鉆探用PDC內凹鉆頭的設計

引言

　　 金剛石復合片（簡稱PDC）既具有金剛石高的耐磨性，又有硬質合金較強的抗沖擊韌性，已經成為硬質合金鉆頭的替代產品，可極大地提高鉆進效率和使用壽命，明顯降低鉆孔的施工成本，因此，鉆探施工中以廣泛推廣使用PDC鉆頭。對于高瓦斯礦井，瓦斯抽采是治理瓦斯保證煤礦安全生產的有效手段，但由于煤礦開采速度快，煤層瓦斯釋放速度慢，嚴重制約了生產進度，為了提高瓦斯抽采效果，在煤層中采用密集的平行鉆孔，進行瓦斯的快速抽采，要求鉆頭壽命長，鉆孔平直，鉆進速度快，鉆進深度較大。因此，在這類鉆頭的設計時，應考慮鉆頭的鉆孔保直功能和鉆頭的耐磨性。同時，還必須兼顧鉆頭的使用壽命和綜合效益，依次出發本文對PDC鉆頭的設計制造工藝提出一些要求，僅供同行探討。

　　1 PDC鉆頭的結構設計

　　1.1 端部結構形狀

　　 對于煤系地層，普通的一字型或三翼硬質合金鉆頭，由于沒有物理的圓柱導向，鉆進平孔時，容易發生孔斜，因此，對于密集的平行鉆孔施工，鉆進用鉆頭主要特點是必須有利于保直，也就是具有較強保護孔壁作用，對孔壁的側向切削能力盡可能的小。對此，鉆頭結構和鉆頭冠部形狀的確定必須考慮以下基本原則。

　　1.1.1 鉆頭的類型：

　　 鉆進鉆頭設計成帶有物理的圓柱導向面不取心全面鉆進鉆頭。在完整的煤、巖層中鉆進，由于煤、巖心具有一定的硬度，具有一定的導向保直和防偏斜的作用，鉆頭端面設計成內凹形不取芯鉆頭，內凹部分與外側的高差為20~25mm。

　　 導向保直鉆進中，保直是十分重要的工藝技術，其對鉆頭的保徑規的規格尺寸要求，不同于一般復合片鉆頭，它既要加強鉆頭的保徑效果，但同時不能設計成高的保徑規，因為高保徑規鉆頭不利于排粉，也不容易提高鉆進效率。

　　 由于煤系地層頂、底板大多為軟~中硬巖層，鉆頭還應具備事故防御及處理輕微事故的能力。為了便于沖洗介質及時帶走煤巖屑，鉆頭水氣路設計應取大水氣槽和大缺口結構。

　　 為了在發生輕微塌孔埋鉆事故時提鉆，鉆探的反向面還應設計有反切削齒，以便鉆具旋轉時，可切削煤巖掉塊，解除孔內事故。

　　1.1.2鉆頭唇面形狀：

　　 鉆頭唇面形狀應設計成內凹形，這種唇面形狀的鉆頭，側端刃比較鋒利，能強化側端向切削，有利于保直；同時不影響軸向切削。而底部唇面形狀設計成外錐形，外錐形鉆頭不僅側向切削能力強，而且有導向作用，會有效的妨礙鉆頭側向偏斜切削煤巖石，利于保直鉆進。

　　1.2 切削齒選優

　　 鉆頭在旋轉工作時，PDC切削齒則直接切削煤巖層，地層的各項異性，使PDC切削齒承受很大的載荷，且為動變載荷。在多數情行下，復合片PDC并非完全正常磨損，而是因過載或沖擊振動，引起的切削齒崩刃、折斷、掉片等不正常破壞，從而就造成鉆頭過早報廢。因此，PDC鉆頭的性能不僅取決于PDC復合片的性能，而且在很大程度上也取決于鉆頭的結構，要綜合考慮設計。

　　 針對煤系地層的特點，頂、底板巖石多為軟至中硬，巖石的研磨性為弱至中等。常用的復合片PDC規格有10.0mm、13.3mm、16.0mm三種，不同直徑規格的復合片，可適應不同的鉆進工藝條件和煤巖地層。小直徑的復合片，切入巖石相同深度時，切削齒與煤巖石接觸的面積也較小，即切入阻力就小，在設備能力一定時，有利于小給進力實現鉆進較硬的或欠完整的煤巖層，但較小直徑的復合片產生的切削面積卻較小，則鉆進速度也低。因此，鉆頭宜采用直徑為10.0mm或13.3mm的復合片。

　　 導向保直鉆進中，鉆頭外側PDC切削齒工作負擔最重，必須考慮增強耐磨性，通常選用高硬度、高耐磨、高抗沖擊韌性及高熱穩定性的“四高”復合片。這種復合片PDC切削齒的齒面，經過高拋光工藝處理后，能夠降低煤巖屑與切削齒表面之間的附著力，可改善煤巖屑的遷移狀態，降低包鉆發生的幾率。另外鉆頭的布齒空間大小，也會限制對PDC復合片大小尺寸的選擇，所以除了考慮PDC片的性能外，還應綜合分析考慮復合片的規格與鉆頭的結構等因素。

　　1.3 PDC內凹鉆頭的結構參數［1］

　　 PDC鉆頭的結構參數主要是指復合片的鑲焊角和旁通角，其參數對鉆頭的性能和鉆進效果會產生很大的影響。

　　1.3.1鑲焊角

　　 復合片鉆頭的切削刃有多種鑲焊方式，以負前角的鑲焊較多，有利于切削煤巖石。負前鑲不僅可提高PDC的工作剛度，延長其使用壽命，而且還有利于提高切削速度。鑲焊角變小，適于鉆進較軟的煤巖石；而鑲焊角增大，切入巖石的阻力減小，適于鉆進較硬的煤巖石。從理論與實踐表明，對于頂、底板巖石多為軟至中硬，PDC的鑲焊角α以3°~10°為佳（圖1所示）。

