煤矿井下定向钻进配套钻头的选型与使用

煤矿井下定向钻进配套钻头的选型与使用孙荣军;石智军;李锁智【摘要】合理选配和使用钻头是提高钻进效率和节省钻进成本的关键。

结合煤矿井下定向钻孔施工的特点，提出了配套钻头的一般要求。

介绍了目前常用钻头的类型和特点，重点介绍了3种不同冠部形状的导向钻头的适用性及选型依据。

总结了钻头合理使用的注意事项，为煤矿井下定向钻孔施工合理选择和使用钻头提供了参考依据。

%According to the characteristics of directional drilling in underground coal mines, the general require-ments of supporting bit were proposed, and the types and features of the currently used bit were introduced, then three directional bits of different crown were introduced about applicability and selection rule in detail, and the note of bit used correctly was summarized, providing a reference for selecting and using bit reasonably for direc-tional drilling in underground coal mines.【期刊名称】《煤田地质与勘探》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P83-86)【关键词】煤矿井下;定向钻进;钻头;选型【作者】孙荣军;石智军;李锁智【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077; 西安科技大学建工学院，陕西西安 710054;中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077【正文语种】中文【中图分类】P634随钻测量定向钻进技术以其钻进效率高、定位准确、一孔多用等优势，在煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工中得到了广泛推广应用[1]。

随着该技术的进一步推广，已逐步在井下注浆加固、探放水等钻孔施工中得到应用，钻进地层也从单纯煤层逐步转移到复杂多变的岩层，因此对钻具配套提出了更为复杂的要求。

特别是在长距离钻孔施工过程中，遇到的地层条件比较复杂，岩性种类也较多，对其配套使用的钻头，无论从结构、时效和寿命方面都提出了更高的要求。

根据不同岩层性质和钻孔结构，合理的选配和使用钻头是提高钻进效率和节省钻进成本的关键所在。

1 定向钻进配套钻头的一般要求煤矿井下定向钻孔多以近水平钻孔为主，且钻遇地层复杂，钻孔周期长，经常需要在软硬互层或夹层中钻进，需要配套孔底马达和轨迹测量仪器，并要能够满足在不建立人工孔底的前提下进行分支孔施工等特殊要求。

由于所用钻具和工艺条件不同，常规钻头不能满足定向钻进的需求，必须采用特殊结构的导向钻头，才能实现钻孔轨迹的有效控制[2]。

水平定向长钻孔钻进用钻头的一般要求如下：a.具有较长的寿命，避免中途提钻换钻头，影响施工效率；b.具有较强的冲击韧性，旨在防止软硬互层或夹层中钻进切削齿易破坏；c.具有较长且耐磨的保径结构，不致使钻进过程中因掉片，而使钻孔孔径收缩；d.具有通畅合理的水路结构，满足高效钻进的排粉需求；e.具有较强的侧向切削功能，满足无孔底侧钻分支的需求。

2 定向钻进配套钻头常用类型2.1 导向钻头导向钻头是指在主孔(先导孔)钻进时，能够配套孔底马达和随钻测量仪实现钻孔轨迹调节和控制的钻头，俗称定向钻头。

导向钻头以全面钻头为主，根据钻头选用的切削齿不同，主要分为金刚石钻头、金刚石复合片(PDC)钻头和硬质合金钻头3大类。

因煤系多以软-中硬地层为主，岩层硬度系数一般不超过8级，因此，金刚石复合片(PDC)成为该类地层最佳切削材料，为煤矿井下钻孔定向钻孔施工的常用钻头。

导向钻头在结构上分为切削、保径、连接等3部分(图1)。

切削和保径部分常称为钻头“冠部”，连接部分称为“接头”。

切削齿一般采用金刚石复合片，保径材料一般选用金刚石聚晶或硬质合金。

根据钻头体冠部的加工工艺和选用材质的不同，PDC钻头分为钢体式PDC钻头和胎体式PDC钻头。

钢体式PDC钻头冠部一般选用合金钢经车、铣加工而成，制造工艺简单，生产效率高；由于合金钢不耐磨，须选用硬质合金或聚晶金刚石做为辅助保径材料，才能起到一定的保径效果，但保径效果较弱，钻头寿命较短。

胎体式PDC钻头冠部则选用碳化钨粉、铸造碳化钨等耐磨粉料，经高温烧结而成(其冠部和接头的连接形式见图2)。

钻头保径部分为超硬粉末烧结体，耐冲蚀、耐磨，保径效果好，且因采用了模具成型工艺，钻头冠部形状多样，复合片包镶效果好，焊接强度高，具有较好的抗冲击性能，地层适用性强，钻头寿命长，因此成为定向长钻孔施工优选的钻头类型之一。

图1 导向钻头结构示意图Fig.1 Structure of directional bit图2 胎体钻头实体剖图Fig.2 Cross-sectional view of matrix bit2.2 扩孔钻头在定向钻孔施工过程中，为满足封孔、提高瓦斯抽采效率、改善注浆效果等特殊设计要求，经常需要在先导孔的基础上进行全孔或局部孔段扩孔，使钻孔孔身结构达到设计要求，需要配备专用的扩孔钻头。

