小口徑水力雙循環雙壁鉆具設計與應用

吳晶晶 ，張紹和 ，施莉

(1. 中南大學 有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083;2. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083;3. 江西有色工程有限公司，江西 南昌，330025)

反循環連續取心鉆進技術包括空氣反循環連續取心鉆進技術、氣液反循環連續取心鉆進技術和水力反循環連續取心鉆進技術[1]。反循環連續取心鉆進由于具有鉆進效率高、取心質量好、鉆探成本低、勞動強度小、適用于復雜地層特別是漏失地層和缺水地區鉆進，在國內外受到廣泛關注。在礦山的坑道鉆探中，經常會遇到硬、脆、碎、漏、坍等復雜地層[2]。當采用常規的繩索取心鉆具、雙管鉆具或單管鉆具等鉆進方法鉆進這類地層時，往往存在鉆進效率低、巖礦心采取率低、鉆孔質量差、鉆頭壽命低、孔底事故多、鉆探成本高等問題，多年來一直是國內外鉆進領域需要解決的難題。許多研究表明[3?5]：采用雙壁鉆具反循環連續鉆進技術應是比較理想的解決途徑。坑道鉆探中，鉆孔一般設計為水平孔或傾斜孔，孔深一般在200 m以內。由于采礦爆破過程的影響，鉆孔一般漏失比較嚴重。因此在坑道鉆探中選擇用水力反循環連續取心鉆進比較理想。而要在坑道鉆探中充分發揮水力反循環連續取心鉆進的優勢，設計和選用合理的雙壁水力反循環連續取心鉆具是關鍵。由于坑道鉆探中鉆孔直徑小，雙壁水力反循環連續取心鉆具設計和制造一直是業界的一個難題，針對這種適用于坑道鉆探的雙壁鉆具水力反循環連續取心技術，本文作者以此為立足點，提出一種水力雙循環雙壁鉆具設計。

1 雙壁雙循環鉆具的工作機理

雙壁雙循環鉆具的結構[6]如圖 1所示，雙壁水龍頭1下端接雙壁鉆桿2，每兩節雙壁鉆桿2之間接一個擴孔扶正封堵器 3，最末的一個擴孔扶正封堵器 3下端接一個分水器4，分水器4下端再接一個金剛石鉆頭5。雙壁鉆桿2的外管之間采用絲扣連接，雙壁鉆桿2的內管之間采用插接，用O形橡膠密封圈密封，雙壁鉆桿2的內外管之間用點焊連接固定。

雙壁雙循環鉆具按如下方式工作：在進行坑道取心鉆探時，坑道鉆機夾持鉆桿外管施加壓力和扭矩，金剛石鉆頭5、分水器4、擴孔扶正封堵器3、雙壁鉆桿2和雙壁水龍頭1的中軸、內管一起轉動，雙壁水龍頭1的其他部件固定不動。沖洗液從彎管進入內外管之間的間隙到達孔底分水器 4，約 20%[7]沖洗液進入外管與孔壁之間的環狀通道，起到潤滑孔壁、冷卻金剛石鉆頭5的作用，約80%沖洗液進入內管，攜帶巖心返出孔外，從而實現連續取心。

2 雙壁雙循環鉆具的結構設計

2.1 關鍵部位設計

雙壁水龍頭設計如下。

圖1 水力雙循環雙壁鉆具結構示意圖Fig. 1 Structure chart of hydraulic dual circulation double-wall drill tools

(1) 雙壁水龍頭結構。針對用于坑道鉆探的水力雙循環雙壁鉆具，設計了配合雙壁鉆具使用的雙壁水龍頭。雙壁水龍頭[8]由以下零件組成：頂部塞、上殼體、彎管、彈簧、下殼體、中軸、水龍頭內管、61906深溝球軸承、51111推力球軸承、61810深溝球軸承、51106推力球軸承 2個、陶瓷密封圈、油封氈圈、O形橡膠密封圈、鎖帽2個以及不同墊圈4個，如圖2所示。

雙壁水龍頭的中軸通過外管接頭與雙壁鉆桿的外管連接；雙壁水龍頭的內管通過內管接頭與鉆桿內管連接；雙壁水龍頭的中軸與內管在D處通過點焊固定連接。在進行坑道取心鉆探時，雙壁水龍頭的中軸和內管隨鉆桿的轉動一起轉動，雙壁水龍頭的其他部件固定不動。沖洗液從雙壁水龍頭的彎管進入雙壁水龍頭的中軸和內管之間的環狀通道，再進入到鉆桿外管和鉆桿內管之間的環狀通道。

