多级变径钻头与双螺旋防抱钻杆的设计与应用*

唐 平

(潞安环能股份公司漳村煤矿，山西 长治 046032)

0 引 言

漳村煤矿目前开采过程中遇见的松软煤层为碎粒煤性质，多为块状、粒状，厚度一般为0.2～0.5 m，多发育于煤层中部，间或与夹矸相邻，其发育主要包括有两种情况：

(1) 沉积作用过程中形成的高含量炭质泥岩(煤中泥质夹矸)，其主要成分是黏土矿物，极易在钻进过程中遇水膨胀变软，从而造成塌孔、抱钻，致使钻进困难。

(2) 在采动应力作用和钻孔钻进过程中产生的应力叠加区域，属于高应力集中区，若高瓦斯和应力综合作用，不仅会使煤体被破碎、压实，而且会进一步形成高塑性变形区，在此区域内钻进时极易出现塌孔、顶钻等现象。

查阅相关资料并根据现场施工情况观察，发现松软煤层中钻孔变形的破坏可能出现钻孔顶钻、钻杆被埋、卡钻、钻孔底臌、钻孔孔壁两帮内挤、钻孔无法钻进或成孔后钻孔被封堵等现象，导致成孔率低，针对这些问题，在改进松软煤层的快速钻进工艺时必须满足以下条件：

(1) 在钻进过程中要能够迅速排粉，以防钻孔变形或者施工过程中产生的煤粉堵塞钻孔，从而发生抱钻、卡钻。

(2) 稳定的钻孔变形从而防止塌孔抱钻，主要防止在钻孔 5～15 m 范围内造成的孔口变形及塌孔。

(3) 一旦发生塌孔和抱钻，要能够及时自救，避免钻具丢失。

因此根据以上要求，文中通过改进钻头和钻孔，并充分结合松软煤层施工过程中钻孔的变形特征，设计了多级变径钻头和防抱双螺旋钻杆。

1 多级变径钻头工作原理及应用

多级变径钻头充分利用松软煤钻孔钻进过程中产生的塑性变形区，利用一次钻进多次切割的方式实现钻孔的成型及稳孔效果，是一种全新原理的钻具[1]，如图 1所示。具体参数如下：

图1 多级变径钻头设计图

(1) 第一级钻头(最前端钻头)，外径 25 mm，内径 15 mm，此段三个刀头与常见钻头的刀头形式一致，通水(风)孔内孔直径4 mm，外孔直径6 mm，通水(风)孔倾角向二级钻头方向倾斜 5°。

(2) 第二级钻头，外径35 mm，内径20 mm，此段上三个刀头整体向右倾斜5°，通水(风)孔内孔直径4 mm，外孔直径 6 mm。

(3) 第三段钻头，外径45 mm，此段正向3个刀头，反向3个刀头，三个正向刀头整体向右倾斜10°，正向三个刀头用于钻进时切削，尾部三个反向钻头用于卡钻或退钻时的切削，通水(风)孔内孔直径4 mm，外孔直径6 mm，通水(风)孔向钻杆倾斜 5°。

(4) 每一级钻头长10 cm，总长30 cm，三级钻头可以是一个整体，总体实现25 mm 向45 mm 直径的变化；每级钻头的 3 个通水(风)孔均布于 3 个钻头中间，三级钻头的刀具由逐级向右偏移，使得钻头旋转后形成螺旋状水(风)向，有助于排粉。

多级变径钻头特点是：高压水(风)可以通过中空的钻杆送达钻头的出水(风) 口，高压水(风)通过一级、二级、三级钻头上孔径不同的出水(风)口排出， 利用高压水(风)加速煤屑的排出，从而大大减少由于煤屑排出不畅导致煤屑堆积而抱死钻杆的几率[2]。

第三级钻头的尾部有一组三个反向钻头，当有煤屑受扰动掉落较多，钻杆钻进阻力增大时，可采取钻机仍然正向转动，将钻杆向外抽取，利用第三级钻头尾部的三个反向钻头将扰动掉落的煤屑再次切削，然后利用钻杆的双螺旋将切割碎的煤屑排除，从而解决钻杆被抱紧的问题。

2 双螺旋防抱钻杆设计

为增加钻杆的排粉能力，本次设计的钻杆主要为双螺旋防抱钻杆，在圆形钻杆的基础上新设计双螺旋纹，钻杆直径与三级变径直径一致，即为40 mm；螺旋导程为90 mm，其中外部螺旋为外窄内宽的矩形，内部螺纹为三角形，两螺纹具有一致的变化曲率，刻槽深度设计5 mm，单根钻杆长度为1.5 m。双螺纹的设计一是为了增加松软煤钻进过程中的排粉能力[3]，二是内部的三角螺纹具有粉碎煤屑的作用，使钻杆在高速旋转过程中能够快速的排渣，从而达到防止抱紧的作用，螺旋钻杆的设计图如图 2所示，将多级变径钻头和双螺旋防抱钻杆相连接后的设计效果图如图 3所示，加工实物图如图4所示。

图2 双螺旋防抱钻杆示意图

图3 松软煤多级变径双螺旋钻具综合效果图

图4 松软煤多级变径双螺旋钻具结构图

3 煤矿2506运巷的应用效果

2506工作面位于漳村煤矿25采区北部，东面及南面为采空区，北面邻近文王山大断层，煤体平均厚度 6.48 m，其中含煤矸 0.2 m，由于紧挨采空区，局部区域为高应力集中区，松软煤较为发育。在进行钻孔施工过程中，卡钻现象发生频繁，钻机动力损耗大、耗费时间长，钻孔施工工人劳动强度较大、钻进效率较低[4]。此次实验选用 风动立柱钻机配合多级变径钻头和双螺旋防抱钻杆分别进行了井下实验，对钻进速度，终孔深度及钻孔内煤粉进行了观测，结果如表1所列。

表1 不同钻具井下实验对比

从表1及图5可以看出，合金钻头与圆形钻杆的平均终孔深度是33.4 m而多级变径钻头和双螺旋钻杆钻具的平均终孔深度为 43.4 m，平均提高了10 m，平均增加终孔深度约 30%。

图5 不同钻具松软煤层终孔对比图

从表1及图6可以看出合金钻头与圆形钻杆的平均每米钻进时间为87 s，而多级变径钻头和双螺旋钻杆钻具的平均每米钻进时间为 56.2 s，平均提高30.8 s，提高效率为35.4%。

图6 不同钻具松软煤层每米钻进速度对比图

4 结 语

通过以上现场实践对比分析来看，得出多级变径双螺旋防抱钻杆具有一定的优势，能够明显的提高在松软煤中的钻进速度和终孔深度，在实际应用中具有较好的效果，与目前使用的圆形钻杆相比具有以下优势和特点：

(1) 卡钻和塌孔现象减少，抱钻出现的频率减低明显，钻进阻力小，提高了成孔率。

(2) 成孔速度快。由于钻进过程中，钻杆振动相对较小、孔壁较圆整、排渣较顺畅等原因，成孔所消耗时间变短。

(3) 钻孔排渣颗粒小。由于螺旋钻杆二次搅碎的原因，从钻孔中排出的渣粒小。

(4) 对于松软煤发育的区域内克服了圆形钻杆排渣慢、钻进速度低的问题，为松软煤层钻进提供了新技术和新思路。