順煤層超長定向鉆孔復合鉆進摩阻規律研究

許 超，姜 磊，王 鮮，方 俊，陳 盼，劉 智

順煤層超長定向鉆孔復合鉆進摩阻規律研究

許 超，姜 磊，王 鮮，方 俊，陳 盼，劉 智

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下超長孔定向鉆進中孔內摩阻是限制其成孔率及成孔效率的主要因素，為適應大盤區瓦斯抽采模式的客觀需求，研究實鉆過程中摩阻及其影響規律。為順煤層超長定向鉆孔復合鉆進減摩阻工藝參數選取提供依據，對煤礦井下順煤層近水平復合鉆進工況下鉆柱的鉆具運動特性及受力狀態進行分析。通過一定的條件假設，建立復合鉆進軸向摩擦阻力和旋轉摩擦扭矩力學模型，通過數值計算，針對常用?89 mm定向鉆具組合，在不同孔深及鉆進工藝參數匹配下的摩阻規律特性進行分析。結果表明：機械鉆速、鉆具轉速、鉆孔深度是滑動摩擦阻力和旋轉摩擦扭矩的主控影響因素，與超長定向鉆孔實鉆參數統計分析對比，推進阻力和旋轉扭矩變化規律與模型計算結果吻合，該結果對于指導近水平鉆孔復合定向鉆進工藝參數選取、鉆進工況判斷具有重要的現實意義，同時，對于煤礦井下自動化、智能化定向鉆進控制系統設計開發具有借鑒意義。

近水平定向鉆進；復合鉆進；力學模型；滑動摩阻；摩擦扭矩；影響規律

我國煤礦井下定向鉆進技術裝備自“十一五”以來已取得長足進步，在煤礦井下瓦斯抽采、水害防治、隱蔽致災因素探查等領域發揮了重要作用[1]。“十二五”期間，我國煤礦井下大功率定向鉆進技術與裝備取得重大突破，順煤層定向鉆孔深度達到1 881 m[2]；近年來，國內一些高瓦斯礦井井下大盤區瓦斯超前治理要求井下順煤層定向鉆孔深度達到3 000 m以上，2017—2019年，工藝和裝備不斷創新和發展，陸續實現了深度2 311、2 570、3 353 m井下順煤層超長定向鉆孔，連續刷新了井下定向鉆孔深度的世界紀錄[3-4]。

隨著煤礦井下技術裝備向智能化發展，定向鉆進技術被賦予更多內涵，在從常規定向鉆進向自動化、智能化轉化的過程中，孔內多參數隨鉆測量信息融合及通過機器學習建立“大師系統”等是其發展的必由之路[5]，首先要了解鉆孔定向鉆進過程中系統參數隨孔深變化的規律。

煤礦井下近水平定向鉆進技術體系中，復合鉆進工藝以其高效、安全、低阻等技術優勢，在順煤層超長定向鉆孔鉆進成孔作業中發揮著極其重要的作用[6-7]，其中復合鉆進減阻特性是實現超長孔定向鉆進的關鍵。許多學者結合現場實際，從復合鉆進效率、軌跡平滑度、鉆進深度、排渣效果、鉆進阻力等方面對復合鉆進特點進行了分析，得出復合鉆進具有鉆進效率高、鉆進阻力小、鉆進安全性好、鉆進深度大等優勢[8-12]；徐寶龍等[13]在復合鉆進減阻特征研究中提出了轉滑比概念，運用動力學有限元分析方法研究了轉速和給進速度對摩阻的影響，得出了轉滑比與減阻效率的影響關系。目前對煤礦井下近水平超長孔定向鉆進中摩阻影響規律的研究缺乏多因素同時作用下的理論模型及解析解，對順煤層超長孔定向鉆進中減摩阻工藝參數的選取尚缺乏理論依據。

