井下回轉(zhuǎn)鉆孔防斜鉆具研制與應(yīng)用

徐樹斌

1煤礦災(zāi)害防控全國重點(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

我國約 95% 的煤礦開采是井下作業(yè)，井下地質(zhì)條件極為復(fù)雜，煤礦開采受到瓦斯、水、火、粉塵、頂板、地溫、地壓等七大自然災(zāi)害的威脅。井下鉆探在瓦斯、水、頂板災(zāi)害治理方面有著重要作用。但由于地層傾角、軟硬交替地層、鉆具自重、施工工藝等因素影響，實(shí)際鉆孔軌跡會(huì)偏離設(shè)計(jì)軌跡，從而為煤層后續(xù)開采埋下安全隱患。

針對鉆孔存在的偏斜現(xiàn)象，國內(nèi)進(jìn)行了大量研究，并根據(jù)實(shí)際情況提出了相應(yīng)的糾斜方法。一般而言，預(yù)防鉆孔偏斜的方法有 3 種：①結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造設(shè)計(jì)鉆孔，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)不同的鉆孔位置，如針對軟硬交錯(cuò)較為復(fù)雜的地層，設(shè)計(jì)的鉆孔方向要盡量和層理面垂直；② 改變鉆具的運(yùn)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，如采取輕鉆壓、慢轉(zhuǎn)速等；③采用某些器具控制或改變鉆具的軸線方向，如扶正器、各種偏心楔等。許彥鵬等人[1]利用鉆孔測斜儀對抽采順層孔偏斜規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對偏斜主要影響因素進(jìn)行了分析；焦聚博等人[2]從扶正器保直鉆進(jìn)技術(shù)、水力保直鉆進(jìn)技術(shù)、取心保直鉆進(jìn)及定向技術(shù)保直 4 個(gè)方面對保直鉆進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述；樊陽洋[3]在對偏斜規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了φ94 mm 鉆頭+φ94 mm 刻槽鉆桿+反向鉆頭+三棱鉆桿的保直防斜鉆具；劉學(xué)通等人[4]針對傳統(tǒng)的扶正器防斜進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了護(hù)板可拆卸式的防斜裝置；王紅勝等人[5]針對李雅莊煤礦 2603 工作面卸壓瓦斯抽采鉆孔軌跡偏移嚴(yán)重的問題，提出了角度補(bǔ)償糾偏方法，并提出了鉆孔糾偏效果評(píng)價(jià)指標(biāo)；王力[6]結(jié)合試驗(yàn)地點(diǎn)的巖層特性和鉆孔設(shè)備，采用了保直穩(wěn)定組合鉆具，通過穿層鉆孔的鉆進(jìn)試驗(yàn)，使鉆孔的偏斜問題得到一定的解決。雖然國內(nèi)外對鉆孔偏移的問題進(jìn)行了大量研究，也提出了諸多糾正方法，但是仍然存在一些問題：現(xiàn)有的保直防斜裝置精度較差，滿足不了抽采鉆孔保直防斜的要求；現(xiàn)有的保直防斜技術(shù)裝置不成熟，不能保證正常施工作業(yè)，容易出現(xiàn)退鉆等問題，仍然沒有在煤礦推廣應(yīng)用。

筆者在粗徑鉆具的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套反循環(huán)鉆具，以解決鉆孔軌跡嚴(yán)重偏斜問題。該鉆具利用鉆桿內(nèi)徑保障排渣通道，降低粗徑鉆具對孔壁的擾動(dòng)，減少排渣量，降低卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

1 工藝原理

粗徑鉆具保直鉆進(jìn)技術(shù)是目前煤礦井下運(yùn)用較多的保直方法，其主要原理是與鉆頭連接的鉆具外徑級(jí)差不大于 3 mm，減小環(huán)空間隙，增大孔底鉆具剛性，保證鉆孔的直線性。該工藝常見的為扶正器保直技術(shù)和取芯保直鉆進(jìn)技術(shù)。但該工藝由于孔底環(huán)空間隙較小，孔底鉆屑不易排出，容易發(fā)生卡鉆、埋鉆等事故。

