高曉亮,陳洪巖,張朋
(中煤科工集團西安研究院有限公司,西安 710077)
鉆探施工在煤礦井下主要應(yīng)用于瓦斯抽采、探放水、地層構(gòu)造預(yù)判等方面,是煤礦開采過程中比較重要的輔助措施。隨著煤炭的逐年消耗,開采難度逐漸加大,煤礦井下鉆探施工也日趨多樣化、復(fù)雜化[1]。鉆進的地層也由軟到中硬地層擴展到堅硬巖層,這就對煤礦鉆進用鉆頭提出了新的要求。
目前煤礦瓦斯抽采孔鉆探施工,還是以普通PDC鉆頭為主,但普通PDC鉆頭在硬巖鉆進中的鉆進效率低下,甚至難以取得進尺,鉆頭壽命較低,這直接對煤礦井下鉆探施工造成了極大困難,從而增加了煤礦開采的輔助作業(yè)時間,降低了煤礦的開采速率。
本文旨在分析國內(nèi)外硬巖鉆進用金剛石鉆頭的研究現(xiàn)狀,結(jié)合煤礦鉆探施工對金剛石鉆頭的要求,以及井下現(xiàn)有金剛石鉆頭的使用情況,對煤礦硬巖鉆進用金剛石鉆頭的選用及設(shè)計方向提出合理建議。
國內(nèi)外在針對深部地層鉆井中的硬地層、強研磨性地層以及難鉆不均質(zhì)地層等的鉆頭技術(shù)方面開展了大量研究,也取得了不少成績。
以休斯克里斯坦森公司為代表的一些公司,在鉆頭的改進和開發(fā)方面做了大量的工作,研制了高性能切削齒,推出了混合式鉆頭、抗振鉆頭、快速硬地層鉆頭、雙切削結(jié)構(gòu)鉆頭、新型孕鑲金剛石鉆頭等[2]。近年來的研究和應(yīng)用成果主要包括:
(1)新型高性能PDC齒。
從2003年開始,以休斯公司為主的美國鉆頭制造商先后推出了性能優(yōu)異的新型PDC齒,這其中包括休斯公司的Zenith(Z)齒和Genesis定制齒。Smith公司的ONYX齒。以及Reed-Hycalog公司的Raptor(r)Thermostable切削齒等。
圖1 休斯公司定制的新型復(fù)合片
這些新的PDC齒在耐磨性、耐沖擊性以及熱穩(wěn)定性等方面明顯優(yōu)于原有產(chǎn)品,因此使得PDC鉆頭適應(yīng)硬地層、研磨性地層以及難鉆不均質(zhì)地層的能力明顯增強。
(2)PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)改進及布齒優(yōu)化。有了新一代專利PDC齒技術(shù)以及先進鉆頭設(shè)計技術(shù)的支撐,國外企業(yè)先后推出了用于對付惡劣或難鉆地層的PDC鉆頭[3]。這些鉆頭技術(shù)包括:休斯公司的Genesis XT系列;哈里伯頓公司的HyperCut系列;Reed-Hycalog公司的TransFormation系列以及Smith公司的SHARC系列(圖2)。
圖2 Smith公司的Sharc系列鉆頭
這些鉆頭能在硬巖中保持高效的鋒利切削邊緣,且更加堅固,更加耐磨。并且降低了在復(fù)雜地層作業(yè)時的振動,減少沖擊荷載??稍谲浻步惶娴貙尤〉幂^高的機械鉆速。這些技術(shù)代表了目前世界PDC鉆頭技術(shù)的最高水平。
(3)金剛石強化孕鑲齒鉆頭
這種鉆頭的切削齒是在硬質(zhì)合金柱齒上粘結(jié)3層聚晶金剛石復(fù)合層,從而使切削齒同時具有金剛石的高耐磨性和硬質(zhì)合金的高抗沖擊性能,能以磨削和沖擊的方式有效地鉆進硬地層和研磨地層。
(4)復(fù)合PDC鉆頭
為了發(fā)揮牙輪鉆頭和PDC的優(yōu)點,貝克休斯公司最近開發(fā)出集成了牙輪和PDC鉆頭的新一代的復(fù)合鉆頭(如圖3所示)。該鉆頭副刀翼的位置則被短尺寸的牙輪所替代。這樣,井眼的中心位置是由位于主刀翼上的PDC切削齒完成破巖的,而井眼外圍部分的鉆進由牙輪和刀翼上的切削齒共同完成[4]。
圖3 牙輪PDC復(fù)合鉆頭
(5)新一代孕鑲鉆頭。
產(chǎn)品包括:休斯公司的 Hedge-Hog系列(圖4);哈里伯頓公司的Ti3000系列。Reed-Hycalo公司的Dura-Diamond系列;Smith公司的Kinetic系列。這些新型孕鑲鉆頭提升了在軟硬交錯地層中的鉆井性能等級。并具備優(yōu)化的水力設(shè)計以及先進的機體材質(zhì)拓寬了孕鑲鉆頭的工作范圍[3]。
圖4 休斯公司的Hedge系列
國內(nèi)很多研究單位對硬巖鉆進用金剛石鉆頭做了相應(yīng)的研究:
(1)金剛石復(fù)合片與硬質(zhì)合金、TSP混合型鉆頭
針對含有礫石和軟硬交錯地層的特點,提出了混合切削結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖5為一種適合多硬夾層地層的金剛石鉆頭。這種金剛石鉆頭以金剛石復(fù)合片作為主切削齒,以熱穩(wěn)定聚晶金剛石作為輔助切削齒,可鉆中硬~硬和有硬巖夾層的地層。在相同的條件下,該鉆頭性能優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭。大大提高了金剛石鉆頭的應(yīng)用范圍[4]。
