大井底角钻井钻头的研制及应用

魏红兵 丁明 亓燕秋

【摘要】通过对Ф9.8m钻头锥角的分析，结合对泥浆的吸收排渣的模拟、钻头滚刀及吸入口布置方式等综合考虑，研制出Ф9.8m大井底角钻井钻头，现场试验中能以100～120mm/h的速度钻进，该大直径大井底角钻井钻头的研制为钻井法凿井技术发展提供了有力支持。

【关键词】钻井法 钻头 钻头锥角 排渣 快速钻进

1 引言

钻井法是一种劳动强度低、成井质量好、安全可靠的施工方法，是通过深厚不稳定冲积层的主要施工方法之一，它能够安全地通过不稳定地层（如含水丰富地层、流砂层等），地面预制井壁质量好，成井井筒滴水不漏等优点[1]。

近年来，随着我国煤矿建设井筒直径和深度逐渐加大，并且工期要求越来越短，钻头的结构类型对钻井速度、井筒质量和钻井成本有着直接影响。在钻井过程中人们总是期望起下钻次数减少、钻井速度加快、钻井成本降低[2]。但随着井筒直径及深度的增加，直接导致原有钻头在大直径深井中的排渣能力降低，严重影响钻进速度，制约钻井法凿井的发展[3]。笔者对Ф9.8m大井底角钻井钻头进行研制，以期进一步提高钻进速度，保持钻井法凿井的技术优势。

2 大井底角钻头结构研制

影响钻井法凿井速度的因素很多，及时有效地排除钻渣便是其中非常重要的一环。若钻头结构形式不合理，钻渣将不能及时排除而被重复破碎，一方面耗费大量的有用功，另一方面严重影响钻进速度[4]。因此，Ф9.8m新型钻井钻头的研制对钻进速度的提升有着重要的作用。钻头有平底和锥底两种。锥形钻头有利于工作面洗井，并具有良好的锥体钻进导向性。目前所用的锥形钻头的锥底角有25°和35°两种。经验表明，锥底角越大钻进速度越快，但是，锥底角多大为最佳，尚需要分析研究后确定。

2.1钻头锥角的合理取值

2.1.1钻渣受力角度分析井底角

本文主要从钻渣排出的角度考虑这一问题。锥角越小，工作面斜坡角度（井底角）越大，钻渣越容易顺着斜坡面向下运动。钻渣受到重力、泥浆流的作用力、工作面的摩阻力和离心惯性力（钻渣随泥浆做圆周运动）共同作用，决定其运动状态。如果考虑钻渣处于静止状态，离心惯性力可忽略，如果考虑钻渣处于圆周运动，摩阻力可忽略。钻渣是在泥浆中运动，也是随着泥浆的运动而排出。由于泥浆随着钻头的转动而运动，并且由外而内运动并由位于钻孔中心附近的排渣管道排出，因此泥浆的粘度对于钻渣的运动和排出是有利的[5]。考虑最不利情况，对钻渣受力情况进行简化分析的计算参数见表1。

根据实际工程运行情况，考虑最不利情况下进行计算分析，钻渣受到的惯性力F和钻头半径r之间的关系见表2。

图1 离心惯性力F与半径r的关系图

在转速相同的情况下，钻渣的惯性力随着钻头直径的增大而增大，且呈线性关系；在钻头直径相同的情况下，钻渣的惯性力随着转速的增大而增大。

钻渣重力分量及惯性力分量与倾斜角的关系，见表3。

图2 钻渣重力分量及惯性力分量与倾斜角的关系图

从图2可看到：不管是钻头尺寸变化，还是转速变化，都有着以下的规律：随着倾斜角度α的增大（即锥角的减小），重力沿斜面向下的分力不断增大，斜面法向的分力不断减小，有利于钻渣向下方运动；但是随着倾斜角度α的增大（即锥角的减小），钻渣惯性力沿斜面的向上分力不断减小，斜面法向的分力不断增大，前者有利于钻渣向下方运动，后者不利于钻渣向下方运动，这就需要需找一个平衡点，来作为合理的斜面倾角。

作不同转速条件下（1～8r/min）[6]，Ф9.8m钻头产生的钻渣重力沿斜面的分量Gs、惯性力沿斜面的分量Fs与倾斜角α的关系图，见图3。

图3 Ф9.8m钻头产生的钻渣重力及惯性力沿斜面的分力与倾斜角关系图

Gs与Fs两条曲线相交时对应的倾斜角度α，可作为选择钻头锥角的参考值，从图3中可看出：钻头锥角的参考值见下表4。

注：钻头锥角为图中得出数据，与精确值略有偏差。

在忽略摩阻力的情况下，考虑钻渣随泥浆运动作圆周运动，在钻渣重力与离心惯性力在斜面方向平衡的条件时，锥角选择只与钻机转速有关，转速越快，倾斜角度α越大（即锥角宜越小）。考虑最不利情况，从钻渣受力上分析，Ф9.8m钻头的井底角α≦155°。

