煤层密闭取心用超前隔水式PDC钻头设计与优化.pdf

doi 10. 11799/ ce202107035 收稿日期 2020-08-12 作者简介 高晓亮1986, 男, 河北保定人, 副研究员, 从事煤矿井下钻探机具研制及推广工作, E-mail Gaoxiaoliang cctegxian. com。 引用格式 高晓亮, 张 朋, 龙威成. 煤层密闭取心用超前隔水式 PDC 钻头设计与优化 [J]. 煤炭工程, 2021, 537 178-182. 煤层密闭取心用超前隔水式 PDC 钻头设计与优化 高晓亮, 张 朋, 龙威成 中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西 西安 710077 摘 要 为提高煤层瓦斯测定精度, 一般采用密闭取心的方式进行煤层取样, 配套煤层密闭取 心用三筒单动取心器, 设计了一种密闭取心用超前隔水式 PDC 钻头。 通过对普通底喷式钻头、 锥面 煤心导进式钻头以及超前隔水式钻头三种结构形式进行对比优化, 选用超前隔水式钻头为密闭取心 用钻头, 该钻头采用超前式小钻头压入煤层, 小钻头采用合金切削齿进行干钻, 有效隔绝钻井液进 入煤心。 根据流体力学连续性方程优选水眼数量与尺寸, 降低水眼钻井液对煤层冲刷, 并采用斜水 眼、 反向斜面水道等结构进一步防止钻井液进入煤心。 根据全覆盖井底的原则进行 PDC 切削齿排 布, 优化钻头钻进效率。 采用设计的钻头在淮北芦岭煤矿地面采动卸压瓦斯抽采井中进行现场试 验, 试验证明煤心采取率满足密闭取心施工要求。 关键词 密闭取心; 隔水式钻头; PDC 钻头; 钻头设计 中图分类号 TD402 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202107-0178-05 Design and optimization of advanced water proof PDC bit used in sealed coring of coal seam GAO Xiao-liang, ZHANG Peng, LONG Wei-cheng Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group, Xi’an 710077, China Abstract In order to improve the measurement accuracy of coal seam gas, commonly, sealed coring is used in coal seam sampling. In this article, a kind of advance water-proof PDC drill bit for sealed coring is designed, which is equipped with a three-barrel single-acting coring device for sealed seam coring. By comparing and optimizing the three structure types of common bottom-spray bit, cone-faced coal core guide bit and advanced water-proof bit, the advanced water-proof bit is selected as the core bit for sealed coring, in the drill bit, an advanced small drill bit is pressed into the coal seam, which uses cemented carbide cutting teeth for dry drilling, and isolates the drilling fluid from entering the coal core. According to the continuity equation of hydrodynamics, the number and size of water eyes are optimized, which reduces the erosion of coal seam by waterhole drilling fluid, and inclined water