煤層頂板大直徑定向鉆孔用雙級雙速PDC鉆頭設計及應用

高曉亮，居 培，趙建國

煤層頂板大直徑定向鉆孔用雙級雙速PDC鉆頭設計及應用

高曉亮，居 培，趙建國

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

大直徑定向鉆進成孔技術的發(fā)展，為“以孔代巷”技術抽采采空區(qū)上隅角瓦斯提供了技術支持。受限于井下設備條件，常規(guī)大直徑鉆孔主要采用逐級擴孔工藝。然而，逐級擴孔鉆進需要多次提鉆、下鉆，輔助時間長、工人勞動強度大。為提高煤層頂板大直徑鉆孔成孔效率，開發(fā)了雙級雙速鉆進工藝，該工藝采用螺桿馬達與鉆機分別驅(qū)動一級、二級鉆頭進行單次雙級擴孔鉆進，可大大提高成孔效率。通過分析雙級雙速鉆進工藝特點、擬鉆地層巖性等，從剖面形狀、切削齒排布、水路設計以及導向器設計等方面設計了雙級雙速鉆頭，該鉆頭采用球頭螺旋形導向器，更容易沿既有鉆孔軌跡鉆進；采用等切削布齒，提高破巖效率、降低切削齒不均勻磨損，進而提高鉆頭壽命與鉆進效率。設計的雙級雙速鉆頭進行了現(xiàn)場試驗，試驗表明雙級雙速鉆頭能夠沿先導孔鉆進，較常規(guī)逐級擴孔鉆頭綜合效率提高25%以上，使用后鉆頭磨損均勻，滿足了雙級雙速工藝要求，大大提高了煤層頂板大直徑鉆孔施工效率。

定向鉆進；大直徑鉆孔；雙級雙速；鉆頭設計；PDC鉆頭

工作面回采后采空區(qū)瓦斯富集是影響煤礦瓦斯安全的重要因素，目前采用的常規(guī)治理手段主要有高抽巷抽采、埋管抽采以及高位鉆孔抽采等方法。隨著定向鉆進技術的發(fā)展，采用大功率定向鉆機配套隨鉆測量系統(tǒng)、螺旋PDC擴孔鉆頭等裝備和技術為頂板大直徑定向長鉆孔施工提供了技術保障，從而頂板高位大直徑定向鉆孔代替高抽巷的“以孔代巷”技術成為現(xiàn)實。

大直徑高位定向鉆孔技術不需額外施工高位鉆場，只需在工作面回風巷一端施工1個鉆場，利用定向鉆進技術控制鉆孔軌跡爬升至煤層頂板一定層位，根據(jù)煤層走向布置3～5個長距離定向鉆孔，先導鉆孔施工完成后將鉆孔孔徑擴大，以增大工作面回采后斷裂帶導通范圍，增加瓦斯抽采效果。對比高抽巷，高位定向長鉆孔施工成本可大幅降低。對比高位鉆場及普通高位鉆孔，可節(jié)省多個高位鉆場施工，增加高位鉆孔有效孔段距離，節(jié)省成本，提高施工效率及瓦斯抽采效果[1]。研究結(jié)果表明，在相同的鉆孔抽采負壓、煤層原始壓力與地層滲透率的情況下，穩(wěn)態(tài)下鉆孔抽采流量與鉆孔終孔直徑成正比。因此 “以孔代巷”技術的關鍵在于大直徑鉆孔的高效施工。

目前，受限于井下設備條件，一次完成大直徑鉆孔施工存在困難，現(xiàn)階段普遍采用多級擴孔施工，即首先完成小直徑先導孔后，提出鉆桿和鉆頭，換成較大直徑的擴孔鉆頭，進行多次擴孔鉆進。

現(xiàn)有分級擴孔施工存在以下不足：①擴孔效率低。高位鉆孔巖層硬度大，需要的碎巖動力高，而多級擴孔動力靠鉆機回轉(zhuǎn)實現(xiàn)，動力小，且受鉆孔軌跡彎曲限制，動力傳遞效果差，碎巖效率低；②擴孔工程量大。每增加一級擴孔意味著增加一趟鉆進施工，增加了擴孔鉆進工程量和擴孔作業(yè)勞動強度；③施工周期長。每增加一次擴孔意味著鉆孔成孔周期的延長，制約了工作面準備進度，甚至影響工作面的有效接替[2-3]。

