大井底角鉆井鉆頭的研制及應用

魏紅兵 丁明 亓燕秋

【摘要】通過對Ф9.8m鉆頭錐角的分析，結(jié)合對泥漿的吸收排渣的模擬、鉆頭滾刀及吸入口布置方式等綜合考慮，研制出Ф9.8m大井底角鉆井鉆頭，現(xiàn)場試驗中能以100～120mm/h的速度鉆進，該大直徑大井底角鉆井鉆頭的研制為鉆井法鑿井技術(shù)發(fā)展提供了有力支持。

【關(guān)鍵詞】鉆井法 鉆頭 鉆頭錐角 排渣 快速鉆進

1 引言

鉆井法是一種勞動強度低、成井質(zhì)量好、安全可靠的施工方法，是通過深厚不穩(wěn)定沖積層的主要施工方法之一，它能夠安全地通過不穩(wěn)定地層（如含水豐富地層、流砂層等），地面預制井壁質(zhì)量好，成井井筒滴水不漏等優(yōu)點[1]。

近年來，隨著我國煤礦建設井筒直徑和深度逐漸加大，并且工期要求越來越短，鉆頭的結(jié)構(gòu)類型對鉆井速度、井筒質(zhì)量和鉆井成本有著直接影響。在鉆井過程中人們總是期望起下鉆次數(shù)減少、鉆井速度加快、鉆井成本降低[2]。但隨著井筒直徑及深度的增加，直接導致原有鉆頭在大直徑深井中的排渣能力降低，嚴重影響鉆進速度，制約鉆井法鑿井的發(fā)展[3]。筆者對Ф9.8m大井底角鉆井鉆頭進行研制，以期進一步提高鉆進速度，保持鉆井法鑿井的技術(shù)優(yōu)勢。

2 大井底角鉆頭結(jié)構(gòu)研制

影響鉆井法鑿井速度的因素很多，及時有效地排除鉆渣便是其中非常重要的一環(huán)。若鉆頭結(jié)構(gòu)形式不合理，鉆渣將不能及時排除而被重復破碎，一方面耗費大量的有用功，另一方面嚴重影響鉆進速度[4]。因此，Ф9.8m新型鉆井鉆頭的研制對鉆進速度的提升有著重要的作用。鉆頭有平底和錐底兩種。錐形鉆頭有利于工作面洗井，并具有良好的錐體鉆進導向性。目前所用的錐形鉆頭的錐底角有25°和35°兩種。經(jīng)驗表明，錐底角越大鉆進速度越快，但是，錐底角多大為最佳，尚需要分析研究后確定。

2.1鉆頭錐角的合理取值

2.1.1鉆渣受力角度分析井底角

本文主要從鉆渣排出的角度考慮這一問題。錐角越小，工作面斜坡角度（井底角）越大，鉆渣越容易順著斜坡面向下運動。鉆渣受到重力、泥漿流的作用力、工作面的摩阻力和離心慣性力（鉆渣隨泥漿做圓周運動）共同作用，決定其運動狀態(tài)。如果考慮鉆渣處于靜止狀態(tài)，離心慣性力可忽略，如果考慮鉆渣處于圓周運動，摩阻力可忽略。鉆渣是在泥漿中運動，也是隨著泥漿的運動而排出。由于泥漿隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動而運動，并且由外而內(nèi)運動并由位于鉆孔中心附近的排渣管道排出，因此泥漿的粘度對于鉆渣的運動和排出是有利的[5]?？紤]最不利情況，對鉆渣受力情況進行簡化分析的計算參數(shù)見表1。

根據(jù)實際工程運行情況，考慮最不利情況下進行計算分析，鉆渣受到的慣性力F和鉆頭半徑r之間的關(guān)系見表2。

圖1 離心慣性力F與半徑r的關(guān)系圖

在轉(zhuǎn)速相同的情況下，鉆渣的慣性力隨著鉆頭直徑的增大而增大，且呈線性關(guān)系；在鉆頭直徑相同的情況下，鉆渣的慣性力隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。