(2) 水龍頭各部件的相對轉動。① 轉動部分。雙壁水龍頭的中軸上端與水龍頭內管在D處采用點焊方式固定，中軸下端與雙壁鉆桿的外管連接。當進行坑

圖2 雙壁水龍頭設計圖Fig. 2 Design chart of double-wall swivel

道鉆進時，雙壁水龍頭的中軸與水龍頭內管一同隨著鉆桿外管轉動。② 固定部分。除了雙壁水龍頭的中軸與水龍頭內管轉動外，水龍頭的其他部件均不轉動。雙壁水龍頭的上殼體下端與下殼體通過螺紋連接，上殼體上端與頂部塞也通過螺紋連接，形成一個整體。上殼體與水龍頭內管之間安裝深溝球軸承和推力球軸承，下殼體與中軸之間安裝深溝球軸承和推力球軸承。當雙壁水龍頭的中軸與水龍頭內管一同隨著鉆桿外管轉動時，這些部件相對固定。

2.2 其他部位設計

2.2.1 雙壁鉆桿及接頭設計

結合坑道鉆探的特殊性，本文著重設計小口徑的坑道鉆探雙壁鉆具，所以選用了兩種尺寸的無縫鋼管來加工雙壁鉆桿的內管和外管，分別是外徑31 mm、內徑27 mm和外徑45 mm、內徑38 mm，即雙壁鉆桿內管尺寸為外徑31 mm，內徑27 mm，外管尺寸為外徑45 mm，內徑38 mm。為適應坑道中鉆桿的擰卸與安裝，設計每節鉆桿長度為1.5 m。接頭內、外管尺寸配合鉆桿內外管尺寸設計。

2.2.2 擴孔器設計

擴孔器配合鉆頭使用，連接在鉆頭之上，起到修正孔徑和導正鉆頭的作用[9]。本套雙壁鉆具設計的擴孔器為雙管擴孔器，胎體為條帶狀，采用金剛石聚晶作為切削材料。本套雙壁鉆具中，擴孔器除了起到修正孔徑和導正鉆頭的作用，還起到封堵沖洗液的作用。部分沖洗液由鉆具內管和外管之間的環狀通道流入外管與孔壁之間的環狀通道后，高速轉動的擴孔器起到一定的封堵作用，使部分沖洗液流經鉆孔底部，起到冷卻鉆頭的作用。

2.2.3 金剛石鉆頭設計

金剛石鉆頭由胎體和鋼體組成，胎體又分為工作層和非工作層，本套鉆具金剛石鉆頭的高度設計為80 mm，非工作層高度為5 mm，工作層高度為7 mm；鉆頭外徑為47 mm，內徑為25 mm。在金剛石鉆頭設計中，配方參數的確定,直接影響到鉆頭的質量[10]，且鉆頭效率和壽命的好壞主要取決于鉆頭的金剛石參數、胎體參數等[11]，而鉆頭參數的確定又是建立在研究成果和實踐經驗基礎上的[12]。經分析，鉆頭胎體配方選用FJT-A1、FJT-A2和FJT-07粉料，各粉料的重量比例分別是：FJT-A1占30%，FJT-A2占20%，FJT-07占50%，金剛石選用粒度為0.297～0.595 mm的MBD12等級金剛石。

3 鉆具工作狀態水力學計算

3.1 管道分流

設計分流的作用是當內外管之間間隙流入的高壓沖洗液到達鉆頭底部時，要求保證大部分沖洗液從雙壁鉆桿內管中返回，以利于攜帶巖心和巖屑返出孔口；同時還要保證有一小部分沖洗液流入外管與孔壁之間的環狀通道中，以保證冷卻鉆頭、潤滑雙壁鉆桿和冷卻擴孔器等。

在恒定總流中，任取一元流，設進口過流斷面微元面積dAa，流速ua；出口過流斷面微元面積dAb，流速ub。由于恒定條件下，元流的形狀位置不隨時間改變，元流中流體只能沿元流運動，流體是連續介質，所以根據質量守恒定律，單位時間流入和流出的流體質量必定相等。則會有和相等且均為常數。

