關(guān)于切削型多節(jié)式刮刀鉆頭的分析研究

湯鳳林 ，沈中華，段隆臣，柳少青，孫環(huán)平，Чихоткин В.Ф.

(1.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174；2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

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關(guān)于切削型多節(jié)式刮刀鉆頭的分析研究

湯鳳林1,2，沈中華1，段隆臣2，柳少青1，孫環(huán)平1，Чихоткин В.Ф.2

(1.無錫鉆探工具廠有限公司，江蘇 無錫 214174；2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

刮刀(翼片)鉆頭在泥巖和頁巖等軟地層中可以得到高的機(jī)械鉆速和長的鉆頭進(jìn)尺，但是在硬地層和軟硬交錯(cuò)地層，特別是在研磨性地層中，鉆進(jìn)效率低，鉆頭磨損快，鉆頭壽命受到影響。俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)Третьяк А.Я.教授研制出了一種切削型兩節(jié)式Д-2ВВ鉆頭。這種鉆頭包括2個(gè)圓錐形回轉(zhuǎn)節(jié)：領(lǐng)眼鉆進(jìn)部分回轉(zhuǎn)節(jié)和井筒形成部分回轉(zhuǎn)節(jié)，彼此獨(dú)立、布置同軸，通過行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可以按不同(相反)方向回轉(zhuǎn)，保證鑲有數(shù)個(gè)PDC復(fù)合片切削具的刀翼，不論其處于如何位置，在單位時(shí)間內(nèi)行走的路程都是相同的，所以磨損是均勻的，因而提高了耐磨性，提高了鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。該項(xiàng)技術(shù)取得了俄羅斯發(fā)明專利。

刮刀鉆頭；磨損；行星齒輪機(jī)構(gòu)；切削具耐磨性；鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

在鉆探工程中，特別是在石油天然氣鉆井中，刮刀(翼片)鉆頭，由于結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，在泥巖和頁巖等軟地層中可以得到高的機(jī)械鉆速和長的鉆頭進(jìn)尺，得到了廣泛應(yīng)用。但在硬地層和軟硬交錯(cuò)地層，特別是在研磨性地層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)效率低，鉆頭磨損快，鉆頭壽命受到影響，影響了使用和發(fā)展[1-7]。

一般在設(shè)計(jì)和制造刮刀鉆頭時(shí)，既要考慮鉆頭有高的破碎巖石效率，提高機(jī)械鉆速，又要考慮鉆頭具有一定的耐磨性，使鉆頭獲得較高的鉆頭進(jìn)尺。因此，如何保證鉆頭能在工作過程中各部分磨損均勻，具有等耐磨性是一個(gè)重要問題[8-12]。

俄羅斯南方國立技術(shù)大學(xué)Третьяк А.Я.教授團(tuán)隊(duì)通過多年研究研制出了一種切削型兩節(jié)式Д-2ВВ鉆頭。這種鉆頭分為兩節(jié)：領(lǐng)眼鉆進(jìn)部分回轉(zhuǎn)節(jié)和井筒形成部分回轉(zhuǎn)節(jié)，這兩個(gè)部分的回轉(zhuǎn)節(jié)通過行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可以按不同(相反)方向回轉(zhuǎn)。這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以保證具有數(shù)個(gè)PDC切削具的刀翼，不論其處于如何位置，在單位時(shí)間內(nèi)行走的路程都是相同的，所以磨損是均勻的，因而提高了耐磨性，提高了鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[13-14]。

試驗(yàn)研究表明，尖刃切削具鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石(普氏系數(shù)f=8.0～11.5)時(shí)，機(jī)械鉆速Vm可達(dá)1 m/min，進(jìn)尺L=200 m。但是，在n=150～200 r/min時(shí)，外緣切削具切削速度不應(yīng)大于臨界速度:V切削≤V臨界，否則鉆頭切削具會(huì)產(chǎn)生毀壞性磨損(見圖1)[13-14]。

圖1 臨界切削速度V臨界與巖石具體強(qiáng)度PK的關(guān)系曲線(硬質(zhì)合金ВК8В)