2.1.2破岩及排渣能力角度分析井底角

中煤矿山建设集团有限责任公司的丁明已经详细分析过钻头破岩及排渣的角度钻头的锥底角α的情况。从旋转钻井法问世以来，钻头的破岩机理基本没有改变，主要采用机械应变力破碎岩石，钻头的锥底角α越小越好；从排渣的角度分析，要想及时有效地排除钻渣，就要使井底锥角大于钻渣的安息角，参考各类矿石的安息角后得出，井底锥角（钻头锥底角） α≥40°[7]。

2.2 Ф9.8m钻头结构优化研制

2.2.1泥浆冲洗模拟辅助钻头结构优化

通过以上分析，综合考虑选取钻头的井底角为50°，对预设计的Ф9.8m井底角为50°的钻头进行泥浆冲洗模拟辅助钻头结构优化。采用Siemens公司的软件I-DEAS作为建模和分析工具来分析流体场的三维速度分布。结构模型见图4。锥形钻头总体呈锥形的圆锥形，顶角为50°，泥浆的吸收口有两个，中心小吸收口的直径为250mm，偏心的大吸收口的直徑为460mm，偏心距离620mm[8]。

（a）锥形钻头三维模型正视图 （b）锥形钻头有限元网格模型

图4 泥浆冲洗模拟辅助钻头结构优化锥形钻头模型

图5（a）钻头纵剖面处泥浆的流场分布情况中可看出：钻头的结构缝隙中泥浆形成多处漩涡，使得泥浆并不是直接向着吸收口移动。钻头外侧泥浆先向上移动，在缝隙中回旋后从缝隙底部流向钻头端部的吸收口。出现这种现象的根本原因是离心力。泥浆在钻头的带动下绕着中心轴线转动，因为离心力与回转半径成正比，所以外侧受到的离心力较大，泥浆在离心力的作用下向外移动，在这里就变成了沿着锥形井壁向上移动了。内侧的离心力较小，在流体连续性的带动下向下来补充外侧移出的泥浆，从而形成了漩涡。

（a）锥形钻头纵剖面上泥浆的流场分布 （b）锥形钻头横剖面上泥浆的流场分布

图5 泥浆冲洗模拟辅助钻头结构优化锥形钻头模型

图5（b）是钻头横向剖面处泥浆的流场分布情况，缝隙中的泥浆在水平方向也在回旋，内部的泥浆很难流出。出现这种现象的原因是井壁对泥浆的阻力。这种流动形式使得泥浆首先带着岩土碎屑流向缝隙中，在缝隙中回旋，最后从缝隙最狭窄的底部流向钻头的端部。从以上分析中可知：应该设法提升泥浆向着钻头井底中心流动的速度，尽可能的减少局部漩涡的出现。

2.2.2滚刀的布置

滚刀的布置方式，将直接影响钻头破岩和排渣的效果以及滚刀的使用寿命。研究表明，混合式布刀方式具有刀具受力均匀以及排渣效果好的特点，应尽量采用。“超顶”和“缩顶”是刀具布置中常见的现象，研究表明，“超顶”和“缩顶”都将导致刀刃与岩体的相对滑移。虽然适量的滑移可使岩体表面承受附加剪应力，能提高破岩效果，但过量的滑移将使刀刃加速磨损，降低刀具使用寿命。因此，应尽量减少刀具的“超顶”和“缩顶”，尽可能使刀盘上每个滚刀均做纯滚动，且滚动速度相同，以延长滚刀的使用寿命。当然，这样做将导致滚刀具有不同的尺寸和锥角，给滚刀的安装、使用和管理带来不便。

可适当减少钻头中心区滚刀的数量，以减少对钻渣的二次破碎，提高钻进效率[9]；按照泥浆的流线进行布局，减小刀具对泥浆的阻力[9]；将刀座设计为隐藏式的，如图6（a）刀具2所示，以减小钻头与井壁间泥浆的厚度，增加泥浆的向心速度；但刀具隐藏在沟槽内太深，大的岩石碎屑可能会直接与钻头主体接触，对钻头主体进行破坏，大的岩石碎屑可能将钻头主体悬空，使得刀具丧失工作能力，故需合理布置刀具隐藏在沟槽的深度，见图6（b）隐藏式刀座布局的建议。

