井下定向鉆進用小直徑通纜水力振蕩器的研制

王 力，徐保龍，王 毅，黃寒靜，賈明群，馬 斌

井下定向鉆進用小直徑通纜水力振蕩器的研制

王 力1,2，徐保龍2，王 毅2，黃寒靜2，賈明群2，馬 斌2

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對煤礦井下定向鉆進過程中由于托壓效應引起的鉆進摩阻大、鉆進效率低、鉆孔深度受限等問題，提出通過鉆柱振動減阻的技術思路。采用理論分析和數值模擬進行激振力、激振頻率等關鍵技術參數的設計，研制?89 mm小直徑通纜水力振蕩器。在室內測試碟簧和圓柱彈簧兩種輔助復位原件結構的振蕩器性能，并在淮南張集煤礦井下進行實鉆試驗。結果表明：碟簧式水力振蕩器在300 L/min流量時，最大壓降1.9 MPa、激振力8.11 kN、頻率13 Hz，適合安裝在近鉆頭位置輔助減阻；圓柱彈簧式水力振蕩器頻率在300 L/min流量時，模擬測試150 m通纜定向管柱最大變形量2.86 mm，最大復位力7.98 kN，頻率11 Hz，適合安裝在鉆柱中間主要減阻；在張集礦井下–600 m疏水巷10號孔定向鉆進產生明顯托壓時使用圓柱彈簧式水力振蕩器，使平均鉆壓降低33%，鉆效提高126%，顯著降低鉆進摩阻，提高定向鉆進效率。研制的?89 mm小直徑通纜水力振蕩器為煤礦水平定向鉆進中托壓問題提供一種新的解決方法。

煤礦井下；定向鉆進；小直徑；水力振蕩器；通纜；淮南張集煤礦

目前煤礦硬巖定向鉆孔滑動鉆進時，當孔深達到一定程度后，鉆柱彎曲引起的累積摩阻問題突出，使鉆壓不能有效傳遞，產生托壓[1-3]，導致滑動定向鉆進效率大幅降低，增加了鉆進風險[4]。石油鉆井領域研究結果表明鉆柱振動能夠有效降低鉆柱摩阻，實現定向鉆井軌跡的長距離延伸[5-12]。對于硬巖層鉆進可在鉆柱的合適位置安裝水力振蕩器，水力振蕩器施加的軸向激振力一部分通過鉆柱傳遞至鉆頭，能夠在一定程度上提高硬巖層的鉆進效率[13-14]。石油鉆井用水力振蕩器工作流量為270~ 420 L/min、工作壓降3~5 MPa；而煤礦井下常規近水平定向鉆進用泥漿泵額定壓力一般不大于12 MPa，當孔深大于600 m后鉆具壓降和沿程水力損失之和一般大于7 MPa，再加上水力振蕩器壓降消耗，總水壓已接近泥漿泵額定壓力，對于深孔鉆進以及孔內事故處理都極為不利，且石油鉆井用水力振蕩器直徑大，結構上難以布置通信電纜，無法直接應用于煤礦井下有纜傳輸隨鉆測量定向鉆進。鑒于此，研制了煤礦井下用小直徑通纜水力振蕩器，并在淮南張集煤礦底板灰巖探放水定向孔鉆進中進行了現場應用試驗。

1 水力振蕩器結構設計

水力振蕩器主要結構分為通信部分、振蕩器主體部分，通信部分分為上通信部分和下通信部分。振蕩器主體包括上接頭、外管、活塞、復位部件(碟簧或圓柱彈簧是常用復位原件，通過振動測試確定復位部件)、擋圈、下接頭等。上接頭的作用是連接外管、上通信部分以及對活塞起到限位作用；外管起到活塞缸套作用，同時連接下接頭，通過四方孔將來自上部鉆柱的扭矩傳遞給下接頭的四方柱；活塞上面加工電纜孔、節流孔、泄壓孔，電纜孔為通信電纜的通過提供空間，節流孔使活塞上下兩腔產生壓力差進而推動活塞下行；泄壓孔在活塞下行至一定位移后打開，活塞上腔泄壓，在復位部件和鉆柱自身壓縮勢能的共同作用下開始復位。通信部位包括過度短節和通纜短接，過度短節靠近振蕩器主體一側通過擋圈限制通纜接頭向振蕩器主體方向運動，外端通過通纜短接進行限位。通纜短接及過度短節內通纜結構采用現有煤礦井下用?89 mm通纜鉆桿結構(圖1)。

