鉆頭的選擇與使用
壹、概述
采用煤礦井下隨鉆測量定向鉆進工藝進行鉆孔施工，由於遇到的地層條件比較復雜，巖性種類也較多，因而對與其配套使用鉆頭的功能、時效和壽命也提出了更高的要求，常規鉆頭已不能滿足使用要求。定向鉆頭的結構和性能直接影響著定向鉆進效果，鉆頭性能壹般應滿足以下要求:
1)在鉆進時應具有較長的壽命，避免中途提鉆換鉆頭;
2)適應巖性廣，能夠滿足順煤層和頂底板穿層鉆進要求;
3)保徑效果要好，以保證鉆孔質量;
4)鉆進效率高，應具有較大的排粉通道;
5)應具有側向切削功能(即側鉆功能)，實現定向造斜鉆進。
二、PDC定向鉆頭的結構參數
圖5-15 PDC鉆頭圖片
PDC定向鉆頭由鉆頭體、PDC切削齒、保徑、水路系統(水眼、水口、水槽等)等組成，如圖5-15所示。PDC鉆頭的結構形式繁多，對適用地層和使用條件非常敏感，需要針對具體地層特點和使用條件進行鉆頭結構參數的設計。PDC定向鉆頭主要結構參數包括鉆頭冠部形狀、切削齒的大小、數目和出刃、布齒方式以及PDC片鑲焊角和空間位置參數、鉆頭保徑方式和水路系統等。
1.鉆頭冠部形狀
不同的鉆頭冠部形狀，其工作特性不相同，對地層的適應性也不相同。因此，了解並掌握各種冠部形狀鉆頭的工作特性及其對地層的適應性，對於合理設計、制造和使用PDC定向鉆頭具有重要意義。
鉆頭冠部形狀會引起各PDC片之間相對高差等具體空間位置的差異，從而影響各PDC復合片的切削體積、鉆頭破巖能力和PDC受力情況。合理的鉆頭冠部形狀能提高鉆頭的穩定性，有利於孔底的清洗和減少切削齒的磨損，達到提高其綜合性能的目的。
與常規鉆頭相比，定向鉆進用PDC鉆頭主要不同點是必須具有側向切削功能。PDC定向鉆頭冠部形狀有平底形、凹面形、球面形，如圖5-16、圖5-17、圖5-18所示，其中平底形鉆頭在生產中使用最為廣泛。
圖5-16 平底PDC鉆頭
圖5-17 凹面PDC鉆頭
圖5-18 球面PDC鉆頭
2.PDC的鑲嵌方式
PDC復合片鑲嵌方式可分為半出刃型和全出刃型兩種，如圖5-19所示。鉆進軟巖用鉆頭應適當增加PDC片的出刃高度，有利於排除大量巖粉和加快鉆進速度，因此該類鉆頭PDC片多采用全出刃方式。在較硬及復雜巖層中鉆進時，巖粉顆粒較細，進尺較慢，則采用較低的底出刃高度，以利於沖洗介質帶走巖粉;另壹方面在該類巖層中鉆進，PDC片承受的載荷較大，這也要求PDC片底出刃高度應盡量減小，以增強鉆頭切削齒與鉆頭體之間的焊接強度和切削齒後靠背的支撐強度，所以該類鉆頭PDC切削齒的鑲嵌方式多采用半出刃方式。
圖5-19 PDC鑲嵌示意圖
3.鉆頭的水路
