煤層密閉取心用超前隔水式PDC鉆頭設計與優化

高曉亮，張 朋，龍威成

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤礦瓦斯事故頻發，為改善煤礦開采前瓦斯含量，降低瓦斯事故發生率，地面和井下煤層氣聯合抽采是治理煤礦瓦斯的有效途徑。瓦斯抽采前需要對含瓦斯煤層進行大量的煤層氣含量測試，以指導瓦斯抽采并提高瓦斯抽采率，而地面煤層氣勘探開發也需要大量的煤層氣含量數據以滿足煤層氣資源評價及煤層氣勘探需要。另外，瓦斯抽采結束后仍需要對煤層進行含氣量測試，以檢測瓦斯抽采效果是否滿足相關規范要求，因此進行煤層含氣量準確測試具有重要意義[1]。

為改善傳統瓦斯含量測定方法程序復雜和測定結果誤差大等不足，目前多采用密閉取心的方法進行煤層取樣。目前常用的密閉取心取樣器以石油、天然氣領域為主。密閉取心多采用黏液密閉法、冷凍密閉法以及球閥密閉法等進行密閉取心，采用不同方式獲取原狀巖心，以期獲得目標地層的特性，進一步分析儲層含油、含氣情況[2-5]。但是無論何種密閉取心方式均面臨一個問題，就是如何最大程度避免鉆井液對巖心的沖蝕、污染。本文針對中煤科工集團西安研究院研制的球閥型煤層密閉取心裝置，通過對常規底噴式鉆頭的結構優選、水路設計等方面進行優化改進，進一步降低鉆井液對密閉取心原裝煤樣的污染。

1 煤層密閉取心技術原理

煤層密閉取心技術是利用機械的方式在煤層中直接鉆進取心，取心完成后通過改變水路的方式對取心裝置進行密閉，從而取得煤層原狀式樣的方法，該技術減少了普通雙管取心過程中由于煤芯暴露時間過長導致的斯氣體逸散的問題，大大提高了瓦斯含量測定的準確性[4]。

中煤科工集團西安研究院有限公司研制的QMB-120-38DM型密閉取心器采用三筒單動結構，即外筒、內筒和液壓傳遞筒，取心鉆進過程中，外筒隨鉆桿同步轉動，而內筒和液壓筒相對不動。外筒上端與鉆桿相連、下端與取心鉆頭連接，外筒傳遞鉆壓和扭矩。內筒是煤心和解吸氣的存儲容器；內筒上下端均與球閥相連，對煤心樣品進行密封保壓；取心內筒上端球閥外側安裝一個解吸閥門，便于煤心提至地面后進行解吸氣的測量，實現取心與氣含量測定一體化。液壓推動筒傳遞液壓動力，推動內筒上下端球閥關閉，其上端由銷釘與懸掛總承相連。密閉取心器下部是取心鉆頭，在鉆壓和扭矩作用下鉆頭壁對煤層進行切削，以形成柱狀煤心進入到取心內筒[6-8]。

取心器取心過程如下：首先鉆進至目標地層后，下入密閉取心器，取心器依靠鉆具自重壓入煤層，如圖1(a)所示，此時取心器密閉上下端球閥處于打開狀態；然后鉆具回轉進行鉆進取心，鉆頭切削地層，煤心進入內筒，如圖1(b)所示；當取心至預定位置后，投球改變水路方向，高壓鉆井液推動液壓筒關閉上下端球閥，密閉取心器內筒，形成密閉空間，如圖1(c)所示；最后提出取樣器，完成密閉取心施工[9]。

圖1 密閉取心原理示意圖

2 密閉取心用PDC鉆頭設計

普通取心鉆頭在施工過程中，由于水路通過鉆頭水槽進入煤層，沖洗液與巖心直接接觸，對采取的煤心進行了污染，破壞了煤樣的原狀性。甚至在松軟煤層鉆進過程中由于過大水壓對煤層進行了破碎，嚴重降低了取心率。因此為提高巖心采取率，提高煤層原狀性，對PDC鉆頭進行了重新設計。

