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        局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭的研制

        2014-12-25 02:14:24劉克林張志罡王曉琴
        鉆探工程 2014年3期
        關(guān)鍵詞:雙翼反作用力水槍

        劉克林,張志罡,王曉琴

        (河南省煤田地質(zhì)局四隊,河南平頂山467000)

        1 概述

        局部擴(kuò)徑是指采用鉆掘手段將本已存在的鉆孔井眼,原位擴(kuò)大為直徑更大的孔眼的過程。該項技術(shù)始于20世紀(jì)初的油氣鉆井。應(yīng)用該技術(shù)的基本意圖是解決孔眼縮徑、井壁坍塌等鉆進(jìn)難題。隨著煤層氣開發(fā)的進(jìn)展,局部擴(kuò)徑技術(shù)逐步進(jìn)入煤層氣掏穴井的施工領(lǐng)域。與油氣鉆井不同,煤層氣掏穴井要求在垂直鉆孔的目的煤層段,利用機(jī)械的方法形成一個遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原鉆孔直徑的洞穴。

        局部擴(kuò)徑擴(kuò)孔鉆頭是應(yīng)用于局部擴(kuò)徑鉆進(jìn)的關(guān)鍵工具,分為固定刀翼和活動刀翼兩大類型。由于固定刀翼擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔直徑變化范圍小,不符合煤層氣掏穴井施工的要求。目前應(yīng)用于煤層氣掏穴井施工的均為活動刀翼擴(kuò)孔鉆頭,主要有靠活塞與連桿推動刀翼打開的機(jī)械造穴工具(如圖1所示)和靠鉆井液噴射反作用力推動刀翼打開的單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭(如圖2所示)兩種形式。其中,國內(nèi)煤層氣掏穴井施工中應(yīng)用較為廣泛的為單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭。

        隨著在煤層氣掏穴井施工中的大量應(yīng)用,機(jī)械造穴工具和單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭表現(xiàn)出一些應(yīng)用上的缺陷。機(jī)械掏穴工具由于結(jié)構(gòu)上的原因,會因為鉆井液中巖屑粘卡芯軸,造成掏穴擴(kuò)孔后刀翼不能回收,無法起鉆的事故;單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭在掏穴鉆進(jìn)中,穩(wěn)定性差,遇煤層夾矸石易造成刀翼提前損壞,不能正常使用(如圖3所示)。

        圖1 機(jī)械造穴工具

        在總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,我們研制成功了PS-150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭,初步現(xiàn)場試驗證明,利用此鉆頭掏穴擴(kuò)孔穩(wěn)定性好,安全性好,完全適合煤層氣掏穴井施工需要。

        圖2 局部擴(kuò)徑單翼擴(kuò)孔鉆頭

        圖3 損壞單翼局部擴(kuò)孔鉆頭

        2 鉆頭結(jié)構(gòu)及工作原理

        PS-150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。鉆頭由本體、心軸和刀翼組成,2只刀翼通心軸連接在鉆頭本體上。本體上部通過螺紋與鉆桿連接。鉆頭內(nèi)部有復(fù)雜的水路使鉆井液通過鉆桿進(jìn)入鉆頭,然后由刀翼的噴嘴噴射出去。

        圖4 PS-150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)圖

        當(dāng)鉆頭下到指定層位時,低速旋轉(zhuǎn)鉆具,開泵向鉆柱內(nèi)輸送鉆井液。鉆井液由噴嘴噴射而出所產(chǎn)生的反作用力,使刀翼逐漸抬起、打開,擴(kuò)孔刀翼工作。擴(kuò)孔結(jié)束后,上提鉆具,刀翼依靠自身重力下落、收攏。