圖5 TSP、PDC混合鉆頭圖
(2)新型金剛石復(fù)合片。
吉林大學研制了一種仿生非光滑聚晶金剛石復(fù)合片,如圖6所示,其在聚晶金剛石層表面形成有凸包形或凹坑形仿生非光滑形態(tài),凸包形或凹坑形仿生非光滑形態(tài)以一定大小、間距和規(guī)律排布;該復(fù)合片具有壽命長、鉆速高、能耗低、防粘能力強等特點[6]。這種復(fù)合片PDC鉆頭,可以使PDC鉆頭始終保持快鉆速和耐磨性,仿生非光滑形態(tài)改善了PDC鉆頭齒的局部水力學狀態(tài)、切削條件和排屑環(huán)境,可以提高機械鉆速和使用壽命。
圖6 仿生非光滑復(fù)合片圖
(3)金剛石聚晶鉆頭
中國地質(zhì)大學(武漢)在和烏克蘭合作的項目中研制了在金剛石孕鑲鉆頭中加入烏克蘭AKTM聚晶鉆頭[7]。在鉆進花崗巖、片麻巖等硬地層時,鉆進性能優(yōu)于普通金剛石鉆頭。
現(xiàn)階段煤礦井下鉆進方式主要有回轉(zhuǎn)鉆進和螺桿馬達定向鉆進兩種,除去少量軟煤地層鉆進用硬質(zhì)合金鉆頭外,其余大部分為PDC鉆頭。而根據(jù)鉆進方式的不同,現(xiàn)階段煤礦用PDC鉆頭主要有回轉(zhuǎn)用內(nèi)凹鉆頭和定向鉆進用平底鉆頭,如圖7所示。
圖7 兩種煤礦用PDC鉆頭
淮南某礦深部豎井瓦斯抽采鉆孔施工過程中鉆遇石英砂巖,該巖層致密、堅硬,研磨性高。分別采用兩種PDC鉆頭進行鉆進試驗,鉆進結(jié)果如表1所示。
表1 淮南某礦內(nèi)凹鉆頭鉆進效果
沈陽某礦頂板梳狀定向鉆孔施工過程中,鉆遇花崗巖侵入帶,該巖層結(jié)構(gòu)致密,研磨性強。采用胎體式平底鉆頭進行鉆進,鉆進速率為5~8m/h,鉆頭壽命為120m。圖8為磨損的鉆頭圖。從圖中可以看出,該鉆頭邊緣復(fù)合片已經(jīng)崩齒嚴重,復(fù)合片合金墊磨損嚴重,靠內(nèi)復(fù)合片崩齒嚴重。
圖8 使用后的PDC平底鉆頭
由以上兩煤礦PDC鉆頭在硬巖中鉆進情況,可以發(fā)現(xiàn)普通結(jié)構(gòu)PDC鉆頭已經(jīng)不能滿足煤礦井下硬巖鉆進的要求,需要改進現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu)或開發(fā)新型鉆頭產(chǎn)品應(yīng)用于硬巖鉆進,方能為煤礦硬巖鉆進提供有力的保障。
(1)定制性能優(yōu)良的PDC鉆頭
一方面定制或者優(yōu)選高耐磨性、高強度并且自銳性能較好的PDC切削齒,另一方面改善現(xiàn)有PDC鉆頭結(jié)構(gòu),采用更易于切削巖石的結(jié)構(gòu),結(jié)合PDC鉆頭布齒技術(shù),設(shè)計制造出適用于中硬到硬地層的PDC鉆頭;
(2)研究新型復(fù)合型PDC鉆頭
采用金剛石聚晶、牙輪以及金剛石燒結(jié)體等超硬材料與PDC混合布置于鉆頭上,使鉆頭既能以較高的速率鉆進,也能在鉆進過程中以較小的磨損量保證自身的壽命
(3)開發(fā)硬巖鉆進用孕鑲金剛石鉆頭、聚晶鉆頭
采用新型的結(jié)構(gòu)方式制作孕鑲金剛石鉆頭,使鉆頭保留有孕鑲金剛石鉆頭的高適用性、長壽命等優(yōu)點,同時改善孕鑲鉆頭在硬巖鉆進中的效率。使孕鑲金剛石鉆頭適用煤礦井下鉆探施工。
[1]石智軍,胡少韻,姚寧平.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.
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[3]黃蕾蕾,薛啟龍.國外鉆頭技術(shù)新進展[J].石油機械,2010(4):73-86.
[4]胡珩.個性化PDC鉆頭發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用展望[J].科技信息,2012(9):140-146.
[5]楊麗,陳康民.PDC鉆頭的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景.石油機械,2007(12):70-72.
[6]高科,孫友宏,劉寶昌,等.仿生非光滑聚晶金剛石復(fù)合片,中國,102619473A[P],2012-08-01.
[7]鄢泰寧.姚鄒.段隆臣.人造金剛石超硬材料在鉆探中的應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,2011.