煤矿井下肋骨钻杆的设计与应用
发布时间:
2025-11-01
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钻杆是钻进工具的核心组成部分，钻进作业时，动力通过钻杆传递至岩芯管、钻头等钻具，同时钻杆还承担着输送冲洗液、排出岩屑的关键作用。煤矿井下地质条件复杂，百米深的钻孔往往同时包含软地层与硬地层，传统钻杆难以适配这种复杂工况，给井下钻探作业带来诸多阻碍，也不利于企业的转型升级与发展。因此，通过分析钻探设备、现场作业环境及施工地层特性，研究传统钻杆的钻探全过程，研发适配复杂地层的新型钻杆就显得尤为关键。
传统钻杆主要包括外平钻杆、螺旋扒槽钻杆和麻花钻杆，三类钻杆在钻进过程中各有优劣：
1.外平钻杆：外表面光滑，旋转阻力小，适用于孔身整体地层较硬的钻孔，且能实现钻杆自动拧卸。但在遭遇松软地层或破碎带时，排渣通道不稳定，无法满足排渣需求，不仅钻进效率低下，还易引发抱钻、埋钻等事故。
2.麻花钻杆：在外平钻杆杆体上焊接螺旋叶片，适用于地质条件简单的松软地层，具备排渣效果好、钻进速度快等特点。但该钻杆外径尺寸与钻机夹持器规格不匹配，无法采用钻机自卸，即便研究出快速拧卸方法并取得一定效果，其拧卸效率仍远不及外平钻杆。此外，麻花钻杆的叶片较薄，强度低、耐磨性差，使用成本较高；最关键的是其钻进阻力大，易造成钻孔偏斜，且应用还受钻杆直径、钻机类型及巷道条件的限制。
综上，常规钻杆特性各异、各有优劣，适用场景的针对性较强，难以满足煤矿井下复杂地层的钻探需求。而肋骨钻杆兼具常规钻杆的优点，能有效解决现场钻探难题、提升钻进效率，其结构与工作原理综合了外平钻杆、螺旋扒槽钻杆和麻花钻杆的核心特点，是适配井下复杂地层的新型钻杆类型。
一、肋骨钻杆的结构
肋骨钻杆主要由杆体和肋骨片两部分构成。在与外平钻杆结构相似的芯管上，螺旋焊接一定宽度（通常约 18mm）和高度（通常约 7mm）的高硬度叶片，经加工后，其外径尺寸与外平钻杆保持一致。
肋骨钻杆的主要规格有 Φ50—Φ63.5、Φ63.5—Φ73、Φ73—Φ89 等，例如 Φ73—Φ89 规格的肋骨钻杆，指钻杆杆体直径为 Φ73mm，肋骨片外径（即钻杆外径）为 Φ89mm。
二、肋骨钻杆的工作原理
肋骨钻杆的肋骨片外径与外平钻杆一致，与钻机夹持器规格相匹配，且肋骨片具备一定的宽度和强度，因此可像外平钻杆一样，通过钻机夹持器实现自动拧卸，能适应较硬地层的钻孔作业。
肋骨钻杆的肋骨片采用螺旋结构设计，确保了钻杆与钻孔之间留有足够间隙，利于在孔口与孔底之间形成循环通道。钻进作业时，冲洗液或压缩空气通过钻杆杆体中心孔输送至孔底，随后携带孔底破碎的岩屑，沿着孔壁与钻杆杆体外表面之间的螺旋槽被输送到孔外，具备与麻花钻杆相当的排渣效果，可适应较软地层的钻孔作业。
三、肋骨钻杆的优点
1.适用地层范围广：麻花钻杆仅适用于简单地层，外平钻杆适配较硬地层，而肋骨钻杆能够适应煤矿井下各类地层的钻探需求，适配性更强。
2.拧卸操作便捷：麻花钻杆若无法使用快速拧卸装置，会导致工人劳动强度大、作业安全性差、材料消耗多且效率低下，有时拧卸一根钻杆需耗时半小时，即便使用快速拧卸装置，效率也相对较低；而肋骨钻杆的拧卸方式与外平钻杆一致，可实现液压钻机的自动拧卸，大幅提升作业效率。
3.孔内事故发生率低：在复杂地层中，使用麻花钻杆易因旋转阻力大导致钻杆卡滞甚至扭断；使用外平钻杆或螺旋扒槽钻杆，则会因排渣能力弱造成岩粉堆积，引发埋钻事故。肋骨钻杆规避了上述三类钻杆的缺陷，能保障钻孔施工的安全与顺利进行。
麻花钻杆因旋转阻力大，叶片易切削孔壁，进而造成钻孔偏斜；肋骨钻杆通过在普通钻杆外部加装较宽的叶片，钻进过程中基本不会切削孔壁，同时宽叶片增强了钻杆的刚性，起到了良好的钻孔保直作用。
5.经济效益显著：肋骨钻杆的重复使用次数可达麻花钻杆的 4-6 倍，成本仅为螺旋扒槽钻杆的二分之一，企业每年可节省钻杆购置资金 200 多万元。根据试用数据统计，某时段内埋钻率较往年同期降低三分之一，钻探进尺增加 2000 多米，创造经济效益约 30 万元。
结束语
肋骨钻杆整合了传统钻杆的优势，具备旋转阻力小、排渣效果好、约束条件少、拧卸效率高等特点，可适用于井下各类地层的钻探作业。其结构设计合理，实用性与适应性强，有效解决了煤矿井下钻探的技术难题，对加快钻探进尺速度、降低工人劳动强度、减少成本消耗等方面具有重要意义，完全符合井下煤层钻探的特殊要求。
经过数年的使用与研究，技术人员对肋骨钻杆进行了二次、三次改进，研发出双螺旋肋骨钻杆、三头肋骨钻杆等新型产品，其综合作业效率更高，更适配井下钻孔施工。肋骨钻杆的设计与应用，是井下钻探技术的一次重要突破，对于优化钻杆结构设计、完善钻进工艺体系具有重大的现实意义。
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