大直徑工程鉆機主要參數(shù)設(shè)計計算與應(yīng)用

喬曉華 ,浦靜怡 ,張西坤

（1.陜西省水務(wù)集團水生態(tài)綜合開發(fā)有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西省煤田地質(zhì)局，陜西 西安 710021；3 河北建勘鉆探設(shè)備有限公司，河北 石家莊 050031）

0 引言

為了滿足工程施工需要，達到預(yù)定鉆進效率和鉆進質(zhì)量的要求，合理選用鉆機的鉆進技術(shù)參數(shù)，以保證鉆機結(jié)構(gòu)上設(shè)計合理、使用上安全可靠、操作上方便先進是鉆機設(shè)計首要考慮的問題。鉆進參數(shù)是使用條件的集中反映，是鉆進設(shè)計的直接依據(jù)和鉆機的施工能力。

鉆機的鉆進參數(shù)主要有：

（1）鉆壓力為鉆進過程中，通過鉆頭作用在鉆進全斷面上的垂直壓力。鉆壓力不是對井底的正壓力，正壓力等于鉆壓力與孔底傾角余弦的乘積。

（2）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)扭矩為由動力通過鉆桿傳遞給鉆頭從而進行鉆進作業(yè)的旋轉(zhuǎn)力矩。

（3）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為鉆具的旋轉(zhuǎn)速度。

（4）排渣能力為泥漿通過正循環(huán)或反循環(huán)對鉆進產(chǎn)生的鉆渣的排渣能力（循環(huán)量、循環(huán)速度、循環(huán)壓力）。

（5）純鉆進速度為不包括提下鉆、維修設(shè)備等輔助時間的鉆進速度，純鉆進速度集中反映了鉆進參數(shù)的合理性。

1 鉆壓力計算及設(shè)計規(guī)律

1.1 鉆壓力的確定

在鉆進過程中，通過一定鉆壓力將鉆頭嵌入巖層（尤其是硬巖層）一定深度，達到巖層的體積破碎程度。這個鉆壓力所形成的刀具與巖層的接觸應(yīng)力（由靜壓力和沖擊力產(chǎn)生的復(fù)合應(yīng)力）一定要大于巖層的臨界應(yīng)力（使巖層破碎的應(yīng)力極限值）。

1.2 鉆壓力的計算方法

鉆壓力的計算可以從多個不同角度考慮進行，其中有四種比較成熟的計算方法：

（1）按照作用在刀刃單位面積上的壓力P（鉆壓強、壓強）來計算鉆壓：

式中：FN為鉆壓力，kN;P 為鉆壓力形成的作用在刀刃單位面積上的壓力，即鉆壓強，鉆壓強應(yīng)大于或等于巖石的硬度，MPa；L 為同時與巖石接觸的刀刃總長度，m；B 為刀刃與巖石的接觸寬度，它與刀尖寬b 和刀尖角γ 有關(guān)，當(dāng)γ=60°時，取B=2b；當(dāng)γ=45°時，取B=2.2b；α 為井底傾角，即鉆進面與地平面的夾角。

（2）按照作用于刀刃單位鉆進面積上的壓力q（稱為“比壓值”）來計算鉆壓力：

式中：FN為鉆壓力，kN；K 為刀具刀刃重合系數(shù)；K=L/h，一般取K=0.94～2.5，鉆頭直徑越大，K 值越大，美國鉆井公司以前取K=1.75～2.5，但試驗表明K 值取小些，鉆速和刀具壽命反而高一些，一般取K=0.94～1.0；L 為同時與巖石接觸的刀刃總長度，m；h 為破巖帶寬度，m；q 為比壓值，N/m；根據(jù)巖石單向抗壓強度σc計算，q=25.9σc0.46；α為孔底傾角，即鉆進面與地平面的夾角。

（3）按照作用于單位面積上的壓力P0來計算鉆壓力：

式中：FN為鉆壓力，kN；P0為單位鉆井面積上的壓力，它是一個壓強的參數(shù)，根據(jù)不同巖類進行選取，對于中硬巖P0=64kPa；VF為鉆進面積，m2；α 為井底傾角，即鉆進面與地平面的夾角。

