矿用大直径钻孔连杆式回拉扩孔钻头研发及应用

针对大直径钻孔成孔存在需多次提钻、钻孔轨迹难以控制、施工效率低的问题,设计了一种可开闭的φ300/153 mm连杆式回拉扩孔钻头,通过调节泥浆泵流量使刀翼在正常钻进过程中处于闭合状态,至目的地层张开实现提钻作业与回扩作业同时进行。详细介绍了连杆式回拉扩孔钻头结构及原理,分析了回拉扩孔钻头开闭机构的力学特性,得到了刀翼所受力矩与切削刀翼张角、曲柄长度、连杆长度和偏心距等因素有关;确定了偏心距及活塞行程,通过理论分析方法得到了使钻头开闭机构具有最佳传力性能的连杆及曲柄尺寸组合以及刀翼所受的推动力矩变化规律;基于自由水射流模型,提出了水流对活塞的推力计算方法,得到了泥浆泵达到最大流量时水流对活塞的推力,并给出了影响切削刀翼张开和复位的关键部件复位弹簧的设计计算。研制的钻头在煤矿井下进行了试验,现场结果表明:φ300/153 mm连杆式回拉扩孔钻头能够实现正常钻进保持φ153 mm钻孔钻进,回拉扩孔时实现φ300 mm钻孔回扩;钻进过程中切削刀翼开闭灵活,钻头钻进稳定、可靠性高,验证了连杆式回拉扩孔钻头结构设计及适用于普通非联络巷大直径钻孔成孔施工工艺的可行性。     

四刀翼可钻式钻头的结构设计及分析

钻护一体化工艺技术解决了高地应力井下煤层开孔套管下入深度的难题。配套可钻式钻头不仅满足正常钻进切削岩(煤)的要求,而且通过配套工具可以将钻头钻穿,将套管留在孔中,保护钻孔,为后续定向长距离钻孔的施工奠定基础。结合工艺技术的特点,优化设计四刀翼可钻式钻头,选择35CrMo材料作为钻头本体材质,并通过相应软件进行力学、强度、流场分析,结果表明钻头结构设计合理,满足钻进要求。     

大直径定向长钻孔用PDC钻头设计与应用

针对煤矿井下中硬地层钻进中采用的常规单齿式PDC定向钻头和常规型扩孔钻头钻进寿命短,效率低,以及常规扩孔钻头在扩孔钻进中难以沿原孔轨迹钻进的缺陷,结合大直径定向长钻孔对三种钻头的需求,研制了两种新型PDC钻头,其中新型PDC定向钻头采用刮刀型平底结构并优化布齿,增加了切削齿数量,扩孔钻头采用圆弧形剖面,并沿切削剖面布齿,增大了切削自由面。针对两种钻头进行了现场应用,现场应用证明,新型PDC定向钻头受控性好,钻进稳定,在中硬地层钻进效率和寿命显著提高,是普通单齿式钻头的2倍,新型扩孔钻头能够沿先导孔轨迹扩孔钻进,钻头寿命是普通扩孔钻头的3倍以上。     

小口径绳索取心钻进在砀山地区深厚泥岩地层中的施工技术

本文介绍了小口径绳索取心钻进工艺在安徽省砀山县北部地热资源调查ZK01孔中的实践经验。厚度达600多米的水敏性泥岩地层遇水后表面水化,出现缩径和套管内壁结成虚厚泥皮现象,导致泥浆循环不畅、出现憋泵持压。根据小口径绳索取心钻进工艺特点,分析了该孔缩径特征、套管内壁结泥皮原因后,采用了液控扩孔钻头和无固相乳化抑制泥浆体系等技术取得了很好的效果。文中介绍了液控扩孔钻头原理、扩孔作业注意事项、无固相乳化抑制泥浆的维护和配制。其中液控扩孔钻头是首次在小口径绳索取心钻进工艺中采用,为后续施工类似地层提供了很好的借鉴作用。     

