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大直径凿井钻机镶齿滚刀钻进参数优化与凿岩效能研究

谭昊  
【摘要】:为解决大直径凿井钻机内圈镶齿滚刀滚压岩石和外圈镶齿滚刀冲击作用之间的差异,造成内圈镶齿滚刀和外圈镶齿滚刀凿岩参数不匹配的问题,以及目前大直径凿井钻机缺少快速评价凿岩效能的方法的问题,以降低钻进参数不匹配等原因会造成镶齿滚刀寿命低和非正常损耗,提高镶齿滚刀凿岩效率同时降低凿岩成本,需要优化大直径凿井钻机镶齿滚刀的钻进参数,并对大直径凿井钻机凿岩效能进行评价。本文首先以MSJ5.8/1.6D矿山竖井掘进机为例,递进式研究了大直径凿井钻机、镶齿滚刀和刀齿的运动、受力和凿岩机理,在简述钻机、钻头及镶齿滚刀的基础上,分析镶齿滚刀的运行过程及滚压破岩基本规律,阐述岩石变形破碎过程,计算得到镶齿滚刀的受力情况,并分别分析内圈镶齿滚刀和外圈镶齿滚刀凿岩机理差异特性。同时,研究了大直径凿井钻机内圈镶齿滚刀的滚压作用机理和外圈镶齿滚刀的冲击作用机理;研究内圈镶齿滚刀在不同钻压和转速下的钻进速度和比能;以及通过镶齿滚刀的最小比能法和外圈镶齿滚刀的冲击效果影响试验,分别研究了大直径凿井钻机的最优钻压和最优转速,得到大直径凿井钻机钻进参数优化方法和理论。最后,通过分析基于特征粒径理论的大直径凿井钻机镶齿滚刀凿岩效能评价机理,形成特征粒径理论基础,并通过锥形镶齿滚刀破碎大理岩和花岗岩的直线破岩试验,以及白鹤滩水电站左岸某溜渣井工程进行工业性试验,验证特征粒径理论的可靠性和实施的可行性。通过研究得到以下结论:1、理论研究方面:内圈镶齿滚刀主要凿岩机理为挤压和剪切岩石,外圈镶齿滚刀在挤压和剪切岩石的同时,冲击作用较为显著;同时,内圈镶齿滚刀和外圈镶齿滚刀目前没有明显的区分界限;根据连续介质力学建立的数学模型难以解决岩石破碎的实际计算问题,需要采用能量耗散原理对该过程进行分析;镶齿滚刀破碎岩石过程中的耗散能、能量耗散率和比能,均能够作为大直径凿井钻机镶齿滚刀凿岩参数优化的指标;为了界定内圈镶齿滚刀和外圈镶齿滚刀,可以通过镶齿滚刀滚动线速度计算刀齿在凿岩面上的加载率,通过对比SHPB试验中的加载率范围,可以用加载率界定外圈镶齿滚刀和内圈镶齿滚刀;综上,根据大直径凿井钻机外圈镶齿滚刀凿岩机理分析,拟建立研究大直径凿井钻机最优转速的B-SHPB理论模型。2、大直径凿井钻机钻进参数优化研究:大直径凿井钻机内圈镶齿滚刀的压入深度与钻压之间近似呈线性递增关系,但增率在一定范围内呈下降趋势;钻进速度和钻压之间也近似呈指数关系,拟合曲线可以很好地描述钻井速度和拉力的指数变化。此外,随着拉力的增加,钻井速度会更快地上升,这说明对于镶齿滚刀滚压凿岩机理,增大钻压能够指数级增大钻进速度。钻进速度和转速呈线性关系。随着钻速增加,钻进速度直线上升。而转速对比能的影响作用不显著。在外圈镶齿滚刀冲击作用机理试验中发现,灰砂岩、红砂岩和大理岩均存在动态增强效应,随着岩石静态抗压强度增大,动态抗压强度越高且对应变率的变化越不敏感。大理岩对动态抗压强度的变化最敏感,而红砂岩对动态抗压强度的变化较不敏感。