局部扩径双翼扩孔钻头的研制

2014-12-25刘克林张志罡王晓琴

钻探工程 2014年3期

刘克林，张志罡，王晓琴

(河南省煤田地质局四队，河南平顶山467000)

1 概述

局部扩径是指采用钻掘手段将本已存在的钻孔井眼，原位扩大为直径更大的孔眼的过程。该项技术始于20世纪初的油气钻井。应用该技术的基本意图是解决孔眼缩径、井壁坍塌等钻进难题。随着煤层气开发的进展，局部扩径技术逐步进入煤层气掏穴井的施工领域。与油气钻井不同，煤层气掏穴井要求在垂直钻孔的目的煤层段，利用机械的方法形成一个远远大于原钻孔直径的洞穴。

局部扩径扩孔钻头是应用于局部扩径钻进的关键工具，分为固定刀翼和活动刀翼两大类型。由于固定刀翼扩孔钻头扩孔直径变化范围小，不符合煤层气掏穴井施工的要求。目前应用于煤层气掏穴井施工的均为活动刀翼扩孔钻头，主要有靠活塞与连杆推动刀翼打开的机械造穴工具(如图1所示)和靠钻井液喷射反作用力推动刀翼打开的单翼扩孔掏穴钻头(如图2所示)两种形式。其中，国内煤层气掏穴井施工中应用较为广泛的为单翼扩孔掏穴钻头。

随着在煤层气掏穴井施工中的大量应用，机械造穴工具和单翼扩孔掏穴钻头表现出一些应用上的缺陷。机械掏穴工具由于结构上的原因，会因为钻井液中岩屑粘卡芯轴，造成掏穴扩孔后刀翼不能回收，无法起钻的事故;单翼扩孔掏穴钻头在掏穴钻进中，稳定性差，遇煤层夹矸石易造成刀翼提前损坏，不能正常使用(如图3所示)。

图1 机械造穴工具

在总结应用经验的基础上，我们研制成功了PS－150/700D型局部扩径双翼扩孔钻头，初步现场试验证明，利用此钻头掏穴扩孔稳定性好，安全性好，完全适合煤层气掏穴井施工需要。

图2 局部扩径单翼扩孔钻头

图3 损坏单翼局部扩孔钻头

2 钻头结构及工作原理

PS－150/700D型局部扩径双翼扩孔钻头结构如图4所示。钻头由本体、心轴和刀翼组成，2只刀翼通心轴连接在钻头本体上。本体上部通过螺纹与钻杆连接。钻头内部有复杂的水路使钻井液通过钻杆进入钻头，然后由刀翼的喷嘴喷射出去。

图4 PS－150/700D型局部扩径双翼扩孔钻头结构图

当钻头下到指定层位时，低速旋转钻具，开泵向钻柱内输送钻井液。钻井液由喷嘴喷射而出所产生的反作用力，使刀翼逐渐抬起、打开，扩孔刀翼工作。扩孔结束后，上提钻具，刀翼依靠自身重力下落、收拢。

在钻头使用中，刀翼的展开是一个关键过程，关系到钻头设计与应用是否成功。刀翼展开过程分2个阶段:展开角度(刀翼与钻头中垂线夹角)小于45°和展开角度大于45°。前一阶段，主要依靠钻井液喷射所形成的反作用力作为动力，克服刀翼重力的影响，形成刀翼对地层向上、向外压力，使刀翼展开;后一阶段，依靠钻具下压，形成刀翼对地层向下、向外的压力，向外展开刀翼。在2个阶段中，后一阶段由于钻具能够提供足够的下压力，刀翼展开相对比较容易;前一阶段，钻井液喷射所形成的反作用力能否克服刀翼重力影响，是刀翼能否展开的关键，是钻头应用的核心过程。图5和图6是刀翼展开时的受力分析图。

图5 小于45°受力分析图

图6 大于45°受力分析图

其中最为关键的作用力是:

为计算方便，cosθ取最大值1，则式(1)简化为:

3 射流作用力计算

射流作用力F射流是扩孔刀翼展开过程中最主要的动力。对于F射流的推算，可以借用消防水枪反作用力的推算方法。

3．1 水枪反作用力计算

根据牛顿力学定律，水枪反作用力大小:

式中:F——反作用力，N;m——质量，kg;a——加速度，m/s2。

当水流由水龙带经水枪渐缩部分到水枪喷口，整个过程水流流态复杂，为简化计算，忽略水枪水头损失，并且以平均流速代替实际水流各质点变化流速。由于过流断面逐渐减小，水流流速沿程增加。平均流速由v1增加到v2，水流势能转化为动能，势能做功。平均流速由v1增加到v2所用时间为加速时间t，由运动学定律，得平均加速度为:

在加速时间t内水枪出流的水量由下式计算:

把式(4)、(5)代入式(3)得:

式中:F——反作用力，N;P——水枪喷口处计算水压，m(1 MPa=100 m水柱);d——水枪喷口直径，mm;D——水龙带直径，mm。

根据水力学恒定总流的动量方程，根据作用在总流上的外力的动量定理:

取动量修正系数β2=β1=1。

为简化计算，认为各质点对水枪喷口的反作用力垂直于喷口断面，Q=Sv2，则式(7)变为:

比较根据力学原理推导的公式，结果完全相同。即根据力学原理和根据水力学恒定总流的动量方程所推导的水枪反作用力计算公式相同。

另外，在力学原理推导过程中，假定水流为理想液流，并且以平均流速来简化计算;由水力学恒定总流的动量方程推导过程中取动量修正系数β2=β1=1可知，上述推导公式计算结果与实际情况有一定出入，故为近似计算。在实际工程中，可采用下式计算。

式中:F——水枪反作用力，kg;ρ——水的密度，1000 kg/m3;S——喷口断面面积，m2;P——水枪喷口处水压，m(1 MPa=100 m水柱)。

3．2 钻头刀翼打开时的钻压计算

结合水枪反作用力推算，可得到单个刀翼在打开过程中的钻压为:

式中:F——单刀翼钻压，kg;ρ——钻井液的密度，1000 kg/m3;S——喷嘴面积，m2;P——喷嘴处水压，m(1 MPa=100 m 水柱);k——修正系数;F自重——刀翼自重。

以清水钻井液为例，计算刀翼打开时的单刀翼钻压。假定刀翼喷嘴直径20 mm、刀翼自重20 kg、泵压 3 MPa、修正系数设为 0.85，则喷嘴面积0.000314 m2、水压300 m水柱，单刀翼钻压为:

4 设计要点

4．1 刀翼布齿设计

局部扩径双翼扩孔钻头由于受刀翼少、旋转直径大和刀翼为活动部件等因素影响，扩孔过程中稳定性差。在钻头设计方面，通过优化刀翼的形状和PDC切削齿布置设计，来提高钻头稳定性。刀翼外形整体为长方形，肩部采用圆弧设计，布齿采用同轨迹形式，在肩部易损坏区域采用最大密度布齿方法。肩部的圆弧形轮廓设计在钻进中所形成圆弧井底造形，同轨迹布齿，相邻两轨迹之间形成的岩脊能有效地控制钻头的振动，提高钻头的稳定性。刀翼布齿设计图如图7所示。