扩张式随钻扩孔器扩孔机构流场分析与优化

随钻扩孔是大洋钻探跟管钻进工艺的关键技术环节,扩张式随钻扩孔器通过压差控制刀翼的张开和闭拢,扩孔率大,可有效实现套管跟管钻进。设计了悬臂式扩孔器,采用偏置式喷射孔布置对刀翼进行冲刷,运用计算流体力学理论,采用标准k-ε湍流模型,对喷射孔在不同角度和直径下的流场进行模拟分析。模拟结果表明:作用于扩孔刀翼切削齿的流体速度和动压力受喷射孔角度、直径和环空钻井液综合影响;随着喷射孔角度α从40°递增至90°,作用于切削齿的流体速度呈类余弦曲线变化;随着喷射孔直径d从4 mm增大到10 mm,作用于切削齿的流体速度和动压力呈抛物线型变化;综合考虑冲刷效果、加工性能和喷射流体与环空钻井液的相互作用,优选α=70°、d=8 mm。陆地试验和浅海试验证明,扩张式随钻扩孔器结构功能可行,扩孔尺寸满足套管正常跟管钻进需求,优选的喷射孔角度和直径可对刀翼形成良好冲刷,有效防止泥包产生。研究成果可为大洋钻探不同规格的随钻扩孔器设计提供参考依据。     

煤矿井下定向长钻孔用新型PDC扩孔钻头的研制及应用

针对煤矿井下长钻孔扩孔钻进时,普通PDC扩孔钻头存在钻进效率低,钻头寿命短,可靠性低等问题,结合煤矿井下近水平定向长钻孔扩孔施工的工艺特点,改进扩孔钻头和导向器的结构,研制了一种新型结构组合式PDC扩孔钻头,并进行了现场试验。试验结果证明,新型组合式扩孔钻头具有钻进效率高、寿命长、保直效果好等优点,试验单只钻头累计进尺达2 364 m,满足了煤矿井下近水平定向长钻孔扩孔施工的需求。     

套管取芯技术获国家发明专利

<正>由中国地质调查局探矿工艺研究所承担的"套管钻进技术在西部地区找矿中的应用示范"项目研究的一种套管取芯钻具和套管钻进技术方法,获得国家发明专利,专利号:ZL201310650334.9。该发明采用套管代替钻杆传递钻进载荷并作为输送泥浆的通道,采用套管取芯钻具进行不提钻换钻头取芯钻进,实现了随钻下套管护壁。钻具采用张敛式扩孔翼和具备自净能力的机构,在复杂工况条件下实现了稳定不提钻换钻头取芯钻进的功能。当钻至预定复杂地层后,打捞取芯钻具,将     

套管取心钻进技术获国家发明专利

<正>不久前,中国地质调查局探矿工艺研究所承担的"套管钻进技术在西部地区找矿中的应用示范"项目研究的一种套管取心钻具和套管钻进技术方法,荣获国家发明专利(ZL 201310650334.9)。该发明采用套管代替钻杆传递钻进载荷并作为输送泥浆的通道,采用套管取心钻具进行不提钻换钻头取心钻进,实现随钻下套管护壁;钻具采用张敛式扩孔翼和具备自净能力的机构,在复杂工况条件下实现稳定的不提钻换钻头取心钻进功能;钻至预定复杂地层     

深孔PDC扩孔钻头研究及计算机辅助设计

介绍了深孔PDC扩孔钻头设计方法,参考了全面钻进PDC钻头设计理论,进行了冠部轮廓设计及等切削布齿理论研究,借助CAD/CAM/CAE一体化三维软件Pro/ENGINEER完成PDC扩孔钻头三维建模,参数化设计提高了PDC布齿的准确性,PDC扩孔钻头可应用到各种扩孔施工,应用前景十分广阔。     

