一种煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法技术

本发明专利技术提供一种煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1，确定煤矿立井钻井施工参数；步骤S2，确立煤矿立井钻井现场与相似模型之间的相似转化关系；步骤S3，改变钻头吸渣口布置的影响因素多次建立钻井排渣的数值模型；步骤S4，钻井排渣数值模型计算；步骤S5，定义排渣效果评判指标；步骤S6，分析排渣计算结果；步骤S7，确定钻头吸渣口的布置方式；步骤S8，制作钻头，进行模型试验验证。建立了用于模拟气举反循环排渣的数值模型，并通过改变钻头吸渣口的数量、间距、面积比和总吸附面积确定了吸渣口的布置方式，提高井底吸渣速度，改善排渣效率，可对钻头的研发和吸渣口的布置提供有益参考。对钻头的研发和吸渣口的布置提供有益参考。对钻头的研发和吸渣口的布置提供有益参考。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法


[0001]本专利技术涉及煤矿立井钻井法施工领域，特别涉及一种煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法。

技术介绍

[0002]钻井法施工具有机械化程度高、作业环境好、绿色施工、节约资源等优点，可实现打井不下井，确保煤矿立井的施工安全，迎合了当下绿色智能化的煤矿建设主要发展趋势。
[0003]煤矿立井的钻进排渣多采用气举反循环排渣工艺，在反循环回转钻进过程中，钻井速度很大程度上取决于井底岩渣的净化程度，部分岩渣会脱离破碎穴，成功吸入排渣管顺利举升，剩余岩渣因吸渣口数量和位置布置不合理、吸渣口吸附面积设置不合理造成的吸附力不足等多种原因残存井底被重复破碎，致使钻头磨损增大，钻进效率降低，洗井效果不理想。由于钻头吸渣口布置不合理，造成煤矿立井钻进施工中井底冲洗效果不佳，重复破损严重，损失的钻进时间占总的钻进时间的29.5％，影响了施工速度，增加了成本。煤矿在直径5.5m扩孔钻进中采用中心式吸渣口吸收，结果大部分钻渣掉入直径3m的超前孔中，后采用掏孔的方法才得以解决，但是这样做不仅费工费时而且泥浆性能急剧恶化，给泥浆处理带来麻烦。
[0004]综上可知，制约煤矿立井钻进速度的根本在于排渣，而合理的吸渣口布置方式可提高排渣效率，及时清洁井底，从而避免岩屑堆积造成的岩渣重复破碎、刀具磨损严重等问题。
[0005]截至目前，有关煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置方面的研究较少，其中一个研究是在直径3m的钻头上开了3个吸渣口、2个在周边、1个靠近中心，结果其中2个吸渣口经常堵塞，3个吸渣口布置的泥浆压头损失较大。其中另一个研究是利用刀具泵将玻璃的岩屑立即吸收走，这在浅井、小尺寸井是有效的，但是在大直径钻井、刀具多的情况下是不现实的。
[0006]并且有关吸渣口布置的研究多集中在大型现场工业性试验，该研究方法费时费力费人工，且大多程度上实验效果不理想，不能从吸渣口的数量、间距、面积比和总吸附面积上精确确定吸渣口的布置方式，因此，开展煤矿立井钻井法凿井超前钻进钻头吸渣口布置方式的相关研究迫在眉睫，亟需一种有效的研究方法从吸渣口的数量、间距、面积比和总吸附面积上精确确定吸渣口布置方式，提高排渣效果。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法，建立了用于模拟气举反循环排渣的数值模型，并定义了累计排渣量、排渣速度、清渣率、气力输送比和泥浆输送比作为排渣效果的评判指标，通过改变吸渣口数量n和无量纲参数长径比α，面积比β
，
总面积占比γ来改变钻头吸渣口的数量、间距、面积分配和总吸附面积确定了钻头吸渣口高效吸渣的布置方式，提高井底吸渣速度，改善排渣效率，可对钻头的研发和
吸渣口的布置提供有益参考。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1，确定煤矿立井钻井施工参数；步骤S2，确立煤矿立井钻井现场与相似模型之间的相似转化关系；步骤S3，改变钻头吸渣口布置的影响因素多次建立钻井排渣的数值模型；步骤S4，钻井排渣数值模型计算；步骤S5，定义排渣效果评判指标；步骤S6，分析排渣计算结果；步骤S7，确定钻头吸渣口的布置方式；步骤S8，制作钻头，进行模型试验验证。
[0010]进一步地，在上述的煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法中，所述步骤S1中，所述煤矿立井钻井的施工参数包括钻机设备几何参数、钻井泥浆流变参数、排渣动力参数和钻进动力参数；所述钻机设备几何参数包括钻头直径、钻头高度、滚刀数量、吸渣口直径、排渣管直径和注气风管直径；所述吸渣口有两个，包括一个中心吸渣口和一个扫掠吸渣口；所述注气风管采用外置式双风管注气形式；优选地，所述钻头直径为4.2m，所述钻头高度为2.71m，所述滚刀数量为19把，所述中心吸渣口直径为24cm，所述扫掠吸渣口直径为48cm，所述排渣管直径为48cm，所述注气风管直径为7.5cm；所述钻井泥浆流变参数包括泥浆密度和泥浆粘度；优选地，所述泥浆密度位于1.045～1.2g/cm3之间，所述泥浆粘度位于120～480mp
