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1、冲击压碎作用
牙轮钻头在井底工作时,轮齿对岩石的冲击压碎作用,是牙轮钻头破碎岩石的主要方式。旋转钻头时,牙齿以一定速度冲击压入岩石,这一破碎方式与静压入破碎试验特点相似,牙齿压入岩石需要足够的比压与接触时间。加给钻头的钻压为静压部分;冲击载荷是由钻头在井底旋转时产生纵振,下部钻柱把这种周期的弹性变形能传递给牙轮而产生的,这就是钻头破碎岩石时牙齿冲击压力的来源。加大钻头牙齿对地层的冲击压力,就能提高破碎岩石的效率。
2、滑动剪切作用
在塑性较高的岩石中,除了要求牙齿对井底岩石有冲击压碎作用外,还要求牙齿对地层有一定的滑动作用,使牙齿对岩石进行剪切,以扩大岩石的破碎效果,这一点在软地层钻进时显得很重要。使牙轮在井底滚动时产生滑移的措施有超顶、复锥和移轴。
(1)超顶。超顶就是指牙轮的锥顶超过钻头的中心线。锥顶超过中心线的距离叫做超顶距。超顶距越大滑动量就越大,超顶在切线方向上产生了滑动,剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之间的岩石。
(2)复锥。复锥导致牙轮在切线方向产生滑动,同超顶一样也剪去了牙轮每个齿圈上齿与齿之间的岩石。
(3)移轴。移轴就是指牙轮轴线相对于钻头轴线平移了一段距离。这段距离叫做移轴距。如果移轴距越大,牙轮的滑动量就越大,剪切作用也就越大,移轴使牙齿产生了轴向滑动,剪去了牙轮上齿圈之间的岩石。
江汉三牙轮钻头的破岩机理
3、牙齿本身的剪切作用
牙齿在轴向压力(钻压)的作用下吃入岩石时,牙齿的楔形面就对与其接触的岩石产生了一个水平剪切力,岩石沿剪切面发生了剪切破碎,随着牙齿的移动而将已破碎的岩石剔出,这就是牙齿本身对岩石的剪切作用。