煤礦鉆孔施工中，因受條件限制，壹般達不到石油鉆井的水力參數，因此鉆頭的水路設計應首先考慮冷卻切削齒和及時帶走巖粉。在鉆進初期，鉆進效率很高，被破碎巖石的顆粒也較大，孔底巖粉多，若鉆頭水眼和水槽截面太小或數量太少，鉆進時巖粉排出不及時，滯留在孔底的巖粉在鉆頭唇面處被重復破碎，並附著在PDC片附近甚至形成泥包，堵塞水路，從而影響鉆進效率。所以設計鉆頭時水眼面積和水路截面積要足夠大，以便沖洗液有足夠流量把大量的巖粉及時排出，保證孔底清潔和PDC片冷卻。另外，沖洗液也不能直接噴射到孔壁上，以防不穩定層位的孔壁因沖刷而引起塌孔事故。
合理的水口、水槽設計有利於更好地沖洗孔底巖粉和冷卻PDC切削齒。通常每組切削齒設計壹個水口，水口的過水總面積大於鉆頭與井壁之間所形成的環狀間隙的面積。常用的水口形狀有矩形、半圓形、螺旋形和超深超寬形等，並在鉆頭體外壁設計有水槽，以增加鉆頭外環狀間隙過水面積。水口與水槽之間應圓滑過渡，不得有棱角，這樣有利於沖洗液循環暢通，能及時排出巖屑和冷卻鉆頭。
由於定向鉆頭是不取心結構，這種結構的鉆頭不僅破碎的巖粉多，而且被破碎的巖粉所走路程比取心鉆頭長，很容易造成重復破碎。為防止重復破碎，鉆頭底唇部過水面積要大，水眼和水槽要寬而深，以利於巖粉排出，有效冷卻鉆頭切削齒。
4.復合片(PDC)的選擇
PDC復合片規格和數量的選擇主要根據所鉆巖石的巖性和地層條件來決定。PDC鉆頭切削地層時，PDC切削齒直接切削地層，承受的載荷很大，在某些情況下，PDC片並不完全是正常磨損，而是由過載和沖擊振動引起的崩刃、折斷、掉片等非正常磨損，從而造成鉆頭報廢。因此，PDC鉆頭的性能在很大程度上取決於PDC片的質量。
對PDC片的選擇應充分考慮PDC的性能、結構尺寸、所鉆巖層條件等因素，只有合理地選擇使用才能達到經濟高效的目的。PDC片尺寸大小的選擇主要依據PDC的特性、地層情況和鉆頭布齒空間的大小，軟巖鉆頭應選用大尺寸PDC片，而小尺寸PDC片在均質較硬地層中則具有較高的機械鉆速。用於連續造斜鉆進時，鉆頭同時有加深鉆孔和造斜的雙重作用，顯然鉆頭外側PDC切削齒工作負擔很重，應選用高硬度、高耐磨性、高抗沖擊韌性及高熱穩定性的PDC復合片。此外，鉆頭布齒空間太小會限制對PDC片的選擇，所以在選用時除了考慮PDC片的性能外，應綜合考慮上述幾方面的因素。
5.保徑方式
正常鉆進條件下，鉆頭應滿足徑向側刃的磨損速度低於底刃的磨損速度的要求，即PDC鉆頭的底刃磨損到不能使用時，鉆頭的直徑基本保持不變。通過分析鉆頭非正常磨損導致提前報廢的原因，結果表明大部分與鉆頭保徑有關，保徑過早磨損後，PDC片的支撐體強度降低，導致PDC切削齒發生掉片甚至支撐體折斷，特別是在鉆進破碎、裂隙等復雜巖層時，這種情況尤為常見。所以，科學合理的保徑方式是確保鉆頭使用壽命的主要措施之壹。另外保徑長度也是重要的選擇參數，保徑越短，側鉆能力越強，越容易打出分支孔來，所以PDC定向鉆頭應采用短保徑設計。
此外，由於煤系地層大多為軟—中硬巖層，水平孔定向孔施工中往往很難避免孔壁坍塌造成的卡鉆、埋鉆等事故。而孔底定向鉆具價格昂貴，壹旦發生事故，若處理失敗，往往造成巨大的經濟損失。應在鉆頭保徑尾部設計反向切削齒，在事故處理中提鉆時反切削齒也能參與切削巖層，同時鉆頭保徑寬度不宜太寬，以便降低提鉆阻力，有利於處理孔內卡、埋鉆事故，從而大大降低事故處理的難度。