鉆渣重力分量及慣性力分量與傾斜角的關(guān)系，見表3。

圖2 鉆渣重力分量及慣性力分量與傾斜角的關(guān)系圖

從圖2可看到：不管是鉆頭尺寸變化，還是轉(zhuǎn)速變化，都有著以下的規(guī)律：隨著傾斜角度α的增大（即錐角的減?。?，重力沿斜面向下的分力不斷增大，斜面法向的分力不斷減小，有利于鉆渣向下方運動；但是隨著傾斜角度α的增大（即錐角的減?。?，鉆渣慣性力沿斜面的向上分力不斷減小，斜面法向的分力不斷增大，前者有利于鉆渣向下方運動，后者不利于鉆渣向下方運動，這就需要需找一個平衡點，來作為合理的斜面傾角。

作不同轉(zhuǎn)速條件下（1～8r/min）[6]，Ф9.8m鉆頭產(chǎn)生的鉆渣重力沿斜面的分量Gs、慣性力沿斜面的分量Fs與傾斜角α的關(guān)系圖，見圖3。

圖3 Ф9.8m鉆頭產(chǎn)生的鉆渣重力及慣性力沿斜面的分力與傾斜角關(guān)系圖

Gs與Fs兩條曲線相交時對應的傾斜角度α，可作為選擇鉆頭錐角的參考值，從圖3中可看出：鉆頭錐角的參考值見下表4。

注：鉆頭錐角為圖中得出數(shù)據(jù)，與精確值略有偏差。

在忽略摩阻力的情況下，考慮鉆渣隨泥漿運動作圓周運動，在鉆渣重力與離心慣性力在斜面方向平衡的條件時，錐角選擇只與鉆機轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越快，傾斜角度α越大（即錐角宜越?。??？紤]最不利情況，從鉆渣受力上分析，Ф9.8m鉆頭的井底角α≦155°。

2.1.2破巖及排渣能力角度分析井底角

中煤礦山建設集團有限責任公司的丁明已經(jīng)詳細分析過鉆頭破巖及排渣的角度鉆頭的錐底角α的情況。從旋轉(zhuǎn)鉆井法問世以來，鉆頭的破巖機理基本沒有改變，主要采用機械應變力破碎巖石，鉆頭的錐底角α越小越好；從排渣的角度分析，要想及時有效地排除鉆渣，就要使井底錐角大于鉆渣的安息角，參考各類礦石的安息角后得出，井底錐角（鉆頭錐底角） α≥40°[7]。

2.2 Ф9.8m鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化研制

2.2.1泥漿沖洗模擬輔助鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過以上分析，綜合考慮選取鉆頭的井底角為50°，對預設計的Ф9.8m井底角為50°的鉆頭進行泥漿沖洗模擬輔助鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。采用Siemens公司的軟件I-DEAS作為建模和分析工具來分析流體場的三維速度分布。結(jié)構(gòu)模型見圖4。錐形鉆頭總體呈錐形的圓錐形，頂角為50°，泥漿的吸收口有兩個，中心小吸收口的直徑為250mm，偏心的大吸收口的直徑為460mm，偏心距離620mm[8]。

（a）錐形鉆頭三維模型正視圖 （b）錐形鉆頭有限元網(wǎng)格模型

圖4 泥漿沖洗模擬輔助鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化錐形鉆頭模型

圖5（a）鉆頭縱剖面處泥漿的流場分布情況中可看出：鉆頭的結(jié)構(gòu)縫隙中泥漿形成多處漩渦，使得泥漿并不是直接向著吸收口移動。鉆頭外側(cè)泥漿先向上移動，在縫隙中回旋后從縫隙底部流向鉆頭端部的吸收口。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因是離心力。泥漿在鉆頭的帶動下繞著中心軸線轉(zhuǎn)動，因為離心力與回轉(zhuǎn)半徑成正比，所以外側(cè)受到的離心力較大，泥漿在離心力的作用下向外移動，在這里就變成了沿著錐形井壁向上移動了。內(nèi)側(cè)的離心力較小，在流體連續(xù)性的帶動下向下來補充外側(cè)移出的泥漿，從而形成了漩渦。

