機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)洗井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳云，余洋，涂偉

（寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

隨著近年來(lái)國(guó)家礦山開(kāi)采技術(shù)快速發(fā)展，很多新裝備、新材料、新技術(shù)、新工藝在地下礦山開(kāi)采中得到應(yīng)用，同時(shí)礦山開(kāi)采向深部發(fā)展，其中硬巖約占1/4左右。近年來(lái)國(guó)內(nèi)礦山深部開(kāi)采井筒建設(shè)裝備和施工工藝也得了快速發(fā)展，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、北京中煤礦山工程有限公司煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室等在機(jī)械破巖方面做了大量的研究工作。為進(jìn)一步研究鉆井機(jī)械破巖過(guò)程中巖石內(nèi)部變化機(jī)理等，研發(fā)全斷面機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)，研究全斷面模擬試驗(yàn)鉆機(jī)洗井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，模擬鉆井實(shí)際工況環(huán)境，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為礦山深部開(kāi)采建井提供數(shù)據(jù)支持[1-5]。

1 機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)洗井系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，反井鉆機(jī)導(dǎo)孔過(guò)程中，泥漿泵將高壓洗井液從反井鉆機(jī)動(dòng)力頭主軸中心孔送入，沿鉆桿中心孔向下輸送至鉆頭，再將鉆渣從鉆桿和孔壁形成的環(huán)形腔排至地面，泥漿泵工作壓力根據(jù)到孔深度確定，洗井液只有在高壓狀態(tài)下鉆渣才能從鉆桿和孔壁形成的環(huán)形腔排至地面，隨著鉆孔深度的增加，導(dǎo)向鉆頭處的水壓也隨著增加，當(dāng)鉆深達(dá)到1000 m時(shí)，孔深度形成水壓超過(guò)10 MPa，泥漿泵提供較小的工作壓力，鉆渣就可以排到地面，泥漿泵工作壓力一般在5 MPa以下，鉆頭的工作壓力達(dá)到15 MPa左右，但反井鉆機(jī)輸出主軸內(nèi)部的工作壓力就是泥漿泵提供的壓力，相對(duì)較低[6-8]。

圖1 反井鉆機(jī)洗井液循環(huán)原理示意圖

全斷面機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)洗井系統(tǒng)要真實(shí)模擬鉆井環(huán)境，模擬鉆頭在實(shí)際高壓環(huán)境下的破巖狀態(tài)，獲取破巖數(shù)據(jù)，研究破巖機(jī)理。因此試驗(yàn)鉆機(jī)鉆頭所在的空間設(shè)計(jì)成高壓腔體，模擬鉆井深度只有1.6 m，鉆井深度形成的壓力很小，需洗井系統(tǒng)提供15 MPa左右的工作壓力才能模擬實(shí)際鉆井環(huán)境，鉆桿與試驗(yàn)臺(tái)之間形成高壓動(dòng)密封，如圖2所示。由泥漿泵提供的高壓洗井液從試驗(yàn)鉆機(jī)動(dòng)力頭主軸中心孔與回液管形成的環(huán)形腔中送入，沿鉆桿中心孔向下輸送至鉆頭，再將鉆渣從主軸中心孔中向上排出，經(jīng)過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾后進(jìn)入泥漿泵水箱，實(shí)現(xiàn)洗井液的工作循環(huán)，整個(gè)洗井系統(tǒng)壓力達(dá)到15 MPa左右。

圖2 全斷面試驗(yàn)鉆機(jī)洗井液循環(huán)原理示意圖

2 機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)洗井系統(tǒng)功能分析

2.1 排渣功能

機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)洗井排渣與反井鉆機(jī)排渣方式不同，高壓洗井液和鉆渣混合液不能直接排放到地面，需要收集處理。全斷面試驗(yàn)鉆機(jī)模擬大直徑一次鉆井成型，鉆井直徑為1200 mm（也就是鉆頭直徑），而且是模擬高壓環(huán)境下機(jī)械破巖，鉆桿和鉆頭鉆成的孔形成的環(huán)形腔體截面過(guò)大，高壓洗井液不能將鉆渣直接從鉆桿外側(cè)排放，需經(jīng)過(guò)鉆桿和動(dòng)力頭主軸中心從試驗(yàn)鉆機(jī)頂部排出，進(jìn)入分離系統(tǒng)。

2.2 鉆渣分離功能

機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)排出的高壓洗井液和鉆渣混合液直接進(jìn)入專用泥漿分離機(jī)進(jìn)行分離處理，處理后的洗井液接入泥漿泵水箱，高壓洗井液工作過(guò)程形成循環(huán)閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)工作液的循環(huán)再利用。

