鉆探用PDC內(nèi)凹鉆頭的設(shè)計(jì)

引言

　　 金剛石復(fù)合片（簡稱PDC）既具有金剛石高的耐磨性，又有硬質(zhì)合金較強(qiáng)的抗沖擊韌性，已經(jīng)成為硬質(zhì)合金鉆頭的替代產(chǎn)品，可極大地提高鉆進(jìn)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(chǎn)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(yán)重制約了生產(chǎn)進(jìn)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(jìn)行瓦斯的快速抽采，要求鉆頭壽命長，鉆孔平直，鉆進(jìn)速度快，鉆進(jìn)深度較大。因此，在這類鉆頭的設(shè)計(jì)時，應(yīng)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(fā)本文對PDC鉆頭的設(shè)計(jì)制造工藝提出一些要求，僅供同行探討。

　　1 PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 端部結(jié)構(gòu)形狀

　　 對于煤系地層，普通的一字型或三翼硬質(zhì)合金鉆頭，由于沒有物理的圓柱導(dǎo)向，鉆進(jìn)平孔時，容易發(fā)生孔斜，因此，對于密集的平行鉆孔施工，鉆進(jìn)用鉆頭主要特點(diǎn)是必須有利于保直，也就是具有較強(qiáng)保護(hù)孔壁作用，對孔壁的側(cè)向切削能力盡可能的小。對此，鉆頭結(jié)構(gòu)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(jìn)鉆頭設(shè)計(jì)成帶有物理的圓柱導(dǎo)向面不取心全面鉆進(jìn)鉆頭。在完整的煤、巖層中鉆進(jìn)，由于煤、巖心具有一定的硬度，具有一定的導(dǎo)向保直和防偏斜的作用，鉆頭端面設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形不取芯鉆頭，內(nèi)凹部分與外側(cè)的高差為20~25mm。

　　 導(dǎo)向保直鉆進(jìn)中，保直是十分重要的工藝技術(shù)，其對鉆頭的保徑規(guī)的規(guī)格尺寸要求，不同于一般復(fù)合片鉆頭，它既要加強(qiáng)鉆頭的保徑效果，但同時不能設(shè)計(jì)成高的保徑規(guī)，因?yàn)楦弑揭?guī)鉆頭不利于排粉，也不容易提高鉆進(jìn)效率。

　　 由于煤系地層頂、底板大多為軟~中硬巖層，鉆頭還應(yīng)具備事故防御及處理輕微事故的能力。為了便于沖洗介質(zhì)及時帶走煤巖屑，鉆頭水氣路設(shè)計(jì)應(yīng)取大水氣槽和大缺口結(jié)構(gòu)。

　　 為了在發(fā)生輕微塌孔埋鉆事故時提鉆，鉆探的反向面還應(yīng)設(shè)計(jì)有反切削齒，以便鉆具旋轉(zhuǎn)時，可切削煤巖掉塊，解除孔內(nèi)事故。

　　1.1.2鉆頭唇面形狀：

　　 鉆頭唇面形狀應(yīng)設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形，這種唇面形狀的鉆頭，側(cè)端刃比較鋒利，能強(qiáng)化側(cè)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(shè)計(jì)成外錐形，外錐形鉆頭不僅側(cè)向切削能力強(qiáng)，而且有導(dǎo)向作用，會有效的妨礙鉆頭側(cè)向偏斜切削煤巖石，利于保直鉆進(jìn)。

　　1.2 切削齒選優(yōu)

　　 鉆頭在旋轉(zhuǎn)工作時，PDC切削齒則直接切削煤巖層，地層的各項(xiàng)異性，使PDC切削齒承受很大的載荷，且為動變載荷。在多數(shù)情行下，復(fù)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(fù)合片的性能，而且在很大程度上也取決于鉆頭的結(jié)構(gòu)，要綜合考慮設(shè)計(jì)。

　　 針對煤系地層的特點(diǎn)，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(fù)合片PDC規(guī)格有10.0mm、13.3mm、16.0mm三種，不同直徑規(guī)格的復(fù)合片，可適應(yīng)不同的鉆進(jìn)工藝條件和煤巖地層。小直徑的復(fù)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(shè)備能力一定時，有利于小給進(jìn)力實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)較硬的或欠完整的煤巖層，但較小直徑的復(fù)合片產(chǎn)生的切削面積卻較小，則鉆進(jìn)速度也低。因此，鉆頭宜采用直徑為10.0mm或13.3mm的復(fù)合片。

