一种矿山开采的新式钻头

一种矿山开采的新式钻头

PDC也就是聚晶金刚石复合片钻头，在煤田的钻探部分运用广泛，国内对PDC的技术掌握不到位导致没有能力自主研发，所用对该类技术研究有深远意义。

标签：PDC；机械钻速；计算机模型

PDC钻头最初用于软页岩地质，由于最初设计以及结构不到位，在硬岩层中会导致钻头的损坏。目前由于技术的改进使得新式PDC钻头适应硬夹层以及硬岩地层，对于PDC 来说，相对于以前的牙轮钻头有独特的优势，切削齿的金刚石复合片的磨耗比是硬质合金的20-40倍以上，钻压只需同径金刚石孕镶钻头钻压1/3左右，钻井的钻速提高使得成本降低，对于使用的寿命增产以及减少下钻的次数，降低了工人的劳动强度而且在事故的发生率有了明显降低。目前国内外多数研究针对直径为139mm以上的井眼，如今已经存在的4000多种钻头，如何保证适应性强、翼片合理坚固、减少钻头用量，这对于PDC钻头设计技术的研究有深远的意义。

对于钻头强度的影响主要包括钻头体的材料、切削齿的布置和密度、喷嘴的数量，直径及布置状态等。新式钻头由几部分组成，包括领眼钻头、筒体、活塞杆、扩孔刀块等零部件，目前采用的大多是前钻头75mm的普通钻头，钻机的推进导致刀体解锁，我们在刀头上设置插销，插销用于在到达预定位置时候刀头张开进行旋转，刀体在外伸张开的过程利用钻头压降低推动活塞的过程，最后回收时候利用刀体与管壁之间的摩擦，将钻头抽出，完成钻孔的过程。钻头采取剪切作用将塑性区的岩石进行破岩，保证了钻速以及钻孔深度，在平衡的工作状态下力求小摆动保证沿轴心运动，减少冲击荷载。

1 计算机模型

我们为验证钻头的强度，建立计算机模型，在solidworks建立模型，选择合金钢作为本体材料，钻头的材料屈服极限为735MPA，强度屈服强度885MPA，滑动部分350mm*350mm，划分节点数10310单元数5129，在外部施加荷载为3200N·M，我们施加的荷载在三个刀头上均匀施加，得到在最大的应力为558MPA，位移量也显现增加趋势到达最大为0.08mm，与上面介绍的最大屈服强度885MPA相比，材料的选择能够满足强度的要求。当相同条件下，在4200N·M 的扭矩应力与位移都有不同成都额增加，屈服强度达到材料能够满足的最大值885MPA，位移达到1.06mm，这在材料的选择上刚刚能够满足要求。本文利用计算机软机对钻头做了模拟，在施加不同力的时候，对3200N·M与4200N·M的扭矩能够保证不损坏材料，但是不能超过4200N·M的扭矩，正常值保持3200N·M 以下的扭矩可以使钻头工作效率以及损坏度最小。以下为进行扭矩受力时候的位移以及受力图（如图1）。

2 钻头工程应用

我们采用传统的三牙轮钻头钻进，以2.0m/h钻进速度，进行井斜不宜控制，而且钻头的成本以及损坏度都非常的高，于是，在进行该项目时候选择运用PDC 钻头在煤矿瓦斯的抽放中应用。得到比较好的效果，在周期时间得到缩短，在成本的控制上也得到应用。

煤矿地质情况，地层倾角为3度到10度之间，两翼对称构造简单，地层分别是奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下统下石盒子组、二叠系上统。要求井斜最终不得大于3度，在变化上每100m不能大于1度。进行钻具的选择，直径为159mm的钻挺、三牙轮钻头、PDC钻头、扶正器直接190mm、钻杆等等，在钻压上小于50kN转速小于100r/min，在15煤以下完成钻井，对于完井之后检验，采取测声副的方式进行还有气密性保持在15MPA以上，检验固井合格的标准为不大于0.5MPA的压强。

井眼的畅通是更换钻头的前提，不得有残留物存在井眼之内，并且上提速度不宜过快，保持在匀速过程进入底部上提过程中，在上提1m左右时候要对井底进行人工的造型，只有当磨合钻进0.8m左右时候才能正常钻进，特别要主要的就是在有破碎的地层时候，避免崩碎钻片。影响寿命。于是我们施工期间，使用钻头的钻进速度达到7.0m/h，相对于传统的钻头速度加快5m/h，对于斜井的超标问题得到更好解决，瓦斯的抽放有一个好的环境，在钻机上的压力占钻挺重量的一半。

3 结束语

本文提出了一种矿山开采的新式PDC钻头，相对于其他传统的钻头来说有很好的效果，破岩能力强，本文对钻头进行强度分析，发现能够满足我们在实验时候的需要，最大的强度指标值得到满足，与此同时进行实地的煤矿实验，发现六翼内凹式钻头钻进方式，通过采取一定技术措施并合理调整钻压、转速及泵量等钻进参数，钻速可达7m/h，井斜得到有效控制，降低了钻井成本。

在现场使用过程发现还有很多的不可避免的損磨，对于复合片来说破碎、损磨都不可避免，通过现场人员不断实践学习，得到焊接时候注意在切削角度与径向角度之间的焊接角度，通过不断的对复合片钻头的焊接，延续钻头的使用寿命，一般来说，径向角为5到20度。在现场的钻头对夹砾以及赢的地层不能很好的使用，也限制钻头的市场效果，这就是我们下一步重点研究的角度，提高复合片的硬度、耐磨性、抗冲击韧性及热稳定性使钻头有更广泛的适应性。

参考文献：

[1]刘卫亮.不同材质矿用钻头特性分析[J].新技术新工艺，2016（12）：46-48.

[2]纪文胜，郭红雨，江少辉，等.矿用三牙轮钻头改进的研究[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2014（10）：109-111.

[3]李占川.矿用牙轮钻头运动学与动力学研究[D].东北大学，2012.

[4]从善海.矿用牙轮钻头55SiMoV滚柱的热处理及耐磨性能[J].矿山机械，2009（23）：10-13.

[5]从善海.矿用牙轮钻头与滚动轴承的热处理及耐磨性能研究[J].矿山机械，2009（21）：11-14.

[6]从善海.矿用牙轮钻头碳-铌复合渗及耐磨性能研究[J].矿山机械，2009（19）：4-7.

[7]张军.提高矿用牙轮钻头使用寿命的技术措施[J].露天采矿技术，2009（04）：55-56.

[8]刘臣武.武冶重工成功开发矿用牙轮钻头新产品[N].中国冶金报，2009-05-28（B04）.