為改善以上缺陷，研究了一種雙級雙速擴孔施工工藝，大大提高了鉆進效率，縮短了施工周期。為最大限度發(fā)揮雙級雙速鉆進工藝的優(yōu)勢，需要設計專用雙級雙速鉆頭。

雙級雙速鉆頭有同心式和偏心式2 種，同心式鉆井工具的優(yōu)點為：一級鉆頭較二級鉆頭具有更高的轉(zhuǎn)速，有利于提高一級鉆頭的破巖效率，同時降低二級鉆頭的破巖難度，提高二級鉆頭鉆速；一級鉆壓與二級鉆壓的匹配達到最優(yōu)時，更有利于快速鉆進。Baker Hughes公司主要采用同心式鉆頭。偏心式雙級雙速鉆井技術具有以下優(yōu)點：能夠進一步降低巖石破碎難度；能夠克服鉆頭中心線速度慢、切削效率低的不足，有利于大幅提高鉆頭切削效率；能夠減弱鉆柱的振動，保持鉆井過程的平穩(wěn)性。NOV公司主要采用偏心式鉆頭[4]。

1 雙級雙速快速擴孔技術原理

雙級雙速快速擴孔技術的鉆具組合如圖1所示，由前置鉆頭導向、一級擴孔鉆頭和二級擴孔鉆頭組成。其中一級擴孔鉆頭與螺桿馬達的轉(zhuǎn)子連接，二級擴孔鉆頭與螺桿馬達的定子連接。采用該技術鉆進時，首先鉆進一個先導鉆孔，提出鉆具后，連接雙級雙速擴孔鉆具。鉆進過程中，螺桿馬達轉(zhuǎn)子在沖洗液驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)帶動一級擴孔鉆頭破巖，二級擴孔鉆頭與螺桿馬達定子連接，在孔口鉆機回轉(zhuǎn)驅(qū)動下，帶動二級擴孔鉆頭回轉(zhuǎn)破巖[3]。

圖1 雙級雙速快速擴孔技術原理

雙級雙速擴孔鉆進一方面利用了孔底動力及鉆機回轉(zhuǎn)兩種動力進行鉆進，另一方面，通過兩級擴孔在孔底形成更大自由面，鉆進巖石效率更高。進而實現(xiàn)單次雙級雙速擴孔施工，可有效降低擴孔鉆進起下鉆次數(shù)，提升整體施工效率，降低輔助作業(yè)時間。目前常規(guī)PDC鉆頭難以實現(xiàn)該工藝方法的需求，需對鉆頭結(jié)構(gòu)、擴孔鉆頭直徑確定、布齒設計、導向器設計以及水路設計等方面進行研究，對鉆頭結(jié)構(gòu)進行設計，以最大限度體現(xiàn)該工藝方法的優(yōu)勢。

2 雙級雙速鉆頭結(jié)構(gòu)設計

為適用煤礦井下雙級雙速鉆進工藝，進行了雙級雙速鉆頭結(jié)構(gòu)設計，鑒于雙級雙速鉆進的兩級鉆頭分別安裝于螺桿馬達的轉(zhuǎn)子和定子上，為了增加布齒密度，降低單齒破巖體積，選用同心式鉆頭，進一步提高碎巖效率。

2.1 直徑的確定

中國石油大學通過對不同直徑雙級雙速鉆頭的井底應力場進行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當一級鉆頭與二級鉆頭直徑比為0.7～0.8時[4-9]，雙級鉆頭不論在機械鉆速提升、縱橫向振動降低等方面將大幅度提高，而隨著直徑比持續(xù)增大，該效果呈下降趨勢。根據(jù)施工要求，此次雙級雙速鉆頭擬鉆進孔徑為200 mm，根據(jù)該直徑比進行鉆頭直徑設計，因雙級雙速鉆頭鉆進前，已經(jīng)鉆進?120 mm先導孔，已存在切削自由面，故可適當增大該比例，按照二級鉆頭規(guī)格為?200 mm，選用?165 mm作為此次一級鉆頭規(guī)格。