        在鉆頭使用中,刀翼的展開是一個關(guān)鍵過程,關(guān)系到鉆頭設(shè)計與應(yīng)用是否成功。刀翼展開過程分2個階段:展開角度(刀翼與鉆頭中垂線夾角)小于45°和展開角度大于45°。前一階段,主要依靠鉆井液噴射所形成的反作用力作為動力,克服刀翼重力的影響,形成刀翼對地層向上、向外壓力,使刀翼展開;后一階段,依靠鉆具下壓,形成刀翼對地層向下、向外的壓力,向外展開刀翼。在2個階段中,后一階段由于鉆具能夠提供足夠的下壓力,刀翼展開相對比較容易;前一階段,鉆井液噴射所形成的反作用力能否克服刀翼重力影響,是刀翼能否展開的關(guān)鍵,是鉆頭應(yīng)用的核心過程。圖5和圖6是刀翼展開時的受力分析圖。

        圖5 小于45°受力分析圖

        圖6 大于45°受力分析圖

        其中最為關(guān)鍵的作用力是:

        為計算方便,cosθ取最大值1,則式(1)簡化為:

        3 射流作用力計算

        射流作用力F射流是擴(kuò)孔刀翼展開過程中最主要的動力。對于F射流的推算,可以借用消防水槍反作用力的推算方法。

        3.1 水槍反作用力計算

        根據(jù)牛頓力學(xué)定律,水槍反作用力大小:

        式中:F——反作用力,N;m——質(zhì)量,kg;a——加速度,m/s2。

        當(dāng)水流由水龍帶經(jīng)水槍漸縮部分到水槍噴口,整個過程水流流態(tài)復(fù)雜,為簡化計算,忽略水槍水頭損失,并且以平均流速代替實(shí)際水流各質(zhì)點(diǎn)變化流速。由于過流斷面逐漸減小,水流流速沿程增加。平均流速由v1增加到v2,水流勢能轉(zhuǎn)化為動能,勢能做功。平均流速由v1增加到v2所用時間為加速時間t,由運(yùn)動學(xué)定律,得平均加速度為:

        在加速時間t內(nèi)水槍出流的水量由下式計算:

        把式(4)、(5)代入式(3)得:

        式中:F——反作用力,N;P——水槍噴口處計算水壓,m(1 MPa=100 m水柱);d——水槍噴口直徑,mm;D——水龍帶直徑,mm。

        根據(jù)水力學(xué)恒定總流的動量方程,根據(jù)作用在總流上的外力的動量定理:

        取動量修正系數(shù)β2=β1=1。

        為簡化計算,認(rèn)為各質(zhì)點(diǎn)對水槍噴口的反作用力垂直于噴口斷面,Q=Sv2,則式(7)變?yōu)?

        比較根據(jù)力學(xué)原理推導(dǎo)的公式,結(jié)果完全相同。即根據(jù)力學(xué)原理和根據(jù)水力學(xué)恒定總流的動量方程所推導(dǎo)的水槍反作用力計算公式相同。

        另外,在力學(xué)原理推導(dǎo)過程中,假定水流為理想液流,并且以平均流速來簡化計算;由水力學(xué)恒定總流的動量方程推導(dǎo)過程中取動量修正系數(shù)β2=β1=1可知,上述推導(dǎo)公式計算結(jié)果與實(shí)際情況有一定出入,故為近似計算。在實(shí)際工程中,可采用下式計算。

        式中:F——水槍反作用力,kg;ρ——水的密度,1000 kg/m3;S——噴口斷面面積,m2;P——水槍噴口處水壓,m(1 MPa=100 m水柱)。

        3.2 鉆頭刀翼打開時的鉆壓計算

        結(jié)合水槍反作用力推算,可得到單個刀翼在打開過程中的鉆壓為:

        式中:F——單刀翼鉆壓,kg;ρ——鉆井液的密度,1000 kg/m3;S——噴嘴面積,m2;P——噴嘴處水壓,m(1 MPa=100 m 水柱);k——修正系數(shù);F自重——刀翼自重。

        以清水鉆井液為例,計算刀翼打開時的單刀翼鉆壓。假定刀翼噴嘴直徑20 mm、刀翼自重20 kg、泵壓 3 MPa、修正系數(shù)設(shè)為 0.85,則噴嘴面積0.000314 m2、水壓300 m水柱,單刀翼鉆壓為:

