復(fù)雜地層定點(diǎn)注漿加固工藝高壓密封鉆桿的研制

潘小葉，孫利海

1瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400039

2中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，井下鉆孔施工過程中經(jīng)常鉆遇斷層、陷落柱等構(gòu)造破碎地層。在構(gòu)造破碎地層中鉆進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆和抱鉆等情況，導(dǎo)致成孔性差、成孔深度淺及發(fā)生孔內(nèi)事故等問題，雖然近年來(lái)各科研院所經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，形成了諸如開分支繞開破碎地層、大傾角穿越破碎地層、分段擴(kuò)孔鉆進(jìn)、復(fù)合定向鉆進(jìn)、下套管護(hù)孔及注水泥漿加固等工藝，但使用效果均不理想[1-13]。為此，重慶煤科院經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出了復(fù)雜地層護(hù)孔鉆進(jìn)工藝與裝備，其中針對(duì)構(gòu)造破碎地層采用定點(diǎn)注漿加固工藝，以固結(jié)破碎地層孔段，并有效提高該破碎孔段的承壓，達(dá)到護(hù)孔鉆進(jìn)的目的。該工藝配套使用的高壓密封鉆桿是注漿加固成功與否的關(guān)鍵部件，要求該鉆桿在高壓注漿時(shí)嚴(yán)密不漏漿，且為了保證注漿的效率及漿液頂替效果，對(duì)鉆桿的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求很高。目前市面上已有的鉆桿主要靠螺紋連接，采用內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)，高壓注漿下容易漏漿，保壓性能差，且不能保證漿液頂替干凈，為此研制了一種滿足定點(diǎn)注漿加固工藝要求的高壓密封鉆桿。

1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)定點(diǎn)注漿加固工藝的要求，高壓密封鉆桿需能確保定點(diǎn)注漿封固裝置的下放和回收，滿足注漿系統(tǒng)高壓注漿要求，嚴(yán)密不漏漿，且注漿通道不能出現(xiàn)卡阻問題。作為定點(diǎn)注漿加固工藝的重要環(huán)節(jié)，高壓密封鉆桿必須具有高強(qiáng)度，注漿通道必須具有良好的密封性，通道不能有局部凸起。目前常用鉆桿內(nèi)壁通常為內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)，即使有內(nèi)通孔結(jié)構(gòu)的鉆桿，其內(nèi)通孔的尺寸不能滿足頂替工具通過，不能滿足工藝要求。為了配合注漿頂替工具通過，高壓密封鉆桿內(nèi)通孔的直徑設(shè)計(jì)成 35 mm，且為了減輕鉆桿質(zhì)量將其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙壁式，鉆桿內(nèi)增設(shè)內(nèi)管通道，采用插接式連接。為了保證保壓密封效果，高壓密封鉆桿采用螺紋結(jié)合密封圈的形式進(jìn)行密封，且預(yù)留了一定安全余量，采用插接式雙密封圈式密封結(jié)構(gòu)，以確保注漿保壓效果。

2 鉆桿設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓密封鉆桿主要由鉆桿體、擋圈、內(nèi)管體以及O 形密封圈等組成，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。鉆桿體與內(nèi)管體由擋圈與內(nèi)管體臺(tái)階進(jìn)行固定，便于拆裝與維護(hù)；內(nèi)管體螺紋接頭處設(shè)計(jì)成倒角結(jié)構(gòu)，具有一定導(dǎo)向作用，防止鉆桿加接過程中出現(xiàn)阻卡及損壞情況；內(nèi)管體外接頭處設(shè)置 2 個(gè) O 形密封圈，保證注漿作業(yè)過程中不漏漿和保壓；內(nèi)管體內(nèi)壁設(shè)計(jì)成內(nèi)平結(jié)構(gòu)，注漿結(jié)束后注漿材料能被頂替干凈，防止鉆桿損壞[14-15]。注漿作業(yè)時(shí)，注漿材料通過注漿泵及高壓管線進(jìn)入高壓密封鉆桿內(nèi)管體內(nèi)壁后，經(jīng)過注漿裝置進(jìn)入地層；注漿結(jié)束后，頂替液將鉆桿內(nèi)管體的注漿材料頂替干凈，防止鉆桿損壞，保障鉆桿在后續(xù)高壓注漿作業(yè)過程中注漿保壓和防止漏漿功能正常，保證高壓注漿的加固效果。

