横向镶装宽齿牙轮钻头硬岩破岩机制与高效钻进实验研究

《Advances in Mechanical Engineering》：Experimental study on rock fragmentation mechanisms using a transverse-insert wide-tooth roller cone bit

　　

为提升牙轮钻头（roller cone bit）在硬岩地层中的钻进效率，研究人员基于盘式钻头（disc drill bit）的破岩机理，结合镶齿牙轮钻头的齿材与固齿特征，提出了一种面向硬岩的横向镶装宽齿牙轮钻头。研究人员设计制备了新型碳化钨宽齿，并对宽齿与楔形齿开展抗冲击对比试验：宽齿正向抗冲击能力较楔形齿提高50%。单齿与齿环破岩试验表明，宽齿的破碎比功（breaking work ratio）降低31.37%，动态载荷系数（dynamic load factor）最高下降57.8%，并形成更连续的破碎坑。全尺寸室内钻进实验显示，该钻头通过横向镶装宽齿在井底持续作用，独特布齿使行间岩脊发生脆性与剥落，实现类盘形滚刀的破岩效果，整体破岩效率提升57.14%，为硬岩高效钻进提供了可行方案。

研究背景与问题提出

深部地层因上覆压力作用，岩石密度与硬度显著增大。常规牙轮钻头（roller cone bit）虽广泛用于硬地层钻进，但依赖冲击破碎，存在机械钻速（rate of penetration, ROP）低、断齿与轴承失效频发的问题。盘式钻头（disc drill bit）凭借高接触压力与同心连续破岩，在硬岩中初期效率更高，但其钢制刀圈强度低、耐磨性不足，导致塑性变形与快速磨损，性能衰减剧烈。传统牙轮钻头多采用楔形齿。为兼顾盘形滚刀的高破岩效率与镶齿牙轮的结构可靠性，研究人员提出横向镶装宽齿（transverse-insert wide-tooth）牙轮钻头，以宽平碳化钨齿替代楔形齿，实现类盘刀的静压连续破碎，同时保留牙轮结构优势。

主要研究内容与技术方法

研究人员以株洲硬质合金厂CX142200（85%碳化钨+15%钴）楔形齿为基准，加工刀形宽齿，开展四级实验验证：落锤冲击试验机测试齿体抗冲击性；液压加载平台进行单齿静压压入试验，结合三维扫描量化破碎坑体积与破碎比功（breaking work ratio, Av=W/V）；复合运动破岩试验台构建齿环，参照21.59 cm三牙轮钻头布齿，分析动态载荷系数（dynamic load factor, D=F_MAX/F_AVG）与周向覆盖；全尺寸钻头试验台在石灰岩样本（300 mm×300 mm×300 mm）上以30 rpm、15–20 kN钻压钻进，对比ROP与扭矩。岩石样本采用硬脆北碚石灰岩（单轴抗压强度105.951 MPa）与软质武胜砂岩（67.548 MPa）。

研究结果

齿抗冲击试验

通过自动落锤冲击试验机，对直径14/12/10 mm刀形齿与直径14 mm楔形齿在0°、15°、20°倾角逐级加能直至崩损。结果表明：同直径下刀形齿因齿宽更大、轴向受力分布更优，正向（0°）抗冲击功高于楔形齿；斜向加载时两者接近。齿体在轴向承载最强，径向与切向显著降低。宽齿满足硬岩工况力学需求。

单齿破岩试验

采用液压机静态压入，以力传感器与位移计采集载荷-侵深曲线，计算破碎功W=∫f(h)dh，并以光学三维扫描获取坑体体积V。石灰岩中宽齿破碎能11.17 J、坑容219 mm3，破碎比功0.051 J/mm3；楔形齿为9.45 J、141.04 mm3、0.067 J/mm3。宽齿破岩比功降低约31.37%，侵彻更深、周向拉裂更明显，利于张拉主导的脆性破碎。

齿环破岩试验

在复合运动台上以参照三牙轮布齿的宽齿环与楔形齿环滚压岩样。宽齿以沟槽式侵入形成连续破碎带，周向覆盖率显著高于楔形点坑；动态载荷系数最高降低57.8%，振动更平稳，有利于轴承与齿体寿命。

全尺寸钻进试验

横向镶装宽齿钻头在井底形成类盘刀同心环痕，齿环间岩脊发生脆性崩落。ROP达0.22 m/h，高于常规牙轮钻头0.14 m/h，效率提升57.14%；同等转速下扭矩更低，验证连续滚压-劈裂机制的优势。

讨论与结论翻译

讨论指出，该结构化解了盘刀“形态优但齿材弱”与常规牙轮“结构稳但冲击破岩低效”的矛盾：宽齿以横向镶装、宽顶连续接触降低纵振与滑磨，兼顾高破岩效率与长寿命。

结论部分译文：

1. 1.
   抗冲击与单齿试验表明，相较楔形齿，刀形宽齿具备更高抗冲击性与破岩效率。
2. 2.
   齿环试验显示，宽齿沟槽侵入的破碎坑周向覆盖显著优于常规齿环；动态载荷系数更低、冲击更弱，利于钻头寿命提升。
3. 3.
   全尺寸试验证实，横向宽齿牙轮钻头可连续作用于井底，齿环间形成岩脊并发生脆性断裂，实现类盘形滚刀破岩效果，整体破碎效率提高。
   综上，横向镶装宽齿牙轮钻头可有效调和盘式钻头形态优势与齿体劣势之间的矛盾，是一种有望提升硬岩钻进效率的新型破岩工具。

（作者：Baxian Liu）