2.2 布齒設計

PDC鉆頭常用的布齒方法主要有：等切削、等磨損、等功率。現(xiàn)階段PDC 鉆頭布齒設計對磨損及切削齒切削功率的研究還不夠透徹，每個齒的切削受到多種因素的影響，無法準確得出具體每個齒的絕對磨損量或者切削功率，大部分計算方法都是簡化的相對計算。因此本文采用等切削布齒原則設計[8-10]。

2.2.1 剖面確定

PDC鉆頭冠部形狀決定了鉆頭切削齒的排布，其形狀的優(yōu)劣直接關系鉆頭的使用。不同的冠部形狀具有不同的工作特性，對于地層的適應性也不同[11-14]。

雙級雙速鉆頭主要在中長距離頂板巖層擴孔施工中使用，為保證鉆進效率，降低起下鉆次數(shù)，冠部曲線設計應優(yōu)先保證鉆頭的使用壽命和鉆進效率[11-14]。擴孔鉆頭剖面形狀從中心到保徑一般由鼻部、肩部和外錐以及保徑組成，如圖2所示。此次設計鼻部到中心的距離和導向器的半徑相同，這樣便給肩部和外錐曲線提供了更大的表面積和布齒密度，外錐圓弧曲線設計為拋物線型結(jié)構(gòu)，這種類型冠部曲線有利于增大復合片布齒密度，減小單個復合片的切削面積。

圖2 鉆頭剖面組成

按照等切削布齒原則，可采用下式確定鉆頭剖面曲線方程[15-16]。

設冠頂部=0，則：

可以根據(jù)式(1)計算并繪制出鉆頭剖面曲線的圓弧段。

2.2.2 切削齒的選擇

常用的切削齒直徑主要有?19 mm、?16 mm、?13.44 mm等，直徑不同適應的地層與鉆進工藝也不同。研究表明，切削齒直徑越大整體強度越高，抗沖擊能力越強，金剛石面大，可吃入深度大，適用于較軟和軟硬交錯地層；直徑越小抗研磨能力越強，吃入地層能力越強，適用于較硬地層。另外，切削齒越小需要的鉆頭轉(zhuǎn)速越高。鑒于雙級雙速鉆頭鉆進中硬地層，選用?16 mm、?13.44 mm切削齒，由于一級鉆頭由螺桿馬達驅(qū)動，轉(zhuǎn)速較高，選用?13.44 mm切削齒，二級鉆頭由鉆機驅(qū)動，轉(zhuǎn)速較低，選用?16 mm，這樣既保證了切削齒的強度，又可以提高鉆進效率。

2.2.3 切削齒排布

切削齒排布的設計重點是使切削齒能完全覆蓋井底[9]。確定中心齒位置的原則是：使中心齒處于切掉中心巖石的最有利位置；確定保徑齒位置的原則是保證保徑齒工作面超出規(guī)徑面部分與加工要求磨削量相等。確定了冠部形狀、中心齒和保徑齒的位置后，所有切削齒中心的連線就確定了。

按照以上方法，對切削齒進行排布，為保證切削齒能夠完全覆蓋孔底，鉆頭內(nèi)側(cè)直徑小于導向孔直徑，鉆頭刀翼尾部設置反向切削齒，一級、二級鉆頭具體布齒如圖3所示。

2.3 切削齒安裝角度選擇

切削齒的安裝角度主要為切削角和側(cè)轉(zhuǎn)角。合理的切削齒的安裝角度對鉆頭的攻擊性、鉆頭壽命起著至關重要的作用[17-18]。

切削角越大鉆頭的攻擊性越強，同時切削齒也越容易損壞，如圖4a所示?？紤]到一級鉆頭連接馬達，轉(zhuǎn)速高、鉆壓小，采用的?13.44 mm切削齒強度較低，不需要過高的攻擊性，可適當增加切削角，以提高切削齒的壽命；而二級鉆頭依靠鉆機回轉(zhuǎn)提供扭矩，轉(zhuǎn)速低、鉆壓大，采用?16 mm的切削齒，需要增大其攻擊性，而大尺寸切削齒的強度彌補了鉆頭壽命的問題，可適當減小切削角以提高攻擊性。

圖3 一級和二級鉆頭布齒

另外，考慮擬鉆地層堅固性系數(shù)為8左右，綜合考慮鉆頭攻擊性和鉆頭壽命，取一級鉆頭切削角為18°～20°，二級鉆頭切削角為15°～18°，切削角度從中心徑向增大。

