導(dǎo)孔鉆頭在礦井的運(yùn)動(dòng)
- 發(fā)布時(shí)間:2024-10-18
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在煤礦鉆井中,牙輪鉆頭能適應(yīng)各種地層的鉆井,是主要的破巖工具之一。牙輪鉆頭在礦井工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。國(guó)內(nèi)外對(duì)牙輪鉆頭的工作原理,論研究或?qū)嶒?yàn)研究方面都作了大量的工作,這些研究成果為鉆頭的設(shè)計(jì)使用提供了依據(jù)。
三牙輪鉆頭在礦井的運(yùn)動(dòng),決定牙輪與牙齒的運(yùn)動(dòng),也就直接決定牙齒對(duì)地層巖石的破碎作用。因此,在了解鉆頭破碎巖石的工作原理之前,首先應(yīng)了解鉆頭在礦井的運(yùn)動(dòng)。
1.鉆頭的公轉(zhuǎn)
鉆頭牙輪繞鉆頭軸線作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)稱為鉆頭的公轉(zhuǎn)。鉆頭公轉(zhuǎn)的速度就是轉(zhuǎn)盤或井下動(dòng)力鉆具的旋轉(zhuǎn)速度。鉆頭公轉(zhuǎn)時(shí),牙輪繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn),牙輪上各排牙齒繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的線速度不同,外排齒的線速度最大。
2.鉆頭的自轉(zhuǎn)
鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí),沿著從牙輪底平面到牙輪尖部的方向看,牙輪繞自身的軸線作反時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)稱自轉(zhuǎn)。牙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是巖石對(duì)牙齒的吃入破碎作用產(chǎn)生反作用的結(jié)果。牙輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的影響因素有公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、鉆頭結(jié)構(gòu)、齒面結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)和巖石性質(zhì)等。一般情況下,牙輪自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速比鉆頭公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速快。把牙輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與鉆頭公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之比稱為輪頭比,輪頭比的值一般在1-1.5之間。
3.鉆頭的縱振(軸向振動(dòng))
鉆頭工作時(shí),對(duì)一個(gè)牙輪而言,牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交替進(jìn)行的。單齒著地時(shí),牙輪的輪心處于最高位置,雙齒著地時(shí)那么輪心下降。牙輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,輪心位置不斷上下變換,使鉆頭沿軸向作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),這就是鉆頭的軸向振動(dòng)。縱振振幅就是輪心的垂直位移,它與牙齒的齒高、齒距等鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)及巖性有關(guān)。在軟地層,牙齒吃入深、振幅小,硬地層那么振動(dòng)加劇。振動(dòng)的頻率與牙輪齒數(shù)及牙輪轉(zhuǎn)速成正比。在旋轉(zhuǎn)鉆井中,鉆頭縱振頻率一般為100一500次/min。
止匕外,由于井底不平,鉆頭產(chǎn)生振幅較大的低頻振動(dòng)。據(jù)國(guó)外資料介紹,低頻振動(dòng)的振幅就是井底凹凸局部的高差,一般為10mm左右,頻率低于50次/min。低頻縱振對(duì)鉆頭是不利的因素,在硬地層中會(huì)造成跳鉆。牙輪鉆頭的縱振是上述兩種振動(dòng)之和,它構(gòu)成了牙齒的沖擊壓入作用,破碎巖石,提高破碎效率。
4.橫向振動(dòng)
所謂橫向振動(dòng),就是沿著垂直于鉆頭軸線方向的振動(dòng)。造成鉆頭橫向振動(dòng)的因素很多,包括鉆頭與巖石互作用、鉆柱的彎曲變形,鉆柱的偏心旋轉(zhuǎn),鉆柱質(zhì)量分布不均勻、地層傾角以及井底巖石性質(zhì)差異等等。鉆頭的橫向振動(dòng)對(duì)鉆柱的橫向振動(dòng)有直接的影響,也是造成鉆頭失效的重要原因。
5.扭轉(zhuǎn)振動(dòng)
鉆頭的周期性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致扭矩成周期性變化,引起鉆頭周期性的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主要由鉆頭的粘滑運(yùn)動(dòng)造成的,即鉆頭旋轉(zhuǎn)速度變化很大,在某一瞬時(shí)鉆頭可能靜止不動(dòng),過(guò)一段時(shí)間后便以數(shù)倍于平均轉(zhuǎn)速的速度旋轉(zhuǎn),這樣就會(huì)引起鉆頭的失效,也可能引起鉆柱的早期疲勞破壞。因此應(yīng)盡量防止鉆頭出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
6,牙輪的滑動(dòng)
破碎不同類型巖石,對(duì)鉆頭要求不同的滑動(dòng)量,可通過(guò)設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)采用不同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)獲得。對(duì)于一個(gè)牙輪而言,不同位置的齒排的滑動(dòng)方向是不同的。外排齒及靠近外排齒的齒排,一般是正向滑動(dòng)(假設(shè)鉆頭旋轉(zhuǎn),而牙輪不自轉(zhuǎn)時(shí),牙齒在井底的滑動(dòng)就是正向滑動(dòng)):牙輪尖部的齒排及靠近牙輪尖部的齒排一般是負(fù)向滑動(dòng);而在外排齒與尖部齒排之間的某個(gè)中間齒排或虛擬齒排做純滾動(dòng)o一般情況下,軟地層鉆頭應(yīng)具有較大的滑動(dòng)量,硬地層鉆頭應(yīng)盡量減少或不產(chǎn)生滑動(dòng),防止牙齒早期損壞。但是,由于鉆頭工作時(shí),牙輪與牙掌軸頸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)總是存在摩擦阻力等原因,即使設(shè)計(jì)的是純滾動(dòng)鉆頭,實(shí)際鉆進(jìn)中仍然存在著滑動(dòng)。對(duì)純滾動(dòng)鉆頭作室內(nèi)模擬試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)約有20%的滑動(dòng)量。上述幾種運(yùn)動(dòng)是牙輪鉆頭在井下工作時(shí)同時(shí)發(fā)生的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。實(shí)際鉆進(jìn)時(shí),還有整個(gè)鉆頭的向下運(yùn)動(dòng),其向下運(yùn)動(dòng)的速度就是鉆頭鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速。