圖1 鉆桿結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of drill pipe

2.2 強(qiáng)度計(jì)算

在定點(diǎn)注漿加固作業(yè)過程中，高壓注漿系統(tǒng)通過管路與高壓密封鉆桿進(jìn)行連接，且高壓密封鉆桿前端與定點(diǎn)注漿封固裝置相連接。為了保證鉆桿工作的可靠性，保障定點(diǎn)注漿加固效果與工具安全，需對(duì)鉆桿外管的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，以確保鉆桿的性能參數(shù)能滿足定點(diǎn)注漿加固工藝的需求，具有較高的抗扭強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等綜合機(jī)械性[16-17]。

2.2.1 靜轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度

為保證鉆桿接頭和桿體均具有較好的綜合機(jī)械性能，將鉆桿設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)，接頭螺紋部位采用鐓粗工藝，外螺紋接頭采用加厚設(shè)計(jì)，整體選用 42CrMo材料，其許用抗拉強(qiáng)度 [σb]=945 MPa，調(diào)質(zhì)處理，32-38HRC，螺紋表面 QPQ 處理，49-55HRC，以保證鉆桿的整體強(qiáng)度和表面硬度。

靜轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度可由下式計(jì)算

式中：[T] 為鉆桿所允許的最大靜轉(zhuǎn)矩，N·m；[τ] 為鉆桿所用抗轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度，取 [τ]=0.57 [σb]=484.5 N·m；Wt為抗扭截面系數(shù)；D為鉆桿外徑，D=76 mm；d為鉆桿內(nèi)徑，d=68.983 mm。

鉆桿的最大抗轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度以鉆桿最薄弱的截面計(jì)算為準(zhǔn)。對(duì)高壓密封鉆桿螺紋接頭和桿體進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)螺紋接頭危險(xiǎn)剖面的許用靜轉(zhuǎn)矩為 13 408.45 N·m、外螺紋接頭危險(xiǎn)剖面的許用靜轉(zhuǎn)矩為 21 405.80 N·m，中間桿體的許用靜轉(zhuǎn)矩為 27 581.21 N·m。由此可知，內(nèi)螺紋接頭是高壓密封鉆桿最薄弱的部位，其危險(xiǎn)剖面的許用靜轉(zhuǎn)矩為 13 408.45 N·m。與其配套使用的鉆機(jī)提供的最大轉(zhuǎn)矩為 6 000 N·m，故高壓密封鉆桿的安全系數(shù)為 2.23，抗扭強(qiáng)度足夠。

2.2.2 抗拉強(qiáng)度

在定點(diǎn)注漿加固作業(yè)過程中，鉆桿還要承受鉆機(jī)的起拔力 (主要是在退鉆回收定點(diǎn)注漿封固裝置過程中受到起拔力)，為保證鉆桿具有足夠的抗拉強(qiáng)度，需對(duì)鉆桿接頭螺紋以及中間桿體的危險(xiǎn)剖面所受的拉力進(jìn)行驗(yàn)算，與鉆機(jī)的最大起拔力進(jìn)行對(duì)比，具有足夠的安全系數(shù)才能保證鉆具安全。

鉆桿的拉力可由下式計(jì)算

式中：F為鉆桿在某一截面所承受到的拉力，kN；A為鉆桿計(jì)算截面的面積，mm2。

通過計(jì)算可知，高壓密封鉆桿內(nèi)螺紋接頭危險(xiǎn)剖面許用拉力為 754.69 kN，外螺紋接頭危險(xiǎn)剖面許用拉力為 1 727.53 kN，中間桿體許用拉力為 1 789.28 kN。由此可知，高壓密封鉆桿受拉最薄弱的部位也在內(nèi)螺紋接頭的螺紋部件，該處僅能承受 754.69 kN 的拉力，而鉆機(jī)可提供的最大起拔力為 200 kN，因此該鉆桿的安全系數(shù)可達(dá) 3.77，抗拉強(qiáng)度足夠。