eye, reverse inclined water channel are used to prevent drilling fluid from entering the coal core. The PDC cutting teeth is arranged according to the principle of fully covering the bottom of the well to improve drilling efficiency. The designed drill bit was used in ground mining and pressure relief gas extraction well of Luling Coal Mine in Huaibei, the test proved that the coal coring adoption rate can satisfy the requirements of the sealed coring construction. Keywords sealed coring; water proof bit; PDC bit; bit design 我国煤矿瓦斯事故频发, 为改善煤矿开采前瓦 斯含量, 降低瓦斯事故发生率, 地面和井下煤层气 联合抽采是治理煤矿瓦斯的有效途径。 瓦斯抽采前 需要对含瓦斯煤层进行大量的煤层气含量测试, 以 指导瓦斯抽采并提高瓦斯抽采率, 而地面煤层气勘 探开发也需要大量的煤层气含量数据以满足煤层气 资源评价及煤层气勘探需要。 另外, 瓦斯抽采结束 后仍需要对煤层进行含气量测试, 以检测瓦斯抽采 871 第53卷第7期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 53, No. 7 万方数据 上端接头上丛而于芰头 取心器外筒 取心钻头 a 取心器压入煤层 上端接头上丛而于芰头 液压筒 取心器外筒 内筒 取心钻头 a 回转取心 上球阀 取心器液压筒 取心器外 取心器内筒 下球阀 取心钻 上端接头上丛而于芰头 c 完成取心 上球阀 取心器液压筒 取心器内筒 下球阀 效果是否满足相关规范要求, 因此进行煤层含气量 准确测试具有重要意义[1]。 为改善传统瓦斯含量测定方法程序复杂和测定 结果误差大等不足, 目前多采用密闭取心的方法进 行煤层取样。 目前常用的密闭取心取样器以石油、 天然气领域为主。 密闭取心多采用黏液密闭法、 冷 冻密闭法以及球阀密闭法等进行密闭取心, 采用不 同方式获取原状岩心, 以期获得目标地层的特性, 进一步分析储层含油、 含气情况[2-5]。 但是无论何 种密闭取心方式均面临一个问题, 就是如何最大程 度避免钻井液对岩心的冲蚀、 污染。 本文针对中煤 科工集团西安研究院研制的球阀型煤层密闭取心装 置, 通过对常规底喷式钻头的结构优选、 水路设计 等方面进行优化改进, 进一步降低钻井液对密闭取 心原装煤样的污染。 1 煤层密闭取心技术原理 煤层密闭取心技术是利用机械的方式在煤层中 直接钻进取心, 取心完成后通过改变水路的方式对 取心装置进行密闭, 从而取得煤层原状式样的方法, 该技术减少了普通双管取心过程中由于煤芯暴露时 间过长导致的斯气体逸散的问题, 大大提高了瓦斯 含量测定的准确性[4]。 中煤科工集团西安研究院有限公司研制的 QMB-120-38DM 型密闭取心器采用三筒单动结构, 即外筒、 内筒和液压传递筒, 取心钻进过程中, 外 筒随钻杆同步转动, 而内筒和液压筒相对不动。 外 筒上端与钻杆相连、 下端与取心钻头连接, 外筒传 递钻压和扭矩。 内筒是煤心和解吸气的存储容器; 内筒上下端均与球阀相连, 对煤心样品进行密封保 压; 取心内筒上端球阀外侧安装一个解吸阀门, 便 于煤心提至地面后进行解吸气的测量, 实现取心与 气含量测定一体化。 液压推动筒传递液压动力, 推 动内筒上下端球阀关闭, 其上端由销钉与悬挂总承 相连。 密闭取心器下部是取心钻头, 在钻压和扭矩 作用下钻头壁对煤层进行切削, 以形成柱状煤心进 入到取心内筒[6-8]。 取心器取心过程如下 首先钻进至目标地层后, 下入密闭取心器, 取心器依靠钻具自重压入煤层, 如图 1a所示, 此时取心器密闭上下端球阀处于打 开状态; 然后钻具回转进行钻进取心, 钻头切削地 层, 煤心进入内筒, 如图 1b所示; 当取心至预定 位置后, 投球改变水路方向, 高压钻井液推动液压 筒关闭上下端球阀, 密闭取心器内筒, 形成密闭空 间, 如图 1c所示; 最后提出取样器, 完成密闭取 心施工[9]。 