破碎井底各齒圈之間的巖石,切向滑動(dòng)則與超頂和復錐牙輪產(chǎn)生的切向滑動(dòng)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(dòng)可以剪切井底巖石,提高破碎效率,但同時(shí)也加劇了牙齒的磨損。軸向滑動(dòng)使牙齒內端面磨損。因此,應根據齒的不同受力情況進(jìn)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(shí)巖石的破碎過(guò)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(dòng)載,其大小及方向均隨時(shí)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(guò)實(shí)驗室的模擬實(shí)驗,對鉆井過(guò)程中巖石破碎的特點(diǎn)進(jìn)行分析表明:“壓入的破碎”在破碎過(guò)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(dòng)載過(guò)程),使齒面下的巖石產(chǎn)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(shí)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(shí)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(guò)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(guò)程大致劃分為三個(gè)區段,牙齒單位面積上承受的鉆壓稱(chēng)為比載荷。鉆進(jìn)開(kāi)始時(shí),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(shí),破碎的過(guò)程只具表面的性質(zhì),稱(chēng)為“表面破碎區”。 隨著(zhù)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(jìn)了破碎。當某處的巖石經(jīng)過(guò)牙齒多次沖擊而產(chǎn)生了體積破碎,此時(shí)機械鉆速Vm增加較快。 當鉆壓已達到或超過(guò)巖石硬度值時(shí),牙齒每次沖擊作用都能使巖石產(chǎn)生體積破碎,稱(chēng)為“體積破碎區”。進(jìn)一步提高鉆壓,可以使巖石發(fā)生二次體積破碎。這時(shí)機械鉆速迅速增加,巖石破碎效率最高。因此,在鉆進(jìn)時(shí)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(shuō),提高鉆壓有利于提高機械鉆速,但這有個(gè)前提,就是要在承載能力范圍內。 所以,最優(yōu)的鉆壓就是,達到牙齒每次沖擊作用都能使巖石產(chǎn)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(shí)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(xiàn)關(guān)系。對于高塑性及多 孔隙巖石(如白堊和多孔石灰巖),在相當低的轉速時(shí),其相互關(guān)系已偏離直線(xiàn)。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(cháng)的時(shí)間,而牙齒與巖石的接觸時(shí)間大約是幾個(gè)毫秒。鉆頭的轉速越高,則牙齒與巖石的接觸時(shí)間越短。接觸時(shí)間不足以使巖石達到完全的破碎,這意味著(zhù)增大鉆頭轉速時(shí),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(shí)間越長(cháng),因此,不宜采用很高的轉速。當鉆頭類(lèi)型選定之后,對于具體的特定巖層,存在一個(gè)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(gè)參數的重要依據。 三、各類(lèi)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(shí)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。 【打印本頁(yè)】
|