劉克林，張志罡，王曉琴

(河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，河南平頂山467000)

1 概述

局部擴(kuò)徑是指采用鉆掘手段將本已存在的鉆孔井眼，原位擴(kuò)大為直徑更大的孔眼的過程。該項(xiàng)技術(shù)始于20世紀(jì)初的油氣鉆井。應(yīng)用該技術(shù)的基本意圖是解決孔眼縮徑、井壁坍塌等鉆進(jìn)難題。隨著煤層氣開發(fā)的進(jìn)展，局部擴(kuò)徑技術(shù)逐步進(jìn)入煤層氣掏穴井的施工領(lǐng)域。與油氣鉆井不同，煤層氣掏穴井要求在垂直鉆孔的目的煤層段，利用機(jī)械的方法形成一個遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原鉆孔直徑的洞穴。

局部擴(kuò)徑擴(kuò)孔鉆頭是應(yīng)用于局部擴(kuò)徑鉆進(jìn)的關(guān)鍵工具，分為固定刀翼和活動刀翼兩大類型。由于固定刀翼擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔直徑變化范圍小，不符合煤層氣掏穴井施工的要求。目前應(yīng)用于煤層氣掏穴井施工的均為活動刀翼擴(kuò)孔鉆頭，主要有靠活塞與連桿推動刀翼打開的機(jī)械造穴工具(如圖1所示)和靠鉆井液噴射反作用力推動刀翼打開的單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭(如圖2所示)兩種形式。其中，國內(nèi)煤層氣掏穴井施工中應(yīng)用較為廣泛的為單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭。

隨著在煤層氣掏穴井施工中的大量應(yīng)用，機(jī)械造穴工具和單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭表現(xiàn)出一些應(yīng)用上的缺陷。機(jī)械掏穴工具由于結(jié)構(gòu)上的原因，會因?yàn)殂@井液中巖屑粘卡芯軸，造成掏穴擴(kuò)孔后刀翼不能回收，無法起鉆的事故;單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭在掏穴鉆進(jìn)中，穩(wěn)定性差，遇煤層夾矸石易造成刀翼提前損壞，不能正常使用(如圖3所示)。

圖1 機(jī)械造穴工具

在總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們研制成功了PS－150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭，初步現(xiàn)場試驗(yàn)證明，利用此鉆頭掏穴擴(kuò)孔穩(wěn)定性好，安全性好，完全適合煤層氣掏穴井施工需要。

圖2 局部擴(kuò)徑單翼擴(kuò)孔鉆頭

圖3 損壞單翼局部擴(kuò)孔鉆頭

2 鉆頭結(jié)構(gòu)及工作原理

PS－150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。鉆頭由本體、心軸和刀翼組成，2只刀翼通心軸連接在鉆頭本體上。本體上部通過螺紋與鉆桿連接。鉆頭內(nèi)部有復(fù)雜的水路使鉆井液通過鉆桿進(jìn)入鉆頭，然后由刀翼的噴嘴噴射出去。

圖4 PS－150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)鉆頭下到指定層位時，低速旋轉(zhuǎn)鉆具，開泵向鉆柱內(nèi)輸送鉆井液。鉆井液由噴嘴噴射而出所產(chǎn)生的反作用力，使刀翼逐漸抬起、打開，擴(kuò)孔刀翼工作。擴(kuò)孔結(jié)束后，上提鉆具，刀翼依靠自身重力下落、收攏。

在鉆頭使用中，刀翼的展開是一個關(guān)鍵過程，關(guān)系到鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用是否成功。刀翼展開過程分2個階段:展開角度(刀翼與鉆頭中垂線夾角)小于45°和展開角度大于45°。前一階段，主要依靠鉆井液噴射所形成的反作用力作為動力，克服刀翼重力的影響，形成刀翼對地層向上、向外壓力，使刀翼展開;后一階段，依靠鉆具下壓，形成刀翼對地層向下、向外的壓力，向外展開刀翼。在2個階段中，后一階段由于鉆具能夠提供足夠的下壓力，刀翼展開相對比較容易;前一階段，鉆井液噴射所形成的反作用力能否克服刀翼重力影響，是刀翼能否展開的關(guān)鍵，是鉆頭應(yīng)用的核心過程。圖5和圖6是刀翼展開時的受力分析圖。

圖5 小于45°受力分析圖

圖6 大于45°受力分析圖

其中最為關(guān)鍵的作用力是:

為計(jì)算方便，cosθ取最大值1，則式(1)簡化為:

3 射流作用力計(jì)算

射流作用力F射流是擴(kuò)孔刀翼展開過程中最主要的動力。對于F射流的推算，可以借用消防水槍反作用力的推算方法。

3．1 水槍反作用力計(jì)算

根據(jù)牛頓力學(xué)定律，水槍反作用力大小:

式中:F——反作用力，N;m——質(zhì)量，kg;a——加速度，m/s2。

當(dāng)水流由水龍帶經(jīng)水槍漸縮部分到水槍噴口，整個過程水流流態(tài)復(fù)雜，為簡化計(jì)算，忽略水槍水頭損失，并且以平均流速代替實(shí)際水流各質(zhì)點(diǎn)變化流速。由于過流斷面逐漸減小，水流流速沿程增加。平均流速由v1增加到v2，水流勢能轉(zhuǎn)化為動能，勢能做功。平均流速由v1增加到v2所用時間為加速時間t，由運(yùn)動學(xué)定律，得平均加速度為:

在加速時間t內(nèi)水槍出流的水量由下式計(jì)算:

把式(4)、(5)代入式(3)得:

式中:F——反作用力，N;P——水槍噴口處計(jì)算水壓，m(1 MPa=100 m水柱);d——水槍噴口直徑，mm;D——水龍帶直徑，mm。

根據(jù)水力學(xué)恒定總流的動量方程，根據(jù)作用在總流上的外力的動量定理:

取動量修正系數(shù)β2=β1=1。

為簡化計(jì)算，認(rèn)為各質(zhì)點(diǎn)對水槍噴口的反作用力垂直于噴口斷面，Q=Sv2，則式(7)變?yōu)?