粗徑鉆具局部反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是采用雙壁反循環(huán)鉆桿配合相應(yīng)規(guī)格反循環(huán)鉆頭，構(gòu)成粗徑鉆具組合，利用粗徑鉆具的側(cè)向支撐力實(shí)現(xiàn)鉆孔保直；同時(shí)利用雙壁鉆桿的中心通道及流道切換接頭將鉆渣排至后端環(huán)空，從而實(shí)現(xiàn)孔底局部反循環(huán)，如圖1 所示。該技術(shù)既有效利用了粗徑鉆具在保直工藝上的優(yōu)勢，又能夠發(fā)揮反循環(huán)工藝排渣能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 粗徑鉆具局部反循環(huán)鉆進(jìn)示意Fig.1 Sketch of local reverse circulation drilling with large diameter drill tool

2 鉆具研制

2.1 雙壁鉆桿設(shè)計(jì)

雙壁鉆桿是反循環(huán)介質(zhì)的重要通道，不僅要提供排渣介質(zhì)下行通道和鉆渣上返通道，還要傳遞鉆壓、轉(zhuǎn)矩，設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循以下原則。

(1) 雙壁鉆桿外管及內(nèi)管材料選用高強(qiáng)度無縫鋼管，確保鉆桿的強(qiáng)度和韌性滿足施工強(qiáng)度要求。

(2) 鉆桿密封性能良好，保證內(nèi)管與外管環(huán)空和內(nèi)管通道的密封性；同時(shí)鉆桿內(nèi)壁盡量平滑，降低環(huán)空流體阻力，減小壓力損失。

基于上述原則，確定雙壁鉆桿由外管、內(nèi)管及支撐環(huán)組成，如圖2 所示。鉆桿外徑為φ89 mm，外管通過螺紋連接，內(nèi)管采用插接式連接。外管總體結(jié)構(gòu)為內(nèi)外平式結(jié)構(gòu)；考慮內(nèi)管使用過程中易損壞，為了便于維修更換，內(nèi)管采用 3 段式組合結(jié)構(gòu)[7]。

圖2 雙壁鉆桿總體結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sketch of overall structure of double-wall drill pipe

如圖3 所示，鉆桿接頭設(shè)計(jì)為雙頂結(jié)構(gòu)，增加了接頭臺(tái)肩接觸面積，提高了鉆桿接頭的抗扭和抗彎能力；螺紋連接后，公螺紋可將母螺紋大端包覆，抑制母螺紋脹扣；螺紋設(shè)計(jì)為大螺距，增加了螺紋的接觸面，提高了連接的定心精度及連接剛性，使螺紋受力均勻，傳遞轉(zhuǎn)矩大，且密封性能好[8]。

圖3 雙壁鉆桿接頭雙頂結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Sketch of joint with double-roof structure of double-wall drill pipe

為了檢測鉆桿的抗扭強(qiáng)度，對其進(jìn)行轉(zhuǎn)矩檢測，采用勻速加載的方式逐漸施加載荷，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 鉆桿抗扭加載試驗(yàn)曲線Fig.4 Curve of torsion resistance test using loading method for drill pipe

2.2 反循環(huán)鉆頭設(shè)計(jì)

反循環(huán)鉆頭的主要作用是改變沖洗液的流向，迫使沖洗液向鉆頭中心部分流動(dòng)，使其攜帶煤巖屑上返。借鑒地勘領(lǐng)域反循環(huán)概念和設(shè)計(jì)理念，同時(shí)參考煤礦常用鉆頭結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了如圖5 所示的反循環(huán)鉆頭[9]。反循環(huán)鉆頭鉆頭內(nèi)管內(nèi)徑為φ28 mm，與雙壁鉆桿內(nèi)母接頭插接式連接。為防止進(jìn)入內(nèi)管的鉆屑顆粒過大形成堵塞，在鉆頭前部入口處焊接 4 片 PDC復(fù)合片，覆蓋入口約 1/4 的面積，從而在鉆頭旋轉(zhuǎn)切削過程中，進(jìn)入內(nèi)管的鉆屑粒徑始終小于內(nèi)管面積。

圖5 反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Sketch of reverse circulation drill bit

2.3 流道轉(zhuǎn)換接頭設(shè)計(jì)

流道轉(zhuǎn)換接頭是孔底實(shí)現(xiàn)正循環(huán)與反循環(huán)轉(zhuǎn)換的重要部件。流道轉(zhuǎn)換接頭由外管體、內(nèi)管和交換座三部分組成，如圖6 所示。交換座坐落于外管錐形腔內(nèi)，通過銷軸與支撐環(huán)分別實(shí)現(xiàn)周向與軸向的固定；內(nèi)管插接于交換座上。流道轉(zhuǎn)換接頭下方管體與雙壁鉆桿外管通過螺紋連接，內(nèi)管與雙壁鉆桿內(nèi)管插接式連接[10]。循環(huán)介質(zhì)通過交換座與外管間隙、雙壁鉆桿內(nèi)外管間隙進(jìn)入孔底后，通過雙壁鉆桿內(nèi)管、交換座進(jìn)入鉆孔環(huán)空。