（a）錐形鉆頭縱剖面上泥漿的流場分布 （b）錐形鉆頭橫剖面上泥漿的流場分布

圖5 泥漿沖洗模擬輔助鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化錐形鉆頭模型

圖5（b）是鉆頭橫向剖面處泥漿的流場分布情況，縫隙中的泥漿在水平方向也在回旋，內(nèi)部的泥漿很難流出。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是井壁對泥漿的阻力。這種流動形式使得泥漿首先帶著巖土碎屑流向縫隙中，在縫隙中回旋，最后從縫隙最狹窄的底部流向鉆頭的端部。從以上分析中可知：應該設法提升泥漿向著鉆頭井底中心流動的速度，盡可能的減少局部漩渦的出現(xiàn)。

2.2.2滾刀的布置

滾刀的布置方式，將直接影響鉆頭破巖和排渣的效果以及滾刀的使用壽命。研究表明，混合式布刀方式具有刀具受力均勻以及排渣效果好的特點，應盡量采用。“超頂”和“縮頂”是刀具布置中常見的現(xiàn)象，研究表明，“超頂”和“縮頂”都將導致刀刃與巖體的相對滑移。雖然適量的滑移可使巖體表面承受附加剪應力，能提高破巖效果，但過量的滑移將使刀刃加速磨損，降低刀具使用壽命。因此，應盡量減少刀具的“超頂”和“縮頂”，盡可能使刀盤上每個滾刀均做純滾動，且滾動速度相同，以延長滾刀的使用壽命。當然，這樣做將導致滾刀具有不同的尺寸和錐角，給滾刀的安裝、使用和管理帶來不便。

可適當減少鉆頭中心區(qū)滾刀的數(shù)量，以減少對鉆渣的二次破碎，提高鉆進效率[9]；按照泥漿的流線進行布局，減小刀具對泥漿的阻力[9]；將刀座設計為隱藏式的，如圖6（a）刀具2所示，以減小鉆頭與井壁間泥漿的厚度，增加泥漿的向心速度；但刀具隱藏在溝槽內(nèi)太深，大的巖石碎屑可能會直接與鉆頭主體接觸，對鉆頭主體進行破壞，大的巖石碎屑可能將鉆頭主體懸空，使得刀具喪失工作能力，故需合理布置刀具隱藏在溝槽的深度，見圖6（b）隱藏式刀座布局的建議。

（a）刀座示意 （b）隱藏式刀座布局的建議

圖6 刀座設計為隱藏式

Ф9.8m鉆頭中的刀具應是錐形的。鉆頭直徑較大，錐面處的刀具做行星運動時回轉(zhuǎn)半徑較大，此處的需要的錐度非常小，故必須將刀具做成錐形?？紤]離中心越遠的地方，安裝刀具的滾輪直徑越大，以滿足錐度的需求，降低磨損速度的差異。

2.2.3鉆頭吸收口的布置

大錐角鉆頭吸收口的布置方式，直接影響鉆頭的排渣效果。為了縮短鉆渣的移動距離，對于單個吸收口應采用偏心布置方式，而對于雙吸收口應采用對稱布置方式。吸收口距鉆頭中心線的距離不宜太大，以免影響吸收鉆渣的效果。需要指出的是，對于對稱布置的雙吸收口布置方式，理論分析表明，其具有良好的吸收效果，但實踐表明效果不好，原因是隨著時間的推移，泥漿會附著在吸收口表面，造成兩個吸收口阻力不均，進而引起流量不均，阻力大的吸收口逐漸被堵塞，實質(zhì)上成為單個吸收口。在實際制造中應增加泥漿排除管道的直徑，減小泥漿輸送的阻力；適當增加小吸收口的直徑，或者將其改為錐形結(jié)構(gòu)，提升其吸收效果；如采用單個吸收口應采用偏心布置[10]。