图 1 密闭取心原理示意图 2 密闭取心用 PDC 钻头设计 普通取心钻头在施工过程中, 由于水路通过钻 头水槽进入煤层, 冲洗液与岩心直接接触, 对采取 的煤心进行了污染, 破坏了煤样的原状性。 甚至在 松软煤层钻进过程中由于过大水压对煤层进行了破 碎, 严重降低了取心率。 因此为提高岩心采取率, 提高煤层原状性, 对 PDC 钻头进行了重新设计。 2. 1 钻头结构设计 常规双管取心用钻头多采用底喷式结构, 底喷 式钻头与普通取心钻头的区别在于钻头水路在钻头 内部进行了分流。 普通取心钻头冲洗液通过内外管 的间隙及钻头水槽进入钻头底唇面进行冷却钻头、 携带岩粉, 而底喷式取心钻头冲洗液通过内外管间 隙直接进入钻头外侧, 进而冷却钻头唇面, 起到保 护岩心的作用, 从而提高岩心采取率, 并减少钻井 971 2021 年第 7 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 超前钻头超前 合金切削齿钻头 钻头带密封圈超前 刀翼的隔水面钻头 高2 生掣耍斜水眼 切削齿水道卅刊岬K 液对岩心的污染。 为此, 密闭取心用钻头采用了底 喷式水眼结构。 2. 1. 1 底喷式钻头 针对密闭取心装置要求煤芯采取率高, 且要求 原状煤样的特点, 首次钻头设计采用了底喷式水眼, 并在取心钻具内外管间隙添加密封结构, 防止钻头 通过内外管间隙进入岩心, 从而污染岩心。 钻头结构如图 2 所示, 密闭取心钻头包括钻头 体、 PDC 切削齿, 以及刀翼、 水眼、 流道组成, 钻 头流道设计为向孔壁倾斜的锥面, 将水眼喷射出的 水流向环空导向, 另外钻头不设置内水槽, 进一步 防止水流进入岩心。 图 2 密闭取心用底喷式钻头 采用设计的钻头配合密闭取心装置进行取煤试 验, 底喷式钻头虽然从一定程度上隔断了水与煤芯 的接触, 但是在钻进底唇面上, 水与煤层必然接触, 仍然对煤层有一定的冲刷, 因此, 煤芯采取率相对 较低, 且受到到了一定程度的扰动, 为改善这一问 题, 对钻头进行了改进设计。 2. 1. 2 锥面煤芯导进式钻头 为改善普通底喷式钻头采取率低, 且对煤芯有 扰动的问题, 对钻头进行了改进设计, 在钻头前端 增加锥形导进面, 锥面的存在一方面增加了进煤量, 保证了取心率。 另一方面超前的锥面阻断了水, 提 前进入煤层, 保证了中心部位煤样的质量, 从而解 决了水对煤层冲刷的问题, 锥面煤芯导进式钻头如 图 3 所示。 采用煤芯导进式钻头进行了现场试验, 试验证 明, 煤芯采取率大幅度提高, 且煤芯取样几乎不受 扰动, 满足了密闭取心的要求, 但是在钻进过程中 由于斜面位置没有切削齿的存在, 难以破碎煤层, 导致钻进过缓慢, 钻进效率过低, 因此, 再一次对 钻头进行了改进设计。 2. 1. 3 超前隔水式钻头 新改进的钻头采用了小钻头超前设计, 即采用 图 3 煤芯导进式钻头 一只小钻头超前于大钻头及钻头水眼进行钻进取心, 防止冲洗液进入煤层[10], 并且可以根据煤层渗透系 数选用不同长度的小钻头, 即在水容易渗透的煤层 采用较长小钻头, 增加超前量防止水进入, 而在水 不容易渗透的煤层采用较短超前量。 小钻头与大钻 头之间采用螺纹连接, 便于更换。 小超前隔水式钻 头结构如图 4 所示。 图 4 超前隔水式钻头 2. 2 钻头水路设计 钻头水路设计对密封取心式钻头设计至关重要, 为防止冲洗液过早进入煤层, 需要对钻头水眼角度 进行优化设计, 另外为防止冲洗液从钻头内部进入 岩心, 需要对钻头内外管之间进行密封设计。 1 水眼大小计算。 根据流体力学连续性方程, 见式1。 Q v1A1 v 2A2 1 式中, Q 为流量; v1为环空流速; A1为环空过 流面积; v2为水眼内流速; A2为水眼过流面积。 流量一定情况下, 水流速度与过流面积呈反比, 为防止水眼过小导致流速过大冲刷岩石, 进而侵入 岩心, 要求总水眼过流面积大于等于钻头外壁与取 心筒环状间隙, 即 nπD2/4 ≥ πD2 1 - D 2 2 /4 2 式中, N 为水眼数量; D 为水眼直径; D1为环 空大径; D2为环空小径。 081 装备技术 煤 炭 工 程 2021 年第 7 期 万方数据 根据式1、 式2计算出最小水眼直径与数量 为⌀10mm 水眼 8 个。 2 水眼喷射角度。 