保径导向扩孔钻头的设计及其工程应用

岩心钻探中,在砾石(漂砾)等破碎地层采用常规三翼扩孔钻头扩孔时,常出现憋车和卡钻现象,且扩孔效率低。为此,设计了具有导向和保径功能的扩孔钻头。新设计的扩孔钻头在宁夏灵武一个综合地质孔进行了应用,扩孔效果良好,平均扩孔效率3.5 m/h,形成的新孔眼与原孔眼同轴度高,孔径规则,下套管顺利,对第四系破碎地层进行了有效分隔,保障了后续取心钻进和物探测井的顺利进行。     

可捞式钻头结构设计及验证性试验

随着煤矿不断向深开采,地层复杂程度增加,钻孔塌孔事故频发。利用套管护孔钻进工艺可有效解决塌孔段钻进问题。设计了配合套管钻进工艺使用的可捞式钻头,并进行了现场试验性论证,验证了该结构的可行性。     

井下较大孔径倾斜定向钻孔的施工方法

介绍了SGZ-ⅢA型钻机在煤矿井下施工较大孔径定向钻孔的技术及工艺。为保证钻孔把向精确度,采用φ75mm满眼钻进前导孔,在φ155mm扩孔中,利用在扩孔钻头前加设上一级直径的超前导向防斜,其中在一级孔施工过程中接近透孔时,换成较小的φ65mm快速钻进来防止接近透孔因冲洗液漏失严重而埋钻。运用悬吊法及钻机转动法下套管,采用管壁外倒浆固管。经测试,该孔终孔孔斜为0.3°,偏离设计位置0.15m,套管牢固且不漏水,各项质量标准均达到设计要求。     

煤矿井下大直径回风巷联络钻孔成孔工艺研究

为了减少联络巷数量和节约成本,需要施工回风巷联络用大直径钻孔,分析了600mm多级正扩钻进工艺和800mm牙轮组合钻头多级回拉扩孔钻进工艺的施工方法和存在的问题,研究了大直径钻孔成孔工艺方法回拉扩孔钻进工艺,并研制了800mm拆装式硬质合金钻头。实际应用表明,采用多级回拉扩孔施工工艺,并在扩孔钻头前端配备扶正器,可以有效地解决钻孔偏斜、排渣困难、钻进效率低等问题,效果明显优于联巷铺管工艺,并具有成本低和周期短的优点。     

煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔双级双速扩孔钻头研究北大核心

双级双速扩孔工艺技术可以实现煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔的一次高效扩孔,克服常规正向多级扩孔技术方法提下钻工作量大、辅助钻进时间长和钻具安全性较差等局限性。扩孔钻头是实施多动力双级双速扩孔技术的关键工具,为进一步提高双级双速扩孔的碎岩效率,对双级双速扩孔钻头的冠部剖面形状、切削齿直径和切削齿结构参数进行优化设计;在此基础上建立了双级双速扩孔钻头和对应地层三维模型、有限元模型,采用动态分析软件模拟研究3种不同钻头直径的碎岩效果;优选一级钻头ф165~ф152 mm、二级钻头ф165 mm的钻头直径配比,利用新设计的双级双速扩孔钻头进行现场试验,完成2个120 mm钻孔一次钻扩至200 mm实钻施工,累积扩孔进尺474 m,扩孔综合钻效为5.6 m/h,最高钻速可以达到7 m/h。结果表明:双级双速一级钻头能够有效减少二级钻头的碎岩难度,延长钻头寿命,满足双级双速工艺要求,大大提高顶板高位大直径综合钻进施工效率。     

基于套管钻井工艺的可钻式钻头研究

套管钻井工艺可有效解决在采动稳定区实施钻井时的井眼塌孔问题,可钻式钻头与常规PDC钻头相比,钻头体结构重新设计,以满足可钻性要求以及正常的钻进功能。结合使用的具体要求,可钻式钻头在布齿设计上进行了相应的优化和改进,使用力平衡技术对钻头布齿参数进行优化改进,以使钻头布齿满足要求。基于有限元软件分析,可钻式钻头的结构强度满足钻进要求,钻头结构设计合理。     

