高曉亮,居 培,趙建國(guó)
煤層頂板大直徑定向鉆孔用雙級(jí)雙速PDC鉆頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用
高曉亮,居 培,趙建國(guó)
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
大直徑定向鉆進(jìn)成孔技術(shù)的發(fā)展,為“以孔代巷”技術(shù)抽采采空區(qū)上隅角瓦斯提供了技術(shù)支持。受限于井下設(shè)備條件,常規(guī)大直徑鉆孔主要采用逐級(jí)擴(kuò)孔工藝。然而,逐級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)需要多次提鉆、下鉆,輔助時(shí)間長(zhǎng)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。為提高煤層頂板大直徑鉆孔成孔效率,開(kāi)發(fā)了雙級(jí)雙速鉆進(jìn)工藝,該工藝采用螺桿馬達(dá)與鉆機(jī)分別驅(qū)動(dòng)一級(jí)、二級(jí)鉆頭進(jìn)行單次雙級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn),可大大提高成孔效率。通過(guò)分析雙級(jí)雙速鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)、擬鉆地層巖性等,從剖面形狀、切削齒排布、水路設(shè)計(jì)以及導(dǎo)向器設(shè)計(jì)等方面設(shè)計(jì)了雙級(jí)雙速鉆頭,該鉆頭采用球頭螺旋形導(dǎo)向器,更容易沿既有鉆孔軌跡鉆進(jìn);采用等切削布齒,提高破巖效率、降低切削齒不均勻磨損,進(jìn)而提高鉆頭壽命與鉆進(jìn)效率。設(shè)計(jì)的雙級(jí)雙速鉆頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),試驗(yàn)表明雙級(jí)雙速鉆頭能夠沿先導(dǎo)孔鉆進(jìn),較常規(guī)逐級(jí)擴(kuò)孔鉆頭綜合效率提高25%以上,使用后鉆頭磨損均勻,滿足了雙級(jí)雙速工藝要求,大大提高了煤層頂板大直徑鉆孔施工效率。
定向鉆進(jìn);大直徑鉆孔;雙級(jí)雙速;鉆頭設(shè)計(jì);PDC鉆頭
工作面回采后采空區(qū)瓦斯富集是影響煤礦瓦斯安全的重要因素,目前采用的常規(guī)治理手段主要有高抽巷抽采、埋管抽采以及高位鉆孔抽采等方法。隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,采用大功率定向鉆機(jī)配套隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、螺旋PDC擴(kuò)孔鉆頭等裝備和技術(shù)為頂板大直徑定向長(zhǎng)鉆孔施工提供了技術(shù)保障,從而頂板高位大直徑定向鉆孔代替高抽巷的“以孔代巷”技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。
大直徑高位定向鉆孔技術(shù)不需額外施工高位鉆場(chǎng),只需在工作面回風(fēng)巷一端施工1個(gè)鉆場(chǎng),利用定向鉆進(jìn)技術(shù)控制鉆孔軌跡爬升至煤層頂板一定層位,根據(jù)煤層走向布置3~5個(gè)長(zhǎng)距離定向鉆孔,先導(dǎo)鉆孔施工完成后將鉆孔孔徑擴(kuò)大,以增大工作面回采后斷裂帶導(dǎo)通范圍,增加瓦斯抽采效果。對(duì)比高抽巷,高位定向長(zhǎng)鉆孔施工成本可大幅降低。對(duì)比高位鉆場(chǎng)及普通高位鉆孔,可節(jié)省多個(gè)高位鉆場(chǎng)施工,增加高位鉆孔有效孔段距離,節(jié)省成本,提高施工效率及瓦斯抽采效果[1]。研究結(jié)果表明,在相同的鉆孔抽采負(fù)壓、煤層原始?jí)毫εc地層滲透率的情況下,穩(wěn)態(tài)下鉆孔抽采流量與鉆孔終孔直徑成正比。因此 “以孔代巷”技術(shù)的關(guān)鍵在于大直徑鉆孔的高效施工。
目前,受限于井下設(shè)備條件,一次完成大直徑鉆孔施工存在困難,現(xiàn)階段普遍采用多級(jí)擴(kuò)孔施工,即首先完成小直徑先導(dǎo)孔后,提出鉆桿和鉆頭,換成較大直徑的擴(kuò)孔鉆頭,進(jìn)行多次擴(kuò)孔鉆進(jìn)。
