大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦 可，郝世俊，趙永哲，祁宏軍，莫海濤，公丕進(jìn)

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710054）

大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦 可，郝世俊，趙永哲，祁宏軍，莫海濤，公丕進(jìn)

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710054）

通過(guò)對(duì)目前Ф550mm大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭的牙掌結(jié)構(gòu)布置、齒面結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)優(yōu)化思路。結(jié)合彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦大口徑鉆井工程，開(kāi)展大尺寸擴(kuò)孔牙輪鉆頭優(yōu)快成孔工藝技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。得出大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭牙輪數(shù)量為9個(gè)時(shí)鉆速優(yōu)于6個(gè)，合理的牙掌結(jié)構(gòu)布置、齒面結(jié)構(gòu)的鉆頭結(jié)構(gòu)可提高23.1%的鉆速。

大口徑；擴(kuò)孔牙輪鉆頭；優(yōu)化設(shè)計(jì)；煤礦救援孔

目前，大口徑鉆井技術(shù)已成為各煤礦區(qū)施工深孔救援孔、逃生孔、電纜孔、瓦斯排放孔、通風(fēng)孔和送料孔等的必然選擇和重要手段。隨著大口徑鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步和提高，設(shè)計(jì)孔深孔徑不斷加大，多次擴(kuò)孔成井成為常態(tài)。但隨著鉆孔深度增加地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，地層巖石硬度和強(qiáng)度增加，可鉆性差，常規(guī)結(jié)構(gòu)大尺寸擴(kuò)孔牙輪鉆頭機(jī)械鉆速低，單只鉆頭進(jìn)尺少，鉆效低的問(wèn)題愈來(lái)愈明顯，嚴(yán)重影響了大口徑鉆井的成井速度和效益。在制約大口徑鉆井鉆速的諸多因素中，大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭破巖速度是關(guān)鍵因素，由于Ф550mm擴(kuò)孔鉆頭用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于常規(guī)牙輪鉆頭，目前國(guó)內(nèi)鉆頭生產(chǎn)廠家在大尺寸擴(kuò)孔鉆頭設(shè)計(jì)制造方面投入的力量有限，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，產(chǎn)品性能難以滿足大口徑快速鉆井的要求。為此，本文對(duì)目前使用中的Ф550mm大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)牙掌結(jié)構(gòu)布置、齒面結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提出優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。結(jié)合彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦大口徑鉆井工程實(shí)例，開(kāi)展大尺寸擴(kuò)孔牙輪鉆頭優(yōu)快鉆進(jìn)工藝技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得出合理的牙掌結(jié)構(gòu)布置、齒面結(jié)構(gòu)的鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭牙輪數(shù)量采用9個(gè)牙掌布置破巖速度優(yōu)于布置6個(gè)牙掌。

1 牙掌結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于目前使用的Ф550mm擴(kuò)孔鉆頭為組裝焊接鉆頭，其結(jié)構(gòu)為下部引導(dǎo)處焊接3片Ф215.9mm鉆頭牙掌，擴(kuò)孔鉆頭胎體上焊接3片楔形齒Ф215.9mm517G級(jí)牙輪鉆頭牙掌，其牙輪與井底巖石接觸點(diǎn)只有3片楔形齒，從巖石破碎角度來(lái)看，牙掌上牙輪齒數(shù)和尺寸直接影響鉆頭與巖石接觸點(diǎn)的多少與應(yīng)力大小分布，以及巖石內(nèi)部裂紋的形成與擴(kuò)展，進(jìn)而影響牙齒破巖效率，由于目前使用的Ф550mm擴(kuò)孔鉆頭上所使用牙掌少，這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致牙輪與井底巖石接觸點(diǎn)明顯偏少，其破巖效率必然下降。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的Ф550mm擴(kuò)孔鉆頭胎體上焊接9片Ф215.9mm517G級(jí)牙輪鉆頭牙掌，實(shí)際破巖過(guò)程中牙輪與井底巖石接觸點(diǎn)有9片楔形齒。鉆頭的牙齒與巖石互相作用的表面為巖石的工作面。在鉆頭破巖的過(guò)程中，鉆頭的牙齒會(huì)在巖石工作面上形成破巖痕跡，通常將單個(gè)牙齒形成的巖石破碎表面稱為“巖石破碎坑”，而將多個(gè)牙齒共同形成的巖石破碎表面稱為“井底”，試驗(yàn)證明牙掌越多牙齒接觸井底形成的巖石破碎坑越多，鉆進(jìn)效率越高。