1 問題的提出和設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生

俄羅斯科研人員試驗(yàn)研究使用的是БИ741А切削具對接觸強(qiáng)度為1776 MPa、研磨性為15.3 mg的砂巖，在軸載力為8、12、16、20、24和28 kN、回轉(zhuǎn)速度為90、155、280和435 r/min條件下，進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)研究。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了處理，步驟如下：

(1)對每個(gè)轉(zhuǎn)速n(r/min)計(jì)算切削具每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的時(shí)間T(s):T=60n-1;

(2)對每一個(gè)軸載值P軸(kN),根據(jù)曲線圖確定切削具每轉(zhuǎn)的進(jìn)尺值S(mm/r);

(3)對每一個(gè)S、T和確定的P軸，計(jì)算機(jī)械鉆速V機(jī)械(mm/s):V機(jī)械=S/T。

其結(jié)果如圖2所示。

1—n=90 r/min；2—n=155 r/min；3—n=280 r/min；4—n=435 r/min

圖2 切削具給進(jìn)值S與軸載P軸和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線[13-14]

在圖2中表的下部給出了P軸=28 kN時(shí)的切削具回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的時(shí)間T、每轉(zhuǎn)進(jìn)尺S和V機(jī)械值。從這些數(shù)值可見，鉆進(jìn)硬巖時(shí)，在軸載P軸一定情況下，在給定每轉(zhuǎn)進(jìn)尺條件下，機(jī)械鉆速V機(jī)械幾乎是不變的(7.6～7.9 mm/s)，是個(gè)常數(shù)，并與回轉(zhuǎn)速度n無關(guān)。在鉆進(jìn)試驗(yàn)接觸強(qiáng)度為960和1270 MPa的巖石時(shí)，也得到了類似的結(jié)果[13-14]。這個(gè)結(jié)果很有啟發(fā)，利用這個(gè)結(jié)果，可以研制出鉆頭上的切削刀翼可以有不同轉(zhuǎn)速，但是能夠保持機(jī)械鉆速不變的鉆頭來，由此形成了新鉆頭的設(shè)計(jì)思想。

2 Д-2ВВ鉆頭設(shè)計(jì)及其組成

現(xiàn)以兩節(jié)式切削型Д-2ВВ鉆頭為例說明如下(鉆頭模型見圖 3)[13-14]。

參見圖4，兩節(jié)式切削型Д-2ВВ鉆頭包括有鉆頭體1和切削刀翼2和3，每個(gè)刀翼的正面都是傾斜的，其上分別鑲有高耐磨性的PDC切削具4、4′、4″和5、5′、5″,在垂直投影平面上的投影呈折線形狀。在鉆頭體1上，裝有兩個(gè)圓錐形、相對獨(dú)立的領(lǐng)眼鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)節(jié)6和井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)7，它們可以按相反方向回轉(zhuǎn)。在這種情況下，遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心線的切削具的切削速度將是相等的，或最大接近臨界速度值，但又不超過臨界值[15-18]。

圖3 Д-2ВВ鉆頭模型

圖4 Д-2ВВ鉆頭兩個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)剖面圖

回轉(zhuǎn)節(jié)6是通過井底動(dòng)力機(jī)(未示出)和裝在鉆頭體上行星齒輪傳動(dòng)裝置進(jìn)行回轉(zhuǎn)的(見圖5)?；剞D(zhuǎn)節(jié)6以角速度ω1向右回轉(zhuǎn)(見圖6)。

圖5 鉆頭2個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)逆向回轉(zhuǎn)的行星齒輪傳動(dòng)圖

當(dāng)回轉(zhuǎn)節(jié)6的刀翼2以角速度ω1回轉(zhuǎn)并使鉆頭做軸向向下給進(jìn)時(shí)，開始鉆進(jìn)，隨著鉆進(jìn)，把井眼直徑擴(kuò)大到邊緣切削具4″和5″位置決定的d。由于回轉(zhuǎn)節(jié)6上的刀翼正面鑲有PDC復(fù)合片切削具4、4′、4″和回轉(zhuǎn)節(jié)7上的刀翼鑲有PDC切削具5、5′、5″,而且它們距離回轉(zhuǎn)中心線的距離不同，所以切削速度隨著切削具遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心線而增加，近于達(dá)到由巖石硬度和切削具耐磨性決定的切削速度臨界值。

