刻槽钻杆应用于突出煤层钻进的合理参数研究_王永龙

S = 58 、 60 、 62 、 …、 96 mm， 通过对比不同螺距的渣体 的平均流速， 确定最佳螺距。为了清晰的对比分析最 ， 60 、 62 、 …、 96 mm 时的速度 佳螺距 通过对比 S = 58 、 分布云图， 建立同一坐标下的对比分析曲线 （ 图 3 ） ， 当单螺旋螺距为 S = 76 mm 时， 其渣体的排渣速度最 优。 2. 2 螺旋槽宽度优化 确定螺距后， 保证相同的槽深， 变化槽宽度进行
The slag removal velocity of different pitch
宽， 在观察速度云图的基础上， 提取观测线上的排渣 从而得出最佳槽宽， 图 速度曲线在同一坐标系显示， 4 为刻槽钻杆表面的流道观测线， 观测线距离钻孔中 心轴线距离为 28 mm。
Lengthvelocity relation curves of observation
DOI:10.13225/ki.jccs.2011.02.017 第 36 卷第 2 期
2011 年 2月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 36 Feb．
No． 2 2011
文章编号： 0253 － 9993 （ 2011 ） 02 － 0304 － 04
Abstract ： In order to give full play to the advantage of the grooved drill pipe used in outburst coal seam， analyzed the effect of changes of spiralchannel width， depth and pitch of grooved drill pipe on the slag removal． Established coal seam drilling threedimensional model for 50 grooved drill pipe， carried on a numerical simulation for the grooved drill pipe slag removal situation in drilling． The results of study show that when the spiralchannel width L = 12 mm， depth H = 1． 1 mm， pitch S = 76 mm， the slag removal result is optimal． Through the industrial experiment in outburst the depth of drilling improves by 36. 2% on average， the efficiency of drilling improves by 41. 5% ， and the coal seam， difference in temperature is smaller on the surface of grooved drill pipe． Key words： grooved drill pipe； outburst coal seam； spiralchannel； depth of drilling； efficiency of drilling 当前煤层施工钻孔最常用的钻杆为光面钻杆和 麻花钻杆， 在松软煤层和突出煤层施工钻孔时， 钻孔 深部在地应力、 瓦斯压力以及钻杆扰动力的作用下容 易出现塌孔现象， 极易发生卡钻、 丢钻杆现象， 致使钻 影响钻进的深度和钻进效率， 降低 进工作无法进行， ［1 － 4 ］ 。 光面钻 封孔后的抽采效果， 间接影响回采效率 流体分为风和水。以风力排渣钻 杆以流体排渣为主， 进时， 容易出现卡钻、 丢钻现象， 且钻杆容易发热并引 起瓦斯燃烧； 以水力排渣钻进时， 需设专用的排水通 道， 否则会恶化巷道环境。 麻花钻杆以机械排渣为 主， 即钻杆旋转通过叶片与煤渣的摩擦力， 将煤渣排 出孔外。钻进时， 不仅要求钻机动力较大， 且在钻孔 深部塌孔时更容易卡钻、 丢钻。刻槽钻杆是在壁厚加 采用流体排渣方式进 厚的光面钻杆表面刻制螺旋槽， 行钻进， 同时发挥螺旋槽的辅助排渣作用 ， 因此， 刻槽 钻杆以流体排渣为主， 机械排渣为辅， 充分发挥了流 体与机械排渣的协同排渣作用。在塌孔区域， 通过钻 疏通钻杆表面挤压的煤渣， 避免 杆表面的螺旋流道， 卡钻； 钻杆螺旋流道表面的煤渣处于流动状态， 能及
Reasonable parameters study on grooved drill pipe used in drilling outburst coal seam
WANG Yonglong， ZHAI Xinxian， SUN Yuning
（ School of Energy Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000 ， China）
［5 － 7 ］ 。 避免了瓦斯燃烧事故 时带走表面产生的热量， 刻槽钻杆表面的螺旋槽宽度、 深度和螺距是影响