2 牙輪鉆頭鉆速理論計(jì)算

2.1 楊格模式鉆速

修正楊格模式鉆速方程為：

式中：W為鉆壓；M為門(mén)限鉆壓；n為轉(zhuǎn)速；γ為轉(zhuǎn)速指數(shù)；KR為地層可鉆性系數(shù)；CP為壓差影響系數(shù)；CH為水力凈化系數(shù)；C2為牙齒磨損系數(shù)；h為牙齒長(zhǎng)度[1-2]。

以亭南2#、3#電纜孔為例，由五點(diǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)方法可求得門(mén)限鉆壓：

表1 2#、3#孔牙輪鉆頭五點(diǎn)機(jī)械鉆速記錄

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，把式（3）代入式（2）得出牙輪鉆頭鉆遇該地層時(shí)的門(mén)限鉆壓為3.8kN，試驗(yàn)地層的轉(zhuǎn)速指數(shù)為：

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，把式（4）代入式（5）得出牙輪鉆頭鉆遇該地層時(shí)的轉(zhuǎn)速指數(shù)為0.647 2，根據(jù)新鉆頭的試鉆資料，地層可鉆性系數(shù)為：

其中新鉆頭初始鉆速VR0=0.81m/h，此時(shí)牙齒磨損量h為0。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，鉆井條件下水力凈化系數(shù)CH、壓差影響系數(shù)CP分別取0.7、1.1，代入式（7）得該地層可鉆性系數(shù)為0.0045。牙齒磨損系數(shù)為：

起鉆時(shí)的鉆速VRf為0.46m/h；因開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)的牙齒磨損量hf=2mm；該鉆頭的牙齒磨損系數(shù)為0.38。

將以上參數(shù)代入修正楊格模式鉆速方程可得楊格模式6牙輪鉆頭和9牙輪鉆頭理論鉆速分別為VR6=0.56m/h，VR9=0.70m/ h。

2.2 波爾剪切侵入理論鉆速

波爾將錐形齒侵入破碎巖石的過(guò)程簡(jiǎn)化成圖1[3-4]。侵入載荷P在垂直刃面上的分力為R（不計(jì)摩擦力，當(dāng)考慮摩擦力時(shí)，分析的實(shí)質(zhì)并不改變），R在剪切斷裂面上形成兩個(gè)力：剪切力T和法向力N。根據(jù)摩爾破壞準(zhǔn)則，當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦力μσ時(shí)，便發(fā)生剪碎，即破壞臨界條件是：

錐形齒侵入巖石產(chǎn)生的破碎坑可簡(jiǎn)化為圓錐體，由此可知其破碎坑的體積為：

式中：S是圓錐破碎坑底面積。

圖1 錐形單齒侵入巖層形式

在當(dāng)前侵入壓力p下，錐形齒的侵入深度為：

由圖1可知，φ是剪切面的傾角。破碎坑的夾角為180-2φ，根據(jù)三角關(guān)系可知圓錐的半徑為：

一個(gè)齒所破碎的巖石體積為：

將式（10）、式（11）代入到式（12）中有：

鉆頭直徑設(shè)為db，牙輪直徑為dc，鉆頭公轉(zhuǎn)速度為nb，牙輪繞牙輪軸自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為nc。在某一時(shí)刻，鉆頭每個(gè)牙輪與井底有m個(gè)牙齒接觸，n個(gè)牙輪破碎體積為：

設(shè)鉆頭牙輪外排齒圈齒數(shù)為Z，則縱振頻率f為：

縱振周期T為：

則一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，牙輪鉆頭的破巖總體積為：

考慮到破碎過(guò)程中井底工作面不平的影響，引入多齒聯(lián)合破巖影響系數(shù)，下式為：式

中C為多齒聯(lián)合破巖影響系數(shù)。

則鉆頭的鉆速為：

其中σT抗壓強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)在考慮實(shí)際鉆井條件下水力凈化系數(shù)CH、壓差影響系數(shù)CP。將體積公式代入到式可得鉆速模型：