　　 導(dǎo)向保直鉆進(jìn)中，鉆頭外側(cè)PDC切削齒工作負(fù)擔(dān)最重，必須考慮增強(qiáng)耐磨性，通常選用高硬度、高耐磨、高抗沖擊韌性及高熱穩(wěn)定性的“四高”復(fù)合片。這種復(fù)合片PDC切削齒的齒面，經(jīng)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(tài)，降低包鉆發(fā)生的幾率。另外鉆頭的布齒空間大小，也會限制對PDC復(fù)合片大小尺寸的選擇，所以除了考慮PDC片的性能外，還應(yīng)綜合分析考慮復(fù)合片的規(guī)格與鉆頭的結(jié)構(gòu)等因素。

　　1.3 PDC內(nèi)凹鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)［1］

　　 PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是指復(fù)合片的鑲焊角和旁通角，其參數(shù)對鉆頭的性能和鉆進(jìn)效果會產(chǎn)生很大的影響。

　　1.3.1鑲焊角

　　 復(fù)合片鉆頭的切削刃有多種鑲焊方式，以負(fù)前角的鑲焊較多，有利于切削煤巖石。負(fù)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(jìn)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(jìn)較硬的煤巖石。從理論與實(shí)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(jìn)時效就高，同時產(chǎn)生的煤巖粉也多，需及時清除排凈，否則就發(fā)生煤巖屑堵孔現(xiàn)象，特別在高膠粘性地層，因其巖屑有較強(qiáng)的附著力，容易發(fā)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(nèi)事故。

　　 為了減少糊包，往往采用提高泵量或風(fēng)量，降低鉆頭壓力的方法，同時，還可以減少復(fù)合片出露高度和水氣口大小，以便產(chǎn)生高速介質(zhì)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(shè)計(jì)旁通角β（如圖2），當(dāng)鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，巖屑在介質(zhì)流力F的推動下，向外側(cè)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(fù)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(jié)構(gòu)

　　 根據(jù)現(xiàn)場常用鉆具的尺寸，研制的鉆頭規(guī)格為φ94mm。PDC復(fù)合片的數(shù)量決定鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)速度。PDC數(shù)量多，鉆頭的抗振動、抗剪切能力則提高，但每個PDC復(fù)合片上分配的鉆進(jìn)壓力在減少，切入煤巖的深度就減少，鉆進(jìn)速度則下降。

　　 依據(jù)鉆頭規(guī)格，中心內(nèi)凹部分采用φ13.3mm復(fù)合片，設(shè)置2個復(fù)合片齒。凸出的環(huán)槽部分設(shè)置成雙環(huán)排列，外環(huán)用3個PDC復(fù)合片均布，有利于鉆頭回轉(zhuǎn)平穩(wěn)和保直；內(nèi)環(huán)3個PDC復(fù)合片。

　　 PDC復(fù)合片的鑲焊角設(shè)成5°，旁通角設(shè)成3°。按該參數(shù)制造的復(fù)合片鉆頭，既可保證鉆頭具有較鋒利的側(cè)端面切削能力，提高鉆進(jìn)效果，又能保證復(fù)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(fù)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(qiáng)度會受一定的影響；胎體式復(fù)合片鉆頭可以避免鋼體式復(fù)合片鉆頭的不足，因此，在使用中胎體式鉆頭應(yīng)用比較廣泛。

　　 胎體式PDC復(fù)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(shù)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(yīng)采用數(shù)控車床，以方便施工中鉆頭的擰卸。

　　3 現(xiàn)場應(yīng)用

　　 試制的鉆頭在某礦的3063巷b5#孔進(jìn)行試驗(yàn)，鉆孔方位角為202.64°，傾角為5°，設(shè)計(jì)孔深為300m。該地區(qū)地層有破碎帶，本煤層施工中的地層為條帶狀結(jié)構(gòu)的煤，其中夾有薄層狀煤矸石，向上穿層鉆進(jìn)地層為中粒砂巖，并有縱向裂隙，向下穿層鉆進(jìn)地層為細(xì)粒砂巖和泥質(zhì)砂巖。所用的鉆機(jī)為ZDY4000LD型鉆機(jī)，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(jì)進(jìn)尺達(dá)1011.6 m，平均鉆進(jìn)時效為5.12m/h，實(shí)際鉆探施工時耗25班次。由于設(shè)有反切削齒，提鉆遇阻，回轉(zhuǎn)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(yīng)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(shù)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(zhì)硬，含少量菱質(zhì)的細(xì)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(zhì)泥巖，厚度0.1～0.3m。直接底為深灰色，薄層狀，層理發(fā)育的砂質(zhì)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(jìn)行，該工作面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。受構(gòu)造影響，斷層附近煤層起伏較大。試驗(yàn)點(diǎn)Ⅱ827機(jī)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(xiàn)明顯，應(yīng)力比較集中。本次工業(yè)性試驗(yàn)在蘆嶺礦II827采面2號機(jī)巷6個鉆場，Φ94mm內(nèi)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(jì)進(jìn)尺1824.5m。