一種礦山開采的新式鉆頭

秦超

摘 要：PDC也就是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，在煤田的鉆探部分運(yùn)用廣泛，國內(nèi)對PDC的技術(shù)掌握不到位導(dǎo)致沒有能力自主研發(fā)，所用對該類技術(shù)研究有深遠(yuǎn)意義。

關(guān)鍵詞：PDC；機(jī)械鉆速；計(jì)算機(jī)模型

中圖分類號：TD4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0037-02

PDC鉆頭最初用于軟頁巖地質(zhì)，由于最初設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)不到位，在硬巖層中會(huì)導(dǎo)致鉆頭的損壞。目前由于技術(shù)的改進(jìn)使得新式PDC鉆頭適應(yīng)硬夾層以及硬巖地層，對于PDC 來說，相對于以前的牙輪鉆頭有獨(dú)特的優(yōu)勢，切削齒的金剛石復(fù)合片的磨耗比是硬質(zhì)合金的20-40倍以上，鉆壓只需同徑金剛石孕鑲鉆頭鉆壓1/3左右，鉆井的鉆速提高使得成本降低，對于使用的壽命增產(chǎn)以及減少下鉆的次數(shù)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度而且在事故的發(fā)生率有了明顯降低。目前國內(nèi)外多數(shù)研究針對直徑為139mm以上的井眼，如今已經(jīng)存在的4000多種鉆頭，如何保證適應(yīng)性強(qiáng)、翼片合理堅(jiān)固、減少鉆頭用量，這對于PDC鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)的研究有深遠(yuǎn)的意義。

對于鉆頭強(qiáng)度的影響主要包括鉆頭體的材料、切削齒的布置和密度、噴嘴的數(shù)量，直徑及布置狀態(tài)等。新式鉆頭由幾部分組成，包括領(lǐng)眼鉆頭、筒體、活塞桿、擴(kuò)孔刀塊等零部件，目前采用的大多是前鉆頭75mm的普通鉆頭，鉆機(jī)的推進(jìn)導(dǎo)致刀體解鎖，我們在刀頭上設(shè)置插銷，插銷用于在到達(dá)預(yù)定位置時(shí)候刀頭張開進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，刀體在外伸張開的過程利用鉆頭壓降低推動(dòng)活塞的過程，最后回收時(shí)候利用刀體與管壁之間的摩擦，將鉆頭抽出，完成鉆孔的過程。鉆頭采取剪切作用將塑性區(qū)的巖石進(jìn)行破巖，保證了鉆速以及鉆孔深度，在平衡的工作狀態(tài)下力求小擺動(dòng)保證沿軸心運(yùn)動(dòng)，減少?zèng)_擊荷載。

1 計(jì)算機(jī)模型

我們?yōu)轵?yàn)證鉆頭的強(qiáng)度，建立計(jì)算機(jī)模型，在solidworks建立模型，選擇合金鋼作為本體材料，鉆頭的材料屈服極限為735MPA，強(qiáng)度屈服強(qiáng)度885MPA，滑動(dòng)部分350mm*350mm，劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)10310單元數(shù)5129，在外部施加荷載為3200N·M，我們施加的荷載在三個(gè)刀頭上均勻施加，得到在最大的應(yīng)力為558MPA，位移量也顯現(xiàn)增加趨勢到達(dá)最大為0.08mm，與上面介紹的最大屈服強(qiáng)度885MPA相比，材料的選擇能夠滿足強(qiáng)度的要求。當(dāng)相同條件下，在4200N·M的扭矩應(yīng)力與位移都有不同成都額增加，屈服強(qiáng)度達(dá)到材料能夠滿足的最大值885MPA，位移達(dá)到1.06mm，這在材料的選擇上剛剛能夠滿足要求。本文利用計(jì)算機(jī)軟機(jī)對鉆頭做了模擬，在施加不同力的時(shí)候，對3200N·M與4200N·M的扭矩能夠保證不損壞材料，但是不能超過4200N·M的扭矩，正常值保持3200N·M以下的扭矩可以使鉆頭工作效率以及損壞度最小。以下為進(jìn)行扭矩受力時(shí)候的位移以及受力圖（如圖1）。

