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【摘 要】 我国矿山机械行业正面临着十分复杂的国内外经济环境。在这种机遇与挑战并存的环境下，实体经济发展仍处于可以大有作为的重要战略机遇期，具备经济持续健康发展的基础条件。本文仅就在大直径工程井施工含粘土漂卵石层钻进过程中钻头的改进进行了探讨
【关键词】 滚刀钻头;含粘土漂卵石层;改进;组合钻头
前言：
大直径工程井施工，特别是矿山竖井工程具有直径大、钻井深的特点。随着工艺的逐渐完善，新技术的应用，超深、超大直径的竖井越来越多，相应每级钻孔破岩面积也越来越大，遇到的地质条件也越来越复杂，有些地层采用传统的钻头已经不适合大直径工程井施工。本文结合工程实例，针对在大直径工程井施工中出现的含粘土漂卵石层，提出几点改进普通的钻头的方法，解决刮刀钻头易磨损，滚刀钻头钻进效率低，辅助时间多等问题，希望对今后施工能够有所帮助。
1 工程实例
1.1工程概况。
某大直径工程井，采用机械钻井法施工工艺，气举反循环排渣成孔。最大钻孔直径8.3米，钻孔深度286米，分三级成孔，钻孔直径分别为3.5米、6.3米和8.3米。成井最大直径6.2米，井深286米。
工程第四系覆盖层地质情况主要以含粘土漂卵石层为主。230米至263米为漂石层，其中直径超过1米漂石含量约为10%。工程钻孔机械为AD-60型大直径工程井钻机，钻机最大扭矩30吨米，最大提升能力300吨，一次最大成孔直径6米。
1.2钻进中遇到的主要问题。
该工程前导孔开始使用刮刀钻头钻进，上部钻进比较顺利，每班进尺可达到4米。超过100米后由于地层变密实，钻进速度开始下降，每次下钻前两个班速度较快，可过了两个班后钻进速度明显变慢，每班进尺仅为0.2米左右。提钻检查发现钻头的刀齿已经磨掉，甚至部分翼板也受到磨损，如果没有及时提钻将可能导致掉钻等事故发生。同时在钻进过程中经常发生漂卵石堵在水口的情况，需要频繁提钻进行疏通，增加了辅助时间，影响工程进度。后来工程人员将刮刀钻头换为滚刀钻头，解决钻具磨损严重及堵钻的问题。换用滚刀钻头后钻具磨损的问题确实解决了，减少了辅助时间，但由于在漂卵石层充填有粘性土，很容易发生糊钻情况，导致钻进效率较低，平均每班进尺2米左右。在进行扩孔钻进后由于扭矩及破岩面积的变大，刮刀钻头已经不再适用，而滚刀钻头的钻进效率明显降低，已经不能满足工程工期的要求。
1.3原因分析。
刮刀钻头在钻进较松散的含粘土卵砾石层存在较大优势。但在漂卵石层，存在粒径超过20cm的漂石，由于刮刀钻头强度较低，难以将漂石破碎，未破碎的漂石很容易堵住水口，且将刮刀合金崩碎，直接磨损翼板或合金板，导致钻头损坏。因此钻进密实或粒径较大的漂卵石层时，钻头磨损严重、且易堵钻，不但影响钻进效率，同时容易发生孔内事故。
滚刀钻头主要是通过冲击压碎作用和剪切作用碎岩的，但对于含粘土漂卵石地层，滚刀钻头刀齿间隙易糊死，削弱了冲击作用，同时造成滚刀与漂卵石间发生相对滑移，导致最终钻进效率不高。
2 对钻头的改进
针对以上情况，考虑前导孔钻进一般钻孔直径较小，使用工程中常用的滚刀钻头或刮刀钻头对钻进的效率影响不大，在这里主要探讨扩孔时钻头的改进。在钻进较松软地层时可使用刮刀钻头作为扩孔钻头，但在漂卵石层由于扭矩较大，且经常出现蹩钻情况，刮刀钻头容易被破坏，一般选用滚刀钻头作为扩孔钻头。
2.1钻头体的改进。