振動功能具體實現原理為：振蕩器初始狀態時活塞處于最左邊位置，此時泄壓孔處于完全或絕大部分關閉狀態，來自上部鉆柱的沖洗液全部或絕大部分通過節流孔流向下部鉆柱，此時活塞左右兩腔會產生一定的壓力差，活塞在壓力差的作用下向前運動，其初始狀態如圖2所示。當活塞向前運動一定位移后，活塞上的泄壓孔打開，此時來自上部鉆柱的沖洗液分成兩路進入下接頭內孔，一路仍是沿著節流孔進入，另一路通過泄壓孔、外管腔體、流體返回孔進入下接頭內孔，此時活塞節流壓力變小，活塞在復位部件的作用下復位，如圖3所示。

圖1 煤礦井下水力振蕩器結構示意圖

圖2 振蕩器主體部分初始狀態

圖3 振蕩器主體部分泄壓狀態

2 水力振蕩器參數設計

2.1 強度確定

煤礦井下用?89 mm鉆柱的抗扭能力大于等于12 000 N·m，抗拉力大于等于1 000 kN，由于水力振蕩器安裝在?89 mm鉆柱上，和鉆柱的強度保持一致，設計的水力振蕩器強度參數為：?89 mm水力振蕩器設計抗扭能力大于等于20 000 N·m、抗拉力大于等于1 000 kN。

2.2 激振力確定

根據激振力與反激振力的大小決定應力波傳播的距離，為了使鉆孔深度高效延伸200~300 m，根據作用力與反作用力關系，需要解決振蕩器安裝點下部150 m鉆柱的摩阻。取鉆柱與孔壁之間的摩擦因數為0.3，鉆柱自重產生的摩擦力為6.75 kN，考慮到鉆柱沉渣對摩擦因數的影響，設計最大激振力8 kN。激振力的大小取決于活塞的面積和節流壓力，計算公式為：

式中：為激振力，N；Δ為活塞壓降，Pa；為活塞面積，m2。

將活塞面積代入式(1)即可得出所需壓降，根據壓降選擇節流水眼的大小。

2.3 激振頻率確定

一定激振力下，減阻效率隨激振頻率的增大而增加，當激振頻率大于6 Hz后減阻效率趨于穩定。如果外部激振頻率與前部鉆柱軸向振動的固有頻率相同，會引起共振導致鉆柱疲勞失效，因此，振蕩器的激振頻率應盡量避開鉆柱固有頻率。

根據動力學理論，將前部鉆柱假設為等截面直桿、底部約束、周圍不受鉆孔環空約束，忽略沖洗液、溫度等對鉆柱固有頻率的影響[15-19]，縱向振動第階固有頻率[20]為：

式中：ω為角速度，rad/s；為階次；為鉆柱長度，m；為密度，kg/m3。

根據表1結果，綜合考慮減阻效率和鉆柱軸向振動固有頻率，振蕩器頻率設計為10~20 Hz。

表1 150 m水平鉆柱的固有頻率

2.4 流場分析

對水力振蕩器進行流體動力學分析，得出節流壓力與位移的關系，以便指導安裝間隙從而得到理想的節流壓力效果。由圖4可知，當泄壓孔被活塞腔體完全密封，且流量為300 L/min時，4個節流孔的節流壓力數值模擬結果為3.5 MPa，節流壓力大于設計值。當泄壓孔伸出活塞缸體2 mm后，整個活塞的節流壓力迅速下降至1.1 MPa；當泄壓孔伸出活塞缸體3 mm后，整個活塞的節流壓力已下降至0.76 MPa；當泄壓孔完全打開后，整個活塞的節流壓力降至0.46 MPa。活塞泄壓孔與活塞腔體之間3 mm的位移內對節流壓力的影響最大，可以通過加墊片來調整泄壓孔與活塞腔體之間的位置，得到設計節流壓力，如圖5所示。

