硬岩大直径竖井钻井刀具破岩机理分析及应用

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1、蒂9舟会场落妾科学发晨观，振兴装备制造业18310吕战竹，莉顺樯，赵福令．铜7钢爆炸复合材料在电火花加工中的应用．电加工与摸具，2002，5：9～1111TsaiHC．YanBH。HuangFY．EDMpersformaneeofCdCu—basedcompositeelectrodes·Int·J-Mach．ToolsManufact，2003，43：2,15～252作者简介邱彦，硕士研究生，研究方向为高速车辆静液压驱动系统。天津大学机械工程学院。E—m出l：chtdwiekchl．u(国yahoo．corn．cn。硬岩大直径竖井钻井刀具破岩机理分析及应用曹钧胡永乐高洪军63653部队，新疆

2、马兰，841700摘葵本文从硬岩大直径竖井钻井工程的实际要求出发，分析了刀具破岩与轴压力、转速及洗井排碴等钻井工艺参数之间的关乐，并给出了相关曲计算公式；提出了合理使用刀具应考虑的因素，并参考美国(休斯公司)、俄罗斯等国家的相关研究和实验结果，结合我部钻井实际进行了定量的分析。关键词破岩机理轴压力转速洗并排碴概述大直径竖井钻井广泛应用于煤炭、电力、冶金以及国防建设等领域，钻井介质一般为表土层、软岩或硬岩，钻井方式有正常钻井和反井钻井。本文主要介绍了我国在坚硬花岗岩和砂岩地区钻井的刀具破岩情况。在硬岩中钻大直径深井，基本上采用全断面钻井方式，地面转盘驱动，绞车提升，球齿滚刀破岩．压气清水反循环洗

3、井排碴，重锤导向减压钻进，是一种综合性机械化凿井方法。钻井设备能够在硬岩中钻凿直径25m左右、深度在1000m左右、井斜不超过2‰的高质量竖井。在硬岩的地质条件下．平均钻井速度在70m／月左右，最高可以选120m／月。年度(按七个月工期算．冬天环境恶劣，不施工)钻井进尺最高可以达到500m左右。一、刀具破岩在硬岩大直径深井钻进中，球齿滚刀在滚压岩石面上造成非连续破坏(见图1)，受轴压力(钻压)和滚动力(扭矩)两个外载荷的作用。轴压力使滚刀压入岩石．滚动力使刀具滚压冲击岩石，这是滚压破岩所独有的特点，是区分其他机械破岩方式(冲击、切削、静压等)的标志。刀具破岩重点考虑轴压力、转速和洗井排碴3个方

4、面，定量分析主要结合我部的某型钻机。(一)刀具轴压力与有效体积破岩在轴压力作用力，设分布在某一球齿上的作用力为P(见图2)，而岩石的抗压人强度为ah，其碎岩过程分如下几个阶段：J84以科学发展观促进科技创新(中)图1滚刀滚压破岩示意图图2滚刀破岩断面1一断裂体；2碎断体；3一密实棱残体(1)弹性变形阶段。当P<0．4a＆．形成压力面，边缘产生裂隙，当P力撤除，岩石面恢复原状，裂隙消失。(2)压力压皱阶段。当P=(0．4～06)am，裂隙延伸，出现主压力体，称之为疲劳阶段(表面裂隙不再消失)，岩石产生表面破碎。(3)破碎阶段。当P≥0．60＆，自岩石表面出现裂隙，形成剪切体，随着P的增加，剪切体

5、开始向外崩落，主压力体被压碎。形成破碎坑。当刀齿与岩石接触所产生的接触压力等于或大于岩石的极限强度(或压人硬度)，则岩石产生跃进式破碎，破碎块度大，破碎速度比研磨区大得多，并随轴压的增加而线性地增加。该阶段，钻井速度高，磨损小，岩石破碎过程所消耗的比功亦小。这正是刀具破岩所追求的目标。美国体斯公司采用8314”牙轮钻头在实验室测得的轴压与钻速关系曲线如图3所示。它也反映出不同轴压下岩石破碎过程的类似特性。督车世蛾治蓝轴压(1(P磅)图3轴压与钻速关系曲线(休斯公司)为r阐明轴压对钻速的影响，许多科研与生产人员，通过实验室试验和现场观测，提出不少关于轴压和钻速的经验公式，一般可用下面通式表示：u

6、=口r(1)式中：口为钻速，m／h；F为轴压，t；n为经验系数，与转速和岩石性质有关；m为与岩石硬度和排碴条件有关的指数。经验系数a由实验确定。关于指数m，俄罗斯学者认为m值变化于0．5～25之间；美国研究人第9分会场落实科学发展观，振兴装备制造业J8j员认为，当排碴条件良好．岩碴不重复破碎时，m值接近于2；而在现场钻井条件下，很难获得理想的排碴条件，故m值可取1～2。对于某型钻机，m值取1．5，转盘转速”一般为5～10r／min，根据硬岩钻井实际，”的平均值约为0．3m／h．最大值约为132m]h，a的取值范围为4．62x104～2．54×10“之间，根据式(1)，计算得对应的单刀轴压力应在

7、0．2～5t之产。在实际钻井时，岩石的单轴抗压强度偏低时，刀具取小轴压力高转速．4取偏大值；岩石的单轴抗压强度偏高时，刀具取大轴压力低转速，n取偏小值。综上所述，为了能有效破岩，必须对滚刀钻头施加足够的轴压力；钻井速度与轴压力呈指数变化关系。由式(1)，在根据岩层的物理力学性质设计的轴压力小于滚刀的原设计轴压力指标时，可通过增加P值来达到提高钻井速度的目的，但必须保证井斜控制在设计范围内。(二)刀