側(cè)轉(zhuǎn)角的作用是使切削齒在切削地層時，對齒前巖屑產(chǎn)生側(cè)向推力，使巖屑向鉆頭外緣移動，防止鉆頭泥包現(xiàn)象，如圖4b 所示。因擬鉆地層巖層較硬，不存在泥包地層，此次鉆頭切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角選取為4°～6°，從中心到外徑逐漸增大。

圖4 切削齒切削角與側(cè)轉(zhuǎn)角

2.4 導向器設計

常規(guī)擴孔鉆頭的導向器是一段前端帶有倒角的圓柱體，其直徑略小于先導鉆孔直徑。但是在定向長鉆孔擴孔施工中，由于鉆孔彎曲，常規(guī)導向器難以沿既有軌跡鉆進。為解決這一問題，一級鉆頭導向器采用球頭形設計，導向器直徑與鉆孔直徑相同，以提高導向器的扶正效果。在導向器圓周上設計有螺旋槽，可以更好地排出孔內(nèi)余渣。導向器前端設計有合金切削齒，便于切削因塌孔造成的孔內(nèi)余渣。螺旋外圓柱面上設計有耐磨材料，防止因與孔壁接觸造成外徑磨損。設計的導向器如圖5所示。

2.5 水路設計

雙級雙速鉆頭的水力結(jié)構(gòu)設計，主要考慮3方面[18]：一是從一級鉆頭導向器設置水眼，使得先導孔內(nèi)殘余巖粉能夠排出孔外；二是一級鉆頭切削齒處合理設置水眼，鉆井液可有效清洗、冷卻和潤滑一級鉆頭；另外二級鉆頭冷卻及清洗水眼設計在一級鉆頭接頭處，可及時將二級鉆頭切削的巖粉排出。

圖5 一級鉆頭導向器

導向器水眼不宜過大，過大導致切削齒處水路分流嚴重。切削齒處的水眼方向應指向切削齒方向，能夠及時沖洗排出切下來的巖屑，同時避免沖刷孔壁，保證鉆孔質(zhì)量。

因?qū)蚱餍枰乃枯^小，可忽略不計，假設一級鉆頭水眼流量、二級鉆頭水眼流量分別為1、2，2處水路的過流面積分別為1、2，則根據(jù)連續(xù)性方程[19]可知：

在測繪領域，隨著無人機的普及，獲取航攝資料比以往更容易。然而傳統(tǒng)的數(shù)字航空攝影測量方法無法適應無人機高效生產(chǎn)的需要，主要原因在于：空三加密環(huán)節(jié)自動化程度低，需要大量人工干預；在采集環(huán)節(jié)需要頻繁地切換像對，并由此產(chǎn)生大量接邊問題。因此，使用更高效的三維建模軟件，并以此為核心重新設計作業(yè)流程，可以克服以上弊端，提高生產(chǎn)效率。為此，本文以1∶2 000地形圖的生產(chǎn)為例，介紹基于Smart 3D三維建模軟件的無人機航測地形圖的生產(chǎn)過程，并對成果精度進行了驗證。

1︰2=1︰2(3)

根據(jù)雙級雙速鉆頭直徑(?200 mm-?165 mm，?165 mm-?120 mm)，確定兩級鉆頭碎巖面積分別為10 028 mm2、10 067 mm2，二者面積接近，則要求1=2，因一級鉆頭為4刀翼，二級鉆頭為6刀翼，其水眼數(shù)量對應刀翼數(shù)量，設一級鉆頭水眼直徑為1，二級鉆頭水眼直徑為2，則：

因兩級鉆頭破碎巖石體積大致相同，則：

1=2(6)

故：

因此，1︰2=1.2，根據(jù)鉆井液上返流速需求，取1=14 mm，則2≈12 mm，根據(jù)經(jīng)驗確定導向器水眼為?10 mm。

具體水路分布如圖6所示。

按照設計的鉆頭直徑、布齒、切削齒安裝角度、導向器以及鉆頭水路設計，并選用合適的螺紋與螺桿鉆具連接，雙級雙速PDC鉆頭三維模型如圖7所示。

圖6 雙級雙速鉆頭水路設置

圖7 雙級雙速鉆頭三維模型

3 現(xiàn)場試驗

雙級雙速PDC鉆頭在山西某礦井下進行了現(xiàn)場實鉆應用，該礦井為煤與瓦斯突出礦井, 礦井瓦斯絕對涌出量161.24 m3/min，相對涌出量18.92 m3/t；二氧化碳絕對涌出量11.99 m3/min，相對涌出量1.41 m3/t。目前該礦主采02、2、8號煤，直接頂、底板巖性大都以粉砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖為主，巖石堅固性系數(shù)為8左右。