現(xiàn)有分級(jí)擴(kuò)孔施工存在以下不足:①擴(kuò)孔效率低。高位鉆孔巖層硬度大,需要的碎巖動(dòng)力高,而多級(jí)擴(kuò)孔動(dòng)力靠鉆機(jī)回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn),動(dòng)力小,且受鉆孔軌跡彎曲限制,動(dòng)力傳遞效果差,碎巖效率低;②擴(kuò)孔工程量大。每增加一級(jí)擴(kuò)孔意味著增加一趟鉆進(jìn)施工,增加了擴(kuò)孔鉆進(jìn)工程量和擴(kuò)孔作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度;③施工周期長(zhǎng)。每增加一次擴(kuò)孔意味著鉆孔成孔周期的延長(zhǎng),制約了工作面準(zhǔn)備進(jìn)度,甚至影響工作面的有效接替[2-3]。
為改善以上缺陷,研究了一種雙級(jí)雙速擴(kuò)孔施工工藝,大大提高了鉆進(jìn)效率,縮短了施工周期。為最大限度發(fā)揮雙級(jí)雙速鉆進(jìn)工藝的優(yōu)勢(shì),需要設(shè)計(jì)專用雙級(jí)雙速鉆頭。
雙級(jí)雙速鉆頭有同心式和偏心式2 種,同心式鉆井工具的優(yōu)點(diǎn)為:一級(jí)鉆頭較二級(jí)鉆頭具有更高的轉(zhuǎn)速,有利于提高一級(jí)鉆頭的破巖效率,同時(shí)降低二級(jí)鉆頭的破巖難度,提高二級(jí)鉆頭鉆速;一級(jí)鉆壓與二級(jí)鉆壓的匹配達(dá)到最優(yōu)時(shí),更有利于快速鉆進(jìn)。Baker Hughes公司主要采用同心式鉆頭。偏心式雙級(jí)雙速鉆井技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):能夠進(jìn)一步降低巖石破碎難度;能夠克服鉆頭中心線速度慢、切削效率低的不足,有利于大幅提高鉆頭切削效率;能夠減弱鉆柱的振動(dòng),保持鉆井過(guò)程的平穩(wěn)性。NOV公司主要采用偏心式鉆頭[4]。
雙級(jí)雙速快速擴(kuò)孔技術(shù)的鉆具組合如圖1所示,由前置鉆頭導(dǎo)向、一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭和二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭組成。其中一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭與螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)子連接,二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭與螺桿馬達(dá)的定子連接。采用該技術(shù)鉆進(jìn)時(shí),首先鉆進(jìn)一個(gè)先導(dǎo)鉆孔,提出鉆具后,連接雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆具。鉆進(jìn)過(guò)程中,螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子在沖洗液驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭破巖,二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭與螺桿馬達(dá)定子連接,在孔口鉆機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下,帶動(dòng)二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭回轉(zhuǎn)破巖[3]。
圖1 雙級(jí)雙速快速擴(kuò)孔技術(shù)原理
雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆進(jìn)一方面利用了孔底動(dòng)力及鉆機(jī)回轉(zhuǎn)兩種動(dòng)力進(jìn)行鉆進(jìn),另一方面,通過(guò)兩級(jí)擴(kuò)孔在孔底形成更大自由面,鉆進(jìn)巖石效率更高。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單次雙級(jí)雙速擴(kuò)孔施工,可有效降低擴(kuò)孔鉆進(jìn)起下鉆次數(shù),提升整體施工效率,降低輔助作業(yè)時(shí)間。目前常規(guī)PDC鉆頭難以實(shí)現(xiàn)該工藝方法的需求,需對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)、擴(kuò)孔鉆頭直徑確定、布齒設(shè)計(jì)、導(dǎo)向器設(shè)計(jì)以及水路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究,對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),以最大限度體現(xiàn)該工藝方法的優(yōu)勢(shì)。
