屯兰矿穿层钻孔钻头选型研究与应用

李小平

(山西焦煤集团有限责任公司 屯兰矿， 山西 太原 030206)

煤矿井下瓦斯抽采钻探地层条件复杂，钻头选型对钻探施工的效率具有重要的影响[1-3]. 目前，刀翼钻头广泛应用于煤矿瓦斯抽采,从刀翼数量角度,钻头分为两翼、三翼和四翼,具有平底、锥形和弧角形[4-6].

屯兰矿施工瓦斯抽采钻孔使用钻头为四翼平角钻头，8#煤层上方存在硬度较高的灰岩，8#煤18407轨道巷施工瓦斯抽采穿层钻孔，当钻进到灰岩部分时，会出现钻进阻力增大，钻孔钻进效率低，甚至不进尺的现象，难以满足施工要求[7].

增大渣体流动通道，减小钻头表面受力的冲击，是降低抽采钻孔钻进阻力的有效措施。针对四翼平角钻头钻进效率低，排渣效果不理想等问题，建立了四翼平角钻头钻进三维模型和三翼弧角钻头钻进三维模型进行数值模拟并对比分析，以在抽采钻孔施工过程中优先选用合适的钻头。

1 四翼平角钻头与三翼弧角钻头结构比较分析

四翼平角钻头结构示意图见图1，由平角切削齿和内嵌支柱切削齿组成,平角切削齿均匀分布在钻头外侧, 起主要切削作用, 内嵌支柱切削齿低于平角切削齿高度, 在钻进过程中起到一定的保直作用, 增强钻头的稳定性[8]. 在钻进过程中四翼平角钻头渣体流动通道小，会导致大量渣体堆积引起排渣不通畅，钻头表面与岩体接触面积较大导致钻头所受力的冲击较大，钻头切削齿在钻进过程中切削半径相同，增大了钻进阻力，影响钻进效率[9]，见图2.

图1 四翼平角钻头结构示意图

图2 四翼平角钻头钻进流动通道示意图

三翼弧角钻头结构示意图见图3，由弧形切削齿和内嵌支柱切削齿组成，该钻头的锥形设计加强了钻头钻入地层的能力。与四翼平角钻头相比，弧角钻头外侧切削齿在不同的切削半径上，钻头表面与岩体接触面积较小，渣体流动通道大，钻头表面受到冲击力较小，见图4.

图3 三翼弧角钻头结构示意图

施工瓦斯抽采钻孔钻进时，增大渣体流动通道，减少钻头与岩体接触面积，可以降低钻孔钻进阻力。

图4 三翼弧角钻头钻进流动通道示意图

2 数值模拟

应用软件solidworks Flow simulation进行模拟，建立钻头为四翼平角和三翼弧角的钻具钻进模型，四翼平角钻头钻具钻进模型见图5，三翼弧角钻头钻具钻进模型见图6. 将钻孔建立为理想的圆环状，模型密封，模型观测线设置在钻头处，长度为80 mm，距离中心轴线40 mm，钻具绕中心轴旋转。

2.1 模型边界条件

1) 四翼平角钻头钻具钻进模型。钻杆设置为1 500 mm双螺旋刻槽钻杆，钻头为d113 mm四翼平角钻头，入口介质选择非牛顿体模拟钻进过程钻屑和水的混合物，入口质量流量0.5 kg/s，热动力参数：静压101 325 Pa；温度293.2 K；出口设置为静压；常规钻具类型为真实壁面；粗糙度250 μm；绕中心轴旋转，钻具旋转速度220 r/min.

图5 四翼平角钻头钻具钻进模型图

图6 三翼弧角钻头钻具钻进模型图

2) 三翼弧角钻头钻具钻进模型。钻杆设置为1 500 mm双螺旋刻槽钻杆，钻头为d113 mm三翼弧角钻头，其他边界条件同四翼平角钻头钻具钻进模型。

2.2 数值模拟结果及分析

通过计算，得到两个模型观测线长度与静压、速度、动压的关系，见图7，8，9. 模型钻头表面静压、速度、动压分布云图见图10，11，12.

