大口徑擴孔牙輪鉆頭結構優化設計

秦 可，郝世俊，趙永哲，祁宏軍，莫海濤，公丕進

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710054）

大口徑擴孔牙輪鉆頭結構優化設計

秦 可，郝世俊，趙永哲，祁宏軍，莫海濤，公丕進

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710054）

通過對目前Ф550mm大口徑擴孔牙輪鉆頭的牙掌結構布置、齒面結構和水力結構進行分析，提出設計優化思路。結合彬長礦區某礦大口徑鉆井工程，開展大尺寸擴孔牙輪鉆頭優快成孔工藝技術的現場試驗研究。得出大口徑擴孔牙輪鉆頭牙輪數量為9個時鉆速優于6個，合理的牙掌結構布置、齒面結構的鉆頭結構可提高23.1%的鉆速。

大口徑；擴孔牙輪鉆頭；優化設計；煤礦救援孔

目前，大口徑鉆井技術已成為各煤礦區施工深孔救援孔、逃生孔、電纜孔、瓦斯排放孔、通風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的不斷進步和提高，設計孔深孔徑不斷加大，多次擴孔成井成為常態。但隨著鉆孔深度增加地質條件越來越復雜，地層巖石硬度和強度增加，可鉆性差，常規結構大尺寸擴孔牙輪鉆頭機械鉆速低，單只鉆頭進尺少，鉆效低的問題愈來愈明顯，嚴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，大口徑擴孔牙輪鉆頭破巖速度是關鍵因素，由于Ф550mm擴孔鉆頭用量遠遠少于常規牙輪鉆頭，目前國內鉆頭生產廠家在大尺寸擴孔鉆頭設計制造方面投入的力量有限，產品結構單一，產品性能難以滿足大口徑快速鉆井的要求。為此，本文對目前使用中的Ф550mm大口徑擴孔牙輪鉆頭設計中存在的問題進行分析，對牙掌結構布置、齒面結構和水力結構的改進提出優化設計思路。結合彬長礦區某礦大口徑鉆井工程實例，開展大尺寸擴孔牙輪鉆頭優快鉆進工藝技術的現場試驗研究，得出合理的牙掌結構布置、齒面結構的鉆頭結構優化設計結果。大口徑擴孔牙輪鉆頭牙輪數量采用9個牙掌布置破巖速度優于布置6個牙掌。

1 牙掌結構優化

由于目前使用的Ф550mm擴孔鉆頭為組裝焊接鉆頭，其結構為下部引導處焊接3片Ф215.9mm鉆頭牙掌，擴孔鉆頭胎體上焊接3片楔形齒Ф215.9mm517G級牙輪鉆頭牙掌，其牙輪與井底巖石接觸點只有3片楔形齒，從巖石破碎角度來看，牙掌上牙輪齒數和尺寸直接影響鉆頭與巖石接觸點的多少與應力大小分布，以及巖石內部裂紋的形成與擴展，進而影響牙齒破巖效率，由于目前使用的Ф550mm擴孔鉆頭上所使用牙掌少，這樣的設計導致牙輪與井底巖石接觸點明顯偏少，其破巖效率必然下降。經過改進后的Ф550mm擴孔鉆頭胎體上焊接9片Ф215.9mm517G級牙輪鉆頭牙掌，實際破巖過程中牙輪與井底巖石接觸點有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。在鉆頭破巖的過程中，鉆頭的牙齒會在巖石工作面上形成破巖痕跡，通常將單個牙齒形成的巖石破碎表面稱為“巖石破碎坑”，而將多個牙齒共同形成的巖石破碎表面稱為“井底”，試驗證明牙掌越多牙齒接觸井底形成的巖石破碎坑越多，鉆進效率越高。

2 牙輪鉆頭鉆速理論計算

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為門限鉆壓；n為轉速；γ為轉速指數；KR為地層可鉆性系數；CP為壓差影響系數；CH為水力凈化系數；C2為牙齒磨損系數；h為牙齒長度[1-2]。

以亭南2#、3#電纜孔為例，由五點鉆進試驗方法可求得門限鉆壓：

表1 2#、3#孔牙輪鉆頭五點機械鉆速記錄

根據表1中的數據，把式（3）代入式（2）得出牙輪鉆頭鉆遇該地層時的門限鉆壓為3.8kN，試驗地層的轉速指數為：

根據表1中的數據，把式（4）代入式（5）得出牙輪鉆頭鉆遇該地層時的轉速指數為0.647 2，根據新鉆頭的試鉆資料，地層可鉆性系數為：

其中新鉆頭初始鉆速VR0=0.81m/h，此時牙齒磨損量h為0。

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

起鉆時的鉆速VRf為0.46m/h；因開始鉆進時的牙齒磨損量hf=2mm；該鉆頭的牙齒磨損系數為0.38。

將以上參數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程簡化成圖1[3-4]。侵入載荷P在垂直刃面上的分力為R（不計摩擦力，當考慮摩擦力時，分析的實質并不改變），R在剪切斷裂面上形成兩個力：剪切力T和法向力N。根據摩爾破壞準則，當剪應力超過內聚力c和內摩擦力μσ時，便發生剪碎，即破壞臨界條件是：