（4）按照作用于每把刀具上的壓力來計算鉆壓力：

式中：FN為鉆壓力，kN；Pc為平均每把刀具上給定的壓力，kN；與刀具結(jié)構(gòu)、巖類有關(guān)，一般取15kN～30kN，最大到68kN（美國）;E 為鉆頭體上安裝刀具的數(shù)量；α 為井底傾角，即鉆進面與地平面的夾角。

以上計算值均要滿足選用原則的要求，其中式（2）簡單實用，在工程實踐中是最常用的，運用上述公式計算時還應(yīng)計入導(dǎo)向器的摩擦阻力和中心刀的楔入阻力。

1.3 鉆壓力對鉆進速度的影響

廠內(nèi)試驗及施工現(xiàn)場鉆進施工實踐表明，鉆進速度V與鉆壓力FN的關(guān)系曲線見圖1。

圖1 鉆壓力對鉆進速度的影響關(guān)系分析曲線

2 鉆進扭矩的設(shè)計計算

鉆機的旋轉(zhuǎn)扭矩與鉆壓、鉆頭直徑、鉆井深度、鉆進地層狀況、洗井方式等因素有緊密關(guān)系，在功率一定的情況下，它受到轉(zhuǎn)速的制約。

2.1 扭矩的選用原則和規(guī)律

扭矩與鉆速之間有著直接的聯(lián)系，其他因素對扭矩的影響幾乎都通過鉆壓反映出來，扭矩隨鉆壓的加大而增加，為此：

（1）扭矩需隨巖層硬度的增加而提高；

（2）扭矩需隨刀具刀刃插入巖層深度的加大而增加；

（3）扭矩需隨鉆進直徑和深度的增加而加大；

（4）扭矩隨破巖滾刀直徑的減小、數(shù)量的增多以及刀刃尖角、齒頂寬的增大而增加。

2.2 扭矩的計算方法

扭矩的設(shè)計計算依據(jù)是作用在各個刀頭上的鉆壓力和對應(yīng)鉆壓力的回轉(zhuǎn)半徑的乘積之和，即：

式中：K 為鉆頭鉆壓力與鉆頭回轉(zhuǎn)阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，轉(zhuǎn)換系數(shù)與刀具的結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸、軸承選型、鉆進地層情況、泥漿介質(zhì)和具體施工工藝有關(guān)，轉(zhuǎn)換系數(shù)可按表2 選取；FNi為作用在各個刀頭上的鉆壓力；Ri為各個刀頭的回轉(zhuǎn)半徑。

表2 鉆頭轉(zhuǎn)動阻力系數(shù)K 值的確定

假設(shè)作用在每把刀頭上的鉆壓力相同或近似，則為：

式中：K 為鉆頭鉆壓力與鉆頭回轉(zhuǎn)阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)；FNC為作用在各個刀頭上的鉆壓力的平均值；Ri為各個刀頭的回轉(zhuǎn)半徑。

假設(shè)單位鉆進面積上分布的刀頭數(shù)相等或近似相等，則為：

式中：K為鉆頭鉆壓力與鉆頭回轉(zhuǎn)阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)；FN為作用在單位面積上的鉆壓力；R 為鉆頭整體半徑值。

扭矩計算經(jīng)驗公式（適用于鉆井直徑1.8 m～3.0 m）：

式中：K0為地質(zhì)常數(shù)，取值見表3；D 為鉆井直徑，cm；P0為單位直徑上的鉆壓（壓強），kg/cm；Kc 為刀具刀刃重合系數(shù)。

表3 地質(zhì)常數(shù)的確定

以上公式只是計算出了破碎巖石時鉆頭部分的回轉(zhuǎn)扭矩，綜合考慮鉆具導(dǎo)向裝置的摩擦、泥漿與鉆具的阻力產(chǎn)生的力矩，則有M總＝（1+（20～30）%）M。

