本体刻槽三棱钻杆优化设计研究

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摘要：根据对螺旋钻进工艺及相关钻具的研究，作者研制了一种新型钻杆。该钻杆结合了普通三棱钻杆、螺旋钻杆、宽叶片钻杆（俗称肋骨钻杆）及相关钻具的结构优势，具有特殊结构的螺旋凹槽，使其能够既满足钻孔施工时持续排渣，局部突出时又能将大量煤渣排出的功能，是一款非常适用于深孔钻进技术的井下瓦斯抽采钻杆。

关键词：煤层；瓦斯排放；刻槽；钻杆

引言

目前，国内在松软突出煤层瓦斯排放打孔施工时主要采用普通三棱钻杆、螺旋钻杆和宽叶片钻杆（俗称肋骨钻杆）［1］。使用普通三棱钻杆在松软突出煤层瓦斯排放钻孔施工时，由于其使用流体方式排渣，受钻孔垮塌影响较大，容易抱钻；如果使用螺旋钻杆钻孔、机械方式排渣，其适应性较差，无法满足实际需要；而使用肋骨钻杆，其排粉效率又太低。为此，我们结合了市场上现有相关钻具的结构优势，设计了具有特殊结构的高强度本体刻槽三棱钻杆，使其能够在松软突出煤层瓦斯排放钻孔施工时，既可以持续排渣，又具备局部突出时将大量煤渣排出的功能。

1高强度本体刻槽三棱钻杆的创新设计

1．1结构设计

高强度本体刻槽三棱钻杆（图1）的外观截面与普通三棱钻杆相似［2］，即在普通三棱钻杆的杆体外表面加工出不连续的凹槽螺旋。为使三棱钻杆具有更好的钻进效果，对其结构进行以下设计优化。1．1．1一体式结构设计我们在钻杆的管体两端直接加工内、外螺纹，设计成一体式结构，不用进行螺纹接头焊接成型。减少了钻杆结构上的薄弱点，增强钻杆强度，提高了钻杆的综合机械性能，使其在发生卡钻、埋钻等孔内事故时，不易发生接头断裂等危险情况。

1．1．2凹槽螺旋结构设计外凸叶片结构易对孔壁产生扰动，为保证钻杆的排渣效率及避免孔壁扰动，采用了内凹开槽结构设计，同时其还具有辅助排渣功能，在钻杆的旋转过程中，螺旋槽可对煤渣起到二次切削作用，使煤渣颗粒变小，易于排出孔外。

1．1．3大螺距螺旋槽设计为减少钻杆钻进过程中的阻力及对孔壁的扰动，在实现螺旋排渣功能的前提下，采用大螺距螺旋槽设计。钻杆实物见图2。

1．2螺旋凹槽优化

刻槽三棱钻杆表面的螺旋槽是影响其排渣能力的重要因素。普通三棱螺旋凹槽钻杆的凹槽前后均为直口，排渣阻力大，同时凹槽根部会产生应力集中，增加了三棱钻杆在凹槽处断裂的危险性。为了更好地满足施工过程中排渣的需要，同时减小螺旋槽根部应力集中，设计了“上坡”型螺旋凹槽结构，通过对以往研究成果的分析，最佳的螺旋槽槽宽b＝12mm，槽深h＝1．1mm，计算出螺旋槽的“上坡”角度。tanθ＝b／h＝0．092，则θ≈5°。前后倾角为5°，且前端为直口，尾端为弧形口，如图3所示。

1．3螺旋凹槽的加工

我们利用现有的铣削动力头，改造了普通管螺纹车床Q1913。首先，由于Q1913车床的最低转速为7r／min，无法满足我们加工直径比较小的高强度本体刻槽三棱钻杆的低转速要求。我们选择通过加装减速机的办法来适应加工大螺距的要求，通过多次的现场加工实验，选择减速比为1∶30的减速机，螺旋凹槽加工过程顺利，表面粗糙度符合加工工艺要求。“上坡”型螺旋凹槽结构是钻杆的研究重点，通过调整铣削动力头角度的方式进行加工，既满足了5°的“上坡”角度，又满足了前端加工为直口，尾端加工为弧形口的结构形式。

2应用情况及结论

松软突出煤层瓦斯排放钻孔施工时，如果遇到埋钻事故，常规钻杆旋转摩擦产生大量的热量难以释放，造成钻杆温度升高，带来安全隐患。而高强度本体刻槽三棱钻杆的大螺距凹槽螺旋结构，克服了普通三棱钻杆易抱死的问题，可使被埋住的3个面互相串通，利于瓦斯气体或压风及小颗粒煤渣排出，能够及时带走塌孔区因钻杆表面摩擦产生的热量，保证了钻进的安全性，增强了钻杆处理事故的能力。

参考文献：

［1］杨健，肖丽辉．三棱凹槽螺旋钻杆的设计［J］．煤矿安全，2014（5）．

［2］肖丽辉，王义红，李彦明．整体式三棱螺旋钻杆的研制及应用［J］．煤矿机械，2013（12）．

［3］王永龙，翟新献，孙玉宁．刻槽钻杆应用于突出煤层钻井的合理参数研究［J］．煤炭学报，2011，36（2）

作者：王桂敏 张吉亮 杨文静 单位：山东省煤田地质局第二勘探队