以該礦區(qū)施鉆2#、3#電纜孔為例，應(yīng)用式（20）分析該井480~550m井段的機(jī)械鉆速。根據(jù)鉆頭外徑db為550mm，鉆頭牙輪數(shù)量分別為9個(gè)、6個(gè)，牙輪外徑dc為Ф140mm，牙輪外排齒圈齒數(shù)Z為14，參數(shù)θ取15°，φ取10°。該井段地層巖石的抗壓強(qiáng)度為27MPa左右，內(nèi)摩擦系數(shù)為0.19。鉆壓為30kN，鉆井條件下水力凈化系數(shù)CH、壓差影響系數(shù)CP、多齒聯(lián)合破巖影響系數(shù)C分別取0.7、1.1、0.5。以上參數(shù)代入純滾動(dòng)錐形齒牙輪鉆頭鉆速方程，6牙輪鉆頭和9牙輪鉆頭波爾模式理論鉆速分別為：VR6=0.53m/h，VR9=0.66m/h。

楊格模式6牙輪鉆頭和9牙輪鉆頭理論鉆速分別為：VR6= 0.56m/h，VR9=0.70m/h。

兩種方法理論機(jī)械鉆速平均值分別為VR6=0.545m/h，VR9= 0.68m/h。

3 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

彬長(zhǎng)礦區(qū)某礦地層由老至新為：侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）、白堊系下統(tǒng)宜君組（K1y）、洛河組（K1l）、華池組（K1h）、第四系及新近系黃土層（Q+N）。井檢孔工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征見(jiàn)表2。

表2 水文地質(zhì)參數(shù)一覽表

試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)特征如下：

1）華池組砂層巖含水層，富水性極弱。

2）洛河組砂礫巖含水層，抽水試驗(yàn)涌水量Q=6.003L/s，單位涌水量q=0.298 5 L/（s·m），滲透系數(shù)K=0.097 83m/d，富水性中等，水質(zhì)類型SO4-Na型。

3）宜君組礫巖弱含水層，抽水試驗(yàn)涌水量Q=0.062L/s，單位涌水量q=0.001 072L/（s·m），滲透系數(shù)K=0.001 633m/d，富水性弱，水質(zhì)類型SO4-Na型。

4）安定組砂泥巖極弱含水層：據(jù)井田外圍鉆孔抽水試驗(yàn)，富水性極弱，可視為煤系與上覆白堊系含水層之間的穩(wěn)定隔水層。

5）直羅組砂泥巖微弱含水層及延安組砂巖含水層：據(jù)井田內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)，直羅組為富水性微弱含水層，水質(zhì)類型SO4-Na型；富水性弱，水質(zhì)類型Cl·SO4-Na型。

4 井身結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)工藝

試驗(yàn)段主要巖層為洛河組粗粒砂巖及礫巖。井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。使用MDY-60型鉆機(jī)，F(xiàn)-500泥漿泵組，Ф127 mm鉆桿，先導(dǎo)孔用Ф311.15mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)至320m，用Ф215.9mm牙輪鉆頭定向鉆進(jìn)至664m；用Ф550/Ф311.15mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)至669.7m。采用泥漿正循環(huán)和氣舉反循環(huán)兩種工藝。

圖3 井身結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 擴(kuò)孔鉆具組合

（1）泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)鉆具組合：Ф550/311mm擴(kuò)孔鉆頭+Ф203mm鉆鋌+Ф178mm鉆鋌+Ф165mm鉆鋌+Ф127mm鉆桿；

（2）氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)鉆具組合（孔深大于50m）：Ф550/ 311mm反循環(huán)牙輪鉆頭+Ф203mm鉆鋌+Ф178mm鉆鋌+Ф165mm鉆鋌+Ф127mm鉆桿+Ф127mm雙壁鉆桿。

4.2 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

（1）泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)：鉆壓100~300kN，轉(zhuǎn)速60r/min，排量20~25L/s。

