大口径扩孔牙轮钻头结构优化设计

秦 可，郝世俊，赵永哲，祁宏军，莫海涛，公丕进

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054）

大口径扩孔牙轮钻头结构优化设计

秦 可，郝世俊，赵永哲，祁宏军，莫海涛，公丕进

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054）

通过对目前Ф550mm大口径扩孔牙轮钻头的牙掌结构布置、齿面结构和水力结构进行分析，提出设计优化思路。结合彬长矿区某矿大口径钻井工程，开展大尺寸扩孔牙轮钻头优快成孔工艺技术的现场试验研究。得出大口径扩孔牙轮钻头牙轮数量为9个时钻速优于6个，合理的牙掌结构布置、齿面结构的钻头结构可提高23.1%的钻速。

大口径；扩孔牙轮钻头；优化设计；煤矿救援孔

目前，大口径钻井技术已成为各煤矿区施工深孔救援孔、逃生孔、电缆孔、瓦斯排放孔、通风孔和送料孔等的必然选择和重要手段。随着大口径钻井技术的不断进步和提高，设计孔深孔径不断加大，多次扩孔成井成为常态。但随着钻孔深度增加地质条件越来越复杂，地层岩石硬度和强度增加，可钻性差，常规结构大尺寸扩孔牙轮钻头机械钻速低，单只钻头进尺少，钻效低的问题愈来愈明显，严重影响了大口径钻井的成井速度和效益。在制约大口径钻井钻速的诸多因素中，大口径扩孔牙轮钻头破岩速度是关键因素，由于Ф550mm扩孔钻头用量远远少于常规牙轮钻头，目前国内钻头生产厂家在大尺寸扩孔钻头设计制造方面投入的力量有限，产品结构单一，产品性能难以满足大口径快速钻井的要求。为此，本文对目前使用中的Ф550mm大口径扩孔牙轮钻头设计中存在的问题进行分析，对牙掌结构布置、齿面结构和水力结构的改进提出优化设计思路。结合彬长矿区某矿大口径钻井工程实例，开展大尺寸扩孔牙轮钻头优快钻进工艺技术的现场试验研究，得出合理的牙掌结构布置、齿面结构的钻头结构优化设计结果。大口径扩孔牙轮钻头牙轮数量采用9个牙掌布置破岩速度优于布置6个牙掌。

1 牙掌结构优化

由于目前使用的Ф550mm扩孔钻头为组装焊接钻头，其结构为下部引导处焊接3片Ф215.9mm钻头牙掌，扩孔钻头胎体上焊接3片楔形齿Ф215.9mm517G级牙轮钻头牙掌，其牙轮与井底岩石接触点只有3片楔形齿，从岩石破碎角度来看，牙掌上牙轮齿数和尺寸直接影响钻头与岩石接触点的多少与应力大小分布，以及岩石内部裂纹的形成与扩展，进而影响牙齿破岩效率，由于目前使用的Ф550mm扩孔钻头上所使用牙掌少，这样的设计导致牙轮与井底岩石接触点明显偏少，其破岩效率必然下降。经过改进后的Ф550mm扩孔钻头胎体上焊接9片Ф215.9mm517G级牙轮钻头牙掌，实际破岩过程中牙轮与井底岩石接触点有9片楔形齿。钻头的牙齿与岩石互相作用的表面为岩石的工作面。在钻头破岩的过程中，钻头的牙齿会在岩石工作面上形成破岩痕迹，通常将单个牙齿形成的岩石破碎表面称为“岩石破碎坑”，而将多个牙齿共同形成的岩石破碎表面称为“井底”，试验证明牙掌越多牙齿接触井底形成的岩石破碎坑越多，钻进效率越高。