圖6 鉆頭2個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)逆向回轉(zhuǎn)時(shí)俯視圖

雙節(jié)式鉆頭機(jī)械鉆速取決于領(lǐng)眼鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)節(jié)6的可能鉆進(jìn)速度：

V機(jī)械=Sn×nn=Sn/Tn

式中：V機(jī)械——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)的機(jī)械鉆速，mm/s；Sn——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)每轉(zhuǎn)的給進(jìn)量，mm/r；nn——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)的轉(zhuǎn)速，r/s；Tn——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)每轉(zhuǎn)的時(shí)間，s。

在領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)6回轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間Tn內(nèi)，整個(gè)鉆頭完成軸向移動(dòng)Sn，而形成井筒回轉(zhuǎn)節(jié)7的每一個(gè)刀翼3，在此時(shí)間內(nèi)只完成自己回轉(zhuǎn)一圈的一部分(見圖6)，以機(jī)械鉆速V機(jī)械的速度破碎厚度為h=Sn的巖石。

為了在Tn時(shí)間內(nèi)，井底形成回轉(zhuǎn)節(jié)7能夠破碎整個(gè)井底，必須使這個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)的刀翼數(shù)量z為：

z≥πD/πd

式中：z——井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)的刀翼數(shù)量；D——井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)的最大直徑，mm;d——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)的最大直徑，mm。

臨界切削速度V臨界是切削型鉆頭在堅(jiān)硬巖石中應(yīng)用范圍的主要限制。在轉(zhuǎn)速為nn時(shí)，鉆頭切削具切削速度達(dá)到臨界切削速度時(shí)的鉆頭直徑稱為臨界直徑d。

切削速度V切削(m/s)等于：

V切削=πdnn/(1000×60)≤V臨界

式中：V切削——切削速度，m/s；nn——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)轉(zhuǎn)速，r/s;d——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)最大直徑，mm；V臨界——臨界切削速度，m/s。

領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)6是多節(jié)式鉆頭受極限直徑限制的鉆頭組成部分。

繼續(xù)增加鉆頭直徑時(shí)，切削具4、4′、4″將被損壞。為使切削具4、4′、4″不被損壞，距回轉(zhuǎn)中心線最遠(yuǎn)的切削具4″的切削速度不應(yīng)超過極限切削速度。

以角速度ω2回轉(zhuǎn)的井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)7的回轉(zhuǎn)，是通過位于鉆頭上方的行星減速器完成的。井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)7固定在減速器的導(dǎo)桿上，通過棘輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。如果回轉(zhuǎn)的棘輪軸固定在行星減速器不動(dòng)殼體上，則回轉(zhuǎn)節(jié)7以較小的轉(zhuǎn)速向左回轉(zhuǎn)，因?yàn)閕=Zb/Za(其中：i為行星減速器的傳動(dòng)比；Zb為行星減速器內(nèi)齒圈的齒數(shù)；Za為行星減速器中心齒輪的齒數(shù)。見圖5和圖6)。

在下一個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)(井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié))7切削刀翼3上的切削具5、5′、5″ ，以角速度ω2回轉(zhuǎn)時(shí)，這些切削具應(yīng)與領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)6上與其對應(yīng)的切削具具有同樣的切削速度，即：

V切削=πdnn/(1000×60)=πDnc/(1000×60)≤V臨界

式中：V切削——切削速度，m/s；nn——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)轉(zhuǎn)速，r/s;nc——井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)轉(zhuǎn)速，r/s;d——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)最大直徑，mm；D——井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)最大直徑，mm；V臨界——臨界切削速度，m/s。

所以，井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)7的轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：

nc=(d/D)nn

式中：nc——井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)轉(zhuǎn)速，r/s;d——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)最大直徑，mm；D——井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)最大直徑，mm；nn——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)轉(zhuǎn)速，r/s。

在與領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)6完成完整一轉(zhuǎn)時(shí)間相應(yīng)的時(shí)間Tn內(nèi)，在(井筒形成)回轉(zhuǎn)節(jié)7上，距回轉(zhuǎn)節(jié)中心線最遠(yuǎn)的切削具，只走過大直徑D井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)7回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的一部分路程(見圖 6)，即：

