大井底角鉆井鉆頭的研制及應(yīng)用

引言
　　鉆井法是一種勞動(dòng)強(qiáng)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(yù)制井壁質(zhì)量好，成井井筒滴水不漏等優(yōu)點(diǎn)[1]。
　　近年來，隨著我國煤礦建設(shè)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(duì)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(dǎo)致原有鉆頭在大直徑深井中的排渣能力降低，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度，制約鉆井法鑿井的發(fā)展[3]。筆者對(duì)Ф9.8m大井底角鉆井鉆頭進(jìn)行研制，以期進(jìn)一步提高鉆進(jìn)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(shí)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(shí)排除而被重復(fù)破碎，一方面耗費(fèi)大量的有用功，另一方面嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度[4]。因此，Ф9.8m新型鉆井鉆頭的研制對(duì)鉆進(jìn)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(jìn)導(dǎo)向性。目前所用的錐形鉆頭的錐底角有25°和35°兩種。經(jīng)驗(yàn)表明，錐底角越大鉆進(jìn)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(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)）共同作用，決定其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果考慮鉆渣處于靜止?fàn)顟B(tài)，離心慣性力可忽略，如果考慮鉆渣處于圓周運(yùn)動(dòng)，摩阻力可忽略。鉆渣是在泥漿中運(yùn)動(dòng)，也是隨著泥漿的運(yùn)動(dòng)而排出。由于泥漿隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，并且由外而內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(duì)于鉆渣的運(yùn)動(dòng)和排出是有利的[5]?？紤]最不利情況，對(duì)鉆渣受力情況進(jìn)行簡化分析的計(jì)算參數(shù)見表1。
　　根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行情況，考慮最不利情況下進(jìn)行計(jì)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?。亓ρ匦泵嫦蛳碌姆至Σ粩嘣龃?，斜面法向的分力不斷減小，有利于鉆渣向下方運(yùn)動(dòng)；但是隨著傾斜角度α的增大（即錐角的減小），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(yùn)動(dòng)，后者不利于鉆渣向下方運(yùn)動(dòng)，這就需要需找一個(gè)平衡點(diǎn)，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(shí)對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)作圓周運(yùn)動(dòng)，在鉆渣重力與離心慣性力在斜面方向平衡的條件時(shí)，錐角選擇只與鉆機(jī)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?Q155°。
　　2.1.2破巖及排渣能力角度分析井底角
　　中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的丁明已經(jīng)詳細(xì)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(jī)理基本沒有改變，主要采用機(jī)械應(yīng)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(shí)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(duì)預(yù)設(shè)計(jì)的Ф9.8m井底角為50°的鉆頭進(jìn)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(gè)，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(dòng)。鉆頭外側(cè)泥漿先向上移動(dòng)，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(dòng)下繞著中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)殡x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(dòng)，在這里就變成了沿著錐形井壁向上移動(dòng)了。內(nèi)側(cè)的離心力較小，在流體連續(xù)性的帶動(dòng)下向下來補(bǔ)充外側(cè)移出的泥漿，從而形成了漩渦。