普通底喷水眼由于钻头结构 设计, 多为直水眼, 水路直接冲入煤层, 容易冲刷 煤层, 为防止冲洗液对煤层的污染, 本次钻头水眼 设计为斜水眼, 斜水眼一方面对钻头具有冷却效果, 能够更好的冲刷切削齿与地层的接触面, 冷却钻头, 携带岩粉, 另外斜水眼冲刷面距离岩心相对较远, 防止了冲洗液对煤芯段的污染。 3 钻头流道。 为防止冲洗液从钻头水眼流出后 冲刷前端岩层, 钻头流道设计为向后倾斜的斜面, 对冲洗液进行导流, 使冲洗液冷却大钻头切削齿后 携带岩粉进行上返, 进一步降低冲刷岩心的可能性。 2. 3 切削齿排布 切削齿排布是确定切削齿在钻头剖面上的位置, 主要是切削齿的中心距, 由于钻头内外径确定, 钻 头中心齿及保径齿位置可以确定, 应该按照切削齿 能完全覆盖井底的原则进行排布。 切削齿安装于 PDC 钻头体上, 应当选择合适的 切削角。 在钻进参数一定时, 钻头的切入能力随着 切削角的增大而减小, 但是过小的切削角容易导致 切削齿过早损坏, 因此应根据地层情况优选切削角 度[11-15]。 由于该取心钻头主要应用于煤层钻进, 偶 见夹矸, 因此采用最优切削角度为 15。 合理的侧转 角设计可以使破碎的岩石快速排出井底, 防止重复 破碎, 根据经验选择该地层 PDC 钻头切削齿的侧转 角应控制在 58。 超前小钻头切削齿由于取样过程中处于干钻状 态, 为防止 PDC 切削齿高温破坏, 此次小钻头切削 齿采用硬质合金, 合金刃角选用 25, 正斜镶, 可以 在煤层钻进中取得较高的钻进效率, 同时为防止冲 洗液沿小钻头外壁进入岩心, 小钻头采用无外出刃 设计。 按照钻头设计参数, 进行钻头的结构设计, 得 到钻头模具三维模型, 如图 5 所示。 根据模型采用 数控编程方法加工钻头体, 最后通过火焰钎焊的形 式将 PDC 切削齿及保径合金镶焊于钻头体上。 3 密闭取心用钻头现场试验 3. 1 试验条件 密闭取心钻进试验是在淮北芦岭煤矿地面采动 卸压瓦斯抽采井中, 钻孔编号为Ⅲ13-6。 钻孔一开 为⌀445mm, 下入⌀377mm12mm 套管; 钻孔二开 图 5 钻头成品图 为⌀311mm, 钻孔钻进至 8 煤顶板 5m 后, 下入 ⌀244. 5mm11. 05mm 套管; 三开为距离 8 煤顶板 5m 至Ⅲ13 岩石工作面顶板 15m 段, 钻孔孔径为 ⌀216mm, 下入⌀177. 8mm 花管, 进行 8 煤层采动 卸压瓦斯抽采。 根据矿井 8 煤地质剖面变化情况, 并结合试验孔邻近采动卸压抽采钻井见煤点设置, 进行密闭取心试验。 3. 2 钻进设备 钻进设备采用 TSJ-2000 型号转盘钻机, 配套 BW-250 型号泥浆泵, 密闭取心钻具组合为⌀89mm 钻杆QMB-120-38DM 型密闭取心器⌀152/38mm 超前隔水式取心钻头。 3. 3 现场试验情况 采用密闭取心钻头在Ⅲ13-6 钻孔进行取样, 取 样深度及岩心采取率见表 1, 此次共采用密闭取心 器取样 4 次, 其中第一次因泥浆流量严重超过了设 计值达到 100L/ min, 导致本回次未采取到煤心, 后 对泥浆泵进行调整, 其余 3 次均完成了密闭取心。 表 1 密闭取心试验数据 取样回次取样孔深/ m流量/ Lmin -1 煤心采取率/ 1672. 5673. 5600 2673. 6674. 86074. 17 3674. 8675. 93569. 09 4678. 1679. 23562. 73 从表 1 可以看出, 调整泥浆泵量后 3 次密闭取 心均 能 采 集 到 煤 样, 煤 心 采 取 率 为 62. 73 74. 17, 均值 68. 17, 满足了密闭取心施工方法 要求。 4 结 论 1 通过结构优选, 对常规底喷式钻头、 锥面煤 心导进式钻头及超前隔水式钻头等优化设计与试验, 采用超前隔水式钻头进行密闭取心, 并对超前小钻 181 2021 年第 7 期 煤 炭 工 程 装备技术 万方数据 头长度进行定制以适应不同煤层, 解决了常规钻头 容易冲刷岩心导致岩心采取率低下, 煤心容易污染 的问题; 2 通过钻头水眼大小计算、 钻头水道结构设计 及钻头合理切削齿优选与排布, 有效降低了冲洗液 进入煤心的可能性, 进一步防止煤心被冲洗液污染。 现场试验证明设计的密闭取心钻头岩心采取率满足 密闭取心施工要求, 可靠性高, 能够配套密闭取心 钻具进行密闭取心进而提高瓦斯检测精度。 参考文献 [ 1 ] 孙四清. 煤层气含量地面井密闭取心与快速测定技术研究 [D]. 北京 煤炭科学研究总院, 2018. 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