機械破巖模擬試驗鉆機洗井系統關鍵技術研究

陳云，余洋，涂偉

（寧夏天地奔牛實業集團有限公司，寧夏銀川 750001）

0 引言

隨著近年來國家礦山開采技術快速發展，很多新裝備、新材料、新技術、新工藝在地下礦山開采中得到應用，同時礦山開采向深部發展，其中硬巖約占1/4左右。近年來國內礦山深部開采井筒建設裝備和施工工藝也得了快速發展，中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家實驗室、北京中煤礦山工程有限公司煤礦深井建設技術國家工程實驗室等在機械破巖方面做了大量的研究工作。為進一步研究鉆井機械破巖過程中巖石內部變化機理等，研發全斷面機械破巖模擬試驗鉆機，研究全斷面模擬試驗鉆機洗井系統關鍵技術，模擬鉆井實際工況環境，獲取實驗數據，為礦山深部開采建井提供數據支持[1-5]。

1 機械破巖模擬試驗鉆機洗井系統工作原理

如圖1所示，反井鉆機導孔過程中，泥漿泵將高壓洗井液從反井鉆機動力頭主軸中心孔送入，沿鉆桿中心孔向下輸送至鉆頭，再將鉆渣從鉆桿和孔壁形成的環形腔排至地面，泥漿泵工作壓力根據到孔深度確定，洗井液只有在高壓狀態下鉆渣才能從鉆桿和孔壁形成的環形腔排至地面，隨著鉆孔深度的增加，導向鉆頭處的水壓也隨著增加，當鉆深達到1000 m時，孔深度形成水壓超過10 MPa，泥漿泵提供較小的工作壓力，鉆渣就可以排到地面，泥漿泵工作壓力一般在5 MPa以下，鉆頭的工作壓力達到15 MPa左右，但反井鉆機輸出主軸內部的工作壓力就是泥漿泵提供的壓力，相對較低[6-8]。

圖1 反井鉆機洗井液循環原理示意圖

全斷面機械破巖模擬試驗鉆機洗井系統要真實模擬鉆井環境，模擬鉆頭在實際高壓環境下的破巖狀態，獲取破巖數據，研究破巖機理。因此試驗鉆機鉆頭所在的空間設計成高壓腔體，模擬鉆井深度只有1.6 m，鉆井深度形成的壓力很小，需洗井系統提供15 MPa左右的工作壓力才能模擬實際鉆井環境，鉆桿與試驗臺之間形成高壓動密封，如圖2所示。由泥漿泵提供的高壓洗井液從試驗鉆機動力頭主軸中心孔與回液管形成的環形腔中送入，沿鉆桿中心孔向下輸送至鉆頭，再將鉆渣從主軸中心孔中向上排出，經過濾系統過濾后進入泥漿泵水箱，實現洗井液的工作循環，整個洗井系統壓力達到15 MPa左右。

圖2 全斷面試驗鉆機洗井液循環原理示意圖

2 機械破巖模擬試驗鉆機洗井系統功能分析

2.1 排渣功能

機械破巖模擬試驗鉆機洗井排渣與反井鉆機排渣方式不同，高壓洗井液和鉆渣混合液不能直接排放到地面，需要收集處理。全斷面試驗鉆機模擬大直徑一次鉆井成型，鉆井直徑為1200 mm（也就是鉆頭直徑），而且是模擬高壓環境下機械破巖，鉆桿和鉆頭鉆成的孔形成的環形腔體截面過大，高壓洗井液不能將鉆渣直接從鉆桿外側排放，需經過鉆桿和動力頭主軸中心從試驗鉆機頂部排出，進入分離系統。

2.2 鉆渣分離功能

機械破巖模擬試驗鉆機排出的高壓洗井液和鉆渣混合液直接進入專用泥漿分離機進行分離處理，處理后的洗井液接入泥漿泵水箱，高壓洗井液工作過程形成循環閉環，實現工作液的循環再利用。