三、鉆頭的合理選擇及使用
1.鉆頭的合理選擇
為了獲得最佳的鉆進效果和技術經濟指標，必須合理選擇鉆頭，選型不當就可導致鉆頭提前磨損，影響鉆頭使用壽命，因此，應在對鉆頭結構和工作原理充分理解的基礎上，從生產實際出發，綜合考慮鉆進工藝、地層條件、鉆進設備及其他因素對鉆頭使用的要求，合理選擇鉆頭。
煤礦井下隨鉆測量定向鉆進配套使用孔底馬達，鉆孔深度大，同時還需進行分支孔鉆進。因此，應選擇鉆速快、壽命長、造斜穩斜性能好的胎體式PDC定向鉆頭，由於其鉆頭體耐磨性強，所選用的PDC性能優異，最佳適用地層為1～8(f≤10)級的完整巖層，部分軟硬互層及少量裂隙發育地層中也可以正常使用。
鉆頭直徑的選擇，應充分考慮使鉆具組合滿足鉆頭穩定鉆進的要求。煤礦井下隨鉆測量定向鉆進施工通常采用φ73mm中心通纜式鉆桿，與之配套的鉆頭直徑推薦選用φ96mm。在松軟煤層中鉆進時，應選用布齒密度較低、保徑寬度較窄且具有退鉆反切削齒的胎體式PDC定向鉆頭;在硬煤層及巖層中鉆進，應選用布齒密度中等、保徑效果較好的胎體式PDC定向鉆頭，其技術參數見表5-4。
表5-4 隨鉆測量定向鉆頭技術參數
2.鉆頭的合理使用
如何使用好鉆頭是取得最佳鉆進效果的關鍵，在實際生產中經常出現由於使用方法不當而導致鉆頭提前報廢的情況，為保證PDC鉆頭正常使用，必須嚴格按照以下要求進行操作:
1)應選擇合理的鉆具級配，力求鉆頭工作平穩，切削齒不至於因受力不均而損壞。
2)PDC鉆頭切削齒抗沖擊能力較差，在運輸及搬運過程中應輕裝輕放，嚴禁砸、碰、拋擲鉆頭。鉆頭應在幹燥、通風環境中存放。
3)從包裝箱內取出鉆頭，應先用軟質材料做好襯墊，不允許在鋼質或其他硬質材料上碰撞或滾動鉆頭，防止損壞切削齒和螺紋。
4)鉆頭使用前應對各部位進行現場檢查，包括鉆頭直徑是否符合要求、連接螺紋是否完好、切削齒是否有損傷、鉆頭內孔是否有異物、水眼水槽是否暢通。
5)安裝及拆卸鉆頭時，不許用榔頭敲擊鉆頭以免對切削齒及保徑部位造成損傷，安裝前應在螺紋部位塗抹潤滑脂。
6)開孔前應將開孔點修整為凹坑，以免開鉆時鉆頭擺動太大造成損傷。在開孔時或二次下鉆後，應首先采用輕壓、慢轉、適當泵量(絕對不允許幹鉆)鉆進0.2～0.3m，完成孔底造型後，再平緩均勻地增加鉆壓、轉速和泵量，然後按照正常鉆進規程鉆進。
7)下鉆時速度要慢，防止巖石探頭、脫落的巖石碰壞鉆頭切削齒。在鉆頭接近孔底之前，應開啟水泵，充分沖刷孔底，觀察出水是否正常，防止鉆頭水眼堵塞。
8)鉆進時應確保孔底清潔，如果孔內有脫落的切削齒、保徑硬質合金、鋼件等異物，很容易導致PDC定向鉆頭的早期損壞。
9)由於PDC復合片與鉆頭體之間是采用低溫焊料焊接的，因此，工作中的鉆頭必須要有充足的循環沖洗液來保證對其冷卻和清洗。鉆進過程中嚴禁斷水，避免燒鉆事故發生，防止掉片和巖屑重復破碎，而影響鉆頭使用壽命。