2 牙轮钻头钻速理论计算

2.1 杨格模式钻速

修正杨格模式钻速方程为：

式中：W为钻压；M为门限钻压；n为转速；γ为转速指数；KR为地层可钻性系数；CP为压差影响系数；CH为水力净化系数；C2为牙齿磨损系数；h为牙齿长度[1-2]。

以亭南2#、3#电缆孔为例，由五点钻进试验方法可求得门限钻压：

表1 2#、3#孔牙轮钻头五点机械钻速记录

根据表1中的数据，把式（3）代入式（2）得出牙轮钻头钻遇该地层时的门限钻压为3.8kN，试验地层的转速指数为：

根据表1中的数据，把式（4）代入式（5）得出牙轮钻头钻遇该地层时的转速指数为0.647 2，根据新钻头的试钻资料，地层可钻性系数为：

其中新钻头初始钻速VR0=0.81m/h，此时牙齿磨损量h为0。

根据表1中的数据，钻井条件下水力净化系数CH、压差影响系数CP分别取0.7、1.1，代入式（7）得该地层可钻性系数为0.0045。牙齿磨损系数为：

起钻时的钻速VRf为0.46m/h；因开始钻进时的牙齿磨损量hf=2mm；该钻头的牙齿磨损系数为0.38。

将以上参数代入修正杨格模式钻速方程可得杨格模式6牙轮钻头和9牙轮钻头理论钻速分别为VR6=0.56m/h，VR9=0.70m/ h。

2.2 波尔剪切侵入理论钻速

波尔将锥形齿侵入破碎岩石的过程简化成图1[3-4]。侵入载荷P在垂直刃面上的分力为R（不计摩擦力，当考虑摩擦力时，分析的实质并不改变），R在剪切断裂面上形成两个力：剪切力T和法向力N。根据摩尔破坏准则，当剪应力超过内聚力c和内摩擦力μσ时，便发生剪碎，即破坏临界条件是：

锥形齿侵入岩石产生的破碎坑可简化为圆锥体，由此可知其破碎坑的体积为：

式中：S是圆锥破碎坑底面积。

图1 锥形单齿侵入岩层形式

在当前侵入压力p下，锥形齿的侵入深度为：

由图1可知，φ是剪切面的倾角。破碎坑的夹角为180-2φ，根据三角关系可知圆锥的半径为：

一个齿所破碎的岩石体积为：

将式（10）、式（11）代入到式（12）中有：

钻头直径设为db，牙轮直径为dc，钻头公转速度为nb，牙轮绕牙轮轴自转转速为nc。在某一时刻，钻头每个牙轮与井底有m个牙齿接触，n个牙轮破碎体积为：

设钻头牙轮外排齿圈齿数为Z，则纵振频率f为：

纵振周期T为：

则一个运动周期，牙轮钻头的破岩总体积为：

考虑到破碎过程中井底工作面不平的影响，引入多齿联合破岩影响系数，下式为：式

中C为多齿联合破岩影响系数。

则钻头的钻速为：

其中σT抗压强度参数根据三轴应力实验在考虑实际钻井条件下水力净化系数CH、压差影响系数CP。将体积公式代入到式可得钻速模型：

以该矿区施钻2#、3#电缆孔为例，应用式（20）分析该井480~550m井段的机械钻速。根据钻头外径db为550mm，钻头牙轮数量分别为9个、6个，牙轮外径dc为Ф140mm，牙轮外排齿圈齿数Z为14，参数θ取15°，φ取10°。该井段地层岩石的抗压强度为27MPa左右，内摩擦系数为0.19。钻压为30kN，钻井条件下水力净化系数CH、压差影响系数CP、多齿联合破岩影响系数C分别取0.7、1.1、0.5。以上参数代入纯滚动锥形齿牙轮钻头钻速方程，6牙轮钻头和9牙轮钻头波尔模式理论钻速分别为：VR6=0.53m/h，VR9=0.66m/h。

杨格模式6牙轮钻头和9牙轮钻头理论钻速分别为：VR6= 0.56m/h，VR9=0.70m/h。

两种方法理论机械钻速平均值分别为VR6=0.545m/h，VR9= 0.68m/h。

3 试验区工程地质及水文地质条件

彬长矿区某矿地层由老至新为：侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a）、白垩系下统宜君组（K1y）、洛河组（K1l）、华池组（K1h）、第四系及新近系黄土层（Q+N）。井检孔工程地质及水文地质特征见表2。

表2 水文地质参数一览表

试验区水文地质特征如下：

1）华池组砂层岩含水层，富水性极弱。

2）洛河组砂砾岩含水层，抽水试验涌水量Q=6.003L/s，单位涌水量q=0.298 5 L/（s·m），渗透系数K=0.097 83m/d，富水性中等，水质类型SO4-Na型。

3）宜君组砾岩弱含水层，抽水试验涌水量Q=0.062L/s，单位涌水量q=0.001 072L/（s·m），渗透系数K=0.001 633m/d，富水性弱，水质类型SO4-Na型。