3 室內測試

3.1 振動測試方案

碟簧復位和圓柱彈簧復位是水力振蕩器常用的復位方式。水力振蕩器安裝在近鉆頭位置時，由于鉆柱剛度大、圓柱彈簧復位能力小易采用碟簧復位方式；當水力振蕩器安裝在鉆頭后面一定位置時，鉆柱可視為彈性體具備復位能力，圓柱彈簧起到輔助復位和限位作用，從而緩解托壓問題。根據煤礦井下定向鉆進配套泥漿泵能力、鉆柱特性以及鉆進工藝，對兩種復位方式進行測試。

圖4 不同位置的壓力場

圖5 活塞壓降與泄壓位移關系

a.碟簧式水力振蕩器測試 承受軸向負荷的碟狀彈簧，可以單個使用，也可多片碟簧組合使用，承受靜負荷或變負荷。如果單片碟簧不能達到行程要求時，采用由單片碟簧組成的對合組合碟簧組。如果安裝空間有限，而要達到較高的承載能力時，采用單片碟簧組成的疊合組合碟簧組。通過不同安裝方式可以調節碟簧組合的剛度和力學性能。不同碟簧組合，對應的總力值和總變形量的關系：

①單片應用：總力值=單片受力，總變形=單片變形；

② 2片疊合應用：總力值=單片受力×2，總變形=單片變形；

③ 2片對合應用：總力值=單片受力，總變形=單片變形×2；

④ 4片對、疊合組合：總力值=單片受力×2，總變形=單片變形×2。

振動頻率和碟簧剛度系數有關，通過不同結構形式的安裝與調試獲得預期的頻率輸出。如圖6所示，三片疊合方式(圖6a)比兩片疊合方式(圖6b)剛度系數大，頻率高。

圖6 碟簧不同組合方式

b.圓柱彈簧式水力振蕩器測試 圓柱彈簧式水力振蕩器安裝在鉆柱某一位置，靠前部鉆柱作為復位部件。如圖7所示，取振蕩器前端與其距離為的鉆柱微元d進行分析，忽略微元摩擦力，則微元應變d的表達式為：

式中：為彈性模量，Pa；為距離振蕩器長度，m；為密度，kg/m3；為摩擦因數；為鉆柱截面積，m2。

對式(4)兩邊積分，總變形的表達式為：

由式(5)計算，取激振力8 kN、摩擦因數0.2，對于150 m的?89 mm通纜定向管柱，其最大壓縮變形量為2.78 mm。圓柱彈簧式振蕩器測試安裝如圖8所示，最大變形量2.86 mm，最大復位力7.98 kN，與150 m的?89 mm通纜定向管柱理論計算輸出特性基本吻合。

圖8 圓柱彈簧測試安裝示意圖

3.2 振動測試系統

為了得到水力振蕩器壓降和頻率，對水力振蕩器進行振動性能測試。通過泥漿泵壓力表測量振蕩器壓降，通過壓力變送器采集振蕩器頻率。水力振蕩器室內測試系統如圖9所示。水力振蕩器通過夾持器固定在測試臺上，在振蕩器水力入口位置安裝壓力變送器，將水壓變化轉化成電阻的變化，電阻值的變化引起數據采集卡電路電流的振蕩，電流的振蕩通過示波器顯示，就可以得到水力振蕩器的振動頻率。