比較根據(jù)力學(xué)原理推導(dǎo)的公式，結(jié)果完全相同。即根據(jù)力學(xué)原理和根據(jù)水力學(xué)恒定總流的動量方程所推導(dǎo)的水槍反作用力計(jì)算公式相同。

另外，在力學(xué)原理推導(dǎo)過程中，假定水流為理想液流，并且以平均流速來簡化計(jì)算;由水力學(xué)恒定總流的動量方程推導(dǎo)過程中取動量修正系數(shù)β2=β1=1可知，上述推導(dǎo)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有一定出入，故為近似計(jì)算。在實(shí)際工程中，可采用下式計(jì)算。

式中:F——水槍反作用力，kg;ρ——水的密度，1000 kg/m3;S——噴口斷面面積，m2;P——水槍噴口處水壓，m(1 MPa=100 m水柱)。

3．2 鉆頭刀翼打開時的鉆壓計(jì)算

結(jié)合水槍反作用力推算，可得到單個刀翼在打開過程中的鉆壓為:

式中:F——單刀翼鉆壓，kg;ρ——鉆井液的密度，1000 kg/m3;S——噴嘴面積，m2;P——噴嘴處水壓，m(1 MPa=100 m 水柱);k——修正系數(shù);F自重——刀翼自重。

以清水鉆井液為例，計(jì)算刀翼打開時的單刀翼鉆壓。假定刀翼噴嘴直徑20 mm、刀翼自重20 kg、泵壓 3 MPa、修正系數(shù)設(shè)為 0.85，則噴嘴面積0.000314 m2、水壓300 m水柱，單刀翼鉆壓為:

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4．1 刀翼布齒設(shè)計(jì)

局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭由于受刀翼少、旋轉(zhuǎn)直徑大和刀翼為活動部件等因素影響，擴(kuò)孔過程中穩(wěn)定性差。在鉆頭設(shè)計(jì)方面，通過優(yōu)化刀翼的形狀和PDC切削齒布置設(shè)計(jì)，來提高鉆頭穩(wěn)定性。刀翼外形整體為長方形，肩部采用圓弧設(shè)計(jì)，布齒采用同軌跡形式，在肩部易損壞區(qū)域采用最大密度布齒方法。肩部的圓弧形輪廓設(shè)計(jì)在鉆進(jìn)中所形成圓弧井底造形，同軌跡布齒，相鄰兩軌跡之間形成的巖脊能有效地控制鉆頭的振動，提高鉆頭的穩(wěn)定性。刀翼布齒設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 PS－150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭刀翼布齒設(shè)計(jì)圖

4．2 鉆頭流道設(shè)計(jì)

保證鉆頭在刀翼打開過程中，鉆井液順利進(jìn)入鉆頭體，并在流出刀翼噴嘴時能形成強(qiáng)烈的噴射效果，有較強(qiáng)的力量推動刀翼打開;鉆頭刀翼完全打開后，流道要能夠擴(kuò)展，降低鉆井液的系統(tǒng)壓力，擴(kuò)大流量，更好地?cái)y帶巖屑。

4．3 密封設(shè)計(jì)

保證鉆頭體與刀翼之間的流道連接要有合適的密封，盡量減少漏液，以免沖壞流道;同時不影響刀翼的活動靈活性;兼顧密封面的便于加工和處理。

4．4 鉆頭材料

鉆頭刀翼與本體采用合金鋼材料，經(jīng)鍛打、調(diào)質(zhì)后加工制造，切削齒采用高強(qiáng)PDC復(fù)合片，保證鉆頭的強(qiáng)度與抗沖擊性能。

4．5 鉆頭參數(shù)

鉆頭本體直徑 150 mm，擴(kuò)孔直徑 700 mm，NC38鉆頭螺紋，上部與88.9 mm鉆桿連接。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

2012年6～8月，我們用一只PS－150/700型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭先后在甘肅慶陽和山西沁水的3個井場進(jìn)行了試驗(yàn)，均取得了理想的效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

6 結(jié)論

3個井場的試驗(yàn)中，PS－150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭順利成完了施工任務(wù)，鉆頭完好無損。

表1 局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭現(xiàn)場試驗(yàn)情況

通過試驗(yàn)，可得到如下結(jié)論:

(1)PS－150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)合理，使用安全可靠，能滿足煤層氣掏穴井的施工需要。

(2)與單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭相比，穩(wěn)定性更好，擴(kuò)孔過程中鉆具振動強(qiáng)度明顯下降。

(3)從現(xiàn)場情況看，局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭可應(yīng)用于煤層鉆探、7級以下巖層鉆探、頁巖氣的開發(fā)以及煤礦井下瓦斯預(yù)抽等領(lǐng)域的施工。

［1］ 史兵言，李玉良．煤層氣擴(kuò)穴鉆頭的研制與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(6)．

［2］ 趙運(yùn)興．煤田地質(zhì)勘探技術(shù)手冊［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1989．

［3］ 社曉瑞，王桂文，王德良．鉆井工具手冊［M］．北京:石油工業(yè)出版社，2001．

［4］ MT/T 1076－2008，煤炭地質(zhì)鉆探規(guī)程［S］．

［5］ 王世光．鉆探工程［M］．北京:地質(zhì)出版社，1986．