為適用煤礦井下雙級(jí)雙速鉆進(jìn)工藝,進(jìn)行了雙級(jí)雙速鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),鑒于雙級(jí)雙速鉆進(jìn)的兩級(jí)鉆頭分別安裝于螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)子和定子上,為了增加布齒密度,降低單齒破巖體積,選用同心式鉆頭,進(jìn)一步提高碎巖效率。
中國(guó)石油大學(xué)通過(guò)對(duì)不同直徑雙級(jí)雙速鉆頭的井底應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)一級(jí)鉆頭與二級(jí)鉆頭直徑比為0.7~0.8時(shí)[4-9],雙級(jí)鉆頭不論在機(jī)械鉆速提升、縱橫向振動(dòng)降低等方面將大幅度提高,而隨著直徑比持續(xù)增大,該效果呈下降趨勢(shì)。根據(jù)施工要求,此次雙級(jí)雙速鉆頭擬鉆進(jìn)孔徑為200 mm,根據(jù)該直徑比進(jìn)行鉆頭直徑設(shè)計(jì),因雙級(jí)雙速鉆頭鉆進(jìn)前,已經(jīng)鉆進(jìn)?120 mm先導(dǎo)孔,已存在切削自由面,故可適當(dāng)增大該比例,按照二級(jí)鉆頭規(guī)格為?200 mm,選用?165 mm作為此次一級(jí)鉆頭規(guī)格。
PDC鉆頭常用的布齒方法主要有:等切削、等磨損、等功率。現(xiàn)階段PDC 鉆頭布齒設(shè)計(jì)對(duì)磨損及切削齒切削功率的研究還不夠透徹,每個(gè)齒的切削受到多種因素的影響,無(wú)法準(zhǔn)確得出具體每個(gè)齒的絕對(duì)磨損量或者切削功率,大部分計(jì)算方法都是簡(jiǎn)化的相對(duì)計(jì)算。因此本文采用等切削布齒原則設(shè)計(jì)[8-10]。
2.2.1 剖面確定
PDC鉆頭冠部形狀決定了鉆頭切削齒的排布,其形狀的優(yōu)劣直接關(guān)系鉆頭的使用。不同的冠部形狀具有不同的工作特性,對(duì)于地層的適應(yīng)性也不同[11-14]。
雙級(jí)雙速鉆頭主要在中長(zhǎng)距離頂板巖層擴(kuò)孔施工中使用,為保證鉆進(jìn)效率,降低起下鉆次數(shù),冠部曲線設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先保證鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)效率[11-14]。擴(kuò)孔鉆頭剖面形狀從中心到保徑一般由鼻部、肩部和外錐以及保徑組成,如圖2所示。此次設(shè)計(jì)鼻部到中心的距離和導(dǎo)向器的半徑相同,這樣便給肩部和外錐曲線提供了更大的表面積和布齒密度,外錐圓弧曲線設(shè)計(jì)為拋物線型結(jié)構(gòu),這種類型冠部曲線有利于增大復(fù)合片布齒密度,減小單個(gè)復(fù)合片的切削面積。
圖2 鉆頭剖面組成
按照等切削布齒原則,可采用下式確定鉆頭剖面曲線方程[15-16]。
設(shè)冠頂部=0,則:
可以根據(jù)式(1)計(jì)算并繪制出鉆頭剖面曲線的圓弧段。
2.2.2 切削齒的選擇
常用的切削齒直徑主要有?19 mm、?16 mm、?13.44 mm等,直徑不同適應(yīng)的地層與鉆進(jìn)工藝也不同。研究表明,切削齒直徑越大整體強(qiáng)度越高,抗沖擊能力越強(qiáng),金剛石面大,可吃入深度大,適用于較軟和軟硬交錯(cuò)地層;直徑越小抗研磨能力越強(qiáng),吃入地層能力越強(qiáng),適用于較硬地層。另外,切削齒越小需要的鉆頭轉(zhuǎn)速越高。鑒于雙級(jí)雙速鉆頭鉆進(jìn)中硬地層,選用?16 mm、?13.44 mm切削齒,由于一級(jí)鉆頭由螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)速較高,選用?13.44 mm切削齒,二級(jí)鉆頭由鉆機(jī)驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)速較低,選用?16 mm,這樣既保證了切削齒的強(qiáng)度,又可以提高鉆進(jìn)效率。
