大直徑工程鉆機主要參數(shù)設計計算與應用

喬曉華 ,浦靜怡 ,張西坤

（1.陜西省水務集團水生態(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參數(shù)，以保證鉆機結(jié)構(gòu)上設計合理、使用上安全可靠、操作上方便先進是鉆機設計首要考慮的問題。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力（由靜壓力和沖擊力產(chǎn)生的復合應力）一定要大于巖層的臨界應力（使巖層破碎的應力極限值）。

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，當γ=60°時，取B=2b；當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，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計入導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的關系曲線見圖1。

圖1 鉆壓力對鉆進速度的影響關系分析曲線

2 鉆進扭矩的設計計算

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

扭矩的設計計算依據(jù)是作用在各個刀頭上的鉆壓力和對應鉆壓力的回轉(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，轉(zhuǎn)換系數(shù)可按表2 選??；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)速的設計計算要綜合考慮以下幾個方面：

（1）鉆進速度的設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)速度的關系是比較復雜的，見圖2。

圖2 V-n 曲線

當n＜nk時，V與n 成正比。

當nk＜n＜nk時，V 仍隨n 的增加而提高，但速率減慢。

當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 應控制在此值以內(nèi)。為了保持較高的效率，也不應低于臨界值nk。

不同的地層情況，應合理選擇鉆頭回轉(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 提升能力的設計計算

鉆機提升系統(tǒng)的額定起重量的設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：

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，最大提升能力是設計提升系統(tǒng)的依據(jù)。

5 典型設計實例為GD50 鉆機的設計與應用

5.1 GD50 鉆機的設計生產(chǎn)

GD50 鉆機是依據(jù)大口徑鉆機參數(shù)設計計算方法研制的滿足大口徑豎井鉆探設備，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，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，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、大鉆壓配以相應的沖洗液量的規(guī)程。

（2）鉆機設計遵循“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，即當井內(nèi)扭矩增大超過額定扭矩時，轉(zhuǎn)速應能相應迅速下降，井內(nèi)扭矩超過定值達到一定限度后，應能自動停止回轉(zhuǎn)，當扭矩減小后又能自動恢復正常運轉(zhuǎn)。

（3）通過對大直徑工程鉆機參數(shù)的設計研究，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。