2.1 鉆頭結構設計

常規雙管取心用鉆頭多采用底噴式結構，底噴式鉆頭與普通取心鉆頭的區別在于鉆頭水路在鉆頭內部進行了分流。普通取心鉆頭沖洗液通過內外管的間隙及鉆頭水槽進入鉆頭底唇面進行冷卻鉆頭、攜帶巖粉，而底噴式取心鉆頭沖洗液通過內外管間隙直接進入鉆頭外側，進而冷卻鉆頭唇面，起到保護巖心的作用，從而提高巖心采取率，并減少鉆井液對巖心的污染。為此，密閉取心用鉆頭采用了底噴式水眼結構。

2.1.1 底噴式鉆頭

針對密閉取心裝置要求煤芯采取率高，且要求原狀煤樣的特點，首次鉆頭設計采用了底噴式水眼，并在取心鉆具內外管間隙添加密封結構，防止鉆頭通過內外管間隙進入巖心，從而污染巖心。

鉆頭結構如圖2所示，密閉取心鉆頭包括鉆頭體、PDC切削齒，以及刀翼、水眼、流道組成，鉆頭流道設計為向孔壁傾斜的錐面，將水眼噴射出的水流向環空導向，另外鉆頭不設置內水槽，進一步防止水流進入巖心。

圖2 密閉取心用底噴式鉆頭

采用設計的鉆頭配合密閉取心裝置進行取煤試驗，底噴式鉆頭雖然從一定程度上隔斷了水與煤芯的接觸，但是在鉆進底唇面上，水與煤層必然接觸，仍然對煤層有一定的沖刷，因此，煤芯采取率相對較低，且受到到了一定程度的擾動，為改善這一問題，對鉆頭進行了改進設計。

2.1.2 錐面煤芯導進式鉆頭

為改善普通底噴式鉆頭采取率低，且對煤芯有擾動的問題，對鉆頭進行了改進設計，在鉆頭前端增加錐形導進面，錐面的存在一方面增加了進煤量，保證了取心率。另一方面超前的錐面阻斷了水，提前進入煤層，保證了中心部位煤樣的質量，從而解決了水對煤層沖刷的問題，錐面煤芯導進式鉆頭如圖3所示。

圖3 煤芯導進式鉆頭

采用煤芯導進式鉆頭進行了現場試驗，試驗證明，煤芯采取率大幅度提高，且煤芯取樣幾乎不受擾動，滿足了密閉取心的要求，但是在鉆進過程中由于斜面位置沒有切削齒的存在，難以破碎煤層，導致鉆進過緩慢，鉆進效率過低，因此，再一次對鉆頭進行了改進設計。

2.1.3 超前隔水式鉆頭

新改進的鉆頭采用了小鉆頭超前設計，即采用一只小鉆頭超前于大鉆頭及鉆頭水眼進行鉆進取心，防止沖洗液進入煤層[10]，并且可以根據煤層滲透系數選用不同長度的小鉆頭，即在水容易滲透的煤層采用較長小鉆頭，增加超前量防止水進入，而在水不容易滲透的煤層采用較短超前量。小鉆頭與大鉆頭之間采用螺紋連接，便于更換。小超前隔水式鉆頭結構如圖4所示。

圖4 超前隔水式鉆頭

2.2 鉆頭水路設計

鉆頭水路設計對密封取心式鉆頭設計至關重要，為防止沖洗液過早進入煤層，需要對鉆頭水眼角度進行優化設計，另外為防止沖洗液從鉆頭內部進入巖心，需要對鉆頭內外管之間進行密封設計。

1)水眼大小計算。根據流體力學連續性方程，見式(1)。

Q=v1A1=v2A2

(1)

式中，Q為流量；v1為環空流速；A1為環空過流面積；v2為水眼內流速；A2為水眼過流面積。

流量一定情況下，水流速度與過流面積呈反比，為防止水眼過小導致流速過大沖刷巖石，進而侵入巖心，要求總水眼過流面積大于等于鉆頭外壁與取心筒環狀間隙，即：

式中，N為水眼數量；D為水眼直徑；D1為環空大徑；D2為環空小徑。

根據式(1)、式(2)計算出最小水眼直徑與數量為?10mm水眼8個。

2)水眼噴射角度。普通底噴水眼由于鉆頭結構設計，多為直水眼，水路直接沖入煤層，容易沖刷煤層，為防止沖洗液對煤層的污染，本次鉆頭水眼設計為斜水眼，斜水眼一方面對鉆頭具有冷卻效果，能夠更好的沖刷切削齒與地層的接觸面，冷卻鉆頭，攜帶巖粉，另外斜水眼沖刷面距離巖心相對較遠，防止了沖洗液對煤芯段的污染。