L≤πd

式中：L——回轉(zhuǎn)節(jié)7上切削具走過的距離，mm;d——領(lǐng)眼回轉(zhuǎn)節(jié)最大直徑，mm。

在這種情況下，切削速度不會(huì)超過臨界切削速度[15-18]。

如果需要，可以把棘輪的軸固定在減速器的回轉(zhuǎn)部分(導(dǎo)桿)上，則鉆頭的回轉(zhuǎn)節(jié)6和7以不同的轉(zhuǎn)速同向(向右)回轉(zhuǎn)(i=1+Zb/Za，式中i為行星減速器的傳動(dòng)比；Zb為行星減速器內(nèi)齒圈的齒數(shù)；Za為行星減速器中心齒輪的齒數(shù))，參見圖7和圖8[18]。

圖7 2個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)同向回轉(zhuǎn)時(shí)的鉆頭俯視圖

圖8 2個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)同向回轉(zhuǎn)時(shí)的行星齒輪傳動(dòng)圖

鉆頭在井底進(jìn)行如下工作：鉆井液通過沖洗液泵出來，經(jīng)過鉆桿柱、井底動(dòng)力機(jī)、行星齒輪減速器和切削式鉆頭到達(dá)井底，冷卻回轉(zhuǎn)的鉆頭，把巖粉排送到地表。同時(shí)，鉆頭通過井底動(dòng)力進(jìn)行回轉(zhuǎn)。在鉆頭上方有行星齒輪減速器存在，可以使鉆頭的2個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)向相反方向回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與其直徑成反比。

這種鉆頭結(jié)構(gòu)具有創(chuàng)新性質(zhì)，已獲俄羅斯發(fā)明專利，專利號為№2310732 。經(jīng)俄羅斯南方地質(zhì)公司批準(zhǔn)，在卡爾梅吉亞共和國希爾-胡杜克地區(qū)奧列格夫礦區(qū)推廣使用，用這種鉆頭打了22口井，按照全俄鉆井技術(shù)研究所的計(jì)算方法，每個(gè)鉆頭的經(jīng)濟(jì)效益為27.5萬盧布[13-14]。

3 討論和建議

根據(jù)上述情況可以做如下討論和建議。

(1)試驗(yàn)研究表明，切削具鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石時(shí)，切削具切削(破碎巖石)速度不應(yīng)大于臨界速度:V切削≤V臨界，否則鉆頭切削具會(huì)產(chǎn)生毀壞性磨損。

(2)俄羅斯研究人員得到的結(jié)果表明，在用刮刀鉆頭鉆進(jìn)硬巖時(shí)，在軸載P軸一定情況下，在給定每轉(zhuǎn)進(jìn)尺條件下，機(jī)械鉆速V機(jī)械幾乎是不變的(7.6～7.9 mm/s)，是個(gè)常數(shù)，并與回轉(zhuǎn)速度n無關(guān)。這個(gè)結(jié)果很有啟發(fā)，可以在保證機(jī)械鉆速不變的情況下，來改變鉆頭不同部分的回轉(zhuǎn)速度[13-14]。

(3)Д-2ВВ鉆頭包括有鉆頭體和切削刀翼。在鉆頭體上，裝有2個(gè)圓錐形回轉(zhuǎn)節(jié)：相對獨(dú)立回轉(zhuǎn)的領(lǐng)眼鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)節(jié)和井筒形成回轉(zhuǎn)節(jié)，采用的行星齒輪減速器傳動(dòng)可以使其按相反方向回轉(zhuǎn)(i=Zb/Za，其中i為行星減速器的傳動(dòng)比；Zb為行星減速器內(nèi)齒圈的齒數(shù)；Za為行星減速器中心齒輪的齒數(shù))。通過改變Zb和Za來改變傳動(dòng)比并合理設(shè)計(jì)和計(jì)算出了2個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)直徑D和d的大小，保證了鑲有幾個(gè)切削具的各個(gè)刀翼，不管它們在哪個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)上，切削速度都是相同的，實(shí)現(xiàn)了等機(jī)械鉆速的鉆進(jìn)工藝[15-18]。

