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1、实习技术员的基本功(八)序言： PDC加一度螺杆以复合钻的形式达到了造斜点后，起钻换牙轮钻头，通过两者钻进的进尺和钻时，寿命及起出钻头的状况对比。体会了一把它们之间的不同。加深了印象。PDC是低钻压高转速，一般在实际操作中，我们用4到5吨打，偶尔要把井斜打起来，我们才加5到6吨的钻压。而相应的钻盘转速我们一般采用二档高速，理论上的就是170r/min。而牙轮钻头正向反，要采用高钻压，低转速。而实际现场使用的确是高钻压，但是转速并非是低转速。定向的过程中，螺杆带着牙轮转头就有很高的转速了，而加上复合钻，牙轮已经不在是低钻速了(一档高速117r/min)。本人曾经试过用二档低速和一档高速打钻，同样
2、的钻压来打同一地层(螺杆带牙轮钻头)，发现低转速钻时要高于高转速的钻时。这说明牙轮也需要高转速，只是这个转速不能是PDC的二档高速。比较前口井的钻时与相应地层的记录，也发现了这个”潜规则”。正文：一基本介绍 通过序言，读者应该大致明白本篇想介绍什么。当然是牙轮钻头的科学破岩方式。 基本的牙轮的钻头的特点与结构，读者可以参考教科书。上图中牙轮钻头的储油润滑和密封系统既能保证轴承得到润滑，又可以有效地防止钻井液体(包括钻井液相和固相以及夹杂在钻井液中的各种岩屑)进入钻头的轴承内。大幅度地提高了轴承以及钻头的使用寿命。钻头工作时，牙轮上的牙齿在破碎地层的同时受到地层的反作用力，造成牙轮沿轴线方向产生
3、高频振动，造成轴承腔内外的压差，使轴承腔内产生抽吸和排液作用。由于密封圈的作用，钻井液不会被抽吸到轴承腔内，轴承腔内的油脂也不会流出钻头，而储油腔内的润滑油脂则会被抽吸到轴承腔内。储油密封系统还通过传压孔，压力补偿膜使轴承腔内的润滑油脂的压力与钻头外的钻井液压力一致，使密封圈在较小的压差下工作，以保证密封效果。上图为牙轮钻头的结构示意图。参照此图结合现场使用的牙轮钻头，可以加深了解。 上图为牙轮钻头的结构示意图。参照此图结合现场使用的牙轮钻头，可以加深了解。 牙轮钻头轴承由牙轮内腔，轴承跑道，牙掌轴井，锁紧元件等组成。轴承副有大，中，小和止推轴承四个。 关于牙轮的轴承结构，它是决定钻头寿命长短
4、的重要因素之一，按结构不同分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滑动轴承的摩擦面是面接触，承压面积大，接触压应力较小，轴承寿命较长。由于不用滚柱，可加大轴颈直径和增加轮壳厚度，使轮壳强度增加。 中轴承的作用是锁紧牙轮，中轴承如果磨损，则牙轮会从轴颈上分离，因而中轴承非常重要，即使中轴承磨损后没有达到牙轮从颈上分离的程度，但中轴承也失去了定位作用，牙轮和轴颈之间松动，会加剧轴承磨损。一般用滚珠轴承作为中轴承是由于工艺原因。因而近年来有些钻头用卡簧代替滚珠轴承，这样可以进一步增加大轴承的面积，同时简化轴承结构及加工工艺。 牙轮钻头的轴承承受着由钻柱质量和孔底振动造成的很大载荷，是最容易磨损的薄弱环节，必须
5、加强润滑和保护。 上图分别为自洗不移轴和自洗移轴的铣齿和镶齿钻头的布齿方案。铣齿牙轮钻头的牙齿均为契形齿，由牙轮毛坯直接铣削加工而成。牙轮因移轴等结构使牙齿在井底有轴向滑动，故需要敷焊牙齿的内端面，牙齿在井底滑动很小，不敷焊碳化钨粉，而是直接对牙齿表面渗碳，淬火处理。这样可以避免敷焊层剥落，增加牙齿的韧性。用于钻进软和中硬（部分硬岩）的岩石。钻进塑性和粘结性岩石时，常采用自洗式牙轮钻头。镶齿式牙轮钻头是把用粉末冶金方法做成的硬质合金镶嵌体作为齿冠，主要用于钻进硬和坚硬（甚至极硬）岩石。 镶齿的硬度和抗磨性比铣齿高，寿命比铣齿长。特别是在高研磨性的极硬地层中钻进，镶齿更显示出其优越性。 镶齿的齿