圖9 水力振蕩器測試系統

3.3 測試結果分析

對于2片碟簧對合式組合，測試頻率為4 Hz，達不到設計頻率要求。對于3片碟簧對合式組合測試表明：300 L/min流量時最大壓降1.9 MPa，激振力8.11 kN，頻率13 Hz；400 L/min流量時最大壓降3.1 MPa，激振力13.2 kN，頻率13 Hz，如圖10所示。由于碟簧剛度系數大，適合安裝在近鉆頭位置，起到減阻為輔的作用。對于圓柱彈簧水力振蕩器，模擬安裝在距鉆頭150 m鉆柱位置，此時鉆柱最大變形量2.86 mm，最大復位力7.98 kN，頻率為11 Hz，適合安裝在鉆柱中間，起到減阻為主的作用，如圖11所示。

圖10 3片碟簧對合式振動頻率測試(300 L/min)

圖11 圓柱彈簧式振動頻率測試(300 L/min)

3.4 通纜密封性能檢測

密封性是通纜水力振蕩器隨鉆測量時信號傳輸的關鍵性能，根據井下鉆進實際工況一般泵壓不超過10 MPa，如圖12所示，采用堵頭將水力振蕩器一端密封，從另一端進行打水，水壓升至10 MPa后穩定5 min，測試結果表明：打水前電阻值1.1 Ω，打水后電阻值1.15 Ω，測量通信接頭與外管之間電阻值10.2 MΩ，密封結構未失效。

圖12 水力振蕩器耐水密封性試驗

4 現場試驗

4.1 地質概況

試驗地點位于安徽省淮南礦業集團張集煤礦北區-600 m疏水巷和膠帶機巷，主要目標層為A1煤底板C3/3下灰巖層，該層位含水量較大、水壓高。經過巖心強度測試，該層巖石堅固性系數=7~8，屬于硬巖層，定向鉆進時易產生托壓現象。

4.2 鉆進情況

10號孔開孔位置位于一灰上部，開孔傾角–11.7°、開孔磁方位角353.3°，孔深70 m左右進入C3/3下灰巖層目標層位，鉆孔軌跡順目標層位延伸。淺孔段鉆效3~4 m/h，給進表壓平緩上升，孔深380 m時給進表壓升至5 MPa，鉆進效率下降至2 m/h。孔深425 m時給進表壓升至6.0~6.5 MPa，鉆進效率下降至1.5 m/h，產生了較嚴重的托壓現象。提鉆后在螺桿馬達后100 m鉆柱位置安裝水力振蕩器下鉆至孔底進行鉆進，終孔位置上下位移20.7 m、左右位移245 m，鉆孔軌跡如圖13所示。

4.3 效果分析

10號鉆孔在孔深350 m之前給進表壓由0.5 MPa緩慢增加至3 MPa，平均上升幅度0.36 MPa/50 m，起拔表壓由0 MPa緩慢增加至2 MPa，平均上升幅度0.29 MPa/50 m。為了減弱鉆柱托壓程度，水力振蕩器安裝在鉆頭后面100 m位置，選擇圓柱彈簧作為輔助復位部件。由圖14可見，孔深350~425 m給進表壓由3 MPa緩慢增加至6.5 MPa，平均上升速率2.3 MPa/50 m，起拔表壓由2 MPa緩慢增加至3 MPa，平均上升速率0.66 MPa/50 m，起拔表壓上升幅度處于正常范圍內，而給進表壓較之前上升速率大幅度增加，托壓現象明顯。安裝水力振蕩器后給進壓力由6.5 MPa降至3.5~4.0 MPa。

未安裝水力振蕩器之前，孔深350~425 m純鉆進效率由3 m/h逐漸降低至1.5 m/h，鉆進時泥漿泵壓力為5~6 MPa，不鉆進時泥漿泵壓力為4.5~5.0 MPa，鉆頭破碎巖石消耗泵壓0.5~1.0 MPa (圖15)。綜合圖14和圖15進行對比分析，取孔深400 m后，未安裝水力振蕩器之前，孔深400~425 m的平均給進表壓6 MPa、平均鉆效1.9 m/h；安裝水力振蕩器后的平均給進表壓降低了33%、平均鉆效提高了126%，泥漿泵壓力升高1.7~2.5 MPa。

