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单牙轮钻头的特点研究与运用

2015/7/21 18:35:27点击:
目前,单牙轮钻头的牙齿使用的是三牙轮钻头的牙齿。由于单牙轮钻头的结构、运动规律和破岩方式与三牙轮钻头有很大区别,使得单牙轮钻头特有的作用及潜力受到限制。建立了单牙轮钻头的坐标系,推导出几何公式,并引入有向距离的概念对单牙轮钻头的牙齿进行研究。根据等磨损原理,提出适用于单牙轮钻头的结构特点和运动规律的牙齿齿形,并提出新的布齿方案,即,在牙轮工作面的永远接触区域内使用轴对称的牙齿;在轮换接触区域内使用椭圆形牙齿。单牙轮钻头是小井眼钻井的重要工具。
单牙轮钻头比三牙轮钻头更适用于强度和塑性同时都大的地层,同时又能适用于 PDC钻头难于对付的硬夹层和其他复杂地层,且结构简单,轴承空间大,使用平安可靠,钻头尺寸容易小型化,现场使用效果良好。根据施工中出现的各种问题,对单牙轮钻头的轴承、牙齿、牙轮掌背及流道进行了强化处置和改进,改进后的单牙轮钻头在小井眼钻井的应用中获得了极大胜利,克服了以前单牙轮钻头的各种缺陷,消除了单牙轮钻头牙齿易掉落、掌背易刺穿、过多的起下钻以及钻井利息较高等问题,现场应用效果良好,能够提高侧钻井机械钻速,缩短钻井周期,从而降低钻井本钱,即可应用于增斜钻进,更适合稳斜钻进,更适用于小井眼钻井。

现在侧钻井常用的小尺寸钻头主要有三牙轮钻头PDC钻头和单牙轮钻头。其中,三牙轮钻头最明显的缺点是轴承尺寸小,主要靠冲击、压碎和小距离刮挤方式破岩,钻头接触井底的牙齿数变化大,牙齿受力不均匀,轴承使用寿命短; PDC钻头由于受结构和工作原理的限制,不只工作时扭矩较大,牙齿的冲洗和冷却困难,而且它对地层岩性的敏感性较强,不适合钻进砾石地层和软硬交错的地层。

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单牙轮钻头是小井眼钻井的重要工具。对单牙轮钻头在井底工作过程中的受力进行了分析,在此基础上建立了单牙轮钻头所受阻力矩计算模型,该模型反映了钻压、钻头尺寸、岩石性质等因素对阻力矩的影响。建立了单牙轮钻头动力学基本方程,该方程真实描述了钻头的受力与运动情况,即钻压越大,钻头阻力矩则越大,钻头转速则越低;反之,钻压越小,钻头阻力矩也越小,钻头转速则越高。单牙轮钻头的阻力矩计算模型和动力学基本方程对小井眼钻井中的钻柱设计具有重要的参考价值。