        4 設(shè)計要點(diǎn)

        4.1 刀翼布齒設(shè)計

        局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭由于受刀翼少、旋轉(zhuǎn)直徑大和刀翼為活動部件等因素影響,擴(kuò)孔過程中穩(wěn)定性差。在鉆頭設(shè)計方面,通過優(yōu)化刀翼的形狀和PDC切削齒布置設(shè)計,來提高鉆頭穩(wěn)定性。刀翼外形整體為長方形,肩部采用圓弧設(shè)計,布齒采用同軌跡形式,在肩部易損壞區(qū)域采用最大密度布齒方法。肩部的圓弧形輪廓設(shè)計在鉆進(jìn)中所形成圓弧井底造形,同軌跡布齒,相鄰兩軌跡之間形成的巖脊能有效地控制鉆頭的振動,提高鉆頭的穩(wěn)定性。刀翼布齒設(shè)計圖如圖7所示。

        圖7 PS-150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭刀翼布齒設(shè)計圖

        4.2 鉆頭流道設(shè)計

        保證鉆頭在刀翼打開過程中,鉆井液順利進(jìn)入鉆頭體,并在流出刀翼噴嘴時能形成強(qiáng)烈的噴射效果,有較強(qiáng)的力量推動刀翼打開;鉆頭刀翼完全打開后,流道要能夠擴(kuò)展,降低鉆井液的系統(tǒng)壓力,擴(kuò)大流量,更好地攜帶巖屑。

        4.3 密封設(shè)計

        保證鉆頭體與刀翼之間的流道連接要有合適的密封,盡量減少漏液,以免沖壞流道;同時不影響刀翼的活動靈活性;兼顧密封面的便于加工和處理。

        4.4 鉆頭材料

        鉆頭刀翼與本體采用合金鋼材料,經(jīng)鍛打、調(diào)質(zhì)后加工制造,切削齒采用高強(qiáng)PDC復(fù)合片,保證鉆頭的強(qiáng)度與抗沖擊性能。

        4.5 鉆頭參數(shù)

        鉆頭本體直徑 150 mm,擴(kuò)孔直徑 700 mm,NC38鉆頭螺紋,上部與88.9 mm鉆桿連接。

        5 現(xiàn)場試驗

        2012年6~8月,我們用一只PS-150/700型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭先后在甘肅慶陽和山西沁水的3個井場進(jìn)行了試驗,均取得了理想的效果。試驗數(shù)據(jù)見表1。

        6 結(jié)論

        3個井場的試驗中,PS-150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭順利成完了施工任務(wù),鉆頭完好無損。

        表1 局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭現(xiàn)場試驗情況

        通過試驗,可得到如下結(jié)論:

        (1)PS-150/700D型局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)合理,使用安全可靠,能滿足煤層氣掏穴井的施工需要。

        (2)與單翼擴(kuò)孔掏穴鉆頭相比,穩(wěn)定性更好,擴(kuò)孔過程中鉆具振動強(qiáng)度明顯下降。

        (3)從現(xiàn)場情況看,局部擴(kuò)徑雙翼擴(kuò)孔鉆頭可應(yīng)用于煤層鉆探、7級以下巖層鉆探、頁巖氣的開發(fā)以及煤礦井下瓦斯預(yù)抽等領(lǐng)域的施工。

        [1] 史兵言,李玉良.煤層氣擴(kuò)穴鉆頭的研制與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(6).

        [2] 趙運(yùn)興.煤田地質(zhì)勘探技術(shù)手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1989.

        [3] 社曉瑞,王桂文,王德良.鉆井工具手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

        [4] MT/T 1076-2008,煤炭地質(zhì)鉆探規(guī)程[S].

        [5] 王世光.鉆探工程[M].北京:地質(zhì)出版社,1986.

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