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滚刀钻头在大口径矿井施工

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  随着我国工程建设的迅猛发展,大型矿井的建设日益增多,井筒的掘进施工是矿井建设的关键过程,采用合理的掘进方法对矿井的建设具有重要意义。到目前为止,钻井施工法仍然是一种最好的矿井掘进方法之一,这种施工方法操作全在地面进行,人员不用下井,安全可靠。
  在大口径矿井的钻井法施工中,一般井筒较深,通常钻进施工是在表土层、中软岩地层和硬岩地层等比较宽的地质条件范围内进行,大都选用滚刀钻头进行钻进,而矿井的直径和井深一般都比普通的工程柱桩孔的直径和井深大得多,其所用的滚刀钻头形状设计、刀座的选用、锥形滚刀锥角的选用以及布刀方法和布刀数量,都与钻进普通工程柱桩孔用钻头有所不同。在此就洛阳九久澳门十大平台网站体育娱乐官网网址设计制造的大口径矿井钻进施工用滚刀钻头和应注意的一些问题做一简单介绍,共同商榷,以期提高大口径矿井井筒钻进施工的效率和经济性。
  1滚刀钻头的设计与制造
  大口径矿井(直径5米以上)的井筒成井,一般都是分级钻进的。第一级钻孔口径的大小一般是根据工程的综合因素来决定的,主要考虑的因素有矿井井深、地层条件、钻机及配套设备能力、钻进方法等,一般大都在φ3米-φ5米之间选取。澳门十大平台网站体育娱乐官网网址设计制造的第一级钻头规格有φ3米、φ3.4米、φ4米、φ4.5米和φ5米几种规格,其形状有平底和锥底两种;第二级、第三级的扩孔钻头的规格则要根据业主的矿井施工设计方案来决定。现就第一级滚刀钻头的设计制造和施工应用进行讨论。
  1.1平底滚刀钻头的设计制造
  平底滚刀钻头结构简单、价格便宜,配置鞍式刀座,配套选用12″的20°锥角的锥形滚刀(滚刀分焊接楔齿滚刀和镶齿球齿滚刀两种形式)。滚刀的润滑方式有干油润滑和稀油润滑两种,一般的讲,在中软岩地层和中硬岩地层(硬度在45MPa-120MPa之间)条件下,对于浅井(深度在100米左右)的钻井施工,选用干油润滑的焊齿滚刀即可满足施工的需要,在中硬岩地层和硬岩地层(硬度在120MPa-180MPa之间)条件下,选用稀油润滑的球齿滚刀为宜;对于深井(深度在150米以上)的钻井施工,同等条件下,选用带自平衡活塞的稀油润滑滚刀较好。
  就锥形滚刀的耐磨性而言,在钻进过程中,滚刀在围绕钻头旋转中心进行公转的同时,滚刀刀壳还要围绕自身刀轴进行自转,要使滚刀在施工过程中磨损小寿命长,除了滚刀材料本身要有良好的耐磨性外,还要在滚刀钻头的设计制造时尽可能减小滚刀的滑移,使每把滚刀都在纯滚动的状态下工作,才能实现其最高的耐磨性,使滚刀的使用寿命最大化。然而平底钻头在布刀时是不能保证每一把滚刀都满足纯滚动条件的,以12″的20°锥角的锥形滚刀为例,滚刀的纯滚动的公转半径为925mm,也就是说12″的20°锥角的滚刀只有布置在直径为一米八五圆上的一圈滚刀才能实现纯滚动,在小于该直径上的滚刀和大于该直径上的滚刀都不能实现纯滚动,都会产生滑移加快滚刀的磨损,并且在偏离滚刀纯滚动公转半径越大的地方滑移越大,产生的摩擦热越大,消耗的动能也越大,同时还会增加钻进阻力,使得刀具的消耗和能耗增加,钻进效率降低。因此从理论上讲,刀盘上各圈的滚刀应布置成锥角不等、直径大小不同的滚刀才能实现纯滚动,但这样会增加刀具制造和备件供应的难度,一般仍选用同一规格的滚刀;另一个重要原因是当平底钻头直径大于3米时排渣困难,考虑到综合效益成本,一般在进行直径为3米以内的井筒钻进施工时,选用平底钻头比较适宜。
  1.2锥底滚刀钻头的设计制造
  锥底滚刀钻头,它的结构复杂,有的需要制成分体组装结构,(分成两半、三半甚至四半)制造成本高,一般用于大口径(直径在3米以上)的矿井钻进和特大口径(直