煤矿井下筛管完孔技术在穿层孔中的应用

针对煤矿井下筛管完孔技术在穿层孔完孔中应用时存在的悬挂可靠性差、 全孔下入筛管成本高等问题,研究了穿层孔筛管悬挂装置的最优卡爪长度,优选了配套钻头,并在淮北芦岭煤矿进行了现场应用.应用结果表明:当悬挂装置卡爪长度95mm时,在常用?103mm孔径的大倾角穿层孔中悬挂可靠,三翼开闭式钻头岩层钻进效率高,中心翼片打开可靠....     

新型三翼可开闭式PDC钻头的设计与应用

为解决普通四翼可开闭式PDC钻头存在中心翼片开闭不灵活、钻进穿层孔效率低、钻头体易变形的问题,介绍了新型三翼可开闭式PDC钻头的设计。设计方案为:将中心翼片的定位方式由全开放式改为半开放式;将定位珠位置由中心翼片改为镶嵌于钻头体内;将钻头结构由四翼改为三翼,优化布齿。开发的新型三翼可开闭式PDC钻头,在淮南矿业集团朱集东煤矿进行试验,3只钻头平均寿命为590.7m,提高68.8%;钻进砂岩段效率为16m/h,提高33%;中心翼片开闭灵活,下管成功率达到100%。     

双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构设计及模拟分析

跟管钻进技术是解决复杂地层钻进的有效方法之一,针对跟管钻进过程中内外管环空间隙卡阻、钻具受力复杂、能耗大和套管连续下入深度有限、深孔干热岩花岗岩在热应力作用下破碎卡钻等技术难题,本文创新设计了一种双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构。理论分析表明：双钻头同心回转钻进岩屑小,避免内外管卡阻,极大地改善了钻具的受力状态,降低了钻具发生断裂的风险;内钻头通过齿轮啮合方式带动外钻头独立回转,相较于常规跟套管钻进能量消耗降低29.29%;外钻头采用高胎体交替式结构,有效避免了钻井液局部循环现象的发生,从而提高了套管连续下入的深度。该机构设计为跟套管钻进技术提供了一种新思路。     

大直径暗立井反井一次成井施工技术

针对目前大直径暗立井施工存在的效率低、安全性差等问题,提出了反井一次成井工艺。介绍了反井钻机设备选型、施工现场布置、井下运输与安装、导孔与扩孔钻进等施工过程及注意事项。该工艺在煤矿、非金属矿、水电站等行业的地下工程进行了应用。实践表明,在考虑设备重量、外形尺寸、起吊点等因素基础上,选用模块化反井钻机、分段连接基础钢梁、拼接式扩孔钻头等装备,采用履带底盘运输、在硐顶安装多组吊运锚索等方法,在施工中合理布置稳定钻杆、严格控制钻进参数,反井一次成井技术能够实现大直径暗立井安全经济高效施工。     

四翼弧角形PDC钻头在煤矿穿层钻孔中的应用

穿层钻孔是煤矿邻近层瓦斯预抽和采空区瓦斯治理的常用手段。针对在软硬互层及硬地层穿层钻孔施工中现用三翼内凹钻头存在寿命短、钻进效率低的问题,研制了四翼弧角形PDC钻头。采用内锥线与抛物线结合的流线形布齿方式,增加了切削齿密度,实现了多轨道分层错峰碎岩;优化钻头切削倾角与侧转角,增大了切削自由面。对2种钻头进行了现场对比试验,结果表明,在穿层孔钻进中四翼弧角形钻头钻进稳定,寿命提高3.74倍,钻进效率提高33%,各切削齿均匀同步磨损,钻头失效形式优于三翼内凹钻头。