钻机用破岩滚刀失效原因分析及应对措施

　　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（丼帮），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.滚刀的轴承润滑油漏失或进泥浆，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。