　　1.3.2 旁通角：

　　 由于PDC鉆頭在孔底接觸面積小，比壓則高，故鉆進時效就高，同時產生的煤巖粉也多，需及時清除排凈，否則就發生煤巖屑堵孔現象，特別在高膠粘性地層，因其巖屑有較強的附著力，容易發生堵塞，并粘著在切削齒前面，形成糊包，造成PDC鉆頭的鉆速下降和孔內事故。

　　 為了減少糊包，往往采用提高泵量或風量，降低鉆頭壓力的方法，同時，還可以減少復合片出露高度和水氣口大小，以便產生高速介質流沖掃煤巖屑。鉆頭體與地層的間隙比較小，易于造成煤巖屑擠壓在其間，就增加了排除煤巖粉的阻力。因此，設計旁通角β（如圖2），當鉆頭回轉鉆進時，巖屑在介質流力F的推動下，向外側遷移，更有利于煤巖屑及時快速脫離PDC前刃面。

　　 旁通角β，雖有利于排除巖屑，但也減少了鉆頭的有效切削力，同時又增加復合片鑲焊的牢固度，故旁通角不宜過大，一般旁通角3°~5°為好。

　　2 PDC鉆頭的制造

　　2.1 PDC鉆頭結構

　　 根據現場常用鉆具的尺寸，研制的鉆頭規格為φ94mm。PDC復合片的數量決定鉆頭的使用壽命和鉆進速度。PDC數量多，鉆頭的抗振動、抗剪切能力則提高，但每個PDC復合片上分配的鉆進壓力在減少，切入煤巖的深度就減少，鉆進速度則下降。

　　 依據鉆頭規格，中心內凹部分采用φ13.3mm復合片，設置2個復合片齒。凸出的環槽部分設置成雙環排列，外環用3個PDC復合片均布，有利于鉆頭回轉平穩和保直；內環3個PDC復合片。

　　 PDC復合片的鑲焊角設成5°，旁通角設成3°。按該參數制造的復合片鉆頭，既可保證鉆頭具有較鋒利的側端面切削能力，提高鉆進效果，又能保證復合片有高的鑲焊牢固度，同時具有長的使用壽命，圖3為鉆頭端部形狀圖。鉆頭的連接為錐扣螺紋，按用戶要求特制。

　　2.2 PDC鉆頭制造工藝

　　 PDC鉆頭一般有鋼體式和胎體式兩種制造工藝方法，鋼體式復合片鉆頭制造比較簡單，但鉆頭的保徑效果和使用壽命因鋼體的強度會受一定的影響；胎體式復合片鉆頭可以避免鋼體式復合片鉆頭的不足，因此，在使用中胎體式鉆頭應用比較廣泛。

　　 胎體式PDC復合片鉆頭可采用無壓浸漬方法制造，制造過程中須解決鉆頭模具成型困難、效率低、成本高等技術問題。采用模具加工，可有效降低成本，同時可避免鉆頭加工中人為因素的影響，連接螺紋的加工應采用數控車床，以方便施工中鉆頭的擰卸。

　　3 現場應用

　　 試制的鉆頭在某礦的3063巷b5#孔進行試驗，鉆孔方位角為202.64°，傾角為5°，設計孔深為300m。該地區地層有破碎帶，本煤層施工中的地層為條帶狀結構的煤，其中夾有薄層狀煤矸石，向上穿層鉆進地層為中粒砂巖，并有縱向裂隙，向下穿層鉆進地層為細粒砂巖和泥質砂巖。所用的鉆機為ZDY4000LD型鉆機，泥漿泵型號為BW-320。鉆具組合為：Φ94mmPDC保直鉆頭+Φ73 mm鉆桿。共施工鉆孔4個，累計進尺達1011.6 m，平均鉆進時效為5.12m/h，實際鉆探施工時耗25班次。由于設有反切削齒，提鉆遇阻，回轉解除順利。提鉆后觀察，鉆頭外圍PDC切削齒磨損輕微，光澤烏黑，無崩刃，磨損正常。

　　 在蘆嶺煤礦應用，在井下二疊系下石盒子組8#煤層，煤層厚度3.9～10.0m，平均6.95m，煤層傾角8 o～17o，平均12o，煤硬度普氏系數為0.2～0.45，該煤黑色，塊狀，宏觀煤巖類型為半亮煤，含夾矸0.2～1.6m。該煤層老頂為灰白色，質硬，含少量菱質的細砂巖，厚度3.5～8.5m。直接頂為灰深色，塊狀，含植化石碎片的泥巖，厚度1.6～4.2m。偽頂為灰褐色，松軟的炭質泥巖，厚度0.1～0.3m。直接底為深灰色，薄層狀，層理發育的砂質泥巖，厚度2.4～5.7m。老底為黑色，粉沫狀至鱗片狀的9煤，厚度1.4～4.8m。在Ⅱ827工作面進行，該工作面地質構造較復雜。受構造影響，斷層附近煤層起伏較大。試驗點Ⅱ827機巷寬度約3.3 m，局部寬2.8 m，巷道高度2.8 m，地壓大，巷壓顯現明顯，應力比較集中。本次工業性試驗在蘆嶺礦II827采面2號機巷6個鉆場，Φ94mm內凹PDC鉆頭，共施工鉆孔30個，其中孔深100m以上的鉆孔8個，累計進尺1824.5m。