（2）氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)：鉆壓100~300kN，轉(zhuǎn)速，60r/min，風(fēng)量10m3/min；風(fēng)壓不超過(guò)3MPa，水量保證補(bǔ)給水位在孔口，沉沒(méi)比大于0.8。

4.3 鉆井液性能

黏度35~55Pa·s；密度1.10~1.20g/cm3。

5 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)Ф550mm大口徑擴(kuò)孔牙輪頭的牙掌結(jié)構(gòu)布置、齒面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，鉆頭外徑db為550mm，鉆頭牙輪數(shù)量改為9個(gè)，牙輪外徑dc為140mm，牙輪外排齒圈齒數(shù)Z為14。以該礦區(qū)施鉆的2#、3#電纜孔為例，在鉆孔井深的480m至550m井段，在相同工藝同條件下用Ф550mm大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭牙輪數(shù)量為9個(gè)和6個(gè)開(kāi)展機(jī)械鉆速對(duì)比試驗(yàn)。該井段地層巖石的抗壓強(qiáng)度為27MPa左右，內(nèi)摩擦系數(shù)為0.19。鉆壓為300kN，鉆井條件下水力凈化系數(shù)CH、壓差影響系數(shù)CP、多齒聯(lián)合破巖影響系數(shù)C分別取0.7、1.1、0.5。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。統(tǒng)計(jì)牙輪鉆頭鉆速實(shí)際平均值分別為：VR6=0.603m/h，VR9=0.742m/h。比理論計(jì)算有所提高，主要在于地層巖石強(qiáng)度有變化。鉆頭牙輪數(shù)量為9個(gè)時(shí)的實(shí)際機(jī)械鉆速比鉆頭牙輪數(shù)量為6個(gè)時(shí)高出23.1%，通過(guò)改進(jìn)大口徑擴(kuò)孔牙輪鉆頭的牙掌結(jié)構(gòu)和牙輪數(shù)量，實(shí)際鉆速有了很大的提高。

6 結(jié)論

1）通過(guò)改進(jìn)大口徑擴(kuò)孔牙輪擴(kuò)孔鉆頭的牙掌結(jié)構(gòu)布置、齒面結(jié)構(gòu)，鉆頭牙輪數(shù)量為9個(gè)比鉆頭牙輪數(shù)量為6個(gè)時(shí)的實(shí)際試驗(yàn)機(jī)械鉆速高出23.1%。

2）隨著煤礦區(qū)大口徑救援孔工程需求的增加，應(yīng)當(dāng)投入技術(shù)力量加大研究開(kāi)發(fā)適合工程實(shí)際的大口徑擴(kuò)孔牙輪頭結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)工藝的力度，提高鉆速、提高效益。

圖4 擴(kuò)孔牙輪鉆頭鉆時(shí)與井深關(guān)系圖

[1] 陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術(shù)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2000.

[2] 劉希圣.鉆井工藝原理，下冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1981.

[3] 杜婕妤.基于侵入理論的牙輪鉆頭鉆速方程研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2012.

[4] 趙國(guó)珍.牙輪鉆頭的運(yùn)動(dòng)和受力分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，1986，（1）：5+8-15+47.

Optimization Design of Large Diameter Reaming Drum Bit

Qin Ke，Hao Shi-jun，Zhao Yong-zhe，Qi Hong-jun，Mo Hai-tao，Gong Pi-jin

Based on the analysis of the tooth structure，tooth surface structure and hydraulic structure of the Ф550mm large diameter reaming cone bit，the design optimization idea is put forward.Combined with a large diameter drilling drilling project in Binchang mining area，to carry out large-scale reaming cone bit on the rapid completion of the hole into the field of experimental technology research.It is concluded that the drill bit with the diameter of the tooth is better than 6，and the reasonable tooth structure can increase the drilling speed of 23.1%.

large diameter；reaming cone bit；optimal design；coal mine rescue hole

TD421

B

1003–6490（2017）05–0237–03

2017–04–10

秦可（1988—），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯，助理工程師，主要從事鉆井施工技術(shù)開(kāi)發(fā)研究工作。