2.3 Ф9.8m鉆頭應用

圖7所示為研制的Ф9.8m大井底角（50°）鉆頭。

（a）研制的50°井底角鉆頭 （b）50°井底角鉆頭組裝圖

圖7 研制的Ф9.8m大井底角（50°）鉆頭及組裝圖

研制出的大井底角鉆頭在某煤礦風井進行了試驗，累計進尺27.56m。起鉆后，檢查鉆頭未發(fā)現(xiàn)異常。在整個鉆進過程中平均鉆壓為5～40t，轉(zhuǎn)速2.5t/ min，馬達壓力6～18MPa，鉆進過程中有大量巖塊被吸收排出。本次試驗，鉆進能以100～120mm/h的速度進行，全部滾刀工作后，純鉆進速度較原鉆頭有所提升。

3 結(jié)論及建議

由以上的研制及應用可得出以下結(jié)論：

（1）應設法提升泥漿向著鉆頭井底中心流動的速度，減少局部漩渦的出現(xiàn)。

（2）對于9.8m大直徑鉆頭可通過增加泥漿排除管道的直徑，減小泥漿輸送的阻力；適當增加小吸收口的直徑，或者將其改為錐形結(jié)構(gòu)，提升其吸收效果；如采用單個吸收口應采用偏心布置。

（3）鉆頭上的刀具應按照泥漿的流線進行布局，混合式布刀方式；鉆頭中心區(qū)可適當減少滾刀的數(shù)量；將刀座設計為隱藏式且要合理布置刀具隱藏在溝槽的深度；錐面處的刀具須要做成錐形，離中心越遠的地方安裝刀具的滾輪直徑應越大。

（5）大直徑大井底角鉆井鉆頭可部分做成封閉的，讓泥漿只在錐面與井壁的縫隙中流動，更利于提高泥漿向井底中心流動的速度，避免泥漿漩渦的出現(xiàn)。如何增加大直徑大井底角鉆頭的穩(wěn)定性能也需進一步研究。

參考文獻

[1] 劉希圣. 鉆井工藝原理（中冊）[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1988：1～34.

[2] 楊仲涵，何世明，周曉紅. 國內(nèi)外鉆頭優(yōu)選方法述評[J]. 重慶科技學院學報：自然科學版，2011，13（4）：87～90.

[3] 蔣金寶. 山前構(gòu)造礫石層大尺寸鉆頭優(yōu)化設計及現(xiàn)場試驗[J]. 石油鉆探技術(shù)，2013，41（4）：69～72.

[4] 李樹盛，田代玉，譚春飛，蔡鏡侖. 牙輪鉆頭齒圈布置設計分析. 石油學報，1998，19（2）：122～125.

[5] 馬德坤. 牙輪鉆頭工作力學[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1994：14～126.

[6] 張永成. 鉆井施工手冊[Z]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2010：238～242.

[7] 丁明. 鉆井法鑿井鉆頭錐底角分析及工業(yè)性試驗[A]. 2013年全國礦山建設學術(shù)會議論文集[C]. 2013：67～71.

[8] 李紹青，張克仁，榮傳新等. 某豎井鉆機泥漿流動分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 煤礦機械，2012，33（4）：24～26.

[9] 鄭立鋒. 全斷面鉆井鉆頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[J]. 科技信息，2011（5）：368.

[10] 王懷志，孫杰，張永成.龍固煤礦深鉆井工程鉆頭結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化[J].煤炭科學技術(shù)，2004，32（10）：70～73.

作者簡介：魏紅兵（1975-），男，高級工程師，1997年7月畢業(yè)于淮南工業(yè)學院礦井建設專業(yè)，中煤特殊鑿井有限責任公司副總經(jīng)理，主要從事煤礦特殊法鑿井技術(shù)及施工管理工作。