3 轉(zhuǎn)速的設(shè)計計算

鉆機的鉆進轉(zhuǎn)速對鉆進速度、成井質(zhì)量和鉆頭壽命的影響很大。鉆進轉(zhuǎn)速的設(shè)計計算要綜合考慮以下幾個方面：

（1）鉆進速度的設(shè)計計算要有利于提高鉆進效率，使鉆頭具有最好的破巖效率，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，鉆進轉(zhuǎn)速越高，鉆進速度越快；

（2）鉆進速度的設(shè)計計算要有利于提高鉆頭使用壽命，使鉆頭具有最高的使用壽命，在一定的鉆速范圍內(nèi)，鉆進轉(zhuǎn)速越高，刀具磨損加快；

（3）鉆進速度的設(shè)計計算要盡量實現(xiàn)特殊的工藝要求，處理事故和流沙層鉆進時需要較低轉(zhuǎn)速，擴孔、掃孔和避免形成泥包時較高轉(zhuǎn)速，這些特殊的工藝要求要能夠?qū)崿F(xiàn)。

施工實踐表明，通常情況下鉆頭外邊緣的線速度不能過大，也不能過小。鉆頭外邊緣線速度一般取40m/min～150m/min。硬巖取小值，軟巖取大值。

對破巖滾刀鉆頭，轉(zhuǎn)速一般按下式進行計算：

式中：Nmax為鉆頭最高轉(zhuǎn)速，r/min；D 為鉆頭直徑，m。

鉆頭外邊緣線速度確定以后，根據(jù)以上公式和不同鉆孔直徑可計算出鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍，調(diào)速范圍一般以零轉(zhuǎn)為起點進行無級調(diào)速。

鉆頭的破巖機理是通過鉆壓壓入巖石一定深度來刻碎巖石。鉆頭破巖的效率是在一定鉆壓下鉆頭的移動速度決定的，鉆頭對巖石的破碎和進一步提高破巖效率兩者之間是通過鉆頭回轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)互相聯(lián)系和相互影響的。

工程施工實例說明，鉆進速度和鉆頭回轉(zhuǎn)速度的關(guān)系是比較復(fù)雜的，見圖2。

圖2 V-n 曲線

當(dāng)n＜nk時，V與n 成正比。

當(dāng)nk＜n＜nk時，V 仍隨n 的增加而提高，但速率減慢。

當(dāng)n＞nk時，V 隨n 的加大而降低。這是因為刀具速度太高，刀刃作用于巖石的時間太短，巖石破碎阻力增加的緣故。

可見nk為n 的極限值（臨界值），鉆進時n 應(yīng)控制在此值以內(nèi)。為了保持較高的效率，也不應(yīng)低于臨界值nk。

不同的地層情況，應(yīng)合理選擇鉆頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，在流砂層中鉆進時，為防止在泥漿的帶動下造成的井壁坍塌，鉆頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速應(yīng)控制較低的范圍內(nèi)，一般控制在鉆頭外邊緣線速度0.7m/s 以內(nèi)。

4 提升能力的設(shè)計計算

鉆機提升系統(tǒng)的額定起重量的設(shè)計計算主要考慮兩個方面，一是最大鉆孔直徑對提升能力的影響，二是最深鉆進深度對提升能力的影響，也就是主要與鉆孔直徑和鉆井深度有關(guān)：

式中：GED為鉆機額定提升能力，kN；K 為動載系數(shù)，1.25～1.30；GZT為鉆頭（過度鉆桿、加重鉆桿、配重塊、柔性接頭）的理論計算重量，t；GZG為孔內(nèi)鉆桿的總重量，t；γn為鉆井液濃度，t/m3；GBJ為鉆桿與提升系統(tǒng)之間的各個部件重量之和，t。

額定提升能力設(shè)計計算結(jié)果乘以一定的安全系數(shù)，就是鉆機的最大提升能力，最大提升能力是設(shè)計提升系統(tǒng)的依據(jù)。