工程中用到的滚刀钻头一般为平底的滚刀钻头，一个水口进行排渣。而我们进行大直径工程井钻井时，钻孔直径较大，在空气压缩机风量不变的情况下，距离水口较远处的钻渣不容易被及时吸走，形成重复性破碎，影响鉆进效率。
在该工程中将滚刀钻头平底刀盘钻进环带处改为有一定倾角的截锥形刀盘，在前导钻进处还为平底刀盘。水口设置在钻进环带与前导孔交接处。水口宽度30cm左右，长度80cm左右，其中三分之一在环带部分。将刀盘设有一定倾角有利于浆液冲刷钻渣至水口处或掉入前导孔中，减少重复性破碎，提高钻进效率。水口设置在钻进环带与前导孔交接处可以同时抽取环带上的钻渣和前导孔内的钻渣。同时，水口应用圆钢等分成几部分，每部分的尺寸视钻杆的通径而定，保证通过水口的漂卵石最大直径小于排渣管路的最小直径，这样可以有效的防止漂卵石进入水口发生堵钻。
2.2滚刀的改进。
在大直径工程井施工中楔齿滚刀和球齿滚刀比较常用。在该工程中因有粘性土的存在所以楔齿滚刀的钻进速度比球齿滚刀钻进速度稍快，所以建议用楔齿滚刀。而在漂石层，为避免钻具磨损，减少辅助时间，应用球齿滚刀效率较高，且节约成本。滚刀刀座分为鞍式刀座和冠式刀座。两种刀座的主要区别是鞍式刀座是直接焊接在刀盘上，滚刀及刀座整体都在刀盘外部，力矩较大。而冠式刀座是嵌在刀盘之内，刀座只有很少一部分露在刀盘外部，力矩较小。在漂卵石层钻进中存在个别直径较大的漂石，滚刀会受到漂石的冲击，甚至刀座直接受力。所以鞍式刀座力矩较大，比冠式刀座更容易发生断裂，出现掉滚刀的情况。所以本文建议在漂卵石层中钻进，最好选用冠式刀座。
2.3增加刮刀板。
结合滚刀钻头和刮刀钻头优缺点，本工程在原有滚刀钻头的基础上，增加了刮刀板，形成刮刀—滚刀组合钻头。见组合钻头示意图。刮刀板由翼板、筋板、合金板、合金四部分组成。制作时先将合金焊接在合金板上，然后将合金板焊接在已经布置在钻头上的翼板上。翼板要有筋板加强，否则翼板容易变形。见刮刀板示意图。
在翼板的布置过程中需要注意三点。一是翼板要布置在滚刀后部，利用滚刀保护翼板不被漂卵石直接冲击。二是布置的翼板要相互搭接2至3厘米，并使有效切削面覆盖钻孔环带。三是翼板高度要保证安装合金板后合金高度超出滚刀面1厘米左右。
由于合金直接与地层接触，所以合金的选用直接影响钻进的速度和有效钻进时间。在含粘土漂卵石层中钻进中合金的作用主要是切削作用，同时也会与漂卵石形成冲击。这就需要所选用的合金既有良好的耐磨性又要有一定的抗冲击性。在本工程中选用YG8硬质合金。该合金具有密度达到14.5-14.9G/cm3，抗弯强度大于1815N/mm2，硬度大于87.5HRA可适用于冲击回转凿岩机用的钎头、凿中硬及较坚硬岩石。
3 效果分析
该工程在采用组合钻头后通过与前导孔钻进情况对比来看，因堵钻和修理钻头的时间明显减少，辅助时间节省了约134个小时。二级扩孔时，使用组合钻头在破岩面积比前导孔扩孔大了13m2的情况下纯钻时间还节省了约24个小时，明显提高了钻进效率。将楔齿滚刀换为球齿滚刀后，每个钻进周期节约钻进时间近96个小时，滚刀成本节省了将近二分之一。采用YG8硬质合金后刮刀板的磨损明显减少，只有个别合金板因合金受到冲击破碎导致磨损外，大部分合金板能够重复使用，减少了更换合金板的时间和施工成本。
改变水口后排渣效果有了明显的提高，排渣量是之前的4倍，排上来的漂卵石直径明显变大，减少了重复破碎，提高了钻进效率。
4 结语