3 機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)洗井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)工作原理和特性決定了主機(jī)內(nèi)部洗井系統(tǒng)與反井鉆機(jī)結(jié)構(gòu)和工作壓力完全不同，其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，工作壓力更高。如圖3所示，反井鉆機(jī)高壓洗井液從動(dòng)力頭輸出主軸上部安裝在動(dòng)力頭上的液壓管路經(jīng)過(guò)輸出主軸中心孔，沿鉆桿中心孔到達(dá)鉆頭處，回液通過(guò)鉆桿與導(dǎo)孔形成的環(huán)形孔排到地面，不經(jīng)過(guò)主機(jī)內(nèi)部[6-8]。旋轉(zhuǎn)的輸出主軸上端與固定在動(dòng)力頭上的液壓管路直徑通過(guò)帶有高壓密封的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)洗井液高壓通道固定到旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，工作壓力不大于5 MPa。

圖3 反井鉆機(jī)動(dòng)力頭

機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)洗井系統(tǒng)與反井鉆機(jī)的最大區(qū)別是高壓洗井液進(jìn)回口都在動(dòng)力頭上端，進(jìn)回液都要經(jīng)過(guò)主軸和鉆桿中心孔，主軸和鉆桿中心孔需設(shè)計(jì)成雙層通道，而且工作壓力高，達(dá)到15 MPa 左右。同時(shí)鉆頭所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的傳感器電纜沿鉆桿引出，鉆桿不僅要傳遞鉆井轉(zhuǎn)矩，還要與試驗(yàn)臺(tái)導(dǎo)向孔之間形成高壓動(dòng)密封，實(shí)現(xiàn)鉆頭在高壓環(huán)境中工作模擬真實(shí)工況環(huán)境，機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)高壓洗井液進(jìn)回管路和鉆桿結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)

為解決高壓洗井液進(jìn)回管路（靜止）與動(dòng)力頭輸出主軸（旋轉(zhuǎn)）連接及進(jìn)回液分離的難題，在動(dòng)力頭輸出主軸中心孔設(shè)計(jì)了可更換的中心管，上端與動(dòng)力頭頂部固定的回液管路連接，下端升至鉆頭底部，動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中中心管始終靜止。中心管外圓與動(dòng)力頭輸出主軸中心孔形成的環(huán)形腔體為高壓洗井系統(tǒng)在動(dòng)力頭內(nèi)部的進(jìn)液管路，高壓洗井液經(jīng)過(guò)輸出主軸和鉆桿從鉆頭側(cè)面排出，鉆頭底部的鉆渣沖進(jìn)中心管，沿中心管向上排出。動(dòng)力部上端進(jìn)液口與回液口設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，與動(dòng)力頭輸出主軸之間通過(guò)可伸縮的高壓動(dòng)密封結(jié)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)洗井液安裝在動(dòng)力頭靜止不轉(zhuǎn)的進(jìn)出口管路與可旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力頭輸出主軸的高壓密封動(dòng)連接。根據(jù)流量大小要求設(shè)計(jì)洗井液井回管路截面大小。

全斷面機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)模擬鉆井過(guò)程中，鉆桿在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向下低速移動(dòng)，鉆頭在充滿高壓洗井液的腔體中工作，鉆桿與工作臺(tái)之間設(shè)計(jì)了高壓動(dòng)密封裝置，使高壓洗井系統(tǒng)和模擬試驗(yàn)鉆機(jī)鉆頭工作空間形成高壓密封環(huán)境，真實(shí)模擬反井鉆機(jī)鉆井工況，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。鉆桿設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層鉆桿與動(dòng)力頭輸出主軸連接，傳遞鉆頭工作轉(zhuǎn)矩，外層與鉆頭連接，鉆井過(guò)程中起導(dǎo)向作用。兩層之間布置監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳感器電纜。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究全斷面機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)高壓洗井系統(tǒng)原理和功能，結(jié)合試驗(yàn)鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出主軸和鉆桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了在實(shí)驗(yàn)室可以模擬反鉆鉆機(jī)實(shí)際工作環(huán)境的高壓洗井液壓回路和多功能鉆桿結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出主軸和鉆桿中心孔中設(shè)計(jì)了高壓洗井液進(jìn)回通路，將進(jìn)回液口設(shè)計(jì)在試驗(yàn)鉆機(jī)動(dòng)力頭頂部，實(shí)現(xiàn)了洗井液和鉆渣的回收，避免污染實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境。主要解決了全斷面機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)高壓洗井系統(tǒng)3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：1）洗井液工業(yè)系統(tǒng)與主機(jī)和模擬鉆井井孔形成的高壓模擬試驗(yàn)系統(tǒng)；2）全斷面機(jī)械破巖模擬試驗(yàn)鉆機(jī)高壓洗井系統(tǒng)與主機(jī)動(dòng)力頭輸出主軸之間洗井液進(jìn)回雙層動(dòng)靜轉(zhuǎn)化的高壓密封結(jié)構(gòu)；3）具有導(dǎo)向、傳遞轉(zhuǎn)矩和進(jìn)給力、輸送洗井進(jìn)回液等功能的多層鉆桿。