新型棘輪式二級定位鉆具內切割器研制及其在近水平定向鉆孔中的應用

魏宏超，姚寧平，豆旭謙，張金寶

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著大功率定向鉆探設備的推廣，特別是煤礦井下近水平定向鉆孔3 353 m 世界紀錄的產生，煤礦井下近水平定向鉆進技術已逐漸成為煤礦瓦斯抽采、水害治理和地質勘探的主要鉆探方法[1-4]，且應用范圍越來越廣。隨著鉆遇地層復雜程度的增加，伴隨而來的是定向鉆孔孔內事故發生率的增加[5-6]。套銑打撈技術作為一種方法簡單、技術可靠、成功率高的孔內卡/埋鉆具處理方法已經得到了廣泛應用[7-8]。在套銑打撈過程中有時會出現套銑鉆具被卡、埋的二次事故情況，采用內切割工具處理套銑打撈二次事故是一種行之有效的方法[9-10]。目前鉆孔內切割器主要有機械式、水力式、化學式和磨料射流式等4類，其中：機械式內切割器[11]是最早應用的方法，其主要是利用摩擦塊與管壁的摩擦力固定推塊，使切削刀在重力作用下沿推塊斜面滑出后旋轉切割，存在結構復雜、切割刀易崩齒、摩擦塊坐封成功率較低等問題；水力式內切割器[12]是利用液壓推動活塞桿將切削刀頂出后旋轉切割，其結構簡單，但因其無法確定切割效果，容易誤判