  径在5米以上)矿井的一级孔钻进。
  用于深井(深度在150米以上)的钻进施工的锥底钻头配套选用罐式刀座;用于浅井的钻进施工的锥底钻头可以配套选用鞍式刀座和罐式刀座混合布置的形式,也可选用罐式刀座。配套的滚刀选用12″的6°锥角的稀油润滑的带自平衡活塞的锥形焊齿滚刀或镶球齿滚刀(根据地层条件选用),这是因为6°锥角的滚刀比20°锥角的滚刀的公转纯滚动半径大,滚刀纯滚动公转半径可以达到2860mm,可以有效的减小滚刀在钻进施工过程中的相对滑移。钻头中心对称布置两把12″单支座中心滚刀,可以最大限度的减小中心滚刀的滑移,既滚刀与岩层的磨擦,降低能耗;其余各回转半径上的滚刀,可以通过改变锥面底板的锥度和罐式刀座的倾斜角来优化每把滚刀的公转滚动条件,以达到使每把滚刀在钻进过程中与岩层的相对滑移最小,减小滚刀与岩层的磨擦的目的,从而最大限度的提高滚刀的耐磨性,降低能源消耗,提高钻进施工效率。锥底滚刀的另一个优点是它的定心效果好,摆动小,稳定性能好,但自纠偏效果差。又由于滚刀布置在锥底钻头上,在钻进过程中滚刀与井底的岩石有一定的倾斜角,这样就改变了钻进时滚刀切削岩石的切削角,减小钻进阻力。在钻深井时配套使用带自平衡活塞滚刀,随着钻进深度的增加,井筒内泥浆压力增大,滚刀内腔油压也随之升高,使刀具密封的内外压力差趋于平衡,起到保护密封的作用,提高密封的寿命,综合来讲,在钻进大口径深井时锥底钻头有平底钻头无法替带的优点。
  2大滚刀钻头的正确使用和维护
  大直径滚刀钻头与普通钻头相比较贵重,直接制约着钻进速度、井筒施工质量、成本能耗等方面,特别是锥底滚刀钻头,结构比较复杂,价格也比较高,更换一个钻头要花费较大的代价。合理使用和及时维护是充分发挥大滚刀钻头的经济效益最大化的关键因素之一,因此在使用过程中要密切注意以下几个方面的问题,才能保证大滚刀钻头在正常状态下工作并充分发挥大钻头应有的价值。
  2.1适当控制配重的加载质量,保证滚刀承载能力不超标。
  大口径深井钻进一般都是采用减压钻进的方法,大口径滚刀钻头在设计制造时,若已知配套钻机设备的能力参数是会考虑布刀的数量与之相匹配的,但不能保证每个钻头都固定在同一台钻机上使用。因此施工单位在使用大钻头时,应根据钻头上的布刀数量配置配重的加载质量,通常在钻进过程中要保持作用到每把滚刀上的平均压力最大不应超过5吨。直径在3米以上的大钻头,作用到每把滚刀上的平均压力还应再小一点,这是因为大钻头受力不均匀的可能性更大一些,而滚刀单个受力过大对滚刀寿命的影响是致命的。
  2.2及时正确更换滚刀,避免刀座、刀盘的磨损。
  在大口径的深井钻进过程中,应根据地层具体情况建立定期提钻检查制度,定期换刀。在钻进过程中,如果在各个钻进参数都正常的情况下,不能正常进尺,则可能是滚刀已经磨损严重,需要更换新的滚刀,以避免刀座和刀盘的磨损,同时可以减少能耗,提高综合经济效益。换刀时要注意三个问题:一是要掌握每把滚刀的实际应用时间,根据同一地层条件下同一种滚刀的使用寿命的统计结果,滚刀的剩余寿命不足以坚持到下一个换刀周期的要坚决更换掉;二是所更换的滚刀的直径大小要基本一致,直径误差不得大于5~8mm;三是所更换的新滚刀锥度角必须与更换前所使用的滚刀锥度角一致,这一点非常关键,特别是在中硬岩和硬岩地层就显得更为重要,这是因为井底已经按原使用的滚刀形成轨迹,也就是已按原使用滚刀的锥角形成不同直径的环槽,若更换成与原使用滚刀锥角不同的滚刀,除了增加滚刀的滑动和磨擦外,势必造成新滚刀与原轨迹不吻合,造成滚刀一端受力较大,磨损加快,甚至造成刀轴断裂、刀座断裂使滚刀掉落井底,后果严重。已有施工单位出现过这样的问题,应引起有关施工人员的注意。同时改变滚刀的锥角也会引起滚刀的纯滚动公转半径发生变化,更加大了滚刀的滑移磨擦,从而增加动能消耗和钻进成本。