對于不可壓縮流體，ρa=bρ，則有：

為了便于計算，設過流斷面流速均勻分布，同時運用積分中值定理，可得：

式中：va和vb為總流斷面平均流速，m/s；Qa為進口斷面總流量，m3/s或L/min；Qb為出口斷面總流量，m3/s或L/min。

設進入雙壁鉆具內外管環狀通道的沖洗液量為Q1，流入鉆具內管的沖洗液量為Q2，流入鉆具外管與孔壁間環狀通道的沖洗液量為Q3，則需要滿足：

設沖洗液從水龍頭進入內外管環狀通道時平均速度為v1，沖洗液到達鉆頭底部流經內管過水孔時速度v2，流經外管過水孔時速度v3。流體力學中規定[13]，液體為不可壓縮流體，所以將雙壁鉆具鉆進使用的沖洗液看做不可壓縮流體，根據式(2)，可將式(3)化為：

由于內外管分水孔位置都在鉆頭底部，沖洗液以速度v1從水龍頭到達鉆頭底部分流時，沿程水頭損失和局部水頭損失相同，所以速度變化相同，即有v2=v3。所以有：

式中：n2為內管過水孔數量，個；n3為外管過水孔數量，個；d2為內管過水孔直徑，mm；d3為外管過水孔直徑，mm。

根據式(5)設計分流結構，在鉆頭底部鋼體外側加工3個直徑為5 mm的過水孔，內側加工8個直徑為6 mm的過水孔。則有：

3.2 水頭損失與流速計算

不同的流動狀態、不同的邊界及其變化對水頭損失都有影響。設計的雙循環連續取芯雙壁鉆具的沿程水頭損失主要來自管道壁對流體的黏性作用；局部水頭阻力損失主要是由于流動斷面大小的突變帶來的，而設計的雙循環連續取芯雙壁鉆具內外管環狀通道連接處尺寸大小基本一樣，沒有流動斷面大小的突變，因而其局部水頭阻力損失可以忽略不計。這里僅討論沿程水頭損失。

沖洗液在管道中的流動狀態影響到其水頭損失的計算，所以首先要判斷沖洗液在管道中的流動狀態。

雙壁鉆具內外管環狀通道的過流斷面面積ω為：

式中：D為鉆桿外管內徑，設計為38 mm；d為鉆桿內管外徑，設計為31 mm。

過流斷面上沖洗液與管道壁接觸周界χ為：

所以水力半徑為：

式中：R為水力半徑，m。

設計的水力雙循環鉆具用清水作為沖洗液，取常溫t=25 ℃，此時水的運動黏度[14]為μ=0.897×10?6m2/s。

金剛石巖心鉆探中，沖洗液要保證能夠順利將巖心返出孔外，流速一般不能低于 2.5 m/s[14]，這里取v=2.5 m/s為過流斷面平均速度來計算。計算雷諾數為：

所以，沖洗液在鉆具管道中的流動狀態為紊流[15]。式中：μ為流體運動黏度，m2/s；d為管徑，m；Rec為臨界雷諾常數，其值為2 300。

內管中沖洗液的最小速度為vmin=2.5 m/s，則內管中某一過水斷面流量：

式中：d4為雙壁鉆具內管的內徑，設計尺寸為27 mm；Q4為經過內管過水孔進入鉆具內管的沖洗液流量，所以Q4=1.43 L/s。

對于不可壓縮流體，密度不變，由質量守恒定律可知Q2=Q4=1.43 L/s。所以有：

所以從水龍頭流入的沖洗液流量

從而可以計算內外管環狀通道沖洗液的流速v1=Q1/A1=4.8 m/s。

設工作中鉆具總長為L，沖洗液從水龍頭經過內外管之間環狀通道到達孔底時的水頭損失為：

沖洗液從孔底經過鉆具內管返回孔口的沿程水頭損失為：

所以，總的沿程水頭損失為：

綜上所述，經過水力學計算和分析，設計雙壁鉆具外管分流水孔為3個對稱分布的直徑為5 mm的過水孔，內管分流水孔為8個直徑為6 mm的過水孔；沖洗液在雙壁鉆具管道內的流動狀態為紊流；沖洗液從水龍頭進入雙壁鉆具內外管之間環狀通道到達孔底，再經過內管返出孔外，水頭損失與鉆具長度呈線性關系，為22.89L；為保證沖洗液能夠順利攜帶巖心和巖屑返出孔外，經水龍頭泵入雙壁鉆具的沖洗液流速應不低于4.8 m/s，流量不低于1.81 L/s，即泵量不低于108.6 L/min。

