牙轮钻头早期损坏的原因分析及解决办法

牙轮钻头早期损坏的原因分析及解决办法

赵红卫 桑宏江

内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司内蒙古包头市 014080

摘要：深层地层岩石可钻性差、研磨性强、硬度高。而且在纵向上砂泥岩互层且存在砾石层，钻进困难且跳钻严重，影响钻头和钻具使用寿命。该地区深层牙轮钻头损坏的主要形式表现为齿磨、掉齿、断齿、牙轮卡死和外径磨损等。

关键词：牙轮钻头；早期损坏；原因分析；解决办法

前言

随着我国经济建设不断进步发展，我国矿产资源产量也在加速开采发掘中得到进一步提高。牙轮钻头是开展开采作业过程中最关键的核心组件之一，其主要作业关键指标是轴压、转速和排碴风量。从单个组件成本消耗方面来说，牙轮钻头在作业过程中所消耗的资金量大约是整个钻孔开采过程总量的50%以上，所以说钻头有效工作周期的长短对于整台牙轮钻机的经济性有决定性的作用。牙轮钻头的工作环境恶劣，很容易在开展钻孔的作业中产生故障、问题，据不完全统计数据，牙轮钻机排碴风量对整个牙轮钻头的使用寿命影响最大。甘肃镜铁山矿业有限公司长期使用的有KY-250D和KY310B两种型号牙轮钻机，下面主要以KY-250D为主要研究对象来进行探析。

1牙轮钻机工作原理

牙轮钻机主要由行走机构、回转机构、主传动机构、A型架轴、张紧装置、钻杆架、液压系统等关键购进和模块组成。其钻头是三牙型的，是钻孔的关键刀具利器，在工作时利用自身旋转、反复冲击从而击穿坚硬的石块。设备主体借助钻杆传递出巨大的扭矩，带动钻头形成足够的轴向压力和回转力，从而能持续击穿岩石。而碎石被钻杆中心孔和钻头喷嘴输出强力压缩空气吹出，从而形成类似炮筒孔柱。

2牙轮钻头损坏原因分析

根据现场牙轮钻头实际使用情况和牙轮钻头的结构特点，牙轮钻头损坏原因分析如下：(1)钻头牙齿、壳体磨损严重。地层研磨性太强是导致钻头牙齿磨损严重的主要原因。第三次开钻后尤其营城组地层多为大段的砾岩、流纹岩、安山岩或凝灰岩，岩性致密坚硬，研磨性强，使得钻头牙齿以及壳体严重磨损。当钻头牙齿磨光后，若没有及时发现，接下来就会磨损壳体。(2)钻头断齿、掉齿、掉牙轮尖严重。结合现场情况分析可知，井底砾石块是造成钻头断齿、掉齿和掉牙尖的主要原因。第三次开钻后，营城组地层上部含有大段砾岩层，在周期长和起下钻频繁的情况下，不可避免导致井壁砾石块的脱落，这些坚硬的砾石块使得钻头大量断齿及掉牙轮尖。对于掉齿，可能原因是由于钻头在井底的工作环境温度高(该地区地层平均地温梯度4．1℃／100m)，较高的温度导致镶齿的镶装强度降低，从而造成牙齿在井底脱落。同时，当钻至营城组大段的火山角砾岩时，也会发生断、掉齿多的现象。(3)钻头外径磨损严重。主要原因是当钻头的保径齿及外排齿磨损严重或大部脱落，就会导致钻头外径的严重磨损。由分析可知，由于钻头外径严重磨损，新钻头入井后不得不重新划眼，这样新钻头外径被磨损，进而造成恶性循环，严重的甚至发生掉牙轮的事故。

3牙轮钻头早期损坏的解决办法

3.1应对轴承早期磨损的解决办法

轴承早期磨损问题出现后，要及时根据排出石渣的量来确定问题的根源是推进轴压力太大还是风压不足导致的：当排出石渣大颗粒明显偏多时而空压机的工作压力正常时，基本上可以判定是轴推进压力太大的原因，这时要及时调整压力数值，以有效减轻牙轮钻头轴承的磨损；当遇到排出碎石颗粒正常而空压机工作压力不足时，表明风量满足要求、风压不符合要求，这时则要及时调整喷嘴直径提升风的压力，以达到冷却轴承的目的；如果排出的石渣无明显大颗粒而风管无漏风，则表明空压机损坏、需尽快换新。空压机的风量要保障在孔壁与钻杆构间有足够大的回风量，其大小要保持适宜：风量过大，碎石会加快钻头的磨损进程；而风量过小，偏大的颗粒难以有效排除，导致钻孔效率低。钻孔作业时，一方面要提前勘察现场实际情况，及时调整牙轮钻头工作轴压力，确保钻头作业破碎矿岩周围区域内，避免轴压力失控导致钻头轴承早期失效；另一方面要加强对现场作业过程的监控，定时检查挡碴管紧固情况，同时还注意优化钻头轴承的工作状态，以延长牙轮轴承的使用寿命。