10)鉆進過程中應精心操作，時刻註意孔底工況，如發現有異常的振動或無進尺、泵壓明顯升高或降低、機械鉆速突然下降、扭矩增大等現象，應及時排查，必要時提鉆檢查，不可強行加壓鉆進。
11)當PDC定向鉆頭鉆遇強研磨性夾層時，其切削齒的磨損將隨著轉速和鉆壓的增加而加劇。為延長鉆頭壽命，應采用低轉速和盡可能低的鉆壓。遇到地層變化或夾層時，應及時調整鉆壓和轉速，以達到最優的鉆頭壽命和鉆進速度，獲得最佳的鉆進效果。
12)正常鉆進時應以鉆壓和轉速的乘積為約束條件，不能同時使用最高鉆壓和最高轉速，鉆進中操作要平穩，嚴禁猛提猛放、溜鉆和頓鉆。
13)盡可能避免用PDC鉆頭擴孔，若在較短的孔段需要擴孔時，應采用小鉆壓、適中轉速以及較大泵量。
14)鉆頭使用後期，因切削齒磨損而使承壓面積增大，需適當增加鉆壓以保持鉆進速度。
15)同壹鉆孔使用多只鉆頭時，鉆頭要排隊輪換使用，先用外徑大的，後用外徑小的。
16)在鉆進軟巖及黏性地層時，鉆頭有時會產生泥包現象，影響正常鉆進，主要征兆為鉆速及扭矩突然下降、泵壓增加，此時應對鉆頭進行清洗，主要方法是將鉆頭提離孔底，然後開大泵量和正常轉速，從而清洗鉆頭表面。
17)起鉆前應逐步減小鉆進規程參數，停止鉆頭轉動，使鉆頭上的鉆壓逐漸得以釋放;在膨脹等復雜地層，起鉆速度不能太快，以免“抽吸”作用造成塌孔或突出事故。
3.鉆頭的磨損
PDC定向鉆頭的磨損分正常磨損和非正常磨損兩種，正常磨損表現為鉆頭心部至外側切削齒磨損逐漸加重，設計良好的鉆頭基本可實現等速磨損，PDC片無斷裂、掉片、脫落現象、鉆頭體沖蝕正常、隨著進尺的增加磨損量逐漸增大。PDC鉆頭的非正常磨損往往表現為:
1)燒鉆。鉆進過程中若鉆壓過大，轉速過快，鉆頭工作面與巖石之間強烈摩擦會產生大量的熱量，斷水、幹鉆或地層漏失出現沖洗液假循環等帶來沖洗液不足，或水眼堵塞等，無法及時帶走巖屑和熱量，這些往往容易造成燒鉆事故。由於復合片切削齒與鉆頭體之間的連接是低溫焊接，溫度過高導致鉆頭因掉片而失效，鉆頭體變為藍色或棕色，甚至與巖石燒結在壹起，常常引起重大事故。為防止燒鉆事故發生，應控制合理的鉆進速度，保證沖洗液循環暢通。
2)拉槽。當鉆壓過大、冷卻不良造成微燒鉆，孔底有異物、擴孔鉆進或掃孔，外刃脫落或斷裂，這些都會造成鉆頭冠部拉槽。復合片金剛石層脫落或復合片覆蓋不全也容易造成鉆頭冠部拉槽。
3)鉆體損壞。若孔內有臺階、探頭石或坍塌掉塊、縮徑孔段，鉆頭受到強力擠壓，都會造成鉆頭胎體損壞，孔底巖粉過多會嚴重磨損鉆頭體。
4)切削齒損壞。主要表現為磨損嚴重、斷齒、掉齒、焊接失效和熱裂紋等。
5)水口水槽嚴重沖蝕。所鉆巖層研磨性特高，或沖洗液含砂量高且流速過高，都會造成鉆頭水口水槽嚴重沖蝕，影響鉆頭強度。
6)鉆頭外徑過早磨損。若鉆頭保徑太弱或巖石硬度過高，導致外徑過早磨損。