因此，本次研究從復合鉆進鉆柱運動及力學模型研究出發，結合井下定向鉆孔實鉆工況，開展復合定向鉆進減阻特性研究，并通過井下超長定向鉆孔實鉆數據進行結果驗證。由此為順煤層超長定向鉆孔復合鉆進工藝方法及參數選取提供指導，并為今后自動化、智能化定向鉆進系統設計提供理論依據。

1 復合鉆進減阻模型

1.1 理論依據

復合鉆進中的主要碎巖動力由孔底螺桿鉆具提供。由于煤體自身強度較低，較低的推進力(鉆壓)和扭矩便可以實現高效鉆進，淺孔近水平低鉆壓復合鉆進時，鉆具會貼著孔壁下緣做旋轉和軸向滑動的復合運動；圖1為煤礦井下2 570 m近水平順煤層超長定向鉆孔復合鉆進時，液壓系統推進壓力隨孔深變化曲線[14]，由圖1可知，煤層超長定向鉆孔鉆進過程中，復合鉆進推進壓力隨孔深增加變化很小，因此，超長孔條件下復合鉆進鉆具運動狀態與淺孔相似；此外，通過現場試驗孔口觀察，近水平順煤層超長定向鉆孔復合鉆進中，鉆具沿鉆孔孔壁下緣做平穩的旋轉和軸向滑動的復合運動。

圖1 復合鉆進推進壓力隨孔深變化曲線

根據復合鉆進鉆具運動特點得知，鉆進過程中鉆具與孔壁之間產生相對滑動，因此符合滑動摩擦理論，摩擦阻力計算可采用：

(1)

式中：為摩擦力，N；為動摩擦系數，無量綱；為法向壓力，N。

煤礦井下定向鉆桿采用鋼材，根據煤與鋼摩擦研究結果，動摩擦系數大小與煤的強度、法向力大小、摩擦相對運動速度等有關[15]。

1.2 條件假設

為方便分析，根據井下近水平復合鉆進技術特點做出如下假設[16]：

① 忽略煤的強度、法向力對摩擦系數的影響；

② 由于復合鉆進鉆桿與孔壁相對運動線速度一般不超過0.4 m/s，可近似忽略相對速度對動摩擦系數的影響，取常數0.38[15]；

③ 假設鉆具及鉆孔軸線沿直線延伸，在重力作用下，鉆具沿孔壁下緣分布，且鉆孔軌跡沿水平延伸；

④ 忽略鉆屑對鉆具造成的沿程阻力，僅考慮鉆具與孔壁之間正壓力形成的摩擦力；

⑤ 忽略鉆桿接頭對鉆桿力學性能的影響，將鉆桿柱簡化為相同材質、等徑連續圓管；

⑥ 鉆孔延伸方向上，煤層的力學參數相同。

1.3 運動與力學模型

根據假設，在長度鉆具上取微單元d為研究對象，復合鉆進過程中，d上質點運動可以分解為以1沿鉆具軸線的軸向運動和以轉速繞鉆具軸線的切向運動，鉆具軸向摩擦阻力和旋轉摩擦阻力模型分別如圖2和圖3所示[17-19]。

圖2 復合鉆進鉆具軸向摩擦阻力模型

圖3 復合鉆進鉆具旋轉摩擦阻力模型

如圖2所示，鉆具在孔口鉆機軸向推力T作用下克服孔底對鉆頭的阻力p以及鉆具軸向摩擦力F1沿軸向以速度1勻速運動，由此可得出鉆桿軸向滑動摩擦阻力F1為：

式中：F1為鉆桿柱與孔壁摩擦力的軸向分量，N；T為鉆進推進力，N；p為孔底對鉆頭的阻力(鉆壓)，N。

近水平復合鉆進狀態下，鉆桿柱微單元d橫截面受力如圖3所示，鉆桿柱在以轉速做順時針旋轉過程中，受孔壁動摩擦阻力d2作用，使孔壁與鉆桿柱外緣上點相切，并與孔壁之間做穩定的相對滑動，由此可以得出：

