硬巖鉆進工藝優化高效成孔技術研究

閆　明

（河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南新安471800）

硬巖鉆進工藝優化高效成孔技術研究

閆明*

（河南大有能源股份有限公司新安煤礦，河南新安471800）

在掌握硅質泥巖堅硬地層巖性的可鉆性、硬度系數等鉆探性質特征的基礎上，通過試驗研究，形成了一套適合硅質泥巖的設備、鉆進工藝方法及工藝參數，有效提高硬巖鉆進效率，對新安煤田礦井水、瓦斯防治工作具有重要的現實意義。

硬巖；鉆進；工藝；優化；技術

新安煤田在施工水文、瓦斯鉆孔時，需穿越層厚4m左右俗稱“鐵里石”的硅質泥巖。該層段硬度大，堅固性系數f大于13，施工難度大，鉆進效率低，嚴重影響生產進度。為解決這一技術難題，在掌握其堅硬地層巖性的可鉆性、硬度系數等鉆探性質特征的基礎上，對回轉鉆進、回轉沖擊鉆進的施工工藝進行優化組合，以提高施工效率。

1　技術方案

1.1鉆進方法

針對該硬巖層段，以鉆具碎巖方式的不同，擬采取大扭矩高轉速鉆進、液動潛孔錘沖擊回轉鉆進和氣動潛孔錘回轉沖擊鉆進3種技術方案工藝。

（1）大扭矩鉆機高強鉆頭鉆進。以水作為沖洗介質，以攜帶、排出鉆屑，并起到冷卻鉆頭的作用。通過高給進壓力提高切削齒壓入深度，通過高轉速提高切削次數，從而在單位時間內增加切入深度與切削次數，達到高效鉆進的目的。

（2）液動潛孔錘回轉沖擊鉆進。選取液動沖擊器+PDC鉆頭的方式，利用沖擊器的沖擊力提高符合片的切深度，堅硬的復合片完成回轉切削，從而克服PDC鉆頭在硬巖中的切入深度小的問題，采用回轉沖擊的方式提高硬巖鉆進效率。

（3）氣動沖擊器沖擊回轉鉆進。通過對采取巖樣的分析，硅質泥巖屬于脆性巖石，抗沖擊性能一般較差，巖層中含有石英巖脈，仍為脆性巖石，含有的黃鐵礦結核與硅質泥巖無明顯結合面，考慮采用氣動沖擊器施工方案可提高在該層的施工效率。因此，在開孔段前20m采用氣動潛孔錘施工，之后較軟巖層采用普通回轉鉆進。

1.2鉆進工藝參數分析

硬質巖層鉆進工藝參數主要指鉆壓、轉速和沖洗液流量，3者在鉆進過程中相互作用，硬質巖層鉆進成孔過程中，當設備、地質條件、鉆孔參數等因素相對不變下，3參數共同影響著成孔效率和質量。

（1）鉆壓。鉆壓也稱軸向壓力，它是孔底破碎煤巖的必要條件，其大小決定著破碎煤巖的方式和特點，直接影響鉆進速度。

鉆速與鉆壓的關系曲線如圖1所示：

圖1　鉆速與鉆壓的關系曲線

Ⅰ區為表面破碎區。由于鉆壓很小，鉆速很低，破碎過程具有表面研磨性。在這種情況下破碎產物幾乎完全呈微細粉末，消耗的單位體積破碎功很多，破碎效率低，鉆速與鉆壓成直線關系，但鉆壓的增加快于鉆速的增加。

Ⅱ區為疲勞破碎區。由于鉆壓還不夠大，單位壓力小于巖石的壓入硬度，巖面某點的破碎必須經過力的多次重復作用，破碎裂隙多次交錯，才使巖石分離出一部分，破碎產物既有巖粉又有巖屑。