圖6 流道轉(zhuǎn)換接頭示意Fig.6 Sketch of flow channel conversion joint

流道轉(zhuǎn)換接頭在外管壁上留有 3 個(gè)流道孔，旋轉(zhuǎn)施工過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。為了檢測其抗扭強(qiáng)度，采用勻速加載的方式逐漸施加載荷進(jìn)行轉(zhuǎn)矩檢測，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 流道轉(zhuǎn)換接頭抗扭加載試驗(yàn)曲線Fig.7 Curve of torsion resistance test using loading method for flow channel conversion joint

3 現(xiàn)場應(yīng)用

本次試驗(yàn)地點(diǎn)為 8 號(hào)煤 13 區(qū) 21310 工作面，煤層頂板由偽頂、直接頂和基本頂組成，偽頂為砂質(zhì)泥巖，僅局部范圍內(nèi)存在，厚度約為 0.20 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖與泥巖互層，含黃鐵礦結(jié)核和菱鐵礦結(jié)核，裂隙不發(fā)育，整體性好，平均 11.6 m；基本頂為灰白色中粗粒石英砂巖 (K7)，厚度為 0～18.0 m，平均為6.0 m；底板巖性為砂質(zhì)泥巖或泥巖，平均為 3.0 m。

試驗(yàn)鉆孔從 21310 回風(fēng)巷 700 m 處向外施工 8 個(gè)鉆孔，鉆孔間距為 2 m，鉆孔垂直于巷道，鉆孔設(shè)計(jì)傾角為 3°，設(shè)計(jì)方位角為 58°，鉆孔設(shè)計(jì)孔深為 132 m，鉆孔開孔位置距巷道底板為 1.8 m。試驗(yàn)用鉆機(jī)為ZDY-4500L 型礦用液壓鉆機(jī)，配套使用φ73 mm 三棱鉆桿、φ89 mm 雙壁鉆桿、φ94 mm 鉆頭、流道轉(zhuǎn)換接頭、姿態(tài)儀及存儲(chǔ)式隨鉆測量儀，施工過程采用壓風(fēng)排渣。

1、2 號(hào)孔采用φ94 mm 鉆頭+φ73 mm 三棱鉆桿的常規(guī)鉆具，3～8 號(hào)孔按圖1 所示進(jìn)行鉆具連接進(jìn)行正常施工，待鉆孔完成后，重新下入存儲(chǔ)式隨鉆測量儀進(jìn)行軌跡測量，鉆孔軌跡如圖8 所示，鉆孔測試參數(shù)如表1 所列。

表1 鉆孔測試參數(shù)Tab.1 Testing parameters of drill holes

圖8 鉆孔設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)際軌跡對比Fig.8 Comparison of designed trajectory and actual trajectory for drill holes

由測試結(jié)果以及軌跡分析可知，8 個(gè)測試孔都偏離了設(shè)計(jì)軌跡。從圖8 可以看出，所有鉆孔軌跡因鉆具自重都向下偏，而鉆孔方位角變化隨機(jī)性較大，沒有顯著規(guī)律。本次試驗(yàn)鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡相比，常規(guī)鉆孔，平均剖面百米偏差為 6.19 m，平均平面百米偏差為 6.66 m；采用粗徑反循環(huán)鉆具，平均剖面百米偏差為 2.58 m，平均平面百米偏差為 3.55 m。

4 結(jié)語

通過本次試驗(yàn)對比考察，驗(yàn)證粗徑反循環(huán)鉆具的防斜效果，得出以下結(jié)論。

(1) 鉆孔軌跡因鉆具自重都向下偏，而鉆孔方位角變化隨機(jī)性較大，沒有顯著規(guī)律。

(2) 粗徑反循環(huán)鉆具平均剖面百米偏差 2.58 m，平均平面百米偏差 3.55 m。與常規(guī)鉆具相比，平均剖面百米偏差降低了 58.32%，平均平面百米偏差降低了 46.7%，糾斜效果顯著。