式中：為鉆柱重力(鉆具及其內部的沖洗液重力和)，N；F為鉆桿柱在孔內受到的浮力，N；N為孔壁作用在鉆桿柱上的正壓力，N；F2為鉆桿柱與孔壁摩擦力的切向分量，N；為與N夾角，(°)；為鉆桿柱克服摩擦阻力旋轉所需要的扭矩，N·m；為鉆桿外徑，m。

根據圖2和圖3，鉆桿柱上質點與孔壁上接觸點瞬時相對運動速度可分解為滑動鉆進機械鉆速1和鉆具旋轉引起切向速度2，從而有：

式中：1為滑動鉆進機械鉆速，m/s；2為鉆具旋轉引起的質點與孔壁之間切向相對速度，m/s；為2與之間夾角，(°)；為復合轉速，r/min；為鉆桿外徑，m。

根據滑動摩擦力與滑動速度方向相反定律，得知質點摩擦力dF方向與速度方向相反，dF沿1相反方向分量為鉆機推進力需要克服的鉆具軸向摩擦力dF1，沿2相反方向分量為鉆具旋轉需要克服的鉆具切向摩擦力dF2[20]，則有：

根據假設，鉆具沿孔壁下緣直線分布，鉆具摩擦力符合式(8)，得出

根據假設，積分得F1、計算公式為：

式中：1為鉆桿鋼材密度，kg/m3；2為沖洗液(水)密度，kg/m3；為重力加速度，取值9.8 m/s2；為鉆桿內徑，m；為鉆桿柱長度，m。

式(10)、式(11)表達的意義是外徑、內徑、長度的鉆桿柱，在復合鉆進工況下與孔壁之間相互摩擦作用而產生的軸向摩擦力和摩擦扭矩，鉆具長度、復合鉆進機械鉆速1和鉆具轉速是影響該兩項指標的主控因素。下面將針對現有的?89 mm定向鉆具，在不同孔深及鉆進工藝參數匹配的條件下進行摩阻規律特性分析。

2 復合鉆進摩阻特性分析

式(10)、式(11)中，摩擦系數、鉆桿外徑、鉆桿內徑、重力加速度、鉆桿材料密度1、沖洗液密度2均為已知，所以軸向滑動摩擦力F1與摩擦扭矩為鉆柱長度(孔深)、滑動鉆進速度1和轉速的函數，為了方便分析，結合井下定向鉆進實際，采用了3種計算分析方案。

2.1 摩阻隨復合轉速、鉆柱長度的變化規律

圖4、圖5分別為孔深=3 000 m時，復合鉆進轉速為10～80 r/min工況下的軸向摩擦阻力隨機械鉆速變化曲線。如圖4所示，相同轉速條件下，軸向摩擦阻力隨機械鉆速增加呈近似線性增加趨勢；隨著復合鉆進轉速增加，軸向摩擦阻力逐漸降低，且在相同機械鉆速條件下，轉速和軸向摩擦阻力近似成反比。

圖4 軸向摩擦阻力隨機械鉆速變化曲線

摩擦扭矩隨機械鉆速變化曲線如圖5所示，在相同轉速條件下，摩擦扭矩隨機械鉆速增加逐漸降低；相同機械鉆速條件下，復合轉速越高，摩擦扭矩越高；在相同孔深條件下，復合鉆進工藝參數區間范圍內，摩擦扭矩變化幅度很小，因此在實際鉆進中，基本可以忽略復合鉆進工藝參數對摩擦扭矩的影響。

