套管鉆進技術在煤礦復雜地層中的應用探討

孔偉

(中國煤炭科工集團重慶研究院，重慶 400039)

套管鉆進技術在煤礦復雜地層中的應用探討

孔偉

(中國煤炭科工集團重慶研究院，重慶 400039)

我國的地質條件和煤層特征差異大，復雜地層中構造煤發育，瓦斯含量高，地應力大，煤層破碎松軟，易發生塑性流變。采用套管鉆進技術替代傳統的常規鉆桿進行鉆孔瓦斯抽采，可提高工作效率，防止卡鉆、塌孔等事故的發生，提高瓦斯抽采的效率，并可以不起鉆取出鉆頭等孔底鉆具組合下篩管，解決在井下復雜地層中鉆孔瓦斯抽采的難題。介紹了套管強度及孔底組合鉆具結構，探討了套管鉆進技術在煤礦復雜地層中的應用前景。

套管鉆進;復雜地層;孔底鉆具組合;鉆孔瓦斯抽采

1 概述

我國煤礦井下的地質條件較復雜，在很多松軟煤層、構造煤和斷層褶皺發育的地帶，經常會出現鉆孔垮塌、打不進鉆、卡鉆或者鉆孔后孔壁垮塌瓦斯抽采效率低的情況。一般煤礦上均采用鉆孔后立即下篩管的方法解決，但是有時篩管下入較困難甚至會發生斷裂，且增加了工作時間和勞動強度。采用套管鉆進技術可以解決上述問題。

套管鉆進技術就是指在鉆進過程中直接采用套管替代傳統的鉆桿向孔內傳遞機械及水力能量，孔底鉆具組合接在套管下面，邊鉆進邊下套管，并且可以不起鉆直接將鉆具組合取出的鉆進方法。它與常規鉆桿鉆孔相比，具有以下特點:

(1)提高了工作效率，降低了勞動強度;

(2)在鉆孔過程中鉆頭失效，可以通過鋼絲繩不起鉆回收孔底的鉆具組合換鉆頭，節省了起下鉆時間;

(3)鉆孔結束后取出孔底鉆具組合，下入PVC－U篩管，減少了塌孔等鉆孔事故的發生，提高了瓦斯抽采效率。

2 套管強度

2.1 管柱強度

傳統鉆桿壁較厚，外徑較小，徑厚比小，以我院生產的Φ73 mm鉆桿為例，壁厚為9 mm，徑厚比約為8。而套管的外徑較大，壁較薄，徑厚比較大，一般為10～25。現有研究表明，徑厚比越大，套管管體Misses應力越大，套管發生失穩的臨界荷載越小，因此對套管的扭曲、彎曲和疲勞破壞必須進行研究。

套管鉆進過程中套管柱的破壞形式主要有2種:一是套管柱受到扭矩、拉力和內壓力的聯合作用，造成管體的屈服破壞，這種破壞的危險截面也在孔口;二是套管柱所受的壓力超過其臨界鉆壓，使得套管柱發生屈曲失穩。套管柱所受的扭矩主要來自于3個方面:一是套管柱空轉所需的扭矩，二是鉆頭破巖所需的扭矩，三是套管柱遇到阻卡等意外情況時產生的扭矩。

目前套管鋼材一般采用的是API標準的J55鋼或地質標準的DZ55鋼材，屈服強度＞380 MPa，且現在煤礦井下復雜地層下套管的鉆孔深度一般不超過200 m，以Φ113 mm套管為例計算，套管外、內緣處的等效應力遠遠小于套管本體屈服強度，故套管本體不會發生屈服破壞。套管柱的臨界鉆壓，結合我院生產的ZYW型全液壓鉆機，在實際鉆進過程中給進力最好控制在25 kN以內，防止套管柱發生屈曲失穩。

