钻机用破岩滚刀失效原因分析及应对措施

摘要：通过对不同工况、不同材质滚刀磨损原因分析，提出提高钻机破岩滚刀寿命的技术措施和建议。

关键词：钻机；破岩滚刀；技术措施

钻井法凿井技术在我国煤矿井筒工程中应用近50年，据不完全统计，已钻成60多个不同类型的井筒，完成最深的龙固煤矿双主井，成井深度582.75m，成井直径分别为5.636m和5.616m。钻井法凿井靠滚刀破碎穿过地层、泥浆护壁、压气反循环排渣、地面预制井壁、泥浆悬浮下沉井壁和壁后充填完成井筒。其中，地层破碎在钻井工序中非常重要，对于冲积层曾经采用刮刀或行星式钻头安装刮刀破岩，但是，由于钻进效率低，已不再采用，主要应用不同类型的滚刀。随着钻进深度的增加，钻进直径的加大，岩层在整个井筒占的比例加大，滚刀的寿命问题成为影响钻井速度、效率和成本的关键。

1.破岩滚刀失效原因分析

1.1.滚刀的分类

竖井钻机采用一次超前、分次扩孔的钻进方式，钻进直径：超前孔3～4m，扩孔4～5.7m、5.7～7.5m、7.5～9m。根据钻头用途不同，钻头体上滚刀可分为三类：①中心刀。中心刀一般为单支点滚刀，也曾采用过三牙轮钻头代替，用于破碎钻孔中心0.5m范围的岩层，由于钻井中心点滚刀运动速度为零，所以中心刀不能纯滚动布置；②正刀。正刀数量多，用于大体积破碎岩层，双支撑结构，滚刀破岩刀齿和地层接触近水平；③边刀。边刀用于形成钻井井筒和地层交界面（帮），滚刀刀齿和地层接触一般在30°，用于保护刀座不被地层磨损。

按照滚刀加工方式不同可分为：铸齿滚刀、铣齿滚刀和镶齿滚刀；按滚刀刀体结构不同可分为：盘形滚刀、多刃盘形滚刀；按镶齿的齿形不同可分为：球齿滚刀、锥齿滚刀、楔齿滚刀和复合形滚刀。

在冲积层或塑性较强的极软岩层中，一般采用铸齿滚刀，在齿尖堆焊耐磨材料；在较软的岩层、磨蚀性较强的岩层中，多采用镶齿滚刀，随着岩石硬度和磨蚀性变化，刀齿齿形从楔形锥形复合形球形。

1.2.滚刀失效

在钻进过程中发现钻具跳动、蹩钻、扭矩加大和进尺变慢，可能出现部分滚刀失效或滚刀掉落。滚刀失效原因：

1.2.1.滚刀刀齿磨损量过大，超过原齿高的70%。

1.2.2.滚刀的轴承油漏失或进泥浆，轴承磨损、卡住，刀轴磨损或断裂。

1.2.3. 滚刀刀壳破裂、掉块。

1.2.4.刀齿折断率达到滚刀总齿数的30%。

1.2.5.镶齿滚刀刀齿脱落率达到总刀齿数量的30%。

1.3滚刀磨损

1.3.1.正常磨损。滚刀的正常磨损是随着刀齿和地层接触逐渐发生的。滚刀刀齿在一定钻压作用下压入地层，并通过钻头的旋转带动滚刀自转，通过压入、剪切或滑移将岩层破碎下来，这个过程也是刀齿磨损的过程。影响刀齿磨损的因素：①地层的物理力学性质，主要是地层的磨蚀性；②刀齿材料本身的抗磨性；③滚刀在钻头上布置的合理性；④在钻进过程中，钻进参数选择合理性，如钻压过大或过小、钻头吸收不合理、泥浆循环量小，形成重复破碎，则造成滚刀的磨损加快。

1.3.2. 非正常磨损。滚刀轴承不转动，如发生泥包钻头、轴承破坏、大块岩石或异物落孔造成滚刀轴承不能旋转，滚刀刀齿在地层表面滑移，单面刀齿很快磨损；滚刀除中心刀一般分为AB刀，相对对称布置，两把刀联合破碎岩石，如果其中一把刀失效，另一把刀不能全部破碎所担负环行圈上的岩石，滚刀刀体发生磨损，进而加速破坏。

2.不同材质滚刀分析

多年来，随着钻井法凿井技术的发展，先后研制并应用过高强度铣齿轮滚刀、铸造空冷钢滚刀、镶嵌硬质合金滚刀、齿面堆焊颗粒硬质合金牙轮滚刀等，下面对这几种不同材质滚刀予以分析。

2.1.硬质合金齿牙轮滚刀。因为硬质合金较耐磨，所以在渗碳淬火过的20CrMo材质轮体上，采用压入錾子形YG15合金，直径14mm。把这种滚刀安装在扩孔钻头上，在页岩和砂岩中钻进，刀齿耐磨性较好，但钻进速度较慢。这是因为硬质合金齿较短，在一定钻压下，合金齿压入岩层，使轮体与岩层直接接触，增加阻力，加上扩孔钻头不规则晃动，冲击合金齿，往往会使牙轮大端齿部折断。

实践认识到，硬质合金齿牙轮滚刀，适用于中硬以上均质单一岩层，对层次变化较多的岩层不适应。

2.2.高强度钢牙轮滚刀。采用60Cr4Mo3Ni2WV高强度、高硬度合金工具钢作牙轮基本体，来提高滚刀的耐磨性。

这种钢材经过淬火和二次回火，强度虽很高，但冲击韧性较差，不能适应大直径钻进工况。在扩孔大钻头上，曾发生18只牙轮全部碎裂，掉入井底，其原因主要是牙轮制作有缺陷，产生应力集中，受冲击震动而损坏，故牙轮单有高强度不行，还要有足够的韧性。