3 機械破巖模擬試驗鉆機洗井系統關鍵技術研究

機械破巖模擬試驗鉆機工作原理和特性決定了主機內部洗井系統與反井鉆機結構和工作壓力完全不同，其結構更加復雜，工作壓力更高。如圖3所示，反井鉆機高壓洗井液從動力頭輸出主軸上部安裝在動力頭上的液壓管路經過輸出主軸中心孔，沿鉆桿中心孔到達鉆頭處，回液通過鉆桿與導孔形成的環形孔排到地面，不經過主機內部[6-8]。旋轉的輸出主軸上端與固定在動力頭上的液壓管路直徑通過帶有高壓密封的機構實現洗井液高壓通道固定到旋轉轉換，工作壓力不大于5 MPa。

圖3 反井鉆機動力頭

機械破巖模擬試驗鉆機洗井系統與反井鉆機的最大區別是高壓洗井液進回口都在動力頭上端，進回液都要經過主軸和鉆桿中心孔，主軸和鉆桿中心孔需設計成雙層通道，而且工作壓力高，達到15 MPa 左右。同時鉆頭所有實驗數據監測的傳感器電纜沿鉆桿引出，鉆桿不僅要傳遞鉆井轉矩，還要與試驗臺導向孔之間形成高壓動密封，實現鉆頭在高壓環境中工作模擬真實工況環境，機械破巖模擬試驗鉆機高壓洗井液進回管路和鉆桿結構如圖4所示。

圖4 機械破巖模擬試驗鉆機

為解決高壓洗井液進回管路（靜止）與動力頭輸出主軸（旋轉）連接及進回液分離的難題，在動力頭輸出主軸中心孔設計了可更換的中心管，上端與動力頭頂部固定的回液管路連接，下端升至鉆頭底部，動力頭旋轉過程中中心管始終靜止。中心管外圓與動力頭輸出主軸中心孔形成的環形腔體為高壓洗井系統在動力頭內部的進液管路，高壓洗井液經過輸出主軸和鉆桿從鉆頭側面排出，鉆頭底部的鉆渣沖進中心管，沿中心管向上排出。動力部上端進液口與回液口設計成一個整體，與動力頭輸出主軸之間通過可伸縮的高壓動密封結構連接，實現洗井液安裝在動力頭靜止不轉的進出口管路與可旋轉的動力頭輸出主軸的高壓密封動連接。根據流量大小要求設計洗井液井回管路截面大小。

全斷面機械破巖模擬試驗鉆機模擬鉆井過程中，鉆桿在旋轉的同時向下低速移動，鉆頭在充滿高壓洗井液的腔體中工作，鉆桿與工作臺之間設計了高壓動密封裝置，使高壓洗井系統和模擬試驗鉆機鉆頭工作空間形成高壓密封環境，真實模擬反井鉆機鉆井工況，獲取實驗數據。鉆桿設計成雙層結構，內層鉆桿與動力頭輸出主軸連接，傳遞鉆頭工作轉矩，外層與鉆頭連接，鉆井過程中起導向作用。兩層之間布置監測實驗數據的傳感器電纜。

4 結語

通過研究全斷面機械破巖模擬試驗鉆機高壓洗井系統原理和功能，結合試驗鉆機動力頭輸出主軸和鉆桿結構，設計了在實驗室可以模擬反鉆鉆機實際工作環境的高壓洗井液壓回路和多功能鉆桿結構，在試驗鉆機動力頭輸出主軸和鉆桿中心孔中設計了高壓洗井液進回通路，將進回液口設計在試驗鉆機動力頭頂部，實現了洗井液和鉆渣的回收，避免污染實驗室工作環境。主要解決了全斷面機械破巖模擬試驗鉆機高壓洗井系統3個方面的關鍵技術：1）洗井液工業系統與主機和模擬鉆井井孔形成的高壓模擬試驗系統；2）全斷面機械破巖模擬試驗鉆機高壓洗井系統與主機動力頭輸出主軸之間洗井液進回雙層動靜轉化的高壓密封結構；3）具有導向、傳遞轉矩和進給力、輸送洗井進回液等功能的多層鉆桿。