錐形齒侵入巖石產生的破碎坑可簡化為圓錐體，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，根據三角關系可知圓錐的半徑為：

一個齒所破碎的巖石體積為：

將式（10）、式（11）代入到式（12）中有：

鉆頭直徑設為db，牙輪直徑為dc，鉆頭公轉速度為nb，牙輪繞牙輪軸自轉轉速為nc。在某一時刻，鉆頭每個牙輪與井底有m個牙齒接觸，n個牙輪破碎體積為：

設鉆頭牙輪外排齒圈齒數為Z，則縱振頻率f為：

縱振周期T為：

則一個運動周期，牙輪鉆頭的破巖總體積為：

考慮到破碎過程中井底工作面不平的影響，引入多齒聯合破巖影響系數，下式為：式

中C為多齒聯合破巖影響系數。

則鉆頭的鉆速為：

其中σT抗壓強度參數根據三軸應力實驗在考慮實際鉆井條件下水力凈化系數CH、壓差影響系數CP。將體積公式代入到式可得鉆速模型：

以該礦區施鉆2#、3#電纜孔為例，應用式（20）分析該井480~550m井段的機械鉆速。根據鉆頭外徑db為550mm，鉆頭牙輪數量分別為9個、6個，牙輪外徑dc為Ф140mm，牙輪外排齒圈齒數Z為14，參數θ取15°，φ取10°。該井段地層巖石的抗壓強度為27MPa左右，內摩擦系數為0.19。鉆壓為30kN，鉆井條件下水力凈化系數CH、壓差影響系數CP、多齒聯合破巖影響系數C分別取0.7、1.1、0.5。以上參數代入純滾動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。

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

3 試驗區工程地質及水文地質條件

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

表2 水文地質參數一覽表

試驗區水文地質特征如下：

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，抽水試驗涌水量Q=6.003L/s，單位涌水量q=0.298 5 L/（s·m），滲透系數K=0.097 83m/d，富水性中等，水質類型SO4-Na型。

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

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

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

4 井身結構及鉆進工藝

試驗段主要巖層為洛河組粗粒砂巖及礫巖。井身結構見圖3。使用MDY-60型鉆機，F-500泥漿泵組，Ф127 mm鉆桿，先導孔用Ф311.15mm牙輪鉆頭鉆進至320m，用Ф215.9mm牙輪鉆頭定向鉆進至664m；用Ф550/Ф311.15mm擴孔鉆頭擴孔鉆進至669.7m。采用泥漿正循環和氣舉反循環兩種工藝。

圖3 井身結構示意圖

4.1 擴孔鉆具組合

（1）泥漿正循環鉆進鉆具組合：Ф550/311mm擴孔鉆頭+Ф203mm鉆鋌+Ф178mm鉆鋌+Ф165mm鉆鋌+Ф127mm鉆桿；

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

4.2 鉆進工藝參數

（1）泥漿正循環鉆進：鉆壓100~300kN，轉速60r/min，排量20~25L/s。

（2）氣舉反循環鉆進：鉆壓100~300kN，轉速，60r/min，風量10m3/min；風壓不超過3MPa，水量保證補給水位在孔口，沉沒比大于0.8。

4.3 鉆井液性能

黏度35~55Pa·s；密度1.10~1.20g/cm3。

5 現場對比試驗

根據理論計算結果，對Ф550mm大口徑擴孔牙輪頭的牙掌結構布置、齒面結構進行優化改進，鉆頭外徑db為550mm，鉆頭牙輪數量改為9個，牙輪外徑dc為140mm，牙輪外排齒圈齒數Z為14。以該礦區施鉆的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大口徑擴孔牙輪鉆頭牙輪數量為9個和6個開展機械鉆速對比試驗。該井段地層巖石的抗壓強度為27MPa左右，內摩擦系數為0.19。鉆壓為300kN，鉆井條件下水力凈化系數CH、壓差影響系數CP、多齒聯合破巖影響系數C分別取0.7、1.1、0.5。對比試驗結果見圖4。統計牙輪鉆頭鉆速實際平均值分別為：VR6=0.603m/h，VR9=0.742m/h。比理論計算有所提高，主要在于地層巖石強度有變化。鉆頭牙輪數量為9個時的實際機械鉆速比鉆頭牙輪數量為6個時高出23.1%，通過改進大口徑擴孔牙輪鉆頭的牙掌結構和牙輪數量，實際鉆速有了很大的提高。

6 結論

1）通過改進大口徑擴孔牙輪擴孔鉆頭的牙掌結構布置、齒面結構，鉆頭牙輪數量為9個比鉆頭牙輪數量為6個時的實際試驗機械鉆速高出23.1%。

2）隨著煤礦區大口徑救援孔工程需求的增加，應當投入技術力量加大研究開發適合工程實際的大口徑擴孔牙輪頭結構及鉆進工藝的力度，提高鉆速、提高效益。

圖4 擴孔牙輪鉆頭鉆時與井深關系圖

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

[2] 劉希圣.鉆井工藝原理，下冊[M].北京：石油工業出版社，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，2012.

[4] 趙國珍.牙輪鉆頭的運動和受力分析[J].石油礦場機械，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，內蒙古鄂爾多斯，助理工程師，主要從事鉆井施工技術開發研究工作。