5 典型設(shè)計實例為GD50 鉆機的設(shè)計與應(yīng)用

5.1 GD50 鉆機的設(shè)計生產(chǎn)

GD50 鉆機是依據(jù)大口徑鉆機參數(shù)設(shè)計計算方法研制的滿足大口徑豎井鉆探設(shè)備，主要針對大口徑鐵礦豎井、煤礦豎井、降水井及水利農(nóng)用機井等施工的專用鉆機。主要性能參數(shù)詳見表4。

表4 GD50型鉆機的主要性能參數(shù)表

GD50 豎井鉆機主要結(jié)構(gòu)特點：

（1）液壓馬達驅(qū)動，可以無級調(diào)速，工作平穩(wěn)可靠，過載自動保護。

（2）動力頭和提升油缸公用兩組（4 臺）主泵，動力源控制簡化，結(jié)構(gòu)緊湊，使用可靠，主提升油缸分快速提升下放和慢速進給驅(qū)動。

圖3 GD50型鉆機施工場景

（3）進給系統(tǒng)可以手動和自動控制，可以恒轉(zhuǎn)速和恒鉆壓鉆進。

（4）起下直徑4.6 m 以下鉆頭時，鉆架由支撐油缸驅(qū)動后仰，不用移動主機，對孔位只在固定鉆機時一次找正即可。

（5）所有執(zhí)行油缸都裝有液壓鎖，可在任意位置鎖死，具有連鎖保護功能。

（6）主傳動系統(tǒng)動力頭，采用硬齒面齒輪傳動，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，重量輕。

5.2 GD50 鉆機的施工應(yīng)用

位于黃河右岸的某脫貧飲水工程，擬在黃河河漫灘及一級階地范圍內(nèi)建設(shè)水源地，其東西方向長約30 km，南北方向?qū)捈s0.5 km～2.0 km，面積約40 km2。從該水源地取水，經(jīng)匯集后通過4 級加壓泵站和205 km 輸水線路在終端與調(diào)節(jié)水庫相連，輸水沿線向工程供水范圍內(nèi)的城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水。擬施工的兩口大口徑水井成井直徑為1200 mm，設(shè)計井深60 m。井管使用直徑分別采用530 mm 和820 mm 的無縫鋼管，壁厚8 mm。過濾管采用橋式過濾器結(jié)合打眼纏絲過濾器。濾料直徑選用2 mm～5mm 的粒砂。

該脫貧飲水工程應(yīng)用GD50 鉆機施工，現(xiàn)場通過調(diào)節(jié)鉆進參數(shù)，鉆進效率極高，提前完成了施工任務(wù)，節(jié)約了成本。本次施工主要鉆進參數(shù)詳見表5。

表5 脫貧飲水工程施工鉆進參數(shù)

通過施工，成井質(zhì)量較好，最終實際抽水量3000 m3/d，比設(shè)計出水量每天多280 m3/d。

6 結(jié)論和建議

（1）鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量這三大參數(shù)之間是相互制約而又相互促進的，只有三大參數(shù)配合恰當(dāng)，才能保證鉆進的高效率和井壁的穩(wěn)固。一般在砂巖中鉆進應(yīng)采用低轉(zhuǎn)速、小鉆壓、大沖洗液量的鉆進工藝；在粘土層中鉆進時，宜采用中等轉(zhuǎn)速、小鉆壓、大沖洗液量的辦法；在基巖中鉆進則可采用高轉(zhuǎn)速、大鉆壓配以相應(yīng)的沖洗液量的規(guī)程。

（2）鉆機設(shè)計遵循“低速、大扭矩”的原則，能實現(xiàn)無級調(diào)速，轉(zhuǎn)速能隨井內(nèi)扭矩改變而改變，即當(dāng)井內(nèi)扭矩增大超過額定扭矩時，轉(zhuǎn)速應(yīng)能相應(yīng)迅速下降，井內(nèi)扭矩超過定值達到一定限度后，應(yīng)能自動停止回轉(zhuǎn)，當(dāng)扭矩減小后又能自動恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。

（3）通過對大直徑工程鉆機參數(shù)的設(shè)計研究，研發(fā)了GD50 鉆機，為我國大口徑鐵礦豎井、煤礦豎井、降水井及水利水井施工提供了專用鉆機—大口徑工程鉆機。