3.1 鉆孔設計

結(jié)合礦井“以孔代巷”瓦斯治理思路，采用大直徑頂板走向定向長鉆孔配合大直徑采空區(qū)抽采鉆孔，替代傳統(tǒng)的上隅角懸管、措施巷鉆場裂隙帶鉆孔與高抽巷，對工作面采動影響區(qū)及采空區(qū)瓦斯進行綜合治理。根據(jù)工作面采動裂隙空間發(fā)育特征及時空演化規(guī)律，在18502輔運巷內(nèi)布置3個鉆場施工大直徑頂板走向定向長鉆孔，鉆孔主要布置在煤層頂板。

雙級雙速PDC鉆頭在18502工作面3號鉆場進行了現(xiàn)場應用。鉆場內(nèi)設計了7個頂板高位大直徑定向鉆孔，鉆孔平面軌跡如圖8所示。

3.2 應用情況

采用ZDY12000LD大功率定向鉆機和BLY390泥漿泵車對已完成的定向先導孔實施擴孔，其中常規(guī)分級擴孔方法在1—4號鉆孔中進行了應用，雙級雙速PDC鉆頭在6號、7號鉆孔中進行了應用，5號鉆孔為校驗孔。鉆孔信息與鉆進參數(shù)見表1。

圖8 鉆孔平面軌跡

表1 鉆孔信息與鉆進參數(shù)

1–4號鉆孔采用了?120 mm-?153 mm、?153 mm-?193 mm的兩級擴孔方法，由于采用兩級擴孔，擴孔總進尺量成倍增大，擴孔綜合成孔周期增加，耗費班次平均達到17個，折算班均鉆進進尺27.5 m，日均鉆進進尺82.5 m。

6號孔擴孔施工平均機械鉆速為12.3 m/h。全孔累積耗時11個班次，折算班均鉆進進尺42.3 m，日均進尺126.9 m，較常規(guī)分級擴孔方法效率提升53.8%。

7號鉆孔鉆擴施工平均機械鉆速為11.1 m/h。累積耗時12個班次，折算班均鉆進進尺為37.0 m，日均鉆進進尺達到111.0 m，較常規(guī)分級擴孔方法效率提升34.5%。

6號、7號鉆孔采用同一套雙級雙速PDC鉆頭進行鉆進，單套鉆頭壽命達到972 m，進尺效率達到37.0～42.3 m/班，鉆進過程中，鉆進平穩(wěn)、無跳鉆、憋鉆等異常現(xiàn)象，鉆頭能夠沿先導鉆孔進入靶點，導向順利。使用后鉆頭切削齒磨損均勻、無崩齒等異常磨損現(xiàn)象，綜合效率提高25%以上。

4 結(jié)論

a.采用等切削布齒原理，針對不同工藝優(yōu)選不同規(guī)格PDC齒設計的雙級雙速PDC鉆頭，能夠滿足大直徑鉆孔雙級雙速工藝的需求，試驗鉆頭磨損均勻，效率和壽命均能夠得到保障；球頭形導向器的應用保證鉆頭能夠沿先導鉆孔進行鉆進，適用于定向鉆孔擴孔施工。

b. 設計的雙級雙速PDC鉆頭采用分體式、同心分級鉆頭，配套雙級雙速鉆進工藝，解決了煤層頂板大直徑鉆孔多級擴孔施工導致的多次下鉆，累計進尺高的問題，提高了大直徑鉆孔的成孔效率。

c.雙級雙速鉆頭的研制，為雙級雙速工藝的推廣，進一步發(fā)揮他的優(yōu)勢以及煤礦井下“以孔代巷”大直徑鉆孔的工藝推廣提供了技術支撐。

d.本文僅僅對雙級雙速這一特定工藝進行了鉆頭設計及試驗，建議針對雙級雙速鉆進工藝進行破巖分析，揭示提速機理，選擇最優(yōu)破巖效率，進一步提高鉆頭鉆速。

[1] 石浩. 大直徑高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術及應用[J]. 煤炭科學技術，2018，46(10)：190–195.

