大孔徑套管鉆進(jìn)一次性成孔技術(shù)及裝置

祝 釗

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

中國煤炭工業(yè)在保障中國經(jīng)濟(jì)快速增長的同時(shí)，也使煤炭的開采條件不斷惡化，瓦斯災(zāi)害、特別是煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1]。而且開采深度不斷增加，礦井地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜,特別是以松軟突出煤層為主采煤層礦井[2]。松軟低透氣性等地質(zhì)異常帶煤層的瓦斯抽采成為煤炭開采行業(yè)的一大難題,套管鉆進(jìn)技術(shù)是解決松軟煤層鉆進(jìn)的最好方法之一。套管鉆進(jìn)技術(shù)起源于石油套管鉆井，是一種全新的鉆進(jìn)工藝技術(shù)，被譽(yù)為是21世紀(jì)的前沿鉆井技術(shù)之一[3]，該技術(shù)是通過隨鉆下套管的方法，使套管順利穿過和有效隔離復(fù)雜地層，避免孔壁不穩(wěn)定因素導(dǎo)致的鉆孔垮塌、掉塊、漏失等現(xiàn)象，最大限度減少孔內(nèi)故障和孔內(nèi)事故（例如頻繁掃孔、卡鉆、埋鉆等）,提高鉆孔質(zhì)量和鉆探效率。

1 套管鉆進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)狀及對比

現(xiàn)在較為常見的套管鉆進(jìn)施工方法是不提鉆下入篩管工藝技術(shù)。該技術(shù)是鉆進(jìn)成孔后不立即提鉆，把篩管從鉆桿的內(nèi)孔中送入，當(dāng)篩管輸送到鉆頭位置時(shí)，施加軸向沖擊力，使鉆頭內(nèi)芯打開，從而達(dá)到下入篩管的目的[4]。該技術(shù)能使篩管順利下入孔底，但下入篩管的直徑一般不大于40 mm，因此嚴(yán)重的制約了瓦斯抽采的效率。

針對這一現(xiàn)狀，煤科集團(tuán)沈陽研究院開發(fā)出了一種松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)技術(shù)及配套的套管鉆進(jìn)裝置。它與常規(guī)的不提鉆下入篩管工藝相比，存在以下特點(diǎn)：①一次性完成大直徑鉆孔，使煤體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致原有裂隙擴(kuò)大，增加煤層透氣性；下入的大直徑篩管，可以大大提高瓦斯抽采的效率；②中心鉆桿在外護(hù)管內(nèi)孔中旋轉(zhuǎn)給進(jìn)，因此鉆進(jìn)時(shí)向孔內(nèi)傳遞的機(jī)械能量損失較小；③配套特制的可收縮鉆頭，提鉆更換損壞的鉆頭時(shí)，對成孔沒有任何影響。

2 松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)技術(shù)

2.1 施工流程

松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)技術(shù)的施工流程是：①配套設(shè)備的主回轉(zhuǎn)器卡盤帶動 φ102 mm中心鉆桿及伸縮鉆頭旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，φ299 mm外護(hù)管與之保留排渣縫隙并同步推進(jìn),在此過程中通過中心鉆桿內(nèi)部向孔內(nèi)注水，以保證煤巖屑能正常排出；②到達(dá)預(yù)定成孔深度后，撤出φ102 mm中心鉆桿及伸縮鉆頭；③下入大直徑篩管；④撤出φ299 mm外護(hù)管；⑤封孔后，連接管路進(jìn)行瓦斯抽采。此工藝可下入的篩管外徑可達(dá)245 mm，瓦斯抽采率較不提鉆下入篩管工藝技術(shù)成幾何倍增長。

2.2 松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)

1）鉆進(jìn)時(shí)鉆具對煤壁的擾動小。裝置配套了特制的可伸縮鉆頭，正常鉆進(jìn)時(shí)保持鉆頭直徑φ320 mm；撤鉆時(shí)，鉆頭的切削齒縮回鉆頭本體內(nèi)，可使伸縮鉆頭在提鉆或更換損壞的鉆頭時(shí)，能順利通過外護(hù)管內(nèi)部，保證成孔的煤壁不會因?yàn)殂@頭撤離的擾動而導(dǎo)致煤壁塌孔。

2）機(jī)械能量損失小。中心鉆桿在外護(hù)管中旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力可以忽略不計(jì)，因此向孔內(nèi)傳遞的機(jī)械能量損失小，即保證了有足夠的鉆壓及切削扭矩。

3）瓦斯抽采效果好。對松軟低透氣性煤層中施工大直徑、大深度鉆孔，有效掏出煤層中壓制煤體，增加了鉆孔時(shí)排出的煤粉量，使松軟低透氣性煤層中形成大深度（大于150 m）、大直徑（直徑大于300 mm）的空洞，從而改變煤體應(yīng)力狀態(tài)，使鉆孔的周圍形成較多的裂隙，解吸瓦斯釋放通道多且相互連通，從而大幅度降低煤層內(nèi)瓦斯壓力，并增加煤體的塑性；同時(shí)，大直徑鉆孔產(chǎn)生裂隙的同時(shí)，煤體內(nèi)積蓄的彈性能部分釋放，使掘進(jìn)工作面前方的兩幫的集中應(yīng)力得到釋放，并迫使集中應(yīng)力帶向前和巷幫深部移動，降低了掘進(jìn)段和巷幫的集中應(yīng)力，增加了有效卸壓范圍，減少了發(fā)生突出的可能性[5-10]。且能幾何倍增加抽采瓦斯流量。

3 配套的套管鉆進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)裝置由主機(jī)和泵車2大部分組成。