4）安定组砂泥岩极弱含水层：据井田外围钻孔抽水试验，富水性极弱，可视为煤系与上覆白垩系含水层之间的稳定隔水层。

5）直罗组砂泥岩微弱含水层及延安组砂岩含水层：据井田内钻孔抽水试验，直罗组为富水性微弱含水层，水质类型SO4-Na型；富水性弱，水质类型Cl·SO4-Na型。

4 井身结构及钻进工艺

试验段主要岩层为洛河组粗粒砂岩及砾岩。井身结构见图3。使用MDY-60型钻机，F-500泥浆泵组，Ф127 mm钻杆，先导孔用Ф311.15mm牙轮钻头钻进至320m，用Ф215.9mm牙轮钻头定向钻进至664m；用Ф550/Ф311.15mm扩孔钻头扩孔钻进至669.7m。采用泥浆正循环和气举反循环两种工艺。

图3 井身结构示意图

4.1 扩孔钻具组合

（1）泥浆正循环钻进钻具组合：Ф550/311mm扩孔钻头+Ф203mm钻铤+Ф178mm钻铤+Ф165mm钻铤+Ф127mm钻杆；

（2）气举反循环钻进钻具组合（孔深大于50m）：Ф550/ 311mm反循环牙轮钻头+Ф203mm钻铤+Ф178mm钻铤+Ф165mm钻铤+Ф127mm钻杆+Ф127mm双壁钻杆。

4.2 钻进工艺参数

（1）泥浆正循环钻进：钻压100~300kN，转速60r/min，排量20~25L/s。

（2）气举反循环钻进：钻压100~300kN，转速，60r/min，风量10m3/min；风压不超过3MPa，水量保证补给水位在孔口，沉没比大于0.8。

4.3 钻井液性能

黏度35~55Pa·s；密度1.10~1.20g/cm3。

5 现场对比试验

根据理论计算结果，对Ф550mm大口径扩孔牙轮头的牙掌结构布置、齿面结构进行优化改进，钻头外径db为550mm，钻头牙轮数量改为9个，牙轮外径dc为140mm，牙轮外排齿圈齿数Z为14。以该矿区施钻的2#、3#电缆孔为例，在钻孔井深的480m至550m井段，在相同工艺同条件下用Ф550mm大口径扩孔牙轮钻头牙轮数量为9个和6个开展机械钻速对比试验。该井段地层岩石的抗压强度为27MPa左右，内摩擦系数为0.19。钻压为300kN，钻井条件下水力净化系数CH、压差影响系数CP、多齿联合破岩影响系数C分别取0.7、1.1、0.5。对比试验结果见图4。统计牙轮钻头钻速实际平均值分别为：VR6=0.603m/h，VR9=0.742m/h。比理论计算有所提高，主要在于地层岩石强度有变化。钻头牙轮数量为9个时的实际机械钻速比钻头牙轮数量为6个时高出23.1%，通过改进大口径扩孔牙轮钻头的牙掌结构和牙轮数量，实际钻速有了很大的提高。

6 结论

1）通过改进大口径扩孔牙轮扩孔钻头的牙掌结构布置、齿面结构，钻头牙轮数量为9个比钻头牙轮数量为6个时的实际试验机械钻速高出23.1%。

2）随着煤矿区大口径救援孔工程需求的增加，应当投入技术力量加大研究开发适合工程实际的大口径扩孔牙轮头结构及钻进工艺的力度，提高钻速、提高效益。

图4 扩孔牙轮钻头钻时与井深关系图

[1] 陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术[M].东营：石油大学出版社，2000.

[2] 刘希圣.钻井工艺原理，下册[M].北京：石油工业出版社，1981.

[3] 杜婕妤.基于侵入理论的牙轮钻头钻速方程研究[D].大庆：东北石油大学，2012.

[4] 赵国珍.牙轮钻头的运动和受力分析[J].石油矿场机械，1986，（1）：5+8-15+47.

Optimization Design of Large Diameter Reaming Drum Bit

Qin Ke，Hao Shi-jun，Zhao Yong-zhe，Qi Hong-jun，Mo Hai-tao，Gong Pi-jin

Based on the analysis of the tooth structure，tooth surface structure and hydraulic structure of the Ф550mm large diameter reaming cone bit，the design optimization idea is put forward.Combined with a large diameter drilling drilling project in Binchang mining area，to carry out large-scale reaming cone bit on the rapid completion of the hole into the field of experimental technology research.It is concluded that the drill bit with the diameter of the tooth is better than 6，and the reasonable tooth structure can increase the drilling speed of 23.1%.

large diameter；reaming cone bit；optimal design；coal mine rescue hole

TD421

B

1003–6490（2017）05–0237–03

2017–04–10

秦可（1988—），男，内蒙古鄂尔多斯，助理工程师，主要从事钻井施工技术开发研究工作。