6、形：目前国内外常用的镶齿齿形大致有六种。保径措施大多采用加强规径齿保径。这些齿比中间齿圈和轮尖处牙齿的碳化钨含量高，硬度大，抗磨性强。一般保径齿的齿刃高较短，牙齿直径较小，布齿较密，使其不易折断和不易磨损。外排齿的每颗牙齿都经过打磨，外侧的水平面与井壁平行，使外排齿与井壁由点接触变为面接触，不易磨损，从而更好地起到保径作用。 为了修整井壁和防止背锥磨损，在牙轮背锥上镶装平顶形齿。当规径齿磨损后，它也能起保径作用。 下面来介绍下喷嘴。目前国内外使用的喷嘴有六种：椭圆进口喷嘴，圆弧进口喷嘴，双圆弧进口喷嘴，锥形流道喷嘴，流线形喷嘴和等变速型喷嘴。为了提高射流冲击效果，要求射流流束密集性好，即半扩散
7、角a小，等速核长度要长，为了使液流通过喷嘴时能量损失小，要求流量系数要大。 下面是各个喷嘴的示意图从上表中，可以看出来流线形喷嘴和等变速喷嘴为最好的。 上图是我们现场使用的牙轮喷嘴，444.5MM的一开钻头的喷嘴要比这个大。上图中间的喷嘴是实心的，有时候我们为了提高在软地层的水利破岩效果，就使用两个喷嘴而堵住另外一只喷嘴。 固定喷嘴的方法就不讲了，有专门的卡簧和卡簧钳。二牙轮钻头的工作原理 牙轮钻头的运动学，动力学和岩石破碎力学是牙轮钻头破碎岩石的基本理论，它们研究牙轮钻头的运动状态，受力状态和破碎岩石的规律。 牙轮钻头运动学研究的对象是钻头工作过程中，钻头各部分特别是牙齿的运动轨迹，速度和加
8、速度。钻头钻进时，钻头牙齿不仅要绕牙轮旋转，还要绕钻头轴线旋转。与此同时，牙齿在井底还有滑动，还要随钻头在垂直于井底平面方向上作纵向振动。 苏联BC波廖科夫等人的四个基本假设推出如下结论：1 三个牙轮锥体的轴线相交于钻头中心时，钻头上的牙齿在井底作纯滚动运动。2 三个牙轮锥体的轴线不通过钻头中心，向钻头旋转方向平移一段距离，称为偏移值或移轴距，则牙轮在滚动过程中要同时引起滑动，这种滑动的方向是沿着牙轮与井底接触的母线，向钻头中心的滑动，称为牙轮的轴向滑动，偏移值越大轴向滑动也愈大。3 三个牙轮椎体的顶点超过钻头的中心，超出的距离为超顶距，超顶牙轮的牙齿在井底产生切向滑动，切向滑动的速度随超顶距
9、的增加而增大。4 牙轮锥体具有二个或二个以上的复锥体时，牙轮也产生切向滑动。移轴产生的轴向滑动可以剪切破碎井底齿痕圈之间的岩石，超顶和复锥产生的切向滑动可以剪切破碎井底同一齿痕圈上相邻破碎坑之间的岩石。 牙轮的运动主要包括：牙齿随牙轮绕钻头轴线旋转；牙齿绕牙轮轴线旋转；牙轮滚动引起牙轮及钻头产生纵向振动。在牙轮滚动过程中，牙齿交替地以单齿或双齿接触井底，使牙轮轴线在垂直井底方向上作上下的纵向振动。振动的频率与牙轮齿数及牙轮转速成正比。振动的振幅与牙轮的半径成正比与齿数成反比。振动的冲击速度与牙轮的半径及转速成正比，与齿数成反比。 上图为起钻后的钻头的使用情况。 西南石油学院马德坤等人对牙轮钻头
10、运动情况的研究：1 全尺寸钻头的实验：8.5寸XHP4型钻头在石英砂岩中钻进时，三个牙轮的瞬时角速度-时间曲线。可看出牙轮每转一周，其角速度大幅度变化的次数往往等于或接近于该牙轮上次外圈或再次外圈牙齿的齿数，可称该圈牙齿为主齿圈。牙轮每转一周，瞬时角速度大大小小波动的总次数往往接近于该牙轮的总齿数。即每颗牙齿与井底接触一次就引起牙轮运动一次变速，其中主齿圈上的牙齿引起的变速最大。由此可见，可用单轮片的运动规律来解释全尺寸钻头的运动。这由于牙轮本身是由多个牙轮片构成，而牙轮的主齿圈又在整个牙轮的运动中起主导作用。2 牙轮片运动学理论：牙轮片的运动属于三个自由度的问题。牙轮钻头实际钻进时，周围的环
