钻探用pdc内凹钻头的设计 -全讯官网

引言

　　 金刚石复合片（简称pdc）既具有金刚石高的耐磨性，又有硬质合金较强的抗冲击韧性，已经成为硬质合金钻头的替代产品，可极大地提高钻进效率和使用寿命，明显降低钻孔的施工成本，因此，钻探施工中以广泛推广使用pdc钻头。对于高瓦斯矿井，瓦斯抽采是治理瓦斯保证煤矿安全生产的有效手段，但由于煤矿开采速度快，煤层瓦斯释放速度慢，严重制约了生产进度，为了提高瓦斯抽采效果，在煤层中采用密集的平行钻孔，进行瓦斯的快速抽采，要求钻头寿命长，钻孔平直，钻进速度快，钻进深度较大。因此，在这类钻头的设计时，应考虑钻头的钻孔保直功能和钻头的耐磨性。同时，还必须兼顾钻头的使用寿命和综合效益，依次出发本文对pdc钻头的设计制造工艺提出一些要求，仅供同行探讨。

　　1 pdc钻头的结构设计

　　1.1 端部结构形状

　　 对于煤系地层，普通的一字型或三翼硬质合金钻头，由于没有物理的圆柱导向，钻进平孔时，容易发生孔斜，因此，对于密集的平行钻孔施工，钻进用钻头主要特点是必须有利于保直，也就是具有较强保护孔壁作用，对孔壁的侧向切削能力尽可能的小。对此，钻头结构和钻头冠部形状的确定必须考虑以下基本原则。

　　1.1.1 钻头的类型：

　　 钻进钻头设计成带有物理的圆柱导向面不取心全面钻进钻头。在完整的煤、岩层中钻进，由于煤、岩心具有一定的硬度，具有一定的导向保直和防偏斜的作用，钻头端面设计成内凹形不取芯钻头，内凹部分与外侧的高差为20~25mm。

　　 导向保直钻进中，保直是十分重要的工艺技术，其对钻头的保径规的规格尺寸要求，不同于一般复合片钻头，它既要加强钻头的保径效果，但同时不能设计成高的保径规，因为高保径规钻头不利于排粉，也不容易提高钻进效率。

　　 由于煤系地层顶、底板大多为软~中硬岩层，钻头还应具备事故防御及处理轻微事故的能力。为了便于冲洗介质及时带走煤岩屑，钻头水气路设计应取大水气槽和大缺口结构。

　　 为了在发生轻微塌孔埋钻事故时提钻，钻探的反向面还应设计有反切削齿，以便钻具旋转时，可切削煤岩掉块，解除孔内事故。

　　1.1.2钻头唇面形状：

　　 钻头唇面形状应设计成内凹形，这种唇面形状的钻头，侧端刃比较锋利，能强化侧端向切削，有利于保直；同时不影响轴向切削。而底部唇面形状设计成外锥形，外锥形钻头不仅侧向切削能力强，而且有导向作用，会有效的妨碍钻头侧向偏斜切削煤岩石，利于保直钻进。

　　1.2 切削齿选优

　　 钻头在旋转工作时，pdc切削齿则直接切削煤岩层，地层的各项异性，使pdc切削齿承受很大的载荷，且为动变载荷。在多数情行下，复合片pdc并非完全正常磨损，而是因过载或冲击振动，引起的切削齿崩刃、折断、掉片等不正常破坏，从而就造成钻头过早报废。因此，pdc钻头的性能不仅取决于pdc复合片的性能，而且在很大程度上也取决于钻头的结构，要综合考虑设计。

　　 针对煤系地层的特点，顶、底板岩石多为软至中硬，岩石的研磨性为弱至中等。常用的复合片pdc规格有10.0mm、13.3mm、16.0mm三种，不同直径规格的复合片，可适应不同的钻进工艺条件和煤岩地层。小直径的复合片，切入岩石相同深度时，切削齿与煤岩石接触的面积也较小，即切入阻力就小，在设备能力一定时，有利于小给进力实现钻进较硬的或欠完整的煤岩层，但较小直径的复合片产生的切削面积却较小，则钻进速度也低。因此，钻头宜采用直径为10.0mm或13.3mm的复合片。

　　 导向保直钻进中，钻头外侧pdc切削齿工作负担最重，必须考虑增强耐磨性，通常选用高硬度、高耐磨、高抗冲击韧性及高热稳定性的“四高”复合片。这种复合片pdc切削齿的齿面，经过高抛光工艺处理后，能够降低煤岩屑与切削齿表面之间的附着力，可改善煤岩屑的迁移状态，降低包钻发生的几率。另外钻头的布齿空间大小，也会限制对pdc复合片大小尺寸的选择，所以除了考虑pdc片的性能外，还应综合分析考虑复合片的规格与钻头的结构等因素。

　　1.3 pdc内凹钻头的结构参数［1］

　　 pdc钻头的结构参数主要是指复合片的镶焊角和旁通角，其参数对钻头的性能和钻进效果会产生很大的影响。

　　1.3.1镶焊角

　　 复合片钻头的切削刃有多种镶焊方式，以负前角的镶焊较多，有利于切削煤岩石。负前镶不仅可提高pdc的工作刚度，延长其使用寿命，而且还有利于提高切削速度。镶焊角变小，适于钻进较软的煤岩石；而镶焊角增大，切入岩石的阻力减小，适于钻进较硬的煤岩石。从理论与实践表明，对于顶、底板岩石多为软至中硬，pdc的镶焊角α以3°~10°为佳（图1所示）。