其排渣能力的重要参数。本研究建立光面钻杆、 麻花 钻杆和刻槽钻杆钻进过程物理模型 ， 采用数值分析方 法， 分析其排渣特性， 优化螺旋槽的最优参数， 为发挥 刻槽钻杆在突出煤层实现深孔高效安全钻进提供可 靠的加工参数， 结合工业性试验， 表明钻进深度和效
图（ 图 2 ） 。分析图 2 ， 可以得出： 速度很低， 相对其它两种钻杆， 刻槽钻杆的 速度接近， 主体段排渣速度较高， 且随着螺旋槽呈波浪状变化， 渣体的运动较为强烈， 伴随着钻杆的旋转， 钻孔内的 不会使渣体在钻孔底部大量沉积， 渣体容易被扬起， 而造成钻孔堵塞。 （ 2 ） 从出口外的排渣速度也可以看出， 刻槽钻杆 的出渣较快。这一点充分证明了以机械排渣为主的 高螺旋叶片钻杆在排渣过程中因排渣阻力较大而降 低了其出渣速度。 从而可以推断， 在打钻过程中， 其 钻进效率较低， 这在煤层钻进的工业现场也得到证 实， 特别是 在 松 软 低 透 气 性 煤 层 中， 其钻进效率很 低。
钻孔内的排渣情况进行数值模拟。 研究结果表明： 螺旋槽宽度为 12 mm， 深度为 1. 1 mm， 螺距为 76 mm， ； ， 36. 2% ， 排渣效果最优 通过突出煤层钻进工业性试验 钻进深度平均提高 钻进效率提高 41. 5% ， 且刻槽钻杆表面温差较小。 关键词： 刻槽钻杆； 突出煤层； 螺旋槽； 钻进深度； 钻进效率 中图分类号： TD823. 82 文献标志码： A
率都有较大的提高， 同时在钻进过程中， 钻杆表面温 ［8 － 9 ］ 。 差小， 为安全钻进提供了可靠的技术保障
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不同钻杆排渣效果对比分析
物理模型
为了能够通过计算机数值计算， 反映打钻过程中 不同钻杆的排渣效果， 笔者把风、 水和渣的混合物看 成具有一定密度的非牛顿体， 以一定的流量从模型的 入口进入， 此种方案虽然不能真实模拟在煤层打钻过 程中渣体的排渣状况， 但相同的几何条件和边界条 ， 从而反映不 件 可以判断渣体在钻孔内的排渣状况， 同钻杆在钻孔内排渣的优劣。 在数值计算过程中， 为了减少计算时间， 取钻杆 模型长度为 540 mm， 介质选择煤与水混合物， 其密度 3 ρ = 1. 35 g / cm 。 其边界条件设置： 入 口， 质量流量 Q = 0. 2 kg / s； 出口， 静压状态； 钻杆， 旋转速度 280 r / min。采用软件建立数学模型［10 － 12］， 图 1 为不同钻杆 的排渣模型。
以计算出螺旋槽的螺旋角 α， 即 76 S = tan α = = 0. 484 ， α = 25. 8 ° 3. 14 × 50 πd 为了使螺旋槽起到机械排渣的作用 ， 要使螺旋角 ， α 小于煤屑与螺旋槽之间的摩擦角 φ 煤渣才能被螺
图4 Fig. 4
模型流道观测线
The observation line of the model flow passage
图2 Fig. 2 不同钻杆速度分布云图 for different drill pipes Distribution cloud diagram of velocity
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刻槽钻杆的参பைடு நூலகம்优化设计
基于上述分析， 刻槽钻杆发挥了流体与机械协同 具有更好的排渣效果， 因此钻杆表面刻 排渣的优势， 制的螺旋槽工艺参数 （ 单螺旋槽的螺距 S、 螺旋槽宽 ） 直接影响排渣效 简称“3 参数 ” 度 L 和螺旋槽深 H，
不同螺距的排渣速度 图6 Fig. 6 不同槽深观测线长度与速度的关系 line in different spiralchannel deep
［14 － 15 ］ ： 单螺旋螺距 S = 76 mm， 槽钻杆的加工参数 槽 宽 L = 12 mm， 槽深 H = 1. 1 mm。根据以上的参数， 可
图1 Fig. 1 不同钻杆排渣模型 The slag removal models for diffeent drill pipes
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排渣效果对比结果 通过计算， 可得 3 种钻杆在钻孔内的速度分布云 （ 1 ） 光面钻杆和高螺旋叶片钻杆主体段的排渣
果， 常规的计算难以完成 3 参数优化， 因此， 利用计算 机软件建立实体模型， 采用上述相同的假设及边界条 件， 观察分析煤渣在钻孔内的排渣速度分布状况 ， 最 终确定新型钻杆参数。 2. 1 螺旋槽螺距优化 槽宽 L = 12 mm， 槽深 H = 1. 5 mm， 单螺旋螺距
刻槽钻杆应用于突出煤层钻进的合理参数研究
王永龙， 翟新献， 孙玉宁
（ 河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作 454000 ）
摘
要： 为充分发挥刻槽钻杆应用于突出煤层钻进的优势 ， 分析了刻槽钻杆螺旋槽宽度、 深度、 螺距 对不同参数的刻槽钻杆在 的变化对排渣效果的影响情况。建立 50 刻槽钻杆煤层钻孔三维模型，