SHI Hao. Gas drainage technology and its application of large diameter and high directional long drilling[J]. Coal Science and Technology，2018，46(10)：190–195.

[2] 孫榮軍，石智軍，李鎖智. 煤礦井下定向鉆進配套鉆頭的選型與使用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2014，42(1)：83–86.

SUN Rongjun，SHI Zhijun，LI Suozhi. Selection and application of drill bit for directional drilling in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(1)：83–86.

[3] 李泉新，石智軍，趙建國，等．煤礦井下巖層定向孔雙動力大直徑階梯式擴孔鉆具與方法：CN108487864B[P]. 2019-11-05.

LI Quanxin，SHI Zhijun，ZHAO Jianguo，et al. Double-power large diameter stepped hole reaming drilling tool and method for directional hole of coal mine underground rock stratum：CN 108487864B[P]．2019-11-05．

[4] 宿振國，唐志軍．雙級雙速鉆井工具設計與現(xiàn)場試驗[J]．石油鉆探技術，2019，47(1)：59–64.

SU Zhenguo，TANG Zhijun．The design and field testing of two-stage and two-speed drilling tools[J]．Petroleum Drilling Techniques，2019，47(1)：59–64.

[5] 劉云海．雙級雙轉(zhuǎn)速PDC鉆頭破巖數(shù)值模擬研究[D]．成都：西南石油大學，2015.

LIU Yunhai．Numerical simulation of rock breaking with double-stage and double-speed PDC bit[D]．Chengdu：Southwest Petroleum University，2015.

[6] 彭燁，沈忠厚．利用井底應力場研究雙級鉆頭導擴眼直徑比[J]．石油鉆采工藝，2007，29(1)：22–24.

PENG Ye，SHEN Zhonghou．Research on diameter ratio of pilot to enlarger of two-stage bits using bottom-hole stress field[J]．Oil Drilling & Production Technology，2007，29(1)：22–24.

[7] 彭旭，郝世?。叽鏟DC鉆頭復合沖擊破巖機理的有限元分析[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(2)：240–246.

PENG Xu，HAO Shijun．Rock breaking mechanism of composite impact of full-size PDC bit based on finite element analysis[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(2)：240–246.

[8] 居培，王傳留．弧角型PDC鉆頭切削齒布齒模式仿真分析[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(5)：240–245.

JU Pei，WANG Chuanliu. Simulation of the cutter arrangement pattern of the arc PDC drill bit[J]．Coal Geology & Exploration，2020，48(5)：240–245.

[9] 楊迎新，周堅，黃奎林，等. 定向隨鉆擴孔PDC鉆頭優(yōu)化設計及應用[J]. 工程設計學報，2018，25(6)：668–674.

YANG Yingxin，ZHOU Jian，HUANG Kuilin，et al．Optimization design and application of PDC bit for directional reaming-while-drilling[J]．Chinese Journal of Engineering Design，2018，25(6)：668–674.

[10] 劉建風，胥建華．PDC 鉆頭布齒的計算機輔助設計[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2003，31(3)：62–64．

LIU Jianfeng，XU Jianhua. Computer-aided design of PDC bit placing cutting[J]. Coal Geology & Exploration，2003，31(3)：62–64.

[11] 劉建風. PDC 鉆頭布齒設計技術[J]．勘探地球物理進展，2003，26(3)：225–227．

LIU Jianfeng. Computer-aided placement of tooth for PDC bit[J]. Progress in Exploration Geophysics，2003，26(3)：225–227．

[12] 賈明群. 頂板高位定向鉆孔正向多級大直徑擴孔技術[J]．工礦自動化，2020，46(8)：117–122.

JIA Mingqun. Forward multi-stage large-diameter reaming technology for directional high-level borehole in roof[J]．Industry and Mine Automation，2020，46(8)：117–122.

[13] 李鵬，莫海濤，張強，等. 擴孔鉆頭在水平定向井中的應用[J]. 煤礦安全，2020，51(1)：107–110.

LI Peng，MO Haitao，ZHANG Qiang，et al. Application of reaming drill bit in horizontal directional well[J]. Safety in Coal Mines，2020，51(1)：107–110.