主機(jī)是主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由主機(jī)架、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、主回轉(zhuǎn)器、副回轉(zhuǎn)器、機(jī)械手臂、夾持器組、穩(wěn)鉆機(jī)構(gòu)、履帶底盤等執(zhí)行部件組成。套管鉆進(jìn)裝置主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

套管鉆進(jìn)裝置的主機(jī)設(shè)計(jì)主、副2個(gè)回轉(zhuǎn)器。主、副回轉(zhuǎn)器均采用液壓馬達(dá)驅(qū)動。主回轉(zhuǎn)器控制中心管旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)通過減速器將機(jī)械能量傳遞至常閉式卡盤，驅(qū)動中心鉆桿及伸縮鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；副回轉(zhuǎn)器控制外護(hù)管旋轉(zhuǎn)，另1套液壓馬達(dá)通過減速器將動力傳遞至外護(hù)管短接頭，用于外護(hù)管螺紋扣的擰卸功能。主副回轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)為2個(gè)單獨(dú)操作系統(tǒng)，且主、副回轉(zhuǎn)器能同步推進(jìn)，這種設(shè)計(jì)能保證主回轉(zhuǎn)器有足夠的扭矩切割破碎鉆進(jìn)，保持中心鉆桿與外護(hù)管兩者前端的預(yù)留排渣間隙不變，以保證煤巖屑在兩管之間的環(huán)隙能正常通過并排除。

圖1 套管鉆進(jìn)裝置主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械手臂用于配合夾持器上卸外護(hù)管及其他的輔助作用，且有助于提高工作效率，降低勞動強(qiáng)度。

推進(jìn)機(jī)構(gòu)的油缸采用雙出頭形式，總頂推起拔能力達(dá)到3 000 kN，保障鉆具不會因卡鉆埋鉆等孔內(nèi)事故，導(dǎo)致鉆具丟失。

泵車是套管鉆進(jìn)裝置的動力源，由操作臺、防爆電機(jī)、雙聯(lián)泵、泥漿泵、電控箱、油箱、泵車底盤等部件組成，套管鉆機(jī)裝置泵車結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 套管鉆機(jī)裝置泵車結(jié)構(gòu)示意圖

防爆電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器帶動主、副泵工作，從油箱吸油并排出高壓油，經(jīng)操縱臺的控制和調(diào)節(jié)使主機(jī)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求工作。主、副泵采用世界先進(jìn)的LRDS負(fù)載敏感變量泵、此泵可根據(jù)需求，提供合適的流量和壓力，待機(jī)狀態(tài)下為小流量輸出，節(jié)能并且操作方便。

松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)裝置的性能參數(shù)如下：①主回轉(zhuǎn)器扭矩:20 000 N·m；②副回轉(zhuǎn)器扭矩：8 000 N·m；③主回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速：80 r/min；④鉆孔孔徑：320 mm；⑤外護(hù)管直徑：299 mm；⑥中心管直徑：102 mm；⑦頂推/起拔力：3 000 kN；⑧額定壓力：25 MPa。

4 松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)裝置的應(yīng)用

松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)裝置在山西某礦二盤區(qū)進(jìn)行了松軟煤層的大直徑長鉆孔的試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為聯(lián)絡(luò)巷。煤層平均厚度3.2 m，煤層傾角8°～11°，鉆孔與巷道夾角為90°，布置呈扇形分布的瓦斯抽放孔3個(gè)，孔口相距6 m，開孔高度1.5 m，鉆孔直徑320 mm，鉆孔仰角同煤層傾角。瓦斯抽放鉆孔布置圖如圖3。

圖3 瓦斯抽放鉆孔布置圖

松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)裝置的下支撐油缸提升，使履帶底盤離開地面50～80 mm，調(diào)整鉆進(jìn)傾角與煤層傾角相同。前、后端穩(wěn)鉆機(jī)構(gòu)支撐在巷道兩端煤壁。套管鉆進(jìn)裝置正常鉆進(jìn)時(shí)，工作壓力為3～4 MPa，鉆壓 350～500 kN，平均鉆進(jìn)速度 12 m/h（含上桿供水時(shí)間），出渣量為0.965 m3/h。

最終成孔1#孔成孔63.5 m，2#孔成孔104.2 m，3#孔成孔87.8 m。其中2#、3#孔使用套管鉆進(jìn)工藝施工，1#孔為中心鉆桿帶φ320 mm鉆頭直接成孔。成孔后下入公稱直徑225 mm規(guī)格的PE100材質(zhì)篩管，鉆孔采用聚氨酯封孔，封孔長度8 m，連接主管路，預(yù)抽本煤層瓦斯量。

φ320 mm大直徑鉆孔的抽采瓦斯流量為0.42 m3/min，抽采有效半徑1.5 m；而φ94 mm普通鉆孔的抽采瓦斯流量為0.04 m3/min，抽采有效半徑0.5 m；由此可知：大直徑鉆孔的抽采瓦斯流量是普通φ94 mm鉆孔的10倍以上，抽采有效半徑是普通鉆孔的3倍以上。也驗(yàn)證了大直徑套管鉆進(jìn)技術(shù)及裝備在松軟等復(fù)雜煤層應(yīng)用的可行性。

5 結(jié)語

介紹了大孔徑套管鉆進(jìn)一次性成孔技術(shù)及裝置,松軟煤層大直徑套管鉆進(jìn)技術(shù)及裝置研制成功，為我國在松軟低透氣性等地質(zhì)異常帶煤層的瓦斯抽采困難的問題，提供了更有成效的解決方案，提供了更效率的的先進(jìn)裝備。該裝置的成孔抽采瓦斯流量是普通鉆孔的10倍以上，瓦斯抽采的效率顯著的提高，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。