·
s之间；所述排渣动力参数包括注气流量，所述钻进动力参数包括刀盘转速；优选地，所述注气流量位于3600～4800m3/h，所述刀盘转速为8
‑
10r/min。
[0011]进一步地，在上述的煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法中，所述步骤S2中，所述煤矿立井与相似模型之间的相似转化关系通过量纲分析法推导的相似准则确立，所述相似准则表现为相似常数，所述相似常数为所述煤矿立井实际钻井现场和相似模型之间对应各物理量的比值，所述相似常数包括几何相似常数、刀盘转速相似常数、注气流量相似常数、容重相似常数、泥浆粘度相似常数和时间相似常数；所述几何相似常数即为所述煤矿立井的实物几何尺寸与相似模型的几何尺寸的比值，其他相似常数由所述几何相似常数推导而成；优选地，确立几何相似常数为12，运动相似常数为刀盘转速相似常数为注气流量相似常数为500，容重相似常数为1，泥浆粘度相似常数为30，时间相似常数为
[0012]进一步地，在上述的煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法中，所述步骤S3中，所述钻井排渣的数值模型采用仿真软件Workbench建立，所述数值模型的建模参数通过所述步骤S1的钻进施工参数和所述步骤S2的相似常数确定；所述钻井排渣的数值模型包括井底、钻头和钻杆；所述井底与所述钻杆相连，所述井底具有环形的泥浆入口，从所述泥浆入口能够以恒定压力输入泥浆，所述钻头置于所述井底的内部，所述井底的内部与所述钻头之间的间隙充满泥浆，所述井底的底部积聚若干球形岩渣颗粒；优选地，所述井底直径45cm，高度23cm，所述泥浆入口的宽度为10cm，泥浆密度为1.1g/cm3，泥浆粘度为8mpa
·
s；所述钻头的底部设置有19把刀具，包括边刀4把、中心刀1把和正刀14把，所述钻头的底部设置有2个吸渣口，2个所述吸渣口分别为中心吸渣口和扫掠吸渣口，所述中心吸渣口位于所述钻头的底部中心位置，所述扫掠吸渣口随所述钻头的转动呈扫掠式吸渣，所述中心吸渣口和所述扫掠吸渣口在所述钻头的内部汇合后形成吸渣管，所述吸渣管的上端与所述钻杆连通，泥浆在所述吸渣管和所述钻杆之间输送；优选地，所述钻头的直径35cm、高度
22.6cm、转速为30r/min，所述中心吸渣口的直径2cm，所述扫掠吸渣口的直径4cm，所述中心吸渣口的中心与所述扫掠吸渣口的中心之间的距离为51.67mm；距离所述钻杆的底部50cm处有连通两个注气风管，所述注气风管能够以恒定注气流量输送空气，所述钻杆的顶部为排渣出口；优选地，所述钻杆的直径4cm、高度2.15m，所述注气风管的直径6.25mm、注气流量为8m3/h。
[0013]进一步地，在上述的煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法中，所述步骤S3中，所述钻头吸渣口布置的影响因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1，确定煤矿立井钻井施工参数；步骤S2，确立煤矿立井钻井现场与相似模型之间的相似转化关系；步骤S3，改变钻头吸渣口布置的影响因素多次建立钻井排渣的数值模型；步骤S4，钻井排渣数值模型计算；步骤S5，定义排渣效果评判指标；步骤S6，分析排渣计算结果；步骤S7，确定钻头吸渣口的布置方式；步骤S8，制作钻头，进行模型试验验证。2.根据权利要求1所述的煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述煤矿立井钻井的施工参数包括钻机设备几何参数、钻井泥浆流变参数、排渣动力参数和钻进动力参数；所述钻机设备几何参数包括钻头直径、钻头高度、滚刀数量、吸渣口直径、排渣管直径和注气风管直径；所述吸渣口有两个，包括一个中心吸渣口和一个扫掠吸渣口；所述注气风管采用外置式双风管注气形式；优选地，所述钻头直径为4.2m，所述钻头高度为2.71m，所述滚刀数量为19把，所述中心吸渣口直径为24cm，所述扫掠吸渣口直径为48cm，所述排渣管直径为48cm，所述注气风管直径为7.5cm；所述钻井泥浆流变参数包括泥浆密度和泥浆粘度；优选地，所述泥浆密度位于1.045～1.2g/cm3之间，所述泥浆粘度位于120～480mp
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s之间；所述排渣动力参数包括注气流量，所述钻进动力参数包括刀盘转速；优选地，所述注气流量位于3600～4800m3/h，所述刀盘转速为8
