【摘要】：基于盤式鉆頭破巖機(jī)理和鑲齒牙輪鉆頭牙齒材料及固齒特點(diǎn),提出了針對硬地層的類盤式牙輪鉆頭技術(shù)構(gòu)想。開展了斧形齒、楔形齒及錐形齒的單齒壓入實(shí)驗(yàn)、齒圈破巖實(shí)驗(yàn)以及類盤式牙輪鉆頭室內(nèi)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,類盤式鉆頭的破碎坑井底周向覆蓋率高于牙輪鉆頭,提高了破巖效率,同時(shí)避免了盤式鉆頭因與巖石接觸區(qū)域大而造成的分壓現(xiàn)象,提高了與巖石之間的接觸應(yīng)力,其侵入巖石的能力大幅度增強(qiáng)。因此,類盤式鉆頭是一種有望在硬巖鉆進(jìn)中比盤式鉆頭更有效的破巖工具。
【圖文】：

但在井下實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，盤式鉆頭初始鉆速較高，隨后工作能力顯著下降，其主要原因是盤式牙輪牙齒基材為強(qiáng)度相對較低的鋼質(zhì)材料，強(qiáng)度和耐磨性均不足，故在實(shí)際鉆進(jìn)過程中易發(fā)生牙齒的塑性變形和快速磨損。顯然，鋼質(zhì)牙齒的強(qiáng)度和耐磨性不足是限制盤式鉆頭性能的技術(shù)瓶頸。如何解決盤式鉆頭齒形優(yōu)勢與牙齒材質(zhì)劣勢之間的矛盾，就成為盤式鉆頭技術(shù)能否取得成功的關(guān)鍵［4－6］。因此本文提出一種特殊的鑲齒牙輪鉆頭，由于該鉆頭具有與盤式鉆頭相似的破巖特點(diǎn)，因此將之稱為類盤式牙輪鉆頭。一、類盤式牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)圖1為類盤式牙輪鉆頭(以下簡稱類盤式鉆頭)，這種鉆頭的牙齒采用扁而寬的硬質(zhì)合金牙齒，且牙齒橫向鑲裝，從而可實(shí)現(xiàn)與盤式鉆頭相近的破巖原理。由于這種扁而寬的硬質(zhì)合金牙齒形狀與斧刃相似，故稱之為斧形齒(如圖2)。由于硬質(zhì)合金牙齒的強(qiáng)度和耐磨性比盤式鉆頭鋼質(zhì)牙齒有顯著提升，因而是一種有望使盤式鉆頭原理取得成功的鉆頭新技術(shù)［7－8］。類盤式鉆頭由于齒面結(jié)構(gòu)以及牙齒布置方式與盤式鉆頭有著明顯區(qū)別，，本文對類盤式鉆頭的破巖機(jī)理展開實(shí)驗(yàn)研究。圖1類盤式牙輪鉆頭圖2斧形齒二、單齒壓入實(shí)驗(yàn)單齒壓入實(shí)驗(yàn)采用靜載壓入的方式進(jìn)行，選取楔形齒和錐形齒作為對比齒型，實(shí)驗(yàn)巖樣選取具有軟硬代表性的砂巖和灰?guī)r，載荷加載至巖石發(fā)生脆·11·第40卷第1期Vol.40No.1鉆采工藝DＲILLING＆PＲODUCTIONTECHNOLOGY

鋼質(zhì)牙齒的強(qiáng)度和耐磨性不足是限制盤式鉆頭性能的技術(shù)瓶頸。如何解決盤式鉆頭齒形優(yōu)勢與牙齒材質(zhì)劣勢之間的矛盾，就成為盤式鉆頭技術(shù)能否取得成功的關(guān)鍵［4－6］。因此本文提出一種特殊的鑲齒牙輪鉆頭，由于該鉆頭具有與盤式鉆頭相似的破巖特點(diǎn)，因此將之稱為類盤式牙輪鉆頭。一、類盤式牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)圖1為類盤式牙輪鉆頭(以下簡稱類盤式鉆頭)，這種鉆頭的牙齒采用扁而寬的硬質(zhì)合金牙齒，且牙齒橫向鑲裝，從而可實(shí)現(xiàn)與盤式鉆頭相近的破巖原理。由于這種扁而寬的硬質(zhì)合金牙齒形狀與斧刃相似，故稱之為斧形齒(如圖2)。由于硬質(zhì)合金牙齒的強(qiáng)度和耐磨性比盤式鉆頭鋼質(zhì)牙齒有顯著提升，因而是一種有望使盤式鉆頭原理取得成功的鉆頭新技術(shù)［7－8］。類盤式鉆頭由于齒面結(jié)構(gòu)以及牙齒布置方式與盤式鉆頭有著明顯區(qū)別，本文對類盤式鉆頭的破巖機(jī)理展開實(shí)驗(yàn)研究。圖1類盤式牙輪鉆頭圖2斧形齒二、單齒壓入實(shí)驗(yàn)單齒壓入實(shí)驗(yàn)采用靜載壓入的方式進(jìn)行，選取楔形齒和錐形齒作為對比齒型，實(shí)驗(yàn)巖樣選取具有軟硬代表性的砂巖和灰?guī)r，載荷加載至巖石發(fā)生脆·11·第40卷第1期Vol.40No.1鉆采工藝DＲILLING＆PＲODUCTIONTECHNOLOGY
【作者單位】： 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室;西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;
【基金】：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:51374176;51304168) 中國石油天然氣集團(tuán)公司科技項(xiàng)目(編號:2013E-3804)
【分類號】：TE921.1

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本文編號：2523891