3 試驗(yàn)與改進(jìn)情況

3.1 試驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證所研制的高壓密封鉆桿的性能及注漿加固效果，進(jìn)行了性能試驗(yàn)和工業(yè)性試驗(yàn)。性能試驗(yàn)主要是驗(yàn)證高壓密封鉆桿的注漿保壓性能，采用高壓泥漿泵通過管路與高壓密封鉆桿進(jìn)行連接，如圖 2所示，按照 5、10、15、20、25、30 MPa 等 6 個(gè)壓力等級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)。泥漿泵壓力從 5 MPa 逐步升至 30 MPa，鉆桿沒有出現(xiàn)漏漿以及損壞的情況，能滿足注漿保壓與密封的要求。

圖2 保壓性能試驗(yàn)Fig.2 Test for pressure holding performance

然后與 ZYWL-6000DS 型全液壓定向鉆機(jī)配套使用，如圖 3 所示，驗(yàn)證該鉆桿加接效果以及漿液頂替效果。利用清水進(jìn)行頂替時(shí)，漿液頂替效果良好，但鉆桿在加接過程中存在內(nèi)外管不同心、裝拆困難等問題，使用不方便，需要進(jìn)行改進(jìn)，以滿足定點(diǎn)注漿加固工藝的需要。

圖3 工業(yè)性試驗(yàn)Fig.3 Industrial test

3.2 改進(jìn)情況

針對(duì)高壓密封鉆桿在試驗(yàn)過程中所暴露的問題，進(jìn)行了部分改進(jìn)。

(1) 鉆桿內(nèi)外管采用過渡配合，裝拆困難，不利于維修及保養(yǎng)。為此在鉆桿外管體內(nèi)壁臺(tái)階處銑槽并加設(shè)擋圈，用于固定內(nèi)管體，以便于拆裝及維護(hù)。

(2) 鉆桿內(nèi)管體內(nèi)、外螺紋接頭錐度過小，導(dǎo)向作用差，鉆桿加接過程中容易出現(xiàn)阻卡問題，導(dǎo)致鉆桿損壞。為此將鉆桿內(nèi)管體內(nèi)、外螺紋接頭錐度增大，有效解決了鉆桿加接過程中阻卡問題，防止鉆桿在加接過程中出現(xiàn)損壞。

經(jīng)過改進(jìn)試制的一批高壓密封鉆桿在煤礦井下進(jìn)行了定點(diǎn)注漿加固現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中高壓密封鉆桿加接簡(jiǎn)便，未出現(xiàn)漏漿情況，最高注漿保壓壓力達(dá)到 12 MPa，最大注漿流量達(dá)到 150 L/min，有效保障了定點(diǎn)注漿加固效果，使得定向鉆孔順利穿越破碎地層孔段并鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。根據(jù)高壓密封鉆桿的實(shí)際使用條件，并經(jīng)過性能試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定了鉆桿的主要尺寸和性能參數(shù)，如表 1 所列。

表1 鉆桿參數(shù)Tab.1 Parameters of drill pipe

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜地層定點(diǎn)注漿加固工藝能有效解決鉆遇構(gòu)造破碎地層中出現(xiàn)塌孔、卡鉆和抱鉆等情況，解決了構(gòu)造破碎地層鉆進(jìn)存在成孔性差、成孔深度淺以及孔內(nèi)事故等問題。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，新研制的高壓密封鉆桿與鉆機(jī)進(jìn)行配套使用時(shí)安全系數(shù)高，保壓性能好，嚴(yán)密不漏漿，有效保障了定點(diǎn)注漿加固效果，使得定向鉆孔順利穿越破碎地層孔段并鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，滿足了使用要求。