[14] 彭燁. 雙級PDC鉆頭的理論及試驗研究[D]. 青島：中國石油大學，2008.

PENG Ye. The theory and testing study of two-stage PDC bit[D]. Qingdao：China University of Petroleum，2008.

[15] 高曉亮，王傳留，田宏杰．大直徑定向長鉆孔用PDC鉆頭設計與應用[J]．煤炭工程，2018，50(5)：150–152.

GAO Xiaoliang，WANG Chuanliu，TIAN Hongjie．Design and application of PDC bit for major diameter directional long drilling hole[J]．Coal Engineering，2018，50(5)：150–152.

[16] 田宏杰，趙江鵬，王傳留，等. 頂板高位長鉆孔用螺旋型PDC擴孔鉆頭研制[J]．煤炭科學技術，2019，47(8)：194–199.

TIAN Hongjie，ZHAO Jiangpeng，WANG Chuanliu，et al． Development of spiral PDC ream bits for long borehole at high position of roof[J]．Coal Science and Technology，2019，47(8)：194–199.

[17] 王三牛，牛慶磊，史兵言，等. 深孔PDC擴孔鉆頭研究及計算機輔助設計[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(8)：1–8.

WANG Sanniu，NIU Qinglei，SHI Bingyan，et al．PDC reaming drill bit research and computer-aided design for deep hole[J]. Exploration Engineering，2014，41(8)：1–8.

[18] 沈忠厚，彭燁. 雙級PDC鉆頭井底應力場分析[J]．中國石油大學學報(自然科學版)，2006，30(1)：62–67.

SHEN Zhonghou，PENG Ye．Analysis of bottom-hole stress field of two-stage PDC bit[J]．Journal of China University of Petroleum，2006，30(1)：62–67.

[19] 趙漢中．工程流體力學[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2005.

ZHAO Hanzhong．Engineering fluid mechanics[M]．Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005.

Design and application of PDC bit for large diameter directional drilling of coal seam roof with double stage and double speed

GAO Xiaoliang, JU Pei, ZHAO Jianguo

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The development of large diameter directional drilling technology has provided technical support for the extraction of gas in the upper corner of the goaf by “replacing roadway with borehole”. At present, conventional large-diameter drilling mainly adopts the step-by-step hole-forming method, which solves the problem of insufficient power of large-diameter drilling equipment in underground coal mines. However, step-by-step reaming requires multiple times of lifting and lowering, long auxiliary time and intensive labor of the workers. In order to improve the drilling efficiency of large-diameter holes in the coal roof, a double stage drilling process with two speeds was developed. The process uses a screw motor and a drill to drive the first and second drill bits for reaming construction, which can greatly improve the efficiency of hole formation. For the implementation of such technology, a double stage and double speed drill bit was designed from the aspects of section shape, cutting tooth arrangement, waterway design and guide design by analyzing the characteristics of the drilling process and the lithology of the formation to be drilled. The drill bit adopts a ball head spiral guide, which makes it easier to drill along the existing drilling trajectory. The use of equal cutting teeth can improve the efficiency of rock breaking and reduce the uneven wear of the cutting teeth, thereby increasing the life of the bit and the efficiency of drilling. The designed drill bit was tested in the field. The results show that the double stage drill bit with two speeds has high rock breaking efficiency, uniform drill bit wear, and can drill along the pilot hole. It meets the requirements of the double stage and double speed process and greatly improves the efficiency of large-diameter drilling in the coal roof.

directional drilling; large diameter drilling; double stage and double speed; bit design; PDC bit

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TD41

A

1001-1986(2021)05-0272-06

2021-06-01；

2021-06-30

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2018XAYZD01)

高曉亮，1986年生，男，河北保定人，碩士，副研究員，從事鉆探機具設計開發(fā)及配套工藝的研究. E-mail：gaoxiaoliang@cctegxian.com

高曉亮，居培，趙建國. 煤層頂板大直徑定向鉆孔用雙級雙速PDC鉆頭設計及應用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：272–277. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.031

GAO Xiaoliang，JU Pei，ZHAO Jianguo. Design and application of PDC bit for large diameter directional drilling of coal seam roof with double stage and double speed[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：272–277. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.05. 031

(責任編輯 郭東瓊)