通过对钻头的改进，使大直径工程井施工在含粘土漂卵石地层中的钻进效率得到了明显的提高。同时，通过对滚刀、水口的改进，减少了不必要的提、下钻和钻具的磨损，既节省了工期又降低了发生孔内事故风险的几率。矿山机械行业既要切实增强忧患意识，充分做好继续应对各种复杂困难局面的准备，又要牢牢把握重大调整机遇，积极有为，创新求进。
【关键词】 滚刀钻头;含粘土漂卵石层;改进;组合钻头
前言：
大直径工程井施工，特别是矿山竖井工程具有直径大、钻井深的特点。随着工艺的逐渐完善，新技术的应用，超深、超大直径的竖井越来越多，相应每级钻孔破岩面积也越来越大，遇到的地质条件也越来越复杂，有些地层采用传统的钻头已经不适合大直径工程井施工。本文结合工程实例，针对在大直径工程井施工中出现的含粘土漂卵石层，提出几点改进普通的钻头的方法，解决刮刀钻头易磨损，滚刀钻头钻进效率低，辅助时间多等问题，希望对今后施工能够有所帮助。
1 工程实例
1.1工程概况。
某大直径工程井，采用机械钻井法施工工艺，气举反循环排渣成孔。最大钻孔直径8.3米，钻孔深度286米，分三级成孔，钻孔直径分别为3.5米、6.3米和8.3米。成井最大直径6.2米，井深286米。
工程第四系覆盖层地质情况主要以含粘土漂卵石层为主。230米至263米为漂石层，其中直径超过1米漂石含量约为10%。工程钻孔机械为AD-60型大直径工程井钻机，钻机最大扭矩30吨米，最大提升能力300吨，一次最大成孔直径6米。
1.2钻进中遇到的主要问题。
该工程前导孔开始使用刮刀钻头钻进，上部钻进比较顺利，每班进尺可达到4米。超过100米后由于地层变密实，钻进速度开始下降，每次下钻前两个班速度较快，可过了两个班后钻进速度明显变慢，每班进尺仅为0.2米左右。提钻检查发现钻头的刀齿已经磨掉，甚至部分翼板也受到磨损，如果没有及时提钻将可能导致掉钻等事故发生。同时在钻进过程中经常发生漂卵石堵在水口的情况，需要频繁提钻进行疏通，增加了辅助时间，影响工程进度。后来工程人员将刮刀钻头换为滚刀钻头，解决钻具磨损严重及堵钻的问题。换用滚刀钻头后钻具磨损的问题确实解决了，减少了辅助时间，但由于在漂卵石层充填有粘性土，很容易发生糊钻情况，导致钻进效率较低，平均每班进尺2米左右。在进行扩孔钻进后由于扭矩及破岩面积的变大，刮刀钻头已经不再适用，而滚刀钻头的钻进效率明显降低，已经不能满足工程工期的要求。
1.3原因分析。
刮刀钻头在钻进较松散的含粘土卵砾石层存在较大优势。但在漂卵石层，存在粒径超过20cm的漂石，由于刮刀钻头强度较低，难以将漂石破碎，未破碎的漂石很容易堵住水口，且将刮刀合金崩碎，直接磨损翼板或合金板，导致钻头损坏。因此钻进密实或粒径较大的漂卵石层时，钻头磨损严重、且易堵钻，不但影响钻进效率，同时容易发生孔内事故。
滚刀钻头主要是通过冲击压碎作用和剪切作用碎岩的，但对于含粘土漂卵石地层，滚刀钻头刀齿间隙易糊死，削弱了冲击作用，同时造成滚刀与漂卵石间发生相对滑移，导致最终钻进效率不高。
2 对钻头的改进
针对以上情况，考虑前导孔钻进一般钻孔直径较小，使用工程中常用的滚刀钻头或刮刀钻头对钻进的效率影响不大，在这里主要探讨扩孔时钻头的改进。在钻进较松软地层时可使用刮刀钻头作为扩孔钻头，但在漂卵石层由于扭矩较大，且经常出现蹩钻情况，刮刀钻头容易被破坏，一般选用滚刀钻头作为扩孔钻头。
2.1钻头体的改进。
工程中用到的滚刀钻头一般为平底的滚刀钻头，一个水口进行排渣。而我们进行大直径工程井钻井时，钻孔直径较大，在空气压缩机风量不变的情况下，距离水口较远处的钻渣不容易被及时吸走，形成重复性破碎，影响鉆进效率。