  2.3密切注意井底情况,发现异常及时停钻排除。
  在大口径的钻进施工过程中,钻机的功率一般都比较大,转速也比较慢,钻进过程中的井底异常情况应能及时发现,一但出现异常跳钻和不进尺的情况,应立即停钻分析原因,排除异常情况后再进行钻进。尤其是井底有铁块硬物或超硬孤石等引起的跳钻,这时减压钻进的减压功能也会瞬间失去作用,巨大的压力和冲量将会作用在一两把滚刀上,引起刀齿崩裂、刀轴折断、甚至刀座断裂等破坏现象,如果不及时排除,进而将会引起其它滚刀的关联恶性循环破坏,造成严重后果。
  2.4要保证钻机设备能力与施工要求相匹配。
  前已述及,锥底大滚刀钻头的钻进稳定性好,但自纠偏能力较差,因此在钻进施工中,要充分考虑钻机的稳定性,钻机的支反扭矩、配重量的大小、减压功能的调整,都要能抗衡钻进时地层对钻头的反扭距的作用,保证钻机的稳定性、可靠性,防止钻机出现微量位移而产生斜孔,进而引起卡钻或造成钻头变形、滚刀及刀座损坏等不应有的损失,更严重者,会造成井筒的斜度超标。
  3钻头及滚刀的研制和改进
  钻头结构是否合理将对钻进工作的稳定性、成井的偏斜率、岩渣的吸收效果等都产生较
  大的影响,那么在什么情况下选用什么样的钻头结构形式,怎么防止成井的偏斜、提高钻进效率呢?澳门十大平台网站体育娱乐官网网址从以下几个方面来讨论:
  3.1成井的偏斜率控制
  钻井成井的偏斜率一直是钻井施工的重要考核指标,在钻机设备能力满足要求的前提下,除在施工过程中严格按规范操作进行控制外,钻头的配套结构设计也是重要的一个方面。在钻进第一级孔的浅井施工时,只要操作方法得当,成井的直线性一般都能满足要求,但当钻进深度超过150米以上的深井时,应考虑在设计钻头时配套设置后置同孔稳定器,以保证成井的直线性;当进行第二级或第三级的扩孔钻进施工时,可以根据具体的施工条件,在设计钻头时配套设置超前孔稳定器或者同孔后置稳定器,以保证成井的直线性。稳定器(也有人称为导向器)对导直钻孔、改善钻进条件都有很好的效果,澳门十大平台网站体育娱乐官网网址相继研制成了托棍式、导板式和回转式稳定器,起到了很好的效果。
  3.2改善滚刀布置和吸渣条件,提高钻进效率
  大多数滚刀钻头滚刀布置安装方法相同,即在永久固定的刀座上安装可拆卸的滚刀,为了备件供应和保管的统一方便,一般采用单一规格的滚刀。但对大直径超深井的施工来讲,这并不是最好的布刀方法,不利于滚刀作纯滚动破岩切削,滚刀滑动量大、效率低。现在大直径钻头的发展趋势是在不同公转半径上的布刀,采用不同的安装角度并布置不同尺寸和锥角的滚刀,使之接近纯滚动,减小滑动现象,提高钻进效率。另一点就是尽可能改善吸渣条件,合理设计吸渣口,配置适当比例的洗井介质,特别是在岩层中掘进时,保证岩渣及时排出,使滚刀在完全清洁的工作面上工作,能大大减少滚刀的磨损和能耗,提高钻进效率。
  3.3改进滚刀的设计结构,提高其使用性能
  随着近几年大口径矿井施工数量的增加,对滚刀的性能和使用寿命的要求不断提高,澳门十大平台网站体育娱乐官网网址对滚刀的耐磨性、承载能力和密封性能作了大量的研究改进工作。在刀齿焊接方面,针对不同地层选用不同合金刀片和堆焊焊条,力争使刀齿耐磨性最好;在刀轴的制造工艺方面,澳门十大平台网站体育娱乐官网网址改进设计结构,调整了热处理工艺顺序和参数,减小了应力集中的可能性,提高了承载能力;轴承材料也研制出了硅钼钒钢系列。同时澳门十大平台网站体育娱乐官网网址还对钻进深井使用的滚刀密封作了大量改进,为适应深井下的洗井介质的巨大压力增加了滚刀自动调压功能,并且澳门十大平台网站体育娱乐官网网址还研制出了在轴承套圈上镶嵌高耐磨性能的耐磨密封,使滚刀的润滑和密封功能有很好的改善,满足了大口径深井的钻进需要。目前澳门十大平台网站体育娱乐官网网址澳门十大平台网站体育娱乐官网网址已经开发研制出多种规格的系列滚刀,基本满足各种地层、各种井筒的施工要求。