2.2.3 切削齒排布
切削齒排布的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是使切削齒能完全覆蓋井底[9]。確定中心齒位置的原則是:使中心齒處于切掉中心巖石的最有利位置;確定保徑齒位置的原則是保證保徑齒工作面超出規(guī)徑面部分與加工要求磨削量相等。確定了冠部形狀、中心齒和保徑齒的位置后,所有切削齒中心的連線就確定了。
按照以上方法,對(duì)切削齒進(jìn)行排布,為保證切削齒能夠完全覆蓋孔底,鉆頭內(nèi)側(cè)直徑小于導(dǎo)向孔直徑,鉆頭刀翼尾部設(shè)置反向切削齒,一級(jí)、二級(jí)鉆頭具體布齒如圖3所示。
切削齒的安裝角度主要為切削角和側(cè)轉(zhuǎn)角。合理的切削齒的安裝角度對(duì)鉆頭的攻擊性、鉆頭壽命起著至關(guān)重要的作用[17-18]。
切削角越大鉆頭的攻擊性越強(qiáng),同時(shí)切削齒也越容易損壞,如圖4a所示。考慮到一級(jí)鉆頭連接馬達(dá),轉(zhuǎn)速高、鉆壓小,采用的?13.44 mm切削齒強(qiáng)度較低,不需要過(guò)高的攻擊性,可適當(dāng)增加切削角,以提高切削齒的壽命;而二級(jí)鉆頭依靠鉆機(jī)回轉(zhuǎn)提供扭矩,轉(zhuǎn)速低、鉆壓大,采用?16 mm的切削齒,需要增大其攻擊性,而大尺寸切削齒的強(qiáng)度彌補(bǔ)了鉆頭壽命的問(wèn)題,可適當(dāng)減小切削角以提高攻擊性。
圖3 一級(jí)和二級(jí)鉆頭布齒
另外,考慮擬鉆地層堅(jiān)固性系數(shù)為8左右,綜合考慮鉆頭攻擊性和鉆頭壽命,取一級(jí)鉆頭切削角為18°~20°,二級(jí)鉆頭切削角為15°~18°,切削角度從中心徑向增大。
側(cè)轉(zhuǎn)角的作用是使切削齒在切削地層時(shí),對(duì)齒前巖屑產(chǎn)生側(cè)向推力,使巖屑向鉆頭外緣移動(dòng),防止鉆頭泥包現(xiàn)象,如圖4b 所示。因擬鉆地層巖層較硬,不存在泥包地層,此次鉆頭切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角選取為4°~6°,從中心到外徑逐漸增大。
圖4 切削齒切削角與側(cè)轉(zhuǎn)角
常規(guī)擴(kuò)孔鉆頭的導(dǎo)向器是一段前端帶有倒角的圓柱體,其直徑略小于先導(dǎo)鉆孔直徑。但是在定向長(zhǎng)鉆孔擴(kuò)孔施工中,由于鉆孔彎曲,常規(guī)導(dǎo)向器難以沿既有軌跡鉆進(jìn)。為解決這一問(wèn)題,一級(jí)鉆頭導(dǎo)向器采用球頭形設(shè)計(jì),導(dǎo)向器直徑與鉆孔直徑相同,以提高導(dǎo)向器的扶正效果。在導(dǎo)向器圓周上設(shè)計(jì)有螺旋槽,可以更好地排出孔內(nèi)余渣。導(dǎo)向器前端設(shè)計(jì)有合金切削齒,便于切削因塌孔造成的孔內(nèi)余渣。螺旋外圓柱面上設(shè)計(jì)有耐磨材料,防止因與孔壁接觸造成外徑磨損。設(shè)計(jì)的導(dǎo)向器如圖5所示。
雙級(jí)雙速鉆頭的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要考慮3方面[18]:一是從一級(jí)鉆頭導(dǎo)向器設(shè)置水眼,使得先導(dǎo)孔內(nèi)殘余巖粉能夠排出孔外;二是一級(jí)鉆頭切削齒處合理設(shè)置水眼,鉆井液可有效清洗、冷卻和潤(rùn)滑一級(jí)鉆頭;另外二級(jí)鉆頭冷卻及清洗水眼設(shè)計(jì)在一級(jí)鉆頭接頭處,可及時(shí)將二級(jí)鉆頭切削的巖粉排出。
圖5 一級(jí)鉆頭導(dǎo)向器
導(dǎo)向器水眼不宜過(guò)大,過(guò)大導(dǎo)致切削齒處水路分流嚴(yán)重。切削齒處的水眼方向應(yīng)指向切削齒方向,能夠及時(shí)沖洗排出切下來(lái)的巖屑,同時(shí)避免沖刷孔壁,保證鉆孔質(zhì)量。
因?qū)蚱餍枰乃枯^小,可忽略不計(jì),假設(shè)一級(jí)鉆頭水眼流量、二級(jí)鉆頭水眼流量分別為1、2,2處水路的過(guò)流面積分別為1、2,則根據(jù)連續(xù)性方程[19]可知:
在測(cè)繪領(lǐng)域,隨著無(wú)人機(jī)的普及,獲取航攝資料比以往更容易。然而傳統(tǒng)的數(shù)字航空攝影測(cè)量方法無(wú)法適應(yīng)無(wú)人機(jī)高效生產(chǎn)的需要,主要原因在于:空三加密環(huán)節(jié)自動(dòng)化程度低,需要大量人工干預(yù);在采集環(huán)節(jié)需要頻繁地切換像對(duì),并由此產(chǎn)生大量接邊問(wèn)題。因此,使用更高效的三維建模軟件,并以此為核心重新設(shè)計(jì)作業(yè)流程,可以克服以上弊端,提高生產(chǎn)效率。為此,本文以1∶2 000地形圖的生產(chǎn)為例,介紹基于Smart 3D三維建模軟件的無(wú)人機(jī)航測(cè)地形圖的生產(chǎn)過(guò)程,并對(duì)成果精度進(jìn)行了驗(yàn)證。
1︰2=1︰2(3)
根據(jù)雙級(jí)雙速鉆頭直徑(?200 mm-?165 mm,?165 mm-?120 mm),確定兩級(jí)鉆頭碎巖面積分別為10 028 mm2、10 067 mm2,二者面積接近,則要求1=2,因一級(jí)鉆頭為4刀翼,二級(jí)鉆頭為6刀翼,其水眼數(shù)量對(duì)應(yīng)刀翼數(shù)量,設(shè)一級(jí)鉆頭水眼直徑為1,二級(jí)鉆頭水眼直徑為2,則:
因兩級(jí)鉆頭破碎巖石體積大致相同,則:
1=2(6)
故:
因此,1︰2=1.2,根據(jù)鉆井液上返流速需求,取1=14 mm,則2≈12 mm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定導(dǎo)向器水眼為?10 mm。
具體水路分布如圖6所示。
按照設(shè)計(jì)的鉆頭直徑、布齒、切削齒安裝角度、導(dǎo)向器以及鉆頭水路設(shè)計(jì),并選用合適的螺紋與螺桿鉆具連接,雙級(jí)雙速PDC鉆頭三維模型如圖7所示。
圖6 雙級(jí)雙速鉆頭水路設(shè)置
圖7 雙級(jí)雙速鉆頭三維模型
雙級(jí)雙速PDC鉆頭在山西某礦井下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆應(yīng)用,該礦井為煤與瓦斯突出礦井, 礦井瓦斯絕對(duì)涌出量161.24 m3/min,相對(duì)涌出量18.92 m3/t;二氧化碳絕對(duì)涌出量11.99 m3/min,相對(duì)涌出量1.41 m3/t。目前該礦主采02、2、8號(hào)煤,直接頂、底板巖性大都以粉砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖為主,巖石堅(jiān)固性系數(shù)為8左右。
結(jié)合礦井“以孔代巷”瓦斯治理思路,采用大直徑頂板走向定向長(zhǎng)鉆孔配合大直徑采空區(qū)抽采鉆孔,替代傳統(tǒng)的上隅角懸管、措施巷鉆場(chǎng)裂隙帶鉆孔與高抽巷,對(duì)工作面采動(dòng)影響區(qū)及采空區(qū)瓦斯進(jìn)行綜合治理。根據(jù)工作面采動(dòng)裂隙空間發(fā)育特征及時(shí)空演化規(guī)律,在18502輔運(yùn)巷內(nèi)布置3個(gè)鉆場(chǎng)施工大直徑頂板走向定向長(zhǎng)鉆孔,鉆孔主要布置在煤層頂板。
雙級(jí)雙速PDC鉆頭在18502工作面3號(hào)鉆場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)了7個(gè)頂板高位大直徑定向鉆孔,鉆孔平面軌跡如圖8所示。
采用ZDY12000LD大功率定向鉆機(jī)和BLY390泥漿泵車對(duì)已完成的定向先導(dǎo)孔實(shí)施擴(kuò)孔,其中常規(guī)分級(jí)擴(kuò)孔方法在1—4號(hào)鉆孔中進(jìn)行了應(yīng)用,雙級(jí)雙速PDC鉆頭在6號(hào)、7號(hào)鉆孔中進(jìn)行了應(yīng)用,5號(hào)鉆孔為校驗(yàn)孔。鉆孔信息與鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖8 鉆孔平面軌跡
表1 鉆孔信息與鉆進(jìn)參數(shù)
1–4號(hào)鉆孔采用了?120 mm-?153 mm、?153 mm-?193 mm的兩級(jí)擴(kuò)孔方法,由于采用兩級(jí)擴(kuò)孔,擴(kuò)孔總進(jìn)尺量成倍增大,擴(kuò)孔綜合成孔周期增加,耗費(fèi)班次平均達(dá)到17個(gè),折算班均鉆進(jìn)進(jìn)尺27.5 m,日均鉆進(jìn)進(jìn)尺82.5 m。
6號(hào)孔擴(kuò)孔施工平均機(jī)械鉆速為12.3 m/h。全孔累積耗時(shí)11個(gè)班次,折算班均鉆進(jìn)進(jìn)尺42.3 m,日均進(jìn)尺126.9 m,較常規(guī)分級(jí)擴(kuò)孔方法效率提升53.8%。