（a）刀座示意 （b）隐藏式刀座布局的建议

图6 刀座设计为隐藏式

Ф9.8m钻头中的刀具应是锥形的。钻头直径较大，锥面处的刀具做行星运动时回转半径较大，此处的需要的锥度非常小，故必须将刀具做成锥形。考虑离中心越远的地方，安装刀具的滚轮直径越大，以满足锥度的需求，降低磨损速度的差异。

2.2.3钻头吸收口的布置

大锥角钻头吸收口的布置方式，直接影响钻头的排渣效果。为了缩短钻渣的移动距离，对于单个吸收口应采用偏心布置方式，而对于双吸收口应采用对称布置方式。吸收口距钻头中心线的距离不宜太大，以免影响吸收钻渣的效果。需要指出的是，对于对称布置的双吸收口布置方式，理论分析表明，其具有良好的吸收效果，但实践表明效果不好，原因是随着时间的推移，泥浆会附着在吸收口表面，造成两个吸收口阻力不均，进而引起流量不均，阻力大的吸收口逐渐被堵塞，实质上成为单个吸收口。在实际制造中应增加泥浆排除管道的直径，减小泥浆输送的阻力；适当增加小吸收口的直径，或者将其改为锥形结构，提升其吸收效果；如采用单个吸收口应采用偏心布置[10]。

2.3 Ф9.8m钻头应用

图7所示为研制的Ф9.8m大井底角（50°）钻头。

（a）研制的50°井底角钻头 （b）50°井底角钻头组装图

图7 研制的Ф9.8m大井底角（50°）钻头及组装图

研制出的大井底角钻头在某煤矿风井进行了试验，累计进尺27.56m。起钻后，检查钻头未发现异常。在整个钻进过程中平均钻压为5～40t，转速2.5t/ min，马达压力6～18MPa，钻进过程中有大量岩块被吸收排出。本次试验，钻进能以100～120mm/h的速度进行，全部滚刀工作后，纯钻进速度较原钻头有所提升。

3 结论及建议

由以上的研制及应用可得出以下结论：

（1）应设法提升泥浆向着钻头井底中心流动的速度，减少局部漩涡的出现。

（2）对于9.8m大直径钻头可通过增加泥浆排除管道的直径，减小泥浆输送的阻力；适当增加小吸收口的直径，或者将其改为锥形结构，提升其吸收效果；如采用单个吸收口应采用偏心布置。

（3）钻头上的刀具应按照泥漿的流线进行布局，混合式布刀方式；钻头中心区可适当减少滚刀的数量；将刀座设计为隐藏式且要合理布置刀具隐藏在沟槽的深度；锥面处的刀具须要做成锥形，离中心越远的地方安装刀具的滚轮直径应越大。

（5）大直径大井底角钻井钻头可部分做成封闭的，让泥浆只在锥面与井壁的缝隙中流动，更利于提高泥浆向井底中心流动的速度，避免泥浆漩涡的出现。如何增加大直径大井底角钻头的稳定性能也需进一步研究。

参考文献

[1] 刘希圣. 钻井工艺原理（中册）[M]. 北京：石油工业出版社，1988：1～34.

[2] 杨仲涵，何世明，周晓红. 国内外钻头优选方法述评[J]. 重庆科技学院学报：自然科学版，2011，13（4）：87～90.

[3] 蒋金宝. 山前构造砾石层大尺寸钻头优化设计及现场试验[J]. 石油钻探技术，2013，41（4）：69～72.

[4] 李树盛，田代玉，谭春飞，蔡镜仑. 牙轮钻头齿圈布置设计分析. 石油学报，1998，19（2）：122～125.

[5] 马德坤. 牙轮钻头工作力学[M]. 北京：石油工业出版社，1994：14～126.

[6] 张永成. 钻井施工手册[Z]. 北京：煤炭工业出版社，2010：238～242.

[7] 丁明. 钻井法凿井钻头锥底角分析及工业性试验[A]. 2013年全国矿山建设学术会议论文集[C]. 2013：67～71.

[8] 李绍青，张克仁，荣传新等. 某竖井钻机泥浆流动分析和结构优化[J]. 煤矿机械，2012，33（4）：24～26.

[9] 郑立锋. 全断面钻井钻头结构的优化[J]. 科技信息，2011（5）：368.

[10] 王怀志，孙杰，张永成.龙固煤矿深钻井工程钻头结构设计优化[J].煤炭科学技术，2004，32（10）：70～73.

作者简介：魏红兵（1975-），男，高级工程师，1997年7月毕业于淮南工业学院矿井建设专业，中煤特殊凿井有限责任公司副总经理，主要从事煤矿特殊法凿井技术及施工管理工作。