2.2 套管螺紋

套管鉆進過程中，套管柱需要傳遞水力及機械能量，因而套管應當具有更強的抗扭、抗壓和抗彎性能，以保證孔內的安全。眾多的套管失效案例表明，套管的破壞大多處于螺紋連接處，且疲勞裂紋一般為平面型，垂直于管體的軸線。螺紋的斷裂位置均在套管的外螺紋尾部與套管接箍旋合的第一扣處。經過有限元分析可知，螺紋連接時兩端接觸壓力較大，受應力集中影響，外螺紋最后一扣齒跟處的受力最大，產生了一定的屈服和塑性變形。這樣在鉆井過程中，受拉－壓交變荷載和彎曲應力的影響，該危險截面會由于疲勞作用而產生裂紋。在交變應力的作用下，裂紋不斷發育，最后斷裂。在油田鉆井中，套管的下入深度一般可達幾千米，因此，套管的螺紋可以采用油田套管中的偏梯形螺紋，且過盈裝配量不宜過大，最佳機緊應為1.5～2.0圈。

3 孔底鉆具組合

在套管鉆孔結束后，為了減少成本，需要取出孔底昂貴的鉆具組合。現在國際上主要采用的是加拿大TESCO公司以繩索為基礎的回收技術。孔底鉆具組合主要由領眼鉆頭、擴眼工具、座底套管、鎖定總成和回收裝置等組成(見圖1)。通過該結構將鉆具組合起出后，即可下入抗靜電阻燃可碎性PVCU篩管起到護壁、抽放瓦斯的作用。

圖1 TESCO公司的一種井下回收工具

3.1 孔底鉆具組合結構

3.1.1 鎖定總成

鎖定總成是套管鉆井技術中最具特色的技術，其功能是:鉆進時將孔底鉆具組合鎖定在套管上，使之不能轉動和軸向竄動;起鉆時鎖定器解鎖，從套管內可以將孔底鉆具組合打撈至地面，見圖2。

圖2 鎖定機構總成

鎖定和密封總成主要由軸向鎖定裝置、扭矩鎖定裝置、彈簧加壓定位止動器、密封和旁通機構組成。軸向鎖定裝置在套管柱和井底鉆具組合之間傳遞壓縮載荷和拉伸載荷，坐底套管的套管鞋上方有1個定位臺肩，鉆具組合到達定位臺肩位置時，彈簧加壓，定位止動器和定位槽嚙合，同時驅動鉆具組合內的1根心軸動作，使軸向鎖定銷鎖定在軸向鎖定短節上的軸向鎖定槽內，同時關閉旁通閥。扭矩鎖定裝置有3個鎖定鍵，可分別與坐底套管扭矩鎖定短節上的3個扭矩鎖定槽鎖定，在套管柱和鉆具組合之間傳遞扭矩。在鎖定鍵與鎖定槽鎖定傳遞扭矩的狀態下，還允許鉆具組合作一定程度的軸向移動。

鎖定和密封總成內有2個方向相反的潤滑脂皮碗式密封，可防止套管鉆進過程中鉆井液繞過鉆具組合。在井下鉆具組合的起下過程中，旁通閥打開可保持鉆井液循環，預防鉆井液壓力會驅動鉆井液馬達或使隨鉆擴眼器張開。

3.1.2 領眼鉆頭

設計領眼鉆頭主要考慮與其他工具的配合性，尤其是領眼鉆頭的最大外徑與坐底套管的最小內徑之間的關系，間隙大了鉆頭外徑太小，影響機械鉆速和鉆頭壽命，增大擴眼工具的工作量，進而影響擴眼工具的壽命。如果間隙太小，鉆頭外徑大，有時下入會有困難，因而需要選擇合適的通過間隙。

3.1.3 擴眼工具

為保證孔底鉆具組合從套管內起出和下入，領眼鉆頭尺寸必須小于鉆井用套管內徑，因而形成的井眼尺寸較小，需要實施隨鉆擴眼，以滿足套管下入(即擴眼鉆頭與領眼鉆頭組合形成了一個煤礦中常用的組合塔式鉆頭)。設計的擴眼工具結構采用液壓伸臂式，即在有液力的情況下切削臂伸出進行擴眼作業，當液力消失時，在外力的作用下切削臂恢復原位。擴眼工具下邊直接連接領眼鉆頭，上邊可連接動力鉆具。