圖5 摩擦扭矩隨機械鉆速變化曲線

2.2 摩阻隨機械鉆速、鉆柱長度的變化規律

圖6、圖7為機械鉆速1=36 m/h時，孔深分為500～3 000 m工況下的-F和-曲線。如圖6所示，相同孔深條件下，軸向摩擦阻力隨復合轉速增加而降低；0≤≤30 r/min時，轉速的微小增加便會引起軸向摩擦阻力的顯著降低，并且鉆孔深度越大，復合轉速對軸向摩擦阻力影響越大，復合鉆進減阻效果越好；30＜≤100 r/min時，隨著復合轉速的不斷增加，軸向摩擦阻力逐漸減小并趨于穩定；相同復合轉速條件下，鉆孔深度越大，軸向摩擦阻力越大。

圖6 軸向摩擦阻力隨復合轉速變化曲線

如圖7所示，在相同孔深條件下，隨著復合轉速增加，摩擦扭矩呈增加趨勢，但是當＞20 r/min時，摩擦扭矩變化近似趨于恒值；相同復合轉速條件下，鉆孔深度越大，摩擦扭矩越大。

圖7 摩擦扭矩隨復合轉速變化曲線

2.3 摩阻隨復合轉速、機械鉆速的變化規律

圖8、圖9為根據不同復合鉆進工況，給定不同、1組合時的-F1和-曲線。如圖8所示，在給定、1時，軸向摩擦阻力隨孔深增加呈線性增加趨勢；相同孔深和機械鉆速條件下，復合轉速越高軸向摩擦阻力越小；相同孔深和復合轉速條件下，機械鉆速越低軸向摩擦阻力越小。

圖8 軸向摩擦阻力隨孔深變化曲線

如圖9所示，摩擦扭矩隨鉆孔深度(鉆具長度)增加呈線性增長趨勢，且無論何種復合轉速和機械鉆速組合均不會對摩擦扭矩產生明顯影響，因此，復合鉆進摩擦扭矩大小僅與鉆孔深度有關。

圖9 摩擦扭矩隨孔深變化曲線

3 現場試驗及效果分析

2019年8—9月，在山西保德煤礦81210工作面，采用復合定向鉆進技術，成功完成了主孔深度3 353 m的順煤層超長定向鉆孔，創造了井下順煤層定向鉆孔深度紀錄。該孔施工總進尺4 428 m，主孔煤層鉆遇率100%，總進尺中的復合鉆進占比達到91.5%。

鉆孔施工過程中，根據鉆孔軌跡控制需要會不斷調整復合鉆進轉速和推進速度[1]，一個鉆孔施工數據難以支撐圖4—圖7的分析方法，通過實鉆基礎數據篩選，可以得出復合鉆進實鉆系統推進壓力和回轉壓力隨孔深變化的規律，推進壓力和回轉壓力分別為復合鉆進時推進油路和回轉油路的液壓油壓力，它們分別與推進力和回轉扭矩呈正比關系，因此，這兩個參數隨孔深變化趨勢也間接反應了軸向摩擦阻力和摩擦扭矩與孔深的關系。

如圖10所示，分別展示了兩種復合鉆進工況下推進系統壓力隨孔深變化曲線，受鉆進液壓系統固有初始壓力和鉆進碎巖動力需求等因素影響，曲線起始壓力大于0。兩種復合鉆進工況下曲線的線性擬合公式決定系數分別為2=0.870 4和2=0.960 3，符合圖9所示的復合鉆進軸向摩擦阻力隨孔深的線性變化趨勢；同時，也與圖9的機械鉆速越高、復合回轉轉速越低，曲線斜率越大的特點。

圖10 超長孔復合鉆進系統推進壓力隨孔深變化曲線

如圖11所示，分別展示了兩種復合鉆進工況下回轉系統壓力隨孔深變化曲線，同樣受鉆進液壓系統固有初始壓力和鉆進碎巖動力需求等因素影響，曲線起始壓力大于0。兩種復合鉆進工況下曲線的線性擬合公式決定系數分別為2=0.981 3和2=0.966 2，符合圖9所示的復合鉆進摩擦扭矩隨孔深的線性變化趨勢；同時，盡管兩種工藝參數相差較大，但曲線幾乎重合，通過計算，孔深0～3 000 m條件下，擬合的兩個公式結果偏差最大僅有3.9%，與圖9分析結果相吻合。