2 鉆頭工程應(yīng)用

我們采用傳統(tǒng)的三牙輪鉆頭鉆進(jìn)，以2.0m/h鉆進(jìn)速度，進(jìn)行井斜不宜控制，而且鉆頭的成本以及損壞度都非常的高，于是，在進(jìn)行該項(xiàng)目時(shí)候選擇運(yùn)用PDC鉆頭在煤礦瓦斯的抽放中應(yīng)用。得到比較好的效果，在周期時(shí)間得到縮短，在成本的控制上也得到應(yīng)用。

煤礦地質(zhì)情況，地層傾角為3度到10度之間，兩翼對稱構(gòu)造簡單，地層分別是奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系上統(tǒng)。要求井斜最終不得大于3度，在變化上每100m不能大于1度。進(jìn)行鉆具的選擇，直徑為159mm的鉆挺、三牙輪鉆頭、PDC鉆頭、扶正器直接190mm、鉆桿等等，在鉆壓上小于50kN轉(zhuǎn)速小于100r/min，在15煤以下完成鉆井，對于完井之后檢驗(yàn)，采取測聲副的方式進(jìn)行還有氣密性保持在15MPA以上，檢驗(yàn)固井合格的標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.5MPA的壓強(qiáng)。

井眼的暢通是更換鉆頭的前提，不得有殘留物存在井眼之內(nèi)，并且上提速度不宜過快，保持在勻速過程進(jìn)入底部上提過程中，在上提1m左右時(shí)候要對井底進(jìn)行人工的造型，只有當(dāng)磨合鉆進(jìn)0.8m左右時(shí)候才能正常鉆進(jìn)，特別要主要的就是在有破碎的地層時(shí)候，避免崩碎鉆片。影響壽命。于是我們施工期間，使用鉆頭的鉆進(jìn)速度達(dá)到7.0m/h，相對于傳統(tǒng)的鉆頭速度加快5m/h，對于斜井的超標(biāo)問題得到更好解決，瓦斯的抽放有一個(gè)好的環(huán)境，在鉆機(jī)上的壓力占鉆挺重量的一半。

3 結(jié)束語

本文提出了一種礦山開采的新式PDC鉆頭，相對于其他傳統(tǒng)的鉆頭來說有很好的效果，破巖能力強(qiáng)，本文對鉆頭進(jìn)行強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)能夠滿足我們在實(shí)驗(yàn)時(shí)候的需要，最大的強(qiáng)度指標(biāo)值得到滿足，與此同時(shí)進(jìn)行實(shí)地的煤礦實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)六翼內(nèi)凹式鉆頭鉆進(jìn)方式，通過采取一定技術(shù)措施并合理調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速及泵量等鉆進(jìn)參數(shù)，鉆速可達(dá)7m/h，井斜得到有效控制，降低了鉆井成本。

在現(xiàn)場使用過程發(fā)現(xiàn)還有很多的不可避免的損磨，對于復(fù)合片來說破碎、損磨都不可避免，通過現(xiàn)場人員不斷實(shí)踐學(xué)習(xí)，得到焊接時(shí)候注意在切削角度與徑向角度之間的焊接角度，通過不斷的對復(fù)合片鉆頭的焊接，延續(xù)鉆頭的使用壽命，一般來說，徑向角為5到20度。在現(xiàn)場的鉆頭對夾礫以及贏的地層不能很好的使用，也限制鉆頭的市場效果，這就是我們下一步重點(diǎn)研究的角度，提高復(fù)合片的硬度、耐磨性、抗沖擊韌性及熱穩(wěn)定性使鉆頭有更廣泛的適應(yīng)性。

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