3)鉆頭流道。為防止沖洗液從鉆頭水眼流出后沖刷前端巖層，鉆頭流道設計為向后傾斜的斜面，對沖洗液進行導流，使沖洗液冷卻大鉆頭切削齒后攜帶巖粉進行上返，進一步降低沖刷巖心的可能性。

2.3 切削齒排布

切削齒排布是確定切削齒在鉆頭剖面上的位置，主要是切削齒的中心距，由于鉆頭內外徑確定，鉆頭中心齒及保徑齒位置可以確定，應該按照切削齒能完全覆蓋井底的原則進行排布。

切削齒安裝于PDC鉆頭體上，應當選擇合適的切削角。在鉆進參數一定時，鉆頭的切入能力隨著切削角的增大而減小，但是過小的切削角容易導致切削齒過早損壞，因此應根據地層情況優選切削角度[11-15]。由于該取心鉆頭主要應用于煤層鉆進，偶見夾矸，因此采用最優切削角度為15°。合理的側轉角設計可以使破碎的巖石快速排出井底，防止重復破碎，根據經驗選擇該地層PDC鉆頭切削齒的側轉角應控制在5°～8°。

超前小鉆頭切削齒由于取樣過程中處于干鉆狀態，為防止PDC切削齒高溫破壞，此次小鉆頭切削齒采用硬質合金，合金刃角選用25°，正斜鑲，可以在煤層鉆進中取得較高的鉆進效率，同時為防止沖洗液沿小鉆頭外壁進入巖心，小鉆頭采用無外出刃設計。

按照鉆頭設計參數，進行鉆頭的結構設計，得到鉆頭模具三維模型，如圖5所示。根據模型采用數控編程方法加工鉆頭體，最后通過火焰釬焊的形式將PDC切削齒及保徑合金鑲焊于鉆頭體上。

圖5 鉆頭成品圖

3 密閉取心用鉆頭現場試驗

3.1 試驗條件

密閉取心鉆進試驗是在淮北蘆嶺煤礦地面采動卸壓瓦斯抽采井中，鉆孔編號為Ⅲ13-6。鉆孔一開為?445mm，下入?377mm×12mm套管；鉆孔二開為?311mm，鉆孔鉆進至 8 煤頂板5m后，下入?244.5mm×11.05mm套管；三開為距離8煤頂板5m至Ⅲ13巖石工作面頂板15m段，鉆孔孔徑為?216mm，下入?177.8mm花管，進行8煤層采動卸壓瓦斯抽采。根據礦井8煤地質剖面變化情況，并結合試驗孔鄰近采動卸壓抽采鉆井見煤點設置，進行密閉取心試驗。

3.2 鉆進設備

鉆進設備采用TSJ-2000型號轉盤鉆機，配套BW-250型號泥漿泵，密閉取心鉆具組合為?89mm鉆桿+QMB-120-38DM型密閉取心器+?152/38mm超前隔水式取心鉆頭。

3.3 現場試驗情況

采用密閉取心鉆頭在Ⅲ13-6鉆孔進行取樣，取樣深度及巖心采取率見表1，此次共采用密閉取心器取樣4次，其中第一次因泥漿流量嚴重超過了設計值達到100L/min，導致本回次未采取到煤心，后對泥漿泵進行調整，其余3次均完成了密閉取心。

表1 密閉取心試驗數據

從表1可以看出，調整泥漿泵量后3次密閉取心均能采集到煤樣，煤心采取率為 62.73%～74.17%，均值 68.17%，滿足了密閉取心施工方法要求。

4 結 論

1)通過結構優選，對常規底噴式鉆頭、錐面煤心導進式鉆頭及超前隔水式鉆頭等優化設計與試驗，采用超前隔水式鉆頭進行密閉取心，并對超前小鉆頭長度進行定制以適應不同煤層，解決了常規鉆頭容易沖刷巖心導致巖心采取率低下，煤心容易污染的問題；

2)通過鉆頭水眼大小計算、鉆頭水道結構設計及鉆頭合理切削齒優選與排布，有效降低了沖洗液進入煤心的可能性，進一步防止煤心被沖洗液污染?，F場試驗證明設計的密閉取心鉆頭巖心采取率滿足密閉取心施工要求，可靠性高，能夠配套密閉取心鉆具進行密閉取心進而提高瓦斯檢測精度。