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10r/min。3.根据权利要求1所述的煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述煤矿立井与相似模型之间的相似转化关系通过量纲分析法推导的相似准则确立，所述相似准则表现为相似常数，所述相似常数为所述煤矿立井实际钻井现场和相似模型之间对应各物理量的比值，所述相似常数包括几何相似常数、刀盘转速相似常数、注气流量相似常数、容重相似常数、泥浆粘度相似常数和时间相似常数；所述几何相似常数即为所述煤矿立井的实物几何尺寸与相似模型的几何尺寸的比值，其他相似常数由所述几何相似常数推导而成；优选地，确立几何相似常数为12，运动相似常数为23，刀盘转速相似常数为1/23，注气流量相似常数为500，容重相似常数为1，泥浆粘度相似常数为30，时间相似常数为23。4.根据权利要求1所述的煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述钻井排渣的数值模型采用仿真软件Workbench建立，所述数值模型的建模参数通
过所述步骤S1的钻进施工参数和所述步骤S2的相似常数确定；所述钻井排渣的数值模型包括井底、钻头和钻杆；所述井底与所述钻杆相连，所述井底具有环形的泥浆入口，从所述泥浆入口能够以恒定压力输入泥浆，所述钻头置于所述井底的内部，所述井底的内部与所述钻头之间的间隙充满泥浆，所述井底的底部积聚若干球形岩渣颗粒；优选地，所述井底直径45cm，高度23cm，所述泥浆入口的宽度为10cm，泥浆密度为1.1g/cm3，泥浆粘度为8mpa
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s；所述钻头的底部设置有19把刀具，包括边刀4把、中心刀1把和正刀14把，所述钻头的底部设置有2个吸渣口，2个所述吸渣口分别为中心吸渣口和扫掠吸渣口，所述中心吸渣口位于所述钻头的底部中心位置，所述扫掠吸渣口随所述钻头的转动呈扫掠式吸渣，所述中心吸渣口和所述扫掠吸渣口在所述钻头的内部汇合后形成吸渣管，所述吸渣管的上端与所述钻杆连通，泥浆在所述吸渣管和所述钻杆之间输送；优选地，所述钻头的直径35cm、高度22.6cm、转速为30r/min，所述中心吸渣口的直径2cm，所述扫掠吸渣口的直径4cm，所述中心吸渣口的中心与所述扫掠吸渣口的中心之间的距离为51.67mm；距离所述钻杆的底部50cm处有连通两个注气风管，所述注气风管能够以恒定注气流量输送空气，所述钻杆的顶部为排渣出口；优选地，所述钻杆的直径4cm、高度2.15m，所述注气风管的直径6.25mm、注气流量为8m3/h。5.根据权利要求1所述的煤矿立井钻井法凿井钻头吸渣口布置的确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述钻头吸渣口布置的影响因素包括吸渣口的数量、吸渣口的间距、吸渣口的面积比和吸渣口的总面积；通过改变吸渣口的数量来建立数值模型，分别为单吸渣口数值模型、双吸渣口数值模型和三吸渣口数值模型；所述单吸渣口模型的吸渣口直径为4.5cm，所述吸渣口的中心距离所述钻头的中心51.67mm，所述双吸渣口模型的中心吸渣口的直径2cm，扫掠吸渣口的直径4cm，所述中心吸渣口的中心与所述扫掠吸渣口的中心之间的距离为51.67mm，所述三吸渣口模型的中心吸渣口直径2cm，所述三吸渣口模型有两个扫掠吸渣口，两个所述扫掠吸渣口直径均为2.8cm，两个所述扫掠吸渣口的中心距离所述钻头的中心分别为51.67mm和91.67mm，两个所述扫掠吸渣口的中心与所述钻头的中心之间连线的夹角为135
°
；基于所述双吸渣口数值模型，通过改变所述双吸渣口的中心间距来建立数值模型，定义无量纲参数长径比α等于双吸渣口的中心间距与所述钻头的半径之比，分别建立双吸渣口的中心间距为51.67mm、71.67mm和91.67mm三个数值模型，三个数值模型对应的所述长径比α分别为0.3，0.4，0.5；基于所述双吸渣口长径比α为0.4的数值模型，通过改变中心吸渣口和扫掠吸渣口之间的面积比建立数值模型，定义无量纲参数面积比β等于中心吸渣口与扫掠吸渣口面积的比
值，分别建立中心吸渣口与扫掠吸渣口面积分别为7.84cm2和7.84cm2，5.23cm2和10.46cm2，3.14cm2和12.56cm2，2.24cm2和13.45cm2四个数值模型，其对应的面积比β为1、0.5、0.25、0.17四个数值模型；基于所述双吸渣口长径比α为0.4，面积比β为1的数值模型，通过改变中心吸渣口和扫掠吸渣口两者的总面积来建立数值模型，定义无...

【专利技术属性】
技术研发人员：程桦，郭龙辉，荣传新，姚直书，王宗金，王晓健，黎明镜，杨光，王晓云，宋阳，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：