Ⅲ區為體積破碎區。由于鉆壓足夠，破碎過程呈現大體積崩落。這種情況下，鉆進速度快，破碎產物為碎塊和巖屑，表面破碎的產物極少，單位體積破碎功最小。

在近水平孔鉆進過程中，鉆壓不僅起保證鉆頭切削刃切入地層的作用，而且在使用穩定組合鉆具時，鉆壓的大小還決定著鉆桿彎曲強度的大小，從而影響鉆孔軌跡的變化。

（2）轉速。轉速即鉆頭每分鐘回轉的次數。針對純回轉鉆進轉速對鉆速的影響如圖2所示，增大轉速對鉆速的影響如圖3所示。

圖2　轉速對鉆速的影響

圖3　增大轉速對鉆速的影響

硬質巖層的硬度與研磨性屬于中等偏上巖石，增大轉速對鉆速的影響如曲線Ⅱ、Ⅲ所示，由圖可知鉆進速度碎轉速的提高不斷增加，但超過一個臨界值后，鉆進效率反而隨轉速的提高而減小，因此針對純回轉鉆進并不是轉速越高越好，而是存在一個最后轉速。

（3）沖洗介質的流量。沖洗介質的流量是回轉鉆進的一個重要參數，其起到攜帶巖屑、冷卻鉆頭等作用，也是直接影響沖擊器、潛孔錘工作性能（沖擊工和沖擊頻率）的重要參數，從而影響鉆進效率。保障充足的沖洗介質流量及壓力是提高鉆進效率的基本條件。

1.3設備選型

根據以上3種硬巖鉆進工藝技術要求，選用大扭矩高轉速鉆機、高強度摩擦焊鉆桿、高強風耐磨鉆頭，以達到提高鉆進效率的目的。

（1）鉆機。目前適合該工藝的鉆機主要有ZDY4000S、ZDY3500LP、ZDY4300L（F）型等鉆機。該系列型號鉆機，具有功率大、扭矩大（≥3500kN）、轉速高（≥200r/min）、給進壓高的特點，能夠滿足大扭矩、高鉆壓的施工要求，本次試驗選用ZDY4000S型鉆機。

（2）鉆具的配套：

①鉆桿。在大扭矩鉆機選型的基礎上，配套選用強度高，抗扭性能好的?73mm（壁厚7.1mm）、?63.5mm（壁厚7.1mm）摩擦焊鉆桿。

②液動潛孔錘。選用SZX89型液動潛孔錘。

③氣動沖擊器。由于新安煤田礦井井下系統供風壓力在0.3～0.5MPa之間，屬于低風壓，因此選取了SPM型低壓氣動沖擊器。

④鉆頭。根據地層情況及鉆孔孔徑級配，選用4種型號的胎體式鉆頭：?133mm五翼內凹，?113mm、?94mm、?75mm弧角鉆頭。

采用的弧角胎體式鉆頭具有如下特點：

（1）圓弧形刀翼結構，更有利于PDC片切削巖層，提高鉆進效率；

（2）采用分層、錯峰布齒，布齒更加均衡合理，提高巖石切削效率；

（3）切削自由面大、切削齒數量多，更適于硬巖鉆進；

（4）胎體式弧角鉆頭將鋼體與硬質合金粉末通過高溫燒結而成，鉆頭較普通鋼體式鉆頭具有更高的強度和耐磨性，在硬巖鉆進中適用性更強，性價比高；

（5）弧角鉆頭上鑲焊的PDC復合片為選用優質、抗沖擊性能好的面包片，具有設計合理、受力均勻的特點，具有很高的耐磨和抗沖擊性，適合硬巖鉆進。

2　工業試驗

2.1試驗點地質概況

新義煤礦11090軌道順槽底板巷設計長度1065m。巷道頂板為泥巖、砂質泥巖夾細砂巖，厚約8m，迎頭斷面上部為泥巖、砂質泥巖，厚約2m，下部為灰黑色塊狀硅質泥巖，厚約1.5m，底板為硅質泥巖、灰色塊狀灰巖，硅質泥巖厚約1.1m，灰巖厚約3.5m。

