| 单词 | 牙轮钻头 |
| 释义 | 【牙轮钻头】 拼译：roller bit，cone bit 是钻井用的一种破碎岩石打出井眼的工具。其特点是有几个外表面有牙齿的锥状牙轮，其内孔套在小轴颈上可自由转动。小轴颈则固定在钻头体上随之被钻杆驱动而旋转。这2种运动造成的复合运动使牙轮在井底上滚转。轮面上的牙齿依次压入并刮切井底岩石达到钻进的目的。 1909年美国H．R．Hughes发明的世界上第2个牙轮钻头，是两个单锥钢齿牙轮通过滑动轴承装在小轴上，小轴焊在钻杆接头上。其特点是能用旋转钻打较硬的岩石(很软的岩石可用刮刀钻头打，更硬的岩石在当时只能用顿钻)。但这种初期的牙轮钻头很易泥包，所以用者甚少。1925年出现了牙齿交错的自洁式钻头。其特点是一个牙轮的齿圈伸入到另一个牙轮齿圈间的空槽里，互相“剔牙”，可大大减少泥包，可以打软硬交错地层。但滑动轴承在泥浆里很不耐磨，影响进一步推广。1932～1933年连续发生两大革新：(1)用滚动轴承代替滑动轴承；(2)用三牙轮代替两牙轮。前者延长了轴承的寿命，后者充分利用井底宝贵的空间，增加了牙齿总数和对井底的覆盖率，使齿面寿命和钻进速率都有显著增长。不久，牙轮钻头在较深的硬地层很快取代了顿钻，但在软地层中钻速太慢竞争不过刮刀钻头。1935年移轴式三牙轮钻头问世。其特点是牙轮轴线与钻头轴线不相交而是错开数毫米，这使牙齿在压入井底的同时具有较大的刮切作用，使钻进速度增加。而且，不同结构参数的组合会导致牙齿不同运动方式的组合，从而增加规格品种，扩大了适用地层的范围。到了50年代，牙轮钻头的使用量终于超过了刮刀钻头，成为主要的破岩钻井工具。当时牙轮钻头的典型结构是：滚动轴承，钢锻制的牙爪和牙轮，耐磨表面渗碳淬火，牙轮体外廓铣出牙齿，齿表面堆焊碳化钨粉末。硬地层钻头用单锥、不移轴、不自洁式；软和中等地层用复锥、移轴、自洁式。3个低速水眼向3个牙轮喷钻井液，主要用来清洗牙轮防止泥包。50～70年代，美国牙轮钻头有4项革新。第1个革新是，采用可在现场选装的硬质合金喷嘴，使高速液流直接喷射井底，其作用是破坏井底泥饼和岩屑组成的垫层，使钻速增加。到60年代中期，老式水眼的钻头基本被淘汰。第2个革新是硬质合金镶齿于1951年第1次出现，当时主要是针对钢齿打不动的特硬岩石。后来逐步发展到1981年休斯公司J11钻头推入市场才使硬质合金镶齿应用到最软地层。第3和第4个革新是储油补偿密封系统和滑动轴承。原来滚动轴承寿命短到几小时，最长也不过20～30h，根源是接触应力大和砂粒侵入。用密封环隔绝泥浆当然很理想，但是在如此窄小空间里用耐数十兆帕的高压密封装置是不可想象的。60年代初，储油补偿系统首次试验，滚动轴承的概率寿命大增，但很不稳定，密封失效的概率几近一半。于是有关密封轴承系统的专利纷纷出台，各公司都做了大量试制试验工作。到70年代初，密封储油滑动轴承系统开始占优势。综合以上4项革新的新型钻头，在70年代中后期大量进入中国钻井界，被俗称为“四合一”钻头。这是当前国内外生产和使用的主要品种。滚动轴承、钢齿、不密封轴承都退居次要地位。长期以来，牙轮钻头的工作理论一直停留在定性不定量的阶段。各零部件的载荷、运动和应力以及钻头的性能都无法计算，甚至有许多参数无法测量。美国H．G．Bentson在1956年发表的文章《牙轮钻头的设计、选择和评估》是这种定性工作理论的代表作。其中的主要观点和方法一直沿用到70、80年代。在50、60年代的前苏联书刊上曾发表过不少研究牙轮钻头的文章，有理论的也有实验的。可是，这些理论都是在过份的简化条件下建立的，离实际太远以致无应用价值。实验研究也总是把复杂的多因素问题随便简化为单因素影响的实验，结果也没有定量应用价值。其中含有一些有用的研究成果，大多包含在K．E．科尔涅夫和П．А巴里所编的《钻头手册》中。一直到80年代中期，牙轮钻头的设计依据主要还是长期使用经验的积累而形成的各种规范和经验数表。各钻头厂对此视为至宝，从不发表，而且绝不转让。1980年中国马德坤提出研究牙轮钻头工作力学——即几何学、运动学、动力学和岩石破碎力学的综合，把牙轮钻头的发展推到新阶段的建议。1983年美国Reed公司一批人也透露了他们有类似的打算。1982年马德坤、杨世良发表了牙轮钻头几何学和运动学的基本方程组，不久，荷兰E．I．Umez-Eronini在美国杂志上也发表了牙轮钻头几何学基本方程。前者用双重圆柱产标系比后者用三重直角座标系更为简明而实用。1985年马德坤发表了更加全面的牙轮钻头工作理论，而且首次提出触底齿数问题、刮切方向问题和钻头牙齿在井底运动轨迹图的绘制。首次把计算机技术应用在牙轮钻头的设计计算中。接着马德坤所在的西南石油学院钻头研究室在中国石油天然气总公司(原石油部)支持下联合了许多单位开展综合性的研究工作，终于在1991年完成了一整套有中国特色的牙轮钻头破岩机理研究和钻头设计的配套技术体系。用这套技术已经为多家工厂设计出能用国产材料、国产机器设备制造的有国际先进水平的牙轮钻头，大大减轻了对经验的依赖程度。这套技术体系的中心思想是把牙轮钻头的工作行为和钻头与岩石间的互作用关系分解为各齿圈的工作行为。把单元物理模拟试验和总体的计算机仿真试验结合起来，代替过去完全用实物的试凑试验过程。从而大大深化了人们对钻头破岩过程的认识，提高了钻头设计的速度和质量。【参考文献】：1 Bentson H G．Presewted at He spring meeting of the Pacific Coast Division of Production，Los Angeles，1956，52 Кoрнеев К Е，Паий П．А．Издатеьство HEДPA Mосквa，19643 马德坤，杨世良．牙轮伦头运动学的新研究．北京第1次国际石油工程会议论文集，1982，34 Ma Dekun，Azar J J．Journal of Energy Resources Technology．1985，125 马德坤，侯季康．设计牙轮伦头的新方法．北京第4次国际石油工程会议论文集(第1册)，1992，3(西南石油学院博士生导师马德坤教授撰) |
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