2.3.齿面堆焊颗粒硬质合金牙轮滚刀。选用低碳合金钢20Ni3Mo做基本体，齿面堆焊颗粒硬质合金的楔齿牙轮滚刀。例如，在直径3m超前孔钻头上，安装6把边刀，14把正刀，2把中心盘形滚刀，破岩面积为7.07，穿过细砂岩35.175m；砂质泥岩5.61m，钻进40.785m，平均纯钻进速度0.139m/h，正刀磨损12.5mm；中心刀磨损6.5mm。在直径5.7m扩孔钻头上，布置6把边刀，16把正刀，破岩面积为18.45，穿过粉细砂岩26.121m；砂质泥岩3.6m，煤7.62m，总共钻进37.341m，平均纯钻进速度0.123m/h，齿部磨损量不到堆焊层高度的1/2，边刀磨损9mm，尚能继续使用。

钻进结果表明，采用20Ni3Mo钢作基本体表面堆焊颗粒硬质合金楔齿牙轮滚刀，强度较高、韧性也较好，适用于中硬以下岩层。

3.提高滚刀寿命的技术措施和建议

3.1.改进钻头结构。在钻头旋转情况下，冲洗液流既具有向心流向，也具有切线流向，即边刀处以切线流速为主冲洗工作面，而中心附近改为向心流速为主供反洗排渣，流量大时区域外移，转数增加时向内移，其低值区正是二次破碎、严重磨损滚刀及泥包钻头的发源地带，在布置吸收口时必须加以考虑，否则将严重影响滚刀使用寿命。建议：①钻头采用全封闭式结构，迫使浆液从刀盘边缘，以较高的速度进入、横穿滚刀破岩移动区；②在冲洗量和钻头转数的可能范围内，尽量集中冲洗，以利排矸，加导流板是其主要手段之一；③在刀盘装设裙边式折流板，以提高液流速度和岩渣移动、吸收能力；④在刀盘沿半径方向设置一椭圆形偏心吸收口，径向延伸，在不增加泥浆流量的情况下，提高径向流速，增强清除岩渣的能力，缩短岩渣流向吸收口的距离，旋转时迅速清理工作面，防止重复破碎；⑤在偏心吸收口后侧装置扫帚式折流板，利用回转扒集岩渣，流向吸收口。例如，龙固矿主井超前孔钻头吸收口为长条状，0.3～0.6m，呈内窄外宽形；扩孔钻头采用底部鱼尾形，吸收口处于刀盘底角交汇处，效果较好；⑥采用平底的超前孔钻头，使钻头体旋转运行平稳、晃动小；⑦钻头体上布置撬板式扶正器，并加大扶正器的组装间距，减少钻头摆动，改善滚刀轴承的受力状况；⑧在提吊能力允许的条件下，增加钻头配重块的重量，为牙轮滚刀切入岩石提供足够的比压，保证钻井的垂直度。

3.2.改进钻头滚刀布置。刀盘上的滚刀排列，采用不等角、不对称布置，可避免钻头体回转时谐振现象的发生，减少滚刀的冲击负载，增加新的破碎面，提高破岩容积，这对提高钻进速度和滚刀寿命都是有利的。

3.3.改进滚刀轴承和密封结构。在滚刀结构中，密封的轴向长度与轴承支承长度的比例通常在3：1以下，使滚刀两端悬臂部分过大，轴承部分容易形成偏载而失稳，造成密封部分损坏。因此，应该加大支承长度的比值，这样对支承的磨损情况会大为改善。

目前滚刀损坏的主要原因是密封不好，泥浆渗入刀体内部研磨破坏，所以改进滚刀首要的问题还是恒压密封，特别是密封环尺寸，密封圈的推力，使之耐压力达到10MPa，适应800m钻深的需要。

关于密封的材质问题，采用特别橡胶密封，或1个复曲面、1个端面密封环，加工成具有硬化表面的轮体端部（或镶套）组成密封，改善密封长度与支承长度的关系，承受更大的荷载。

3.4.建立维修制度。从现在滚刀使用情况看，施工过程不加维护，一直工作到损坏、报废为止，这是不妥的。应该建立及时维修制度，两套滚刀交替使用，定时更换，排除故障，清洗轴承，修理齿部，保持齿尖的尖锐性和耐磨性。

4.结语

钻井法凿井是井筒特殊施工的主要方法之一。它也是机械化和自动化程度最高的、可靠的竖井施工方法。从国内钻井法凿井发展的现状和趋势看，尽管其技术和工艺都已基本成熟，但是，仍存在许多问题需要进一步研究改进。

目前，钻井法凿井在岩层中的钻进速度不能令人满意，致使该法只能钻冲积层和少部分基岩风化带，不能钻全深，究其原因主要是在中硬以上岩层中钻进，破岩滚刀磨损快、寿命短，钻井深度受到一定限制。今后，在加大竖井钻机钻进能力的同时，应从刀具材质、制造工艺等方面进一步开展提高楔齿牙轮滚刀寿命的专题研究，使钻井法凿井在我国煤矿井筒施工中得到更广泛的应用，实现竖井钻全深。

作者简介：李英全，男，（1979-），山东招远人，工程师，2002年毕业于山东科技大学矿井建设专业，从事钻井法凿井科研及反井钻井施工和研究工作。