11、境形成了某种约束，使自由度减少，牙轮就按某种具体规律运动，那些环境造成的约束条件如果发生变动，牙轮运动规律也随之而变。如果约束条件的变动时随机的，牙轮就作随机运动。结论：1.钻头钻进时，钻头和牙轮的角速度都是一个随机变量。其变化规律受钻头结构，井底情况和钻柱振动的影响。牙轮角速度的变化必然影响牙齿对井底的冲击和滑动，也会影响钻头的机械钻速。2.井底接触的牙齿总会对井底有一定的径向滑动。如果井底给牙齿的阻力足以阻止这种滑动，那就会迫使钻头中心移位而引起井眼扩大。3.距钻头相当距离以上的钻柱才接近匀速转动。在这个距离以内的钻柱扭转振动和纵向振动同时钻头牙轮的运动相互影响。因此钻柱下部结构对钻头工作
12、效果的影响不可忽视。三牙轮钻头动力学 牙轮钻头动力学的研究对象是钻头各部分的受力状态。井底模式分析说明牙轮钻头的运动状态不仅与齿面结构有关，还与岩石性质，钻井参数有关。这说明牙轮钻头的运动状态和受力状态时相互影响的。1. 牙轮钻头工作受力分析：钻头钻进时，轮齿交替地以单齿或双齿接触井底，使牙轮轴产生纵向振动。三个牙轮轴的振动传给钻头，使钻头也产生纵向振动。在每次纵振中，钻头上行将压缩下部钻柱；钻头下行下部钻柱恢复原长，其位能转化为钻头的动载荷。所以钻头工作时，钻头轮齿作用到岩石上的力不仅有静载荷，还有动载荷，即钻头牙齿冲击破碎岩石时，钻头受到的岩石反力也应等于静载荷(大小等于钻压)与动载荷(大
13、小等于钻头与下部钻柱加速下降而产生的动载荷)之和。实际钻进时，钻头结构，井底岩石性质，钻进参数，下部钻柱的尺寸及泵压的脉动等都对动载荷有影响。甚至当牙轮轴的振动频率与钻头钻柱系统的自振频率相同时，还会出现共振，使钻头振幅很大，产生极大的冲击载荷。钻头在井下工作时，除了受到纵向的载荷和动载荷外，还要受到钻柱传来的扭矩的作用。当钻压较大，牙齿吃入岩石较深，尤其是牙齿在井底滑动较大时，钻头受到的扭矩就更大。此外，钻头背锥和裙部与井壁摩擦，钻头要受到井壁的摩擦力矩。钻头水眼内喷出泥浆，钻头还要受到液流的喷射反力的作用等等。总之钻头在井底工作时，受力情况极其复杂，目前还不能精确计算。2. 在试验室内测定
14、钻头受力状况：略。3. 在井下实测钻头受载的情况：正常钻进时钻压的变化通常是在平均钻压的25-50%范围内；有时最大钻压达到平均钻压的3.5倍。正常钻进时，钻头的纵向振幅一般较小，小于或等于1.6毫米。而钻头工作不平稳时，振幅增大到25.4毫米，振动大时钻头会短时间离开井底。当钻杆以自振频率振动时，有可能发生共振。四钻头牙齿对岩石的破碎作用 牙轮钻头主要以牙齿对岩石的冲击，压碎作用和剪切作用来破碎岩石。硬和极硬地层主要靠牙齿对岩石的冲击，压碎作用来破碎，极软和软地层主要靠牙齿对岩石的剪切作用来破碎，中软，中，中硬地层靠这两种作用同时破碎地层。1 冲击，压碎作用钻头钻进时，当钻头向井底方向振动，
15、牙齿对岩石的总载荷为钻压(静载)和动载荷之和。钻压使牙齿压碎岩石，称为压碎作用；动载荷使牙齿冲击破碎岩石，称为冲击作用。所以总载荷对岩石的破碎作用称为冲击，压碎作用。2.剪切作用 钻头在极软或软地层中钻进时，牙齿易吃入地层。由于牙齿在井底有一定滑动，使牙齿在井底移动一小段距离，剪切刮挤掉这一小段的岩石。这种破岩作用称为剪切作用。牙轮及牙齿的布置方式：下面引自教科书上的几段话： 剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还产生牙齿队井底的滑动实现的，产生滑动的原因是由牙轮钻头的超顶，复锥和移轴三种结构特点引起的。 牙轮锥顶超过钻头轴线，这种特点称作超顶。牙轮的超顶产生滑动，滑动速度随超顶距的增加而增加。 牙轮的轴线相对于钻头轴线平移一段距离，这种方式称为移轴。超顶复锥所引起的切线方向滑动除可在切线方向与冲击，压碎作用共同破碎岩石外，还可以剪切掉同一圈相邻牙齿破碎坑之间的岩石：移轴则在轴向产生滑动和切削地层的作用。它可以剪切掉齿圈之间的岩石。 实际上，对于钻极软到中硬地层的钻头，一般兼有移轴，超顶和复锥结构；一部分中硬或硬地层钻头有超顶和复锥。对于极硬和研磨性很强的地层，所用的钻头结构基本上是纯滚动而无滑动的(单锥，不超顶，也不移轴)，即使这样，钻头工作也