所以，通過流體力學對鉆具管道中沖洗液流動狀態的分析和水頭損失的計算都從理論上表明，使用設計的水力雙循環雙壁鉆具能夠實現對坑道中漏失地層的正常鉆進，滿足連續取心的要求。

4 現場試驗

本次現場鉆進試驗在廣東韶關某鉆井的坑道內進行。

4.1 試驗條件

4.1.1 地層情況

試驗地層節理發育、裂隙較多，鉆孔主要地層情況依次為：中細粒花崗結構的堅硬花崗巖；中細粒花崗結構的較硬、較破碎花崗巖；晶屑凝灰結構，較硬、較破碎凝灰巖；致密，見裂縫面，裂縫被方解石全充填的泥灰巖；裂隙較發育的粉砂巖與角礫巖互層。

4.1.2 鉆進設備

(1) 鉆機。采用赤峰市某鉆機有限責任公司制造的KY?200型全液壓坑道鉆機，其主要技術性能如表1所示。

(2) 泥漿泵。采用BW150型三缸單作用活塞泵，其技術性能如表2所示。

(3) 鉆具。采用本套水力雙循環雙壁鉆具。

4.1.3 工藝參數

鉆進試驗的主要鉆進參數如表3所示。

4.2 試驗效果

采用雙壁水力雙循環連續取心鉆具鉆進時，鉆完設計孔深80 m的水平孔，平均鉆進效率為5 m/h。整個鉆進過程中，雙壁水龍頭、雙壁鉆桿、擴孔器和金剛石鉆頭工作正常，沒有出現影響鉆進的不良情況，巖心和巖屑能通過內管實現順利返出。

圖3所示為鉆探過程中收集到的巖心和巖屑。

水力雙循環雙壁鉆具進行坑道鉆探結果表明：該套鉆具能夠實現坑道中漏失地層的正常鉆進，滿足連續取心的使用要求，鉆進效果良好。

泵入和返出的沖洗液量如表4所示。

表1 KY?200鉆機主要性能參數Table 1 Main performance parameters of drilling rig KY?200

表2 BW150泥漿泵主要性能參數Table 2 Main performance parameters of mud pump

表3 主要鉆進參數Table 3 Main drilling parameter

圖3 試驗現場鉆進返出的巖心和巖屑Fig. 3 Returned core and cuttings from testing field drilling

表4 泵入和返出的沖洗液量Table 4 Pumped and returned volume of flushing fluid

從表4可以看出：攜帶巖心返出孔外的沖洗液量占泵送沖洗液總量的比例為：

由式(17)可見：設計的雙壁鉆具能夠實現泵入的沖洗液總量有約80%進入鉆具內管攜帶巖心和巖屑，鉆進效果良好。

5 結論

(1) 結合硬、脆、碎、漏、坍等復雜地層中鉆進時沖洗液容易漏失的問題，將正循環與反循環技術結合起來，研究了一種水力雙循環連續取心技術，解決坑道鉆探中沖洗液漏失嚴重的問題，并實現連續取心。

(2) 針對水力雙循環連續取心技術，設計一套雙壁鉆具，實現坑道中水力雙循環鉆進。確定了雙壁鉆桿外管尺寸為外徑45 mm，內徑38 mm，雙壁鉆桿內管尺寸為外徑31 mm，內徑27 mm，內外管通過內管接頭上的鍵導正；雙壁水龍頭的密封選用耐高溫、耐磨損、壽命長且具有自潤滑作用的陶瓷密封圈；分水鉆頭外側設計有3個直徑為5 mm的過水孔，內側設計有8個直徑為6 mm的過水孔。

(3) 對鉆具在鉆進過程中的沖洗液進行了水力學分析，從而得出該套雙壁鉆具工作中能夠正常實現鉆頭的冷卻和巖心的采取。

(4) 現場試驗結果表明：在坑道鉆探中，巖心能夠正常返出孔外，從鉆具內管返出的沖洗液量約占泵送的總沖洗液量的80%。該套水力雙循環雙壁鉆具能夠解決坑道鉆探中沖洗液漏失的問題，保證連續取心的順利進行。

[1]楊振山, 王明翠. 小口徑水力反循環雙壁鉆桿鉆具設計[J].建材地質, 1995, 79(3): 28?33.YANG Zhenshan, WANG Mingcui. Design on small caliber hydraulic reverse circulation double-wall drill tools[J].Nonmetallic Geology, 1995, 79(3): 28?33.

