大直径钻孔排渣问题分析与钻头优化设想

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1、0B大直径钻孔排渣问题分析与钻头优化设想河北建设勘察研究院有限公司张春来石家庄市建华南大街58号邮政编码（050031）摘要：本文对大直径钻孔排渣效率问题进行了详细分析，查找出多项影响排渣效率的因素，提出合理的钻头改进设想。关键词：大直径钻孔排渣效率分析钻头优化设想大直径竖井钻进效率低下是多年来钻探成本居高不下，困扰我们的主要问题。究其原因，除钻机输出扭矩、转速受限等条件限制外，泥浆循环量和排渣效果则成为影响大直径钻孔钻进效率的主要问题。下面从几个方面对该问题进行分析，并将钻头优化改进设想介绍给大家，希

2、望大家给予补充或指正。1、钻杆通孔泥浆流速分析钻杆内孔是反循环钻进时携带钻渣泥浆的通道。以通孔直径0.38m的φ426钻杆为例，333每米钻杆通孔容积0.11m。假设循环量为600m/h，则每秒流量为0.17m。这个流量通过通孔直径0.38m钻杆，流速为1.50m/s。在气举反循环中，这个流速是气水混合室以下钻具通孔段的实际流速，这个流速影响着反循环泥浆携带钻渣的能力。气水混合室以上则为气水混合体，由于气体体积随压力变化而变化原因，气水混合体越接近地面其体积增加越快，越接近出口流速越高，这里将其称为视流

3、速。人们往往只注意到视流速而忽略实际流速。按气举反循环泥浆上反速度1.5m～2.5m要求，实际上反速度1.50m/s则略显不足。如果循3环量小于600m/h，那么就要采取措施将其增大到满足要求的流量。2、孔底泥浆及钻渣活动分析①孔底钻头周边泥浆流速：以直径5.0m焊齿滚刀钻头为例，钻头刀盘距孔底0.42m，22钻头圆周长度15.70m，去除刀具约占阻水面积1m，钻头周边实际过水面积5.6m，按气举3反循环量600m/h(实际小于此值)计，钻头刀盘至孔底外缘断面周边理论平均流速为0.03m/s，若考虑吸渣

4、口位置和刀具阻力影响，该流速也不会有太大的变化，即便提高10倍，其流速也只不过0.3m/s，也无法使孔底钻渣移动或悬浮。再如以直径2.5m焊齿滚刀22钻头为例，钻头圆周长度7.85m，钻头周边过水面积3.3m，去除刀具所占阻水面积0.8m，23钻头周边实际过水面积2.42m。按每秒流量0.17m计算，钻头刀盘至孔底外缘断面周边平均流速为0.069m/s，仍然满足不了携带钻渣要求。②钻头对孔底泥浆扰动：泥浆在钻头旋转动力影响下，会近似同步地跟随钻头旋转，这个旋转泥浆流将产生离心力和对钻渣的扰动力，在这个力

5、的作用下，钻渣被泥浆悬浮起来并向孔底周边方向聚集，只有很少一部分钻渣被掠过的吸渣口吸入携带离开，其余的钻渣则留于孔底被滚刀反复碾压成微粒混于泥浆中。一方面，泥浆的旋转离心力对由钻头外缘流至孔底的泥浆流产生一定的阻滞力，对泥浆循环产生不利影响。另一方面，残留孔底的钻渣像研磨材料一样，在滚刀与刀架之间产生较强的研磨作用而导致刀具磨损。滚刀和刀架磨损情况见下图。③吸渣口吸纳钻渣的问题：按钻头转速4rpm计，每分钟吸渣口掠过4次孔底固定路径的环带位置，即每15s时间旋转一周，以钻头直径5.0m为例，吸渣口处于半

6、径1.25m位置，吸渣口圆周方向弧长0.45m，吸渣口相对孔底每掠过一次，在不考虑泥浆流等的其他影响的情况下，孔底局部暴露于吸渣口路径位置的时间为1.16s，其余13.84s时间是没有排渣清洁孔底作用的，因此，尚有大量钻渣长时间滞留在孔底。滞留在孔底的钻渣主要分布在钻孔的中心部位和边缘部位，这部分钻渣很难被携带出孔外。④孔底与钻头间泥浆流向：目前使用的滚刀钻头刀盘除预留吸渣口外，其余为封闭的圆盘状。钻进时，泥浆通过吸渣口将泥浆排至地面，而孔内泥浆则只能通过钻头圆周边缘向下补充至吸渣口。现就其合理性进行分

7、析推断：首先，泥浆受钻头推动而产生旋转，泥浆的旋转产生离心力，离心力将对补充泥浆流产生对抗阻力，对循环造成一定影响。其次，吸渣口多设置在偏离钻头中心位置，所以存在泥浆径流短路现象，泥浆流短路环存在于靠近吸渣口一侧，其它位置泥浆流速衰减得更小，其流速更为缓慢甚至没有流动。可以想象钻头中部的工作状态，钻头中间位置的钻渣无法被泥浆携带而停留原地被重复破碎产生滞钻现象，严重影响钻速。泥浆流向的关系如下图所示。孔壁滚刀钻头环状泥浆通道渣浆吸口泥浆短路环3、钻头改进的设想除增加循环流量提高排渣能力外，根据上述4方面

8、因素以及加工制作的可能性，产生了“反锥形底聚渣滚刀钻头”设计思路，并对其合理性与可行性进行分析。①反锥形底聚渣钻头形状合理性分析反锥形底聚渣钻头的关键在于能否合理布置破岩刀具，使其保证使用寿命和破岩效果，以及能否实现钻渣的理想聚集和排出，满足这两个条件，钻进效率完全可以获得大幅度提高。该钻头的设计思路是以聚渣和排渣为目的，对泥浆流经路线和孔底形状做了大胆尝试。虽然排渣效率仍然会受吸渣口扫描孔底周期和停留时间影响，在实现聚渣效果验证之后，可以