灰砂岩、红砂岩和大理岩试样的耗散能均随着应变率或者入射能的增大而增大。灰砂岩、红砂岩和大理岩试样的静态抗压强度越大,能量耗散率越低,相比较灰砂岩和大理岩,提高红砂岩的输入能能够显著的提高能量利用率。B-SHPB试验得到的应力峰值、耗散能和能量耗散率参数,可以用来评估刀齿的破岩效能。在空间受限等只能使用小功率钻机的工况下,钻具安装镐形刀齿更有利于小功率钻机在低冲击力作用下进行破岩。在应急救援等需要快速钻进的工况下,钻具安装锥形刀齿可在单位时间内输出较多能量,确保施工效率。在需要平衡刀齿寿命和施工速度等优先考虑成本效益的工况下,钻具安装锥形刀齿可使破碎岩石的能量利用率更高,提高钻进的经济性。因此,对于大直径凿井钻机内圈镶齿滚刀,提高钻压能够明显提高凿岩速度,并在一定范围内降低比能,但是提高转速对于比能的影响不显著;提高外圈镶齿滚刀的转速能够近似线性的降低凿岩难度,并且大部分情况下可以降低镶齿滚刀的能量耗散率,提高能量利用率。所以为了优化大直径凿井钻机钻进参数,应当在找到比能最低的钻压的同时,尽量提高钻头的转速。3、大直径凿井钻机凿岩效能研究:通过锥形镶齿滚刀破碎大理岩和花岗岩的直线破岩试验,明确了岩渣粒径分布累积概率符合Rosin-Rammler分布,据此得到不同钻压时岩石的特征粒径;根据试验结果,对特征粒径分布规律进行分析,确定花岗岩试样的最优钻压为30 kN,大理岩试样的最优钻压为34.45 kN;通过试验确定锥形镶齿滚刀破碎大理岩试样符合黎金格的新表面说,根据比能与钻压关系,得到最优钻压为35.19 kN。通过多排镐形镶齿滚刀对大理岩和花岗岩试样的直线破岩试验,岩渣粒径分布累积概率符合Rosin-Rammler分布,据此得到不同钻压时岩石的特征粒径;根据试验结果,对特征粒径分布规律进行分析,确定大理岩试样的最优钻压为184.53 kN,花岗岩试样的最优钻压为117.25 kN;通过试验确定多排镐形镶齿滚刀破碎大理岩符合黎金格的新表面说,根据比能与钻压关系,得到大理岩试样的最优钻压为175kN,花岗岩试样的最优钻压为120kN。通过白鹤滩水电站左岸某溜渣井工程的工业性试验,明确反井钻机钻头在凿岩过程中产生的岩渣粒径累积概率符合Rosin-Rammler分布;在试验范围内,根据特征粒径理论,拟合得到BMC200反井钻机凿岩效能最高时,对应的施加钻压所用的液压系统压力为12.00MPa;结合钻机和钻具的参数,可计算得到最优钻压,验证了特征粒径理论的可行性和指导意义。因此,通过不同齿形镶齿滚刀对不同岩石的直线破岩试验可以得到,通过特征粒径和比能得到的最优钻压值基本一致,两种方式均可在实际施工中加以使用,在条件允许的情况下,优先选择特征粒径理论方式以获取更为准确的最优钻压。特征粒径理论能够作为一种较为便捷的评价大直径凿井钻机凿岩效能的方法,钻进过程中所产生岩渣的特征粒径值越大,大直径凿井钻机的凿岩效能越高。4、本文在得到大直径凿井钻机镶齿滚刀钻进参数优化的钻压和转速确定方法的同时,建立了大直径凿井钻机镶齿滚刀凿岩效能的特征粒径理论评价方法。


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