扩孔钻头根据钻头体材质不同，也分为钢体式和胎体式两种类型，可根据钻遇地层的不同进行选择。

一般情况下，地层较软、且比较完整时，可选择钢体式，其钻头成本低；地层较硬、地层复杂或钻孔较深时，应该选择胎体式，其钻头寿命长，综合效益好。

扩孔钻头在结构上一般由导向头、刀翼、钻头小端(连接端)3部分组成(图3)。

导向头直径一般和上一级钻孔直径匹配，比上一级钻孔直径小 2～3 mm。

刀翼数量根据钻孔直径、岩石情况等进行匹配，一般为奇数。

刀翼上切削齿分硬质合金和金刚石复合片两种，岩石硬度系数小于6时，一般选择硬质合金作为切削齿；岩石硬度在6～8级时，应选择金刚石复合片作为切削齿。

图4为常用的PDC扩孔钻头，常用规格有94 mm/113 mm、113 mm/153 mm、153 mm/193 mm等。

图3 常用扩孔钻头结构示意图Fig.3 Structure of conventional reaming bit图4 常用扩孔钻头Fig.4 Conventional reaming bit2.3 打捞钻头在煤矿井下施工定向钻孔，经常因煤层松软、瓦斯突出、矿压突变等原因出现塌孔、卡钻、埋钻等孔内事故。

这不仅可能因终止钻进导致钻孔报废、钻具丢失等造成经济损失，而且可能会因孔内钻具滞留煤层中，对后期采煤安全埋下隐患。

因此，定向钻孔施工需配套相应的钻具打捞工具。

除常规的公锥、母锥等打捞工具外，为此还专门研制有套铣打捞工具，其原理如图5所示。

当钻进中发生卡钻事故时，可从孔口开始，使用打捞钻头和打捞钻杆套住原钻杆进行全孔取心钻进，直到将原钻头、钻杆全部取到打捞钻具中，然后通过提拉打捞钻杆将卡埋钻具一起提出；或通过该方法套住卡埋钻具，使被卡钻具解埋，方便采用其他打捞方法打捞。

这种打捞方法一般适用于浅孔卡埋事故的钻具打捞，如果钻具卡埋段较深，只能采取反丝、公锥等其他方法打捞。

图5 套铣打捞原理图Fig.5 Principle of casing-milled fishing套取打捞钻头设计为PDC胎体式取心钻头，如图6所示。

与以往PDC取心钻头相比，该钻头内出刃很小，旨在防止在套取钻进过程中对钻杆造成划伤；同时适当增加了PDC片的出刃高度。

PDC片采用全出刃的镶嵌方式，相当于增大了水口深度，这样有利于排粉。

打捞钻头在打捞过程中应尽量及时将孔内岩削排出孔外，防止二次卡钻。

图6 PDC套铣打捞钻头Fig.6 Casing-milled fishing PDC bit3 钻头的合理选型为了获得最佳的钻进效果和节省钻进成本，应在充分理解钻头结构特点和适用性的基础上，从生产实际出发，综合考虑钻进工艺、地层条件、钻进设备等因素，对钻孔施工所需的钻头进行合理选型[2]。

目前常用的导向钻头，根据钻头的冠部形状不同，主要分为平底型、刮刀型和支柱型(图7)。

不同的冠部形状，其适用性和性能也不相同。

平底型PDC钻头以胎体式钻头为主，一般适用于中硬，且结构较完整地层，其主要特点是侧钻能力强，分支孔钻进容易实现无孔底侧钻分支[3]。

刮刀型PDC钻头分胎体式和钢体式两种，钢体式适用于软-中硬地层钻进，胎体式适用于中硬-坚硬地层钻进，其主要特点是需要的钻压低，钻进效率高，特别适合较长主孔钻进。

支柱型PDC钻头一般为钢体式，结构简单，制造成本低，适用于软-中硬地层钻进，一般用于浅—中深孔钻进。

图7 常用的导向钻头Fig.7 Commonly used steering bitPDC钻头主要以切削方式碎岩，应根据岩石硬度、研磨性、完整性等性质不同，合理选择钻头结构和类型。

在松软、破碎地层中钻进时，应选用布齿密度较低、保径宽度较窄，且具有退钻反切削齿的PDC钻头；在硬煤层及岩层中钻进，应选用布齿密度较大、保径效果较好的胎体式PDC钻头[2]。

钻头直径的选择，应充分考虑使钻具组合满足钻头稳定钻进的要求，钻头与稳定器直径相差越大，钻进时钻头震动大、钻进不稳定，对钻头损伤越大。

目前煤矿井下随钻测量定向钻进施工通常采用Φ73 mm随钻测量钻杆，与之配套的钻头一般选用Φ96 mm。

4 钻头的合理使用正确选择钻头结构和类型，并使用好钻头是能否取得最佳钻进效果的关键。

实际生产中经常出现由于操作方法不当或工艺参数不合理而导致钻头提前报废的现象，不但影响钻进效率，同时增加了施工成本。

a.钻头使用前应对钻头的各部位进行检查，重点检查钻头直径是否符合要求、螺纹是否完好、切削齿是否有破损、钻头内孔是否有异物、水眼水槽是否畅通。

b.钻头安装前应在螺纹部位涂抹润滑脂，拆卸时应使用专用卡具，禁止用榔头敲击钻头，以免对钻头切削齿或保径部位造成损伤。

c.开孔前应将孔口处修整为凹坑，以免开钻时钻头摆动太大造成损伤。

开孔时应轻压、慢转、适当泵量(绝对不能进行干钻)钻进10～20 cm，待钻具稳定后，再缓慢地增加钻压和转速，直至按照正常钻进规程钻进。

d.钻进过程中应时刻注意孔底工况，如发现有不进尺、不返水、钻具振动异常、泵压突变、扭矩增大等现象，应立刻停止钻进，及时排查，分析原因，必要时提钻检查，不可强制加压钻进。

e.钻进过程中应保持返水正常，须有充足的水力循环来保证清除孔底岩粉和冷却钻头。

无水干钻容易导致PDC片因温度过高而脱落，导致钻头提前报废。