大井底角鉆井鉆頭的研制及應用

引言
　　鉆井法是一種勞動強度低、成井質量好、安全可靠的施工方法，是通過深厚不穩定沖積層的主要施工方法之一，它能夠安全地通過不穩定地層（如含水豐富地層、流砂層等），地面預制井壁質量好，成井井筒滴水不漏等優點[1]。
　　近年來，隨著我國煤礦建設井筒直徑和深度逐漸加大，并且工期要求越來越短，鉆頭的結構類型對鉆井速度、井筒質量和鉆井成本有著直接影響。在鉆井過程中人們總是期望起下鉆次數減少、鉆井速度加快、鉆井成本降低[2]。但隨著井筒直徑及深度的增加，直接導致原有鉆頭在大直徑深井中的排渣能力降低，嚴重影響鉆進速度，制約鉆井法鑿井的發展[3]。筆者對Ф9.8m大井底角鉆井鉆頭進行研制，以期進一步提高鉆進速度，保持鉆井法鑿井的技術優勢。
　　2 大井底角鉆頭結構研制
　　影響鉆井法鑿井速度的因素很多，及時有效地排除鉆渣便是其中非常重要的一環。若鉆頭結構形式不合理，鉆渣將不能及時排除而被重復破碎，一方面耗費大量的有用功，另一方面嚴重影響鉆進速度[4]。因此，Ф9.8m新型鉆井鉆頭的研制對鉆進速度的提升有著重要的作用。鉆頭有平底和錐底兩種。錐形鉆頭有利于工作面洗井，并具有良好的錐體鉆進導向性。目前所用的錐形鉆頭的錐底角有25°和35°兩種。經驗表明，錐底角越大鉆進速度越快，但是，錐底角多大為最佳，尚需要分析研究后確定。
　　2.1鉆頭錐角的合理取值
　　2.1.1鉆渣受力角度分析井底角
　　本文主要從鉆渣排出的角度考慮這一問題。錐角越小，工作面斜坡角度（井底角）越大，鉆渣越容易順著斜坡面向下運動。鉆渣受到重力、泥漿流的作用力、工作面的摩阻力和離心慣性力（鉆渣隨泥漿做圓周運動）共同作用，決定其運動狀態。如果考慮鉆渣處于靜止狀態，離心慣性力可忽略，如果考慮鉆渣處于圓周運動，摩阻力可忽略。鉆渣是在泥漿中運動，也是隨著泥漿的運動而排出。由于泥漿隨著鉆頭的轉動而運動，并且由外而內運動并由位于鉆孔中心附近的排渣管道排出，因此泥漿的粘度對于鉆渣的運動和排出是有利的[5]?？紤]最不利情況，對鉆渣受力情況進行簡化分析的計算參數見表1。
　　根據實際工程運行情況，考慮最不利情況下進行計算分析，鉆渣受到的慣性力F和鉆頭半徑r之間的關系見表2。
　　圖1 離心慣性力F與半徑r的關系圖
　　在轉速相同的情況下，鉆渣的慣性力隨著鉆頭直徑的增大而增大，且呈線性關系；在鉆頭直徑相同的情況下，鉆渣的慣性力隨著轉速的增大而增大。
　　鉆渣重力分量及慣性力分量與傾斜角的關系，見表3。
　　圖2 鉆渣重力分量及慣性力分量與傾斜角的關系圖
　　從圖2可看到：不管是鉆頭尺寸變化，還是轉速變化，都有著以下的規律：隨著傾斜角度α的增大（即錐角的減?。?，重力沿斜面向下的分力不斷增大，斜面法向的分力不斷減小，有利于鉆渣向下方運動；但是隨著傾斜角度α的增大（即錐角的減?。?，鉆渣慣性力沿斜面的向上分力不斷減小，斜面法向的分力不斷增大，前者有利于鉆渣向下方運動，后者不利于鉆渣向下方運動，這就需要需找一個平衡點，來作為合理的斜面傾角。
　　作不同轉速條件下（1～8r/min）[6]，Ф9.8m鉆頭產生的鉆渣重力沿斜面的分量Gs、慣性力沿斜面的分量Fs與傾斜角α的關系圖，見圖3。
　　圖3 Ф9.8m鉆頭產生的鉆渣重力及慣性力沿斜面的分力與傾斜角關系圖
　　Gs與Fs兩條曲線相交時對應的傾斜角度α，可作為選擇鉆頭錐角的參考值，從圖3中可看出：鉆頭錐角的參考值見下表4。
　　注：鉆頭錐角為圖中得出數據，與精確值略有偏差。
　　在忽略摩阻力的情況下，考慮鉆渣隨泥漿運動作圓周運動，在鉆渣重力與離心慣性力在斜面方向平衡的條件時，錐角選擇只與鉆機轉速有關，轉速越快，傾斜角度α越大（即錐角宜越小）?？紤]最不利情況，從鉆渣受力上分析，Ф9.8m鉆頭的井底角α?Q155°。
　　2.1.2破巖及排渣能力角度分析井底角
　　中煤礦山建設集團有限責任公司的丁明已經詳細分析過鉆頭破巖及排渣的角度鉆頭的錐底角α的情況。從旋轉鉆井法問世以來，鉆頭的破巖機理基本沒有改變，主要采用機械應變力破碎巖石，鉆頭的錐底角α越小越好；從排渣的角度分析，要想及時有效地排除鉆渣，就要使井底錐角大于鉆渣的安息角，參考各類礦石的安息角后得出，井底錐角（鉆頭錐底角） α≥40°[7]。
　　2.2 Ф9.8m鉆頭結構優化研制
　　2.2.1泥漿沖洗模擬輔助鉆頭結構優化
　　通過以上分析，綜合考慮選取鉆頭的井底角為50°，對預設計的Ф9.8m井底角為50°的鉆頭進行泥漿沖洗模擬輔助鉆頭結構優化。采用Siemens公司的軟件I-DEAS作為建模和分析工具來分析流體場的三維速度分布。結構模型見圖4。錐形鉆頭總體呈錐形的圓錐形，頂角為50°，泥漿的吸收口有兩個，中心小吸收口的直徑為250mm，偏心的大吸收口的直徑為460mm，偏心距離620mm[8]。
　?。╝）錐形鉆頭三維模型正視圖 （b）錐形鉆頭有限元網格模型
　　圖4 泥漿沖洗模擬輔助鉆頭結構優化錐形鉆頭模型
　　圖5（a）鉆頭縱剖面處泥漿的流場分布情況中可看出：鉆頭的結構縫隙中泥漿形成多處漩渦，使得泥漿并不是直接向著吸收口移動。鉆頭外側泥漿先向上移動，在縫隙中回旋后從縫隙底部流向鉆頭端部的吸收口。出現這種現象的根本原因是離心力。泥漿在鉆頭的帶動下繞著中心軸線轉動，因為離心力與回轉半徑成正比，所以外側受到的離心力較大，泥漿在離心力的作用下向外移動，在這里就變成了沿著錐形井壁向上移動了。內側的離心力較小，在流體連續性的帶動下向下來補充外側移出的泥漿，從而形成了漩渦。