(4)Д-2ВВ鉆頭由于采用的行星齒輪減速器傳動(dòng)并合理設(shè)計(jì)和計(jì)算確定了回轉(zhuǎn)節(jié)的直徑D和d，可以使2個(gè)回轉(zhuǎn)器按相反方向回轉(zhuǎn)，可以得到相同的切削速度，所以在單位時(shí)間內(nèi)走過的切削路程都是一樣的，走過的摩擦路程也是相同的，鉆頭各個(gè)部分的磨損強(qiáng)度是相同的，實(shí)現(xiàn)了等磨損的設(shè)計(jì)思想。

(5)Д-2ВВ鉆頭由于采用的行星齒輪減速器傳動(dòng)，可以使2個(gè)回轉(zhuǎn)器按相反方向回轉(zhuǎn)，在這種情況下洗井時(shí)，在井底容易形成紊流流型地帶，有利于比較快速和高質(zhì)量地排除井底巖粉，冷卻鉆頭，潤滑鉆具和保護(hù)井壁。

(6)Д-2ВВ鉆頭采用的行星齒輪減速器傳動(dòng)可以使鉆頭2個(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)逆向回轉(zhuǎn)，有利于平衡井底破碎巖石時(shí)巖石對鉆頭的反力力矩，可以減小井眼偏斜。

(7)鉆井時(shí)使用Д-2ВВ鉆頭可以降低鉆頭回轉(zhuǎn)阻力的力矩和給進(jìn)壓力的阻力力矩，有利于有效破碎井底巖石，從而提高了鉆頭的機(jī)械鉆速。

總之，Д-2ВВ鉆頭由于采用的行星齒輪減速器傳動(dòng)并合理設(shè)計(jì)和計(jì)算確定出了回轉(zhuǎn)節(jié)的直徑D和d的大小，所以排除巖粉情況改善了，機(jī)械鉆速提高了，實(shí)現(xiàn)了等磨損強(qiáng)度設(shè)計(jì)，提高了鉆頭進(jìn)尺，鉆探技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高了，并在生產(chǎn)中得到了證實(shí)。這種鉆頭具有創(chuàng)新性質(zhì)，值得研究，建議試驗(yàn)。

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[15] Способ бурения направленных скважин:俄羅斯,2306399[P].

[16] Буровой инструмент:俄羅斯,2246603[P].

[17] Алмазная коронка для бурения:俄羅斯,148333[P].

[18] Многоярусное долото режущего типа:俄羅斯,2310732[P].

Analytical Research on Cutting Type Multitier Wing Bit/

TANGFeng-lin1,2,SHENZhong-hua1,DUANLong-chen2,LIUShao-qing1,SUNHuan-ping1,CHIKHOTKINV.F.2

(1.Wuxi Drilling Tools Factory Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214174, China; 2.China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China)

In drilling engineering, especially in petroleum and gas drilling, the wing bit is widely used due to its simple design and easy manufacture, good penetration rate and long footage in soft formations drilling, such as clay and shale formations. However in hard and soft-hard interbedded formations, especially in abrasive formation drilling, its penetration rate is low and rapid bit wear influence its service life.Третьяк А.Я ., who is a professor of South-Russian State Technical University, has worked out a cutting type two-tier wing bit Д-2ВВ, two conic rotating tiers are mounted on the bit body for pilot drilling and well drilling (not depending on each other and located at the same axis of rotation), driven by planetary gearing transmission mechanism. They can rotate in different (opposite) directions to guarantee that the cutter wings with several PDC composite plates passing the same distance in unit time, no matter where they are. In this case, the bit wear resistance is improved by uniform bit wear with improved technical and economic indexes of drilling. This technology has obtained the Russia invention patent.

wing bit; wear; planetary gear mechanism; wear resistance of cutting elements; technical and economic indexes of drilling

2017-03-16

江蘇省江蘇雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(編號：蘇人才辦[2014])27號)

湯鳳林，男，漢族，1933年生，教授，博士生指導(dǎo)教師，俄羅斯工程院院士，俄羅斯自然科學(xué)院院士，國際礦產(chǎn)資源科學(xué)院院士，探礦工程專業(yè)，從事探礦工程方面的教學(xué)和科研工作，湖北省武漢市魯磨路388號中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，fltang_wuhan@aliyun.com。

P634.4+1

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1672-7428(2017)06-0088-05