基于有限元分析的煤矿井下新型弧角型聚晶金刚石复合片钻头优化设计

为了提高煤矿井下硬地层的钻进效率,借鉴石油钻头的设计和加工理念,提出了一种适用于煤矿井下硬岩钻进的新型弧角型PDC钻头的设计思路。采用有限元数值模拟方法,分别对直径为113mm的弧角型聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的切削结构和水力结构进行优化设计,得出:当采用内锥角为130°、外锥圆弧半径为20mm的冠部形状,切削齿切削角度为-15°、侧转角为4°~6°,刀翼采用直刀翼的钻头切削结构时,破岩效果最佳;喷嘴喷射角为22°~30°、方位角的设计靠近切削齿的工作面时的钻头水力结构,能够满足岩屑的有效运移。基于此,试制了直径为113mm的弧角型PDC钻头,并进行现场试验,结果表明:弧角型PDC钻头的平均寿命为626m,平均钻进时效为25m/h,与工区现用普通内凹型钻头相比,寿命提高了4倍,钻进效率提高了1倍,说明本文设计的弧角型PDC钻头能够代替普通内凹钻头应用于硬地层钻进,可同时达到提高钻进效率和降低施工成本的目的。

新型三翼可开闭式PDC钻头的设计与应用

为解决普通四翼可开闭式PDC钻头存在中心翼片开闭不灵活、钻进穿层孔效率低、钻头体易变形的问题,介绍了新型三翼可开闭式PDC钻头的设计。设计方案为:将中心翼片的定位方式由全开放式改为半开放式;将定位珠位置由中心翼片改为镶嵌于钻头体内;将钻头结构由四翼改为三翼,优化布齿。开发的新型三翼可开闭式PDC钻头,在淮南矿业集团朱集东煤矿进行试验,3只钻头平均寿命为590.7m,提高68.8%;钻进砂岩段效率为16m/h,提高33%;中心翼片开闭灵活,下管成功率达到100%。

煤矿井下用新型弧角PDC钻头的设计与应用

文章介绍了长期以来,煤矿井下用PDC钻头以内凹型钻头为主,但是随着煤矿开采深度的加深,井下钻探施工遇到的地层越来越复杂,普通三翼内凹型PDC钻头在遇到硬岩(硬度系数f≥8)时出现钻进效率低,钻头寿命较短、施工成本高等问题。为解决现有PDC钻头硬岩钻进存在的问题,通过引入石油钻头设计理论,优化钻头剖面形状与布齿设计,优选新型PDC齿,设计出了一种新型弧角PDC钻头,并通过在淮南潘一矿顶板穿层孔施工中试验应用,与普通内凹型PDC钻头相比,平均钻进效率提高1.6倍,平均使用寿命提高2.8倍。