7號(hào)鉆孔鉆擴(kuò)施工平均機(jī)械鉆速為11.1 m/h。累積耗時(shí)12個(gè)班次,折算班均鉆進(jìn)進(jìn)尺為37.0 m,日均鉆進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到111.0 m,較常規(guī)分級(jí)擴(kuò)孔方法效率提升34.5%。
6號(hào)、7號(hào)鉆孔采用同一套雙級(jí)雙速PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn),單套鉆頭壽命達(dá)到972 m,進(jìn)尺效率達(dá)到37.0~42.3 m/班,鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆進(jìn)平穩(wěn)、無(wú)跳鉆、憋鉆等異?,F(xiàn)象,鉆頭能夠沿先導(dǎo)鉆孔進(jìn)入靶點(diǎn),導(dǎo)向順利。使用后鉆頭切削齒磨損均勻、無(wú)崩齒等異常磨損現(xiàn)象,綜合效率提高25%以上。
a.采用等切削布齒原理,針對(duì)不同工藝優(yōu)選不同規(guī)格PDC齒設(shè)計(jì)的雙級(jí)雙速PDC鉆頭,能夠滿足大直徑鉆孔雙級(jí)雙速工藝的需求,試驗(yàn)鉆頭磨損均勻,效率和壽命均能夠得到保障;球頭形導(dǎo)向器的應(yīng)用保證鉆頭能夠沿先導(dǎo)鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn),適用于定向鉆孔擴(kuò)孔施工。
b. 設(shè)計(jì)的雙級(jí)雙速PDC鉆頭采用分體式、同心分級(jí)鉆頭,配套雙級(jí)雙速鉆進(jìn)工藝,解決了煤層頂板大直徑鉆孔多級(jí)擴(kuò)孔施工導(dǎo)致的多次下鉆,累計(jì)進(jìn)尺高的問(wèn)題,提高了大直徑鉆孔的成孔效率。
c.雙級(jí)雙速鉆頭的研制,為雙級(jí)雙速工藝的推廣,進(jìn)一步發(fā)揮他的優(yōu)勢(shì)以及煤礦井下“以孔代巷”大直徑鉆孔的工藝推廣提供了技術(shù)支撐。
d.本文僅僅對(duì)雙級(jí)雙速這一特定工藝進(jìn)行了鉆頭設(shè)計(jì)及試驗(yàn),建議針對(duì)雙級(jí)雙速鉆進(jìn)工藝進(jìn)行破巖分析,揭示提速機(jī)理,選擇最優(yōu)破巖效率,進(jìn)一步提高鉆頭鉆速。
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Design and application of PDC bit for large diameter directional drilling of coal seam roof with double stage and double speed
GAO Xiaoliang, JU Pei, ZHAO Jianguo
(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)
The development of large diameter directional drilling technology has provided technical support for the extraction of gas in the upper corner of the goaf by “replacing roadway with borehole”. At present, conventional large-diameter drilling mainly adopts the step-by-step hole-forming method, which solves the problem of insufficient power of large-diameter drilling equipment in underground coal mines. However, step-by-step reaming requires multiple times of lifting and lowering, long auxiliary time and intensive labor of the workers. In order to improve the drilling efficiency of large-diameter holes in the coal roof, a double stage drilling process with