3.2应对牙爪爪尖早期磨损的解决办法

1. 稳杆器通常会因为磨损严重造成钻杆作业过程出现严重晃动，牙爪的爪尖很快就会出现问题，因此必须确保稳杆器的工作顺利，才能使钻头高效推进作业。如果钻杆单侧弯曲，也会导致钻头早期损坏问题出现，此时必须第一时间更换钻杆，确保下一步操作顺利。（2）如果风量不足时，可以参考轴承早期磨损中对排碴风量的计算和经验判断。如果整个风管系统密封性良好，就必须换新或者维修空压机才能解决问题。

3.3应对牙齿和牙轮的早期损坏的解决办法

钻孔作业阶段，对于硬岩石来说，牙齿吃入深度较浅、牙轮振幅大，冲击破碎岩石效果好；而对于软岩和中硬岩石，牙齿吃人深度较深、牙轮振幅较小，冲击破碎效果较差。所以在设计钻头设计时，为克服硬和极硬岩石不利条件，要注意钻头设计成不超顶、不移轴结构。牙齿多数情况下要按照球形或者锥形来设计，开展钻孔作业时，牙轮是呈现滚动运动，借助振动冲击力完成钻孔作业；如果是软岩和中硬岩石，钻头设计制作就要按照移轴、复锥或超顶结构来完成，牙齿采用楔形齿或铣齿，开展钻孔作业时牙轮同时滚动滑动，利用剪切力来完成破石作业。

4预防措施

(1)为提高钻头的切削效率：①大力改进硬质合金齿材料，引入耐磨性、抗冲击性更好的硬质合金材料作齿材料；②开发新齿形的硬质合金齿，选取圆弧半径小，同时齿表面应力集中现象弱的齿形，以更锐利地压人岩石从而加速破岩；③布齿时采用优化的大井底覆盖切削技术。(2)为提高钻头的抗研磨能力和冲击能力，把中间两排齿采用金刚石加强的球形复合齿，既耐磨又不易破碎，同时混装稀土齿。将外排的合金齿改为稀土齿以提高抗冲击能力。(3)为提高钻头的保径性能：①掌背采用金刚石加强复合齿与稀土齿混装，背锥齿略突出于背锥面，齿形半球形，部分齿用金刚石加强；②外排齿与背锥齿问加一排小的金刚石加强的半球形齿，耐磨性好，不易破裂；③背锥装两排齿，外圈背锥齿靠近外排齿，既加强保径，又可减轻外排齿的工作压力；④掌尖采用合金齿与金刚石复合齿混装，并镶嵌保径块(碳化钨块或金刚石)，以加强保径。(4)施工配套措施的改进：①钻进营城组地层时建议钻压要控制在160～180kN，转速控制在60r／rain；②下部钻具加装减震器，避免钻头振动过大；③使用随钻打捞杯打捞井底砾石，若钻头发生断、掉齿时，应用磨鞋带打捞杯清理井底，以保持井底干净；增大排量，喷嘴选型适当，以改善流场，提高井底的冲洗效果；④新钻头刚入井和接完单根后待钻头距井底0．2In开泵，调节泵冲至设计值，低转速启动转盘，使钻头缓慢接触井底，再缓慢加压，观察转速和扭矩值，待转盘转速平稳、扭矩正常时再增加钻压和转速。(5)其他措施：针对徐家围子地区的地质特性，在借鉴其他油气田的使用经验的基础上，要强化钻头选型标准和新型钻井液体系等研究，改变现行的钻井工艺，如采用进行气体钻井技术和旋冲钻井技术试验研究，多方位提高该地区深层钻井速度。同时还应加大钻井硬件投入，更新、改造陈旧的钻井设备、仪表、钻具，为普及应用高效钻头创造条件。

结束语

大力改进硬质合金齿材料，开发新齿形的硬质合金齿。采用复合齿与稀土齿混装以增加抗研磨和冲击能力；改进相应配套钻井措施；强化钻头选型标准和新型钻井液体系等研究，为普及应用高效钻头创造条件。

参考文献：

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[2]张书瑞，吕长文，刘卜，等．大庆徐家围子深井提速现场试验效果与认识FC3／／钻井承包商协会论文集．北京：石油工业出版社，2015．