基于图7，8，9可以得出，四翼平角钻头表面与模拟介质接触面积大于三翼弧角钻头表面与模拟介质接触面积，使得模拟钻进过程中四翼平角钻头钻进阻力大于三翼弧角钻头钻进阻力，与四翼平角钻头相比，三翼弧角钻头的弧形设计增加了钻头表面抗冲击能力，在模拟钻进过程中钻头所受阻力一部分可沿弧面的切线分散出去。模拟速度曲线与动压曲线波动规律一致，因为在同样的钻进空间中动压与流速呈线性相关，四翼平角钻头渣体流动通道小于三翼弧角钻头渣体流动通道，相同质量流量介质经过流动通道截面越小，动压和速度越大。

图7 模型观测线长度与静压的关系图

图8 模型观测线长度与动压的关系图

图9 模型观测线长度与速度的关系图

图10 钻头表面静压分布云图

图11 钻头表面速度分布云图

图12 钻头表面动压分布云图

基于图10，11，12得出，在模拟钻进过程中，四翼平角钻头外侧切削齿表面静压接近相同，表明在钻进过程中四翼平角钻头的外侧切削齿在同一切削半径进行切削，钻进所受阻力较大，三翼弧角钻头外侧切削齿表面静压沿弧线递减，弧形设计降低了钻进阻力。钻头钻进过程中，外侧切削齿与钻孔壁面摩擦，切削齿表面速度、动压由外侧向内侧均匀减小，在内嵌支柱切削齿处最低。

通过数值模拟计算结果分析得出，在瓦斯抽采穿层钻孔施工中，采用三翼弧角钻头可以增大渣体流动通道，减小钻头表面所受冲击力，降低钻进阻力。

3 工业性试验

工业性试验地点为屯兰矿8#煤层18407轨道巷。8#煤上覆存在11.5 m厚砂岩，砂岩上方为0.15 m厚煤线，煤线上方存在2.4 m厚灰岩，综合柱状图见图13.

图13 综合柱状图

3.1 四翼平角钻头钻具试验方案及结果

使用d113 mm四翼平角钻头后接1根1.5 m长d73 mm刻槽钻杆组合钻具施工顶板穿层钻孔，见图14，15. 用续接刻槽钻杆的时间代表钻进速度。

图14 四翼平角钻头图

图15 1.5 m长d73 mm刻槽钻杆图

使用四翼平角钻头钻进时，在砂岩部分钻进速度约为3 min/根，穿过砂岩钻进到灰岩位置时钻进速度约为5.9 min/根，平均速度约为3.5 min/根。

3.2 三翼弧角钻头钻具试验方案及结果

使用d113 mm三翼弧角钻头后接1根1.5 m长d73 mm刻槽钻杆组合钻具施工顶板穿层钻孔，见图16. 用续接刻槽钻杆的时间代表钻进速度。

图16 三翼弧角钻头试验钻具图

使用三翼弧角钻头钻进时，在砂岩部分钻进速度约为2.6 min/根，穿过砂岩钻进到灰岩位置时钻进速度约为5 min/根，平均速度约为3 min/根。

4 结 论

1) 钻头外侧切削齿的形状决定钻头钻进过程中钻头表面所受冲击力的大小，三翼弧角钻头表面所受冲击力可沿弧面切线分散出去。

2) 通过数值模拟分析可知，四翼平角钻头钻进阻力大于三翼弧角钻头钻进阻力，四翼平角钻头渣体流动通道小于三翼弧角钻头渣体流动通道，三翼弧角钻头排渣效果显著，相同质量流量介质经过流动通道截面越小，动压和速度越大。

3) 通过工业性试验得出，使用三翼弧角钻头施工瓦斯抽采穿层钻孔，钻进到砂岩部分钻进速度约为2.6 min/根，钻进到灰岩部分钻进速度约为5 min/根，平均钻进速度为3 min/根，平均钻进速度提高了1.16倍，钻进效率得到提高。