two speeds was developed. The process uses a screw motor and a drill to drive the first and second drill bits for reaming construction, which can greatly improve the efficiency of hole formation. For the implementation of such technology, a double stage and double speed drill bit was designed from the aspects of section shape, cutting tooth arrangement, waterway design and guide design by analyzing the characteristics of the drilling process and the lithology of the formation to be drilled. The drill bit adopts a ball head spiral guide, which makes it easier to drill along the existing drilling trajectory. The use of equal cutting teeth can improve the efficiency of rock breaking and reduce the uneven wear of the cutting teeth, thereby increasing the life of the bit and the efficiency of drilling. The designed drill bit was tested in the field. The results show that the double stage drill bit with two speeds has high rock breaking efficiency, uniform drill bit wear, and can drill along the pilot hole. It meets the requirements of the double stage and double speed process and greatly improves the efficiency of large-diameter drilling in the coal roof.
directional drilling; large diameter drilling; double stage and double speed; bit design; PDC bit
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語(yǔ)音講解
TD41
A
1001-1986(2021)05-0272-06
2021-06-01;
2021-06-30
中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2018XAYZD01)
高曉亮,1986年生,男,河北保定人,碩士,副研究員,從事鉆探機(jī)具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及配套工藝的研究. E-mail:gaoxiaoliang@cctegxian.com
高曉亮,居培,趙建國(guó). 煤層頂板大直徑定向鉆孔用雙級(jí)雙速PDC鉆頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2021,49(5):272–277. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.031
GAO Xiaoliang,JU Pei,ZHAO Jianguo. Design and application of PDC bit for large diameter directional drilling of coal seam roof with double stage and double speed[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(5):272–277. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.05. 031
(責(zé)任編輯 郭東瓊)