圖11 超長孔復合鉆進系統回轉壓力隨孔深變化曲線

此外，兩種復合鉆進工況下軸向摩擦阻力一直處于較低的水平；相同孔深下，不同復合鉆進工況下回轉動力輸出變化幅度不大。這符合圖4—圖7所得出的規律。

4 結論

a. 復合鉆進狀態下，機械鉆速、鉆具復合轉速和鉆孔深度是影響鉆具軸向摩擦阻力和旋轉摩擦扭矩的主控因素。

b. 低轉速復合鉆進時，少量的轉速增加，便會引起軸向摩擦阻力顯著降低，并且鉆孔深度越大，復合轉速對滑動阻力影響越大，復合鉆進減阻效果越好。復合鉆進工況下，旋轉摩擦扭矩僅與孔深相關(呈正比)，復合轉速和機械鉆速組合方法對其影響不大。

c. 超長定向鉆孔實鉆參數統計和分析結果表明，實際鉆進過程中，軸向摩擦阻力和摩擦扭矩變化規律與模型計算結果吻合，該結果對于指導近水平鉆孔復合定向鉆進(尤其是超長定向鉆孔復合鉆進)工藝參數選取、鉆進工況判斷具有重要的現實意義。

d. 與之前關于復合鉆進工藝相關研究對比，本文專門對復合鉆進減阻特性進行了深入分析，建立了運動和力學計算模型，并通過超長定向鉆孔實鉆數據進行了驗證，研究結果對于煤礦井下自動化、智能化定向鉆進控制系統設計開發具有借鑒意義。

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Friction law of compound drilling along the coal seam with super-long directional drilling

XU Chao, JIANG Lei, WANG Xian, FANG Jun, CHEN Pan, LIU Zhi

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The internal friction is the main factor affecting the drilling rate and drilling efficiency in super-long directional drilling in coal mines. In order to meet the objective demand of gas drainage mode in big panels, the friction and its influence law in drilling process are studied. To provide a basis for the selection of friction reduction process parameters of compound drilling along coal seam with super-long directional drilling, the drill string motion characteristics and stress state under the condition of near-horizontal compound drilling in the coal mine are analyzed. With certain conditional assumptions, the mechanical models of axial frictional resistance and rotational frictional torque of composite drilling are established. Under different hole depths and matching drilling process parameters, numerical calculations are carried out to analyze the friction law characteristics of the common ?89 mm directional assembly. The results reveal that the mechanical drilling speed, drilling rotation speed and drilling depth are the main controlling factors of sliding friction resistance and rotating friction torque. Compared with the statistical analysis of actual drilling parameters of super-long directional drilling,the changes of propulsion resistance and rotating torque are consistent with the calculation of the model. The result is of important practical significance for guiding the selection of technological parameters and drilling conditions of compound directional drilling near horizontal holes. Furthermore, it has referential significance for the design of automatic and intelligent directional drilling control system in underground coal mines.

near horizontal directional drilling; compound drilling; mechanical model; sliding friction; friction torque; influence law

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語音講解

P634

A

1001-1986(2021)05-0265-07

2021-01-28；

2021-04-25

國家科技重大專項課題(2016ZX05045-003)；中國煤炭科工集團有限公司科技創新創業資金專項項目(2018ZD004)

許超，1982年，男，陜西戶縣人，碩士，副研究員，研究方向為煤礦井下鉆探工藝技術研究及推廣工作. E-mail：xuchao@cctegxian.com

許超，姜磊，王鮮，等. 順煤層超長定向鉆孔復合鉆進摩阻規律研究[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(5)：265–271. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.030

XU Chao, JIANG Lei, WANG Xian, et al. Friction law of compound drilling along the coal seam with super-long directional drilling[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：265–271. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.030

(責任編輯 聶愛蘭)