　　1.3.2 旁通角：

　　 由于pdc钻头在孔底接触面积小，比压则高，故钻进时效就高，同时产生的煤岩粉也多，需及时清除排净，否则就发生煤岩屑堵孔现象，特别在高胶粘性地层，因其岩屑有较强的附着力，容易发生堵塞，并粘着在切削齿前面，形成糊包，造成pdc钻头的钻速下降和孔内事故。

　　 为了减少糊包，往往采用提高泵量或风量，降低钻头压力的方法，同时，还可以减少复合片出露高度和水气口大小，以便产生高速介质流冲扫煤岩屑。钻头体与地层的间隙比较小，易于造成煤岩屑挤压在其间，就增加了排除煤岩粉的阻力。因此，设计旁通角β（如图2），当钻头回转钻进时，岩屑在介质流力f的推动下，向外侧迁移，更有利于煤岩屑及时快速脱离pdc前刃面。

　　 旁通角β，虽有利于排除岩屑，但也减少了钻头的有效切削力，同时又增加复合片镶焊的牢固度，故旁通角不宜过大，一般旁通角3°~5°为好。

　　2 pdc钻头的制造

　　2.1 pdc钻头结构

　　 根据现场常用钻具的尺寸，研制的钻头规格为φ94mm。pdc复合片的数量决定钻头的使用寿命和钻进速度。pdc数量多，钻头的抗振动、抗剪切能力则提高，但每个pdc复合片上分配的钻进压力在减少，切入煤岩的深度就减少，钻进速度则下降。

　　 依据钻头规格，中心内凹部分采用φ13.3mm复合片，设置2个复合片齿。凸出的环槽部分设置成双环排列，外环用3个pdc复合片均布，有利于钻头回转平稳和保直；内环3个pdc复合片。

　　 pdc复合片的镶焊角设成5°，旁通角设成3°。按该参数制造的复合片钻头，既可保证钻头具有较锋利的侧端面切削能力，提高钻进效果，又能保证复合片有高的镶焊牢固度，同时具有长的使用寿命，图3为钻头端部形状图。钻头的连接为锥扣螺纹，按用户要求特制。

　　2.2 pdc钻头制造工艺

　　 pdc钻头一般有钢体式和胎体式两种制造工艺方法，钢体式复合片钻头制造比较简单，但钻头的保径效果和使用寿命因钢体的强度会受一定的影响；胎体式复合片钻头可以避免钢体式复合片钻头的不足，因此，在使用中胎体式钻头应用比较广泛。

　　 胎体式pdc复合片钻头可采用无压浸渍方法制造，制造过程中须解决钻头模具成型困难、效率低、成本高等技术问题。采用模具加工，可有效降低成本，同时可避免钻头加工中人为因素的影响，连接螺纹的加工应采用数控车床，以方便施工中钻头的拧卸。

　　3 现场应用

　　 试制的钻头在某矿的3063巷b5#孔进行试验，钻孔方位角为202.64°，倾角为5°，设计孔深为300m。该地区地层有破碎带，本煤层施工中的地层为条带状结构的煤，其中夹有薄层状煤矸石，向上穿层钻进地层为中粒砂岩，并有纵向裂隙，向下穿层钻进地层为细粒砂岩和泥质砂岩。所用的钻机为zdy4000ld型钻机，泥浆泵型号为bw-320。钻具组合为：φ94mmpdc保直钻头 φ73 mm钻杆。共施工钻孔4个，累计进尺达1011.6 m，平均钻进时效为5.12m/h，实际钻探施工时耗25班次。由于设有反切削齿，提钻遇阻，回转解除顺利。提钻后观察，钻头外围pdc切削齿磨损轻微，光泽乌黑，无崩刃，磨损正常。

　　 在芦岭煤矿应用，在井下二叠系下石盒子组8#煤层，煤层厚度3.9～10.0m，平均6.95m，煤层倾角8 º～17º，平均12º，煤硬度普氏系数为0.2～0.45，该煤黑色，块状，宏观煤岩类型为半亮煤，含夹矸0.2～1.6m。该煤层老顶为灰白色，质硬，含少量菱质的细砂岩，厚度3.5～8.5m。直接顶为灰深色，块状，含植化石碎片的泥岩，厚度1.6～4.2m。伪顶为灰褐色，松软的炭质泥岩，厚度0.1～0.3m。直接底为深灰色，薄层状，层理发育的砂质泥岩，厚度2.4～5.7m。老底为黑色，粉沫状至鳞片状的9煤，厚度1.4～4.8m。在ⅱ827工作面进行，该工作面地质构造较复杂。受构造影响，断层附近煤层起伏较大。试验点ⅱ827机巷宽度约3.3 m，局部宽2.8 m，巷道高度2.8 m，地压大，巷压显现明显，应力比较集中。本次工业性试验在芦岭矿ii827采面2号机巷6个钻场，φ94mm内凹pdc钻头，共施工钻孔30个，其中孔深100m以上的钻孔8个，累计进尺1824.5m。