圖14 –600 m疏水巷10號孔定向鉆進給進表壓統計

圖15 –600 m疏水巷10號孔鉆效與泥漿泵泵壓統計

5 結論

a. 研制的?89 mm水力振蕩器通過使鉆柱振動將鉆柱與孔壁的靜摩擦轉換為動摩擦，減小了鉆進過程中的摩阻，有效解決了煤礦井下近水平定向鉆進中的托壓問題，提高了鉆進效率和鉆進孔深。

b.該水力振蕩器為閥式結構，可中心通纜，水力參數利用率高，消耗壓降在2 MPa左右，適合目前煤礦井下定向鉆進系統泥漿泵壓力富余量小、有纜傳輸隨鉆測量定向鉆進巖層中深孔鉆進的減阻需要。

c. 煤礦井下定向鉆進時，水力振蕩器的安裝位置要根據鉆柱的結構和材料參數進行確定，安裝位置與水力振蕩器的性能參數、定向鉆進工藝的耦合關系仍需近一步研究。

d. 隨著煤礦井下定向鉆進技術在頂板高位孔、底板防治水鉆孔的大規模應用，以及更高壓力和更大流量泥漿泵的研制，應繼續進行更高減阻能力的水力振蕩器研制，以滿足煤礦井下深孔定向鉆進安全、高效施工的要求。

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Development of small diameter hydraulic agitator with cable for directional drilling in underground coal mine

WANG Li1,2, XU Baolong2, WANG Yi2, HUANG Hanjing2, JIA Mingqun2, MA Bin2

(1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2.Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Aiming at the problems of large drilling pressure, low drilling efficiency and limited hole depth caused by the backing effect of drill string during deep hole directional drilling in underground coal mine, the technical idea of using hydraulic agitator was proposed. The ?89 mm small diameter hydriculic agitator was designed based on valve principle, the exciting force, excitation frequency were identified, and the cabled sub was developed. The performance parameters of hydraulic agitator with disc spring and cylindrical spring were tested. The results show that when the flow rate of 300 L/min the disc spring hydraulic agitator has the maximum pressure drop of 1.9 MPa, the exciting force of 8.11 kN, the frequency of 13 Hz, can be installed near the bit for friction reduction partly. The maximum deformation of drill string is 2.86 mm, the reset force is 7.98 kN, the frequency is 11 Hz with cylindrical spring with 150 m cabled drill string under the flow rate of 300 L/min. The agitator was used when the baking pressure was obviously generated during drilling No.10 hole in –600 m drainage lane, in Zhangji coal mine of Huainan. The average drilling pressure was reduced by 33% and the average drilling efficiency was increased by 126%. The friction of drilling was significantly reduced and the efficiency of directional drilling was improved. The developed small-diameter ?89 mm cabled hydraulic agitator provides a solution for the backing pressure problem in horizontal directional drilling in coal mines.

underground coal mine; directional drilling; small diameter; hydraulic agitator; cabled; Zhangji coal mine in Huainan

P634.7

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.006

1001-1986(2020)02-0030-06

2019-11-13；

2020-02-10

國家科技重大專項任務(2016ZX05045-003-002)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2017XAYMS13)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2017XAYMS13)

王力，1981年生，男，陜西眉縣人，博士研究生，副研究員，從事煤礦井下鉆探技術研究與推廣應用工作. E-mail：wangli2@cctegxian.com

王力，徐保龍，王毅，等. 井下定向鉆進用小直徑通纜水力振蕩器的研制[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：30–35.

WANG Li，XU Baolong，WANG Yi，et al. Development of small diameter hydraulic agitator with cable for directional drilling in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：30–35.

(責任編輯 聶愛蘭)