（1）鉆孔結構設計。在10#、12#和13#鉆場內，施工6個底板鉆孔，參數見表1。

表1　鉆孔設計參數

（2）現場試驗用鉆具見表2。

表2　試驗用鉆具

2.2工業試驗鉆孔施工方案

2.2.1大扭矩鉆機高強鉆頭工藝方案。

（1）10-1#、10-2#鉆孔。10-1#鉆孔與10-2#鉆孔采用交叉作業方法，施工流程：

①采用?133mm弧角胎體鉆頭+?73mm外平鉆桿，鉆進施工至11m；

②下入?108mm套管至10m，注漿固管，候凝；

③采用?94mm鉆頭+?89mm扶正器+?73mm外平鉆桿，掃孔施工至31m；

④下入?89mm套管至30m，注漿固管，候凝；

采用?75mm弧角胎體鉆頭+?63.5mm外平摩擦焊鉆桿，鉆至設計孔深。

（2）12-1#鉆孔：

①采用?113mm弧角胎體鉆頭+?113（63.5）mm扶正器+?63.5mm外平鉆桿，鉆進施工至31m；

②下入?89mm套管至30m，注漿固管，候凝。

（3）13-3#鉆孔。13-3#鉆孔采用?113mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿，使用ZDY3200S型鉆機鉆進施工，進尺12m。

（4）效果分析。采用該方案共計施工了4個鉆孔，總進尺312.3m，其中硅質泥巖段33.3m，最高鉆進效率達到2.4m/h。施工效率對比見表3。

表3　施工效率對比表

在施工10-1#與10-2#鉆孔中，采用ZDY4000S型鉆機與?133mm胎體鉆頭+?73mm外平鉆桿鉆具組合工藝，最優的參數為：轉速170～220r/min、給進壓力10～12MPa；

在施工12-1#鉆孔中，采用ZDY4000S型鉆機與?113mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿的鉆具組合工藝，最優的參數為：轉速150～180r/min、給進壓力10～12MPa；

在施工13-3#鉆孔中，采用ZDY3200S型鉆機與?113mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿的鉆具組合工藝，最優的參數為：轉速100～120r/min、給進壓力8～12MPa。

上述方案存在鉆機運移、穩固時間長不利因素。

2.2.2氣動沖擊器沖擊回轉鉆進工藝方案

13-1#鉆孔采用?110mm釬頭+氣動潛孔錘+?73mm外平鉆桿鉆進施工，進尺9.6m。鉆進時效見表4。

表4　鉆進時效表

本方案采用ZDY3200S型鉆機與?110mm釬頭+ SPM110型氣動沖擊器+?63.5mm外平鉆桿的鉆具組合工藝，最優的參數為：轉速80～100r/min、給進壓力5～8MPa；

本方案在施工過程中未采用除塵措施，巷道內粉塵污染嚴重。

2.2.3液動回轉沖擊鉆進工藝方案

13-2#鉆孔采用?113mm胎體弧角鉆頭+液動潛孔錘+?73mm外平鉆桿鉆進施工，進尺8.4m。鉆進時效見表5。

表5　鉆進時效表

本方案采用ZDY3200S型鉆機與?113mm胎體鉆頭+SZX89型液動潛孔錘+?63.5mm外平鉆桿的鉆具工藝，最優參數：轉速150～200r/min、給進壓力7～10MPa；在施工過程中采用水為沖洗介質，施工環境較好。

2.3硬巖段試驗效率對比分析

項目前期對新義煤礦相同施工地點2014年2月6日開始施工的9#鉆場2-4#鉆孔進行統計，在鉆孔0～7.6m段為硅質泥巖，共計施工9個班次，鉆進時間59.36h，鉆進效率為0.128m/h。

在本次現場試驗中，對6個鉆孔硅質泥巖段施工效率對比見表6。

表6　施工效率對比表

通過施工對比及數據分析，在3種施工方案中，氣動沖擊器沖擊回轉鉆進方案效率最高達到了12.52m/h；液動潛孔錘回轉沖擊鉆進方案鉆進效率次之，達到了6.55m/h；大扭矩鉆機高強鉆頭鉆進方案效率是3種方案中最低的，達到了2.20m/h以上，較試驗提高了近20倍，并且施工方法簡單，無需增加鉆具及設備。