[2]胡郁樂, 張紹和. 鉆探事故預防與處理知識問答[M]. 長沙:中南大學出版社, 2010: 69?75.HU Yule, ZHANG Shaohe. Knowledge quiz of prevention and treatment for drilling accident[M]. Changsha: Central South University Press, 2010: 69?75.

[3]湯鳳林, 加里寧A.Γ., 段隆臣. 巖心鉆探學[M]. 武漢: 中國地質大學出版社, 2009: 302?312.TANG Fenglin, Galiny A Γ, DUAN Longchen. Core drilling science[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press,2009: 302?312.

[4]鄢泰寧. 巖土鉆掘工程學[M]. 武漢: 中國地質大學出版社,2001: 138?150.YAN Taining. Rock and soil drilling and excavation engineering[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press,2001: 138?150.

[5]王茂林. 全孔反循環潛孔錘參數優化及其鉆進工藝研究[D].長春: 吉林大學建設工程學院, 2007: 7?20.WANG Maolin. Research on parameter optimization and drilling technology of the whole hole reverse circulation DTH hammer[D]. Changchun: Jilin University. College of Construction Engineering, 2007: 7?20.

[6]張紹和, 施莉, 劉開興, 等. 一種坑道鉆探水力反循環雙壁鉆具: 中國, 201110052926.1[P]. 2011?03?04.ZHANG Shaohe, SHI Li, LIU Kaixing, et al. Hydraulic reverse circulation double-wall drill tools in tunnel explore: China,201110052926.1[P]. 2011?03?04.

[7]Berube S C. How to drill hard rock with percussion tools[J].Drilling, 1973, 34: 9?10.

[8]施莉. 坑道鉆探水力雙循環雙壁鉆具設計[D]. 長沙: 中南大學地球科學與信息物理學院, 2012: 14?16.SHI Li. Design on hydraulic dual circulation double-wall drill tools in tunnel explore[D]. Changsha: Central South University.School of Geology and Environmental Engineering, 2012:14?16.

[9]武漢地質學院. 鉆探工藝學[M]. 北京: 地質出版社, 1980:82?93.Wuhan Geological Institute. Drilling technology[M]. Beijing:Geological Publishing House, 1980: 82?93.

[10]張紹和, 趙顯富, 魯凡, 等. 鉆頭配方設計神經網絡專家系統[J]. 煤田地質與勘探, 1998, 26(5): 69?70.ZHANG Shaohe, ZHAN Xianfu, LU Fan, et al. Expert system of neural networks based on back-propagating algorithm for bit design[J]. Coal Geology and Exploration, 1998, 26(5): 69?70.

[11]張紹和, 楊凱華, 魯凡, 等. 鉆頭參數與其性能間的定量關系[J]. 地球科學—中國地質大學學報, 2000, 25(6): 647?648.ZHANG Shaohe, YANG Kaihua, LU Fan, et al. Quantitative relation between diamond-bit parameter and performance[J].Earth Science—Journal of China University of Geosciences,2000, 25(6): 647?648.

[12]張紹和, 魯凡. 金剛石鉆頭參數設計規律[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2004, 35(2): 195?200.ZHANG Shaohe, LU Fan. Designing method about parameters of impregnated diamond bit[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2004, 35(2): 195?200.

[13]莊禮賢, 尹協遠, 馬暉揚, 等. 流體力學[M]. 合肥: 中國科學技術出版社, 2009: 124?132.ZHUANG Lixian, YIN Xieyuan, MA Huiyang, et al. Fluid mechanics[M]. Hefei: China Science and Technology Press,2009: 124?132.

[14]張愛民, 王長永. 流體力學[M]. 北京: 科學出版社, 2010:83?170.ZHANG Aiming, WANG Changyong. Fluid mechanics[M].Beijing: Science Press, 2010: 83?170.

[15]趙爾信, 徐省盤, 趙嘉樹, 等. 反循環連續取芯鉆頭的設計[J].地下水, 1992, 14(2): 92?96.ZHAO Erxin, XU Shengpan, ZHAO Jiashu, et al. Design on reverse circulation continuous core drill[J]. Ground Water, 1992,14(2): 92?96.