在该工程中将滚刀钻头平底刀盘钻进环带处改为有一定倾角的截锥形刀盘，在前导钻进处还为平底刀盘。水口设置在钻进环带与前导孔交接处。水口宽度30cm左右，长度80cm左右，其中三分之一在环带部分。将刀盘设有一定倾角有利于浆液冲刷钻渣至水口处或掉入前导孔中，减少重复性破碎，提高钻进效率。水口设置在钻进环带与前导孔交接处可以同时抽取环带上的钻渣和前导孔内的钻渣。同时，水口应用圆钢等分成几部分，每部分的尺寸视钻杆的通径而定，保证通过水口的漂卵石最大直径小于排渣管路的最小直径，这样可以有效的防止漂卵石进入水口发生堵钻。
2.2滚刀的改进。
在大直径工程井施工中楔齿滚刀和球齿滚刀比较常用。在该工程中因有粘性土的存在所以楔齿滚刀的钻进速度比球齿滚刀钻进速度稍快，所以建议用楔齿滚刀。而在漂石层，为避免钻具磨损，减少辅助时间，应用球齿滚刀效率较高，且节约成本。滚刀刀座分为鞍式刀座和冠式刀座。两种刀座的主要区别是鞍式刀座是直接焊接在刀盘上，滚刀及刀座整体都在刀盘外部，力矩较大。而冠式刀座是嵌在刀盘之内，刀座只有很少一部分露在刀盘外部，力矩较小。在漂卵石层钻进中存在个别直径较大的漂石，滚刀会受到漂石的冲击，甚至刀座直接受力。所以鞍式刀座力矩较大，比冠式刀座更容易发生断裂，出现掉滚刀的情况。所以本文建议在漂卵石层中钻进，最好选用冠式刀座。
2.3增加刮刀板。
结合滚刀钻头和刮刀钻头优缺点，本工程在原有滚刀钻头的基础上，增加了刮刀板，形成刮刀—滚刀组合钻头。见组合钻头示意图。刮刀板由翼板、筋板、合金板、合金四部分组成。制作时先将合金焊接在合金板上，然后将合金板焊接在已经布置在钻头上的翼板上。翼板要有筋板加强，否则翼板容易变形。见刮刀板示意图。
在翼板的布置过程中需要注意三点。一是翼板要布置在滚刀后部，利用滚刀保护翼板不被漂卵石直接冲击。二是布置的翼板要相互搭接2至3厘米，并使有效切削面覆盖钻孔环带。三是翼板高度要保证安装合金板后合金高度超出滚刀面1厘米左右。
由于合金直接与地层接触，所以合金的选用直接影响钻进的速度和有效钻进时间。在含粘土漂卵石层中钻进中合金的作用主要是切削作用，同时也会与漂卵石形成冲击。这就需要所选用的合金既有良好的耐磨性又要有一定的抗冲击性。在本工程中选用YG8硬质合金。该合金具有密度达到14.5-14.9G/cm3，抗弯强度大于1815N/mm2，硬度大于87.5HRA可适用于冲击回转凿岩机用的钎头、凿中硬及较坚硬岩石。
3 效果分析
该工程在采用组合钻头后通过与前导孔钻进情况对比来看，因堵钻和修理钻头的时间明显减少，辅助时间节省了约134个小时。二级扩孔时，使用组合钻头在破岩面积比前导孔扩孔大了13m2的情况下纯钻时间还节省了约24个小时，明显提高了钻进效率。将楔齿滚刀换为球齿滚刀后，每个钻进周期节约钻进时间近96个小时，滚刀成本节省了将近二分之一。采用YG8硬质合金后刮刀板的磨损明显减少，只有个别合金板因合金受到冲击破碎导致磨损外，大部分合金板能够重复使用，减少了更换合金板的时间和施工成本。
改变水口后排渣效果有了明显的提高，排渣量是之前的4倍，排上来的漂卵石直径明显变大，减少了重复破碎，提高了钻进效率。
4 结语
通过对钻头的改进，使大直径工程井施工在含粘土漂卵石地层中的钻进效率得到了明显的提高。同时，通过对滚刀、水口的改进，减少了不必要的提、下钻和钻具的磨损，既节省了工期又降低了发生孔内事故风险的几率。矿山机械行业既要切实增强忧患意识，充分做好继续应对各种复杂困难局面的准备，又要牢牢把握重大调整机遇，积极有为，创新求进。