2.4鉆頭使用情況

本次試驗共采用胎體式高強耐磨鉆頭四類7個鉆頭：?133mm3個、?113mm2個、?75mm1個、?110mm釬頭1個。其中?133mm五翼胎體鉆頭刀翼外圍復合片磨損嚴重，屬于正常磨損，另一只鉆頭在試驗結束后仍在井下繼續使用；序號為113-1的?113mm弧角胎體鉆頭在施工完12-1#鉆孔后，外圍復合片磨損嚴重，且其上附著大量硬化巖粉，主要為供水壓力及水量不足，并使其水眼堵塞，導致鉆頭冷卻不及時高溫磨損；序號為113-2的?113mm弧角胎體鉆頭為液動潛孔錘組合鉆頭，在高頻沖擊下雖極大的提高了鉆進效率同時也加速了鉆頭的磨損；?75mm弧角胎體鉆頭在10-1#、10-2#鉆孔中鉆進了206m，其效果較好，適合在該地層應用。

3　結論及建議

3.1結論

（1）選用ZDY4000S型鉆機、高強摩擦焊鉆桿、胎體式鉆頭能夠滿足新安煤田硅質泥巖高效成孔的要求。

（2）通過試驗，形成了一套適合硅質泥巖的設備、鉆進工藝方法及工藝參數，有效提高硬巖鉆進效率，硅質泥巖段鉆進效率提高到原來的4倍以上，單孔綜合鉆進效率提高到原來的2倍以上。解決了由于施工超前探鉆孔速度較慢影響掘進進度的難題，為礦井的正常生產接替創造了條件。

3.2建議

（1）設備選型。選用ZDY4300LF、ZDY3200LF等履帶式鉆機或質量較輕的ZDY3200S型分體鉆機，以減少輔助作業時間，進一步提高綜合鉆進效率。

（2）鉆具組合與方法：

①大扭矩高轉速方案—底板探水鉆孔穿越“鐵里石”：

A.?133mm胎體五翼鉆頭（或?113mm胎體弧角鉆頭）+?113（63.5）mm扶正器（5～6個串聯）+?63.5mm外平鉆桿用于下108套管。

B.?94mm胎體弧角鉆頭+?92（63.5）mm扶正器（5～6個串聯）+?63.5mm外平鉆桿用下?89mm套管。

C.?75mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿至終孔。

②大扭矩高轉速方案—頂板瓦斯鉆孔穿越“鐵里石”：

A.?113mm（或?94mm）胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿。

B.?94mm胎體弧角鉆頭+?63.5mm外平鉆桿至終孔。

（3）施工參數：

①在采用大扭矩高轉速方案時，轉速較合適范圍為：200～240r/min，回轉扭矩較合適的范圍為：10～15MPa；

②在液動潛孔錘方案中，轉速較合適范圍為：150～200r/min，回轉扭矩7～10MPa；

③在氣動潛孔錘方案時，轉速較合適范圍為：100r/min以內，回轉扭矩較合適的范圍為：5～7MPa。

［1］張遠豐.PDC鉆頭在硬巖鉆進中的應用［J］.中國煤炭地質，2008（9）：72-73.

［2］楊國春，等.大直徑硬巖鉆進技術的探討［J］.長春工程學院學報：自然科學學報，2005（3）：7-9.

［3］吳立，等.現代破巖方法綜述［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2002（2）：49-51.

［4］張家軍.液動潛孔錘鉆進工藝在舞陽鐵山礦區易斜地層的應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007（2）：5-7.

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A

1004-5716（2016）09-0034-05

2015-10-09

2015-10-12

閆明（1970-），男（漢族），河南沈丘人，高級工程師，現從事礦井防治水工作。