类盘式牙轮钻头破岩机理实验研究

发布时间：2019-08-07 10:20

【摘要】：基于盘式钻头破岩机理和镶齿牙轮钻头牙齿材料及固齿特点,提出了针对硬地层的类盘式牙轮钻头技术构想。开展了斧形齿、楔形齿及锥形齿的单齿压入实验、齿圈破岩实验以及类盘式牙轮钻头室内钻进实验。实验结果表明,类盘式钻头的破碎坑井底周向覆盖率高于牙轮钻头,提高了破岩效率,同时避免了盘式钻头因与岩石接触区域大而造成的分压现象,提高了与岩石之间的接触应力,其侵入岩石的能力大幅度增强。因此,类盘式钻头是一种有望在硬岩钻进中比盘式钻头更有效的破岩工具。
【图文】：

但在井下实验中发现，盘式钻头初始钻速较高，随后工作能力显著下降，其主要原因是盘式牙轮牙齿基材为强度相对较低的钢质材料，强度和耐磨性均不足，故在实际钻进过程中易发生牙齿的塑性变形和快速磨损。显然，钢质牙齿的强度和耐磨性不足是限制盘式钻头性能的技术瓶颈。如何解决盘式钻头齿形优势与牙齿材质劣势之间的矛盾，就成为盘式钻头技术能否取得成功的关键［4－6］。因此本文提出一种特殊的镶齿牙轮钻头，由于该钻头具有与盘式钻头相似的破岩特点，因此将之称为类盘式牙轮钻头。一、类盘式牙轮钻头结构图1为类盘式牙轮钻头(以下简称类盘式钻头)，这种钻头的牙齿采用扁而宽的硬质合金牙齿，且牙齿横向镶装，从而可实现与盘式钻头相近的破岩原理。由于这种扁而宽的硬质合金牙齿形状与斧刃相似，故称之为斧形齿(如图2)。由于硬质合金牙齿的强度和耐磨性比盘式钻头钢质牙齿有显著提升，因而是一种有望使盘式钻头原理取得成功的钻头新技术［7－8］。类盘式钻头由于齿面结构以及牙齿布置方式与盘式钻头有着明显区别，，本文对类盘式钻头的破岩机理展开实验研究。图1类盘式牙轮钻头图2斧形齿二、单齿压入实验单齿压入实验采用静载压入的方式进行，选取楔形齿和锥形齿作为对比齿型，实验岩样选取具有软硬代表性的砂岩和灰岩，载荷加载至岩石发生脆·11·第40卷第1期Vol.40No.1钻采工艺DＲILLING＆PＲODUCTIONTECHNOLOGY

钢质牙齿的强度和耐磨性不足是限制盘式钻头性能的技术瓶颈。如何解决盘式钻头齿形优势与牙齿材质劣势之间的矛盾，就成为盘式钻头技术能否取得成功的关键［4－6］。因此本文提出一种特殊的镶齿牙轮钻头，由于该钻头具有与盘式钻头相似的破岩特点，因此将之称为类盘式牙轮钻头。一、类盘式牙轮钻头结构图1为类盘式牙轮钻头(以下简称类盘式钻头)，这种钻头的牙齿采用扁而宽的硬质合金牙齿，且牙齿横向镶装，从而可实现与盘式钻头相近的破岩原理。由于这种扁而宽的硬质合金牙齿形状与斧刃相似，故称之为斧形齿(如图2)。由于硬质合金牙齿的强度和耐磨性比盘式钻头钢质牙齿有显著提升，因而是一种有望使盘式钻头原理取得成功的钻头新技术［7－8］。类盘式钻头由于齿面结构以及牙齿布置方式与盘式钻头有着明显区别，本文对类盘式钻头的破岩机理展开实验研究。图1类盘式牙轮钻头图2斧形齿二、单齿压入实验单齿压入实验采用静载压入的方式进行，选取楔形齿和锥形齿作为对比齿型，实验岩样选取具有软硬代表性的砂岩和灰岩，载荷加载至岩石发生脆·11·第40卷第1期Vol.40No.1钻采工艺DＲILLING＆PＲODUCTIONTECHNOLOGY
【作者单位】： 西南石油大学机电工程学院;油气钻井技术国家工程实验室;西南交通大学机械工程学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(批准号:51374176;51304168) 中国石油天然气集团公司科技项目(编号:2013E-3804)
【分类号】：TE921.1

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本文编号：2523891