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�q155°。
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径为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。