3.1.4 坐底套管

坐底套管位于套管柱末端，由定位臺肩、定位止動器定位槽、軸向鎖定短節、扭矩鎖定短節和套管鞋組成。軸向鎖定短節和扭矩鎖定短節分別與井下鎖定工具串的軸向鎖定裝置和扭矩鎖定裝置配合使用，用以在井下鎖定工具串和坐底套管間執行鎖定和解鎖的任務。套管鞋上裝配有PDC切削元件(或硬質合金元件)，協助隨鉆擴眼器和領眼鉆頭鉆進，并在隨鉆擴眼器的切削臂出現異常情況而不能到位回收時起磨銑作用。

3.2 抗靜電阻燃可碎性PVC－U篩管

在起出孔底鉆具組合，即可下入抗靜電阻燃可碎性PVC－U篩管，進行護壁抽采瓦斯。由于復雜煤層具有松軟、瓦斯大等諸多特點，在鉆完孔后，孔壁可能發生坍塌。且孔內煤塵較多并與PVC管進行碰撞摩擦吸附，正負電荷不斷重新分布聚集在管材與煤塵上，當電荷積累到一定程度就會產生電火花，因此必須在管材表面涂抗靜電劑或在塑料中加入導電材料。阻燃性能應滿足IEC614技術標準，最好使篩管的性能達到在3 s內自熄。這樣即可達到對復雜煤層安全抽放瓦斯的目的，在后期回采過程中，采掘機可以直接破壞PVC管，既安全且不影響生產。

4 結論

(1)套管鉆進技術是一項新技術，是今后的發展方向，將其應用于煤礦中是解決煤礦復雜地層瓦斯抽采的新方法。

(2)套管鉆進技術大大提高了工作效率，減輕了勞動強度。

(3)采用可回收式孔底鉆具組合，在完鉆后起出昂貴的孔底鉆具，并下入研制的PVC－U篩管，節約了成本，提高了瓦斯抽采率。

［1］張蘭江，蘭闊，黃耀華，等.Tesco底部鉆具可回收式套管鉆井系統［J］.石油機械，2003，31(12):46－48.

［2］劉宏麗.套管鉆井新技術［J］.西部探礦工程，2002，(5):23－26.

［3］袁光杰，姚振強，林元華，等.套管鉆井中套管疲勞失效問題的研究［J］.天然氣工業，2003，23(5):56－5.

［4］黃銳，等.塑料工程手冊［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［5］楊書申，張景昌.熱塑性塑料阻燃抗靜電技術研究進展［J］.紡織高校基礎科學學報，2000，13(1):66－71.

Discussion on Application of Casing Drilling Technology in Complex Formation of Coal Mine

KONG Wei (Chongqing Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corp.，Chongqing 400037，China)

The geological conditions and coal seam characteristics have many differences in China.The complex formation has many characteristics，such as tectonic coal，high content of gas，high geostatic stress and the broken soft coal seam where plastic flow easily occur.Casing drilling technology is adopted to replace the traditional drill pipe for borehole gas extraction，the work efficiency and gas extraction rate were improved.It also can prevent many accidents，such as sticking and hole collapsing，and remove the bottom tool assembly without pulling the drill pipe out.Casing strength and bottom tool assembly were introduced and the application prospect of casing drilling technology in complex formation of coal mine is discussed.

casing drilling;complex formation;bottom tool assembly;gas extraction

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0021－03

2011－04－11;

2011－06－02

孔偉(1983－)，男(漢族)，湖北荊門人，中國煤炭科工集團重慶研究院，地質工程專業，碩士，從事煤層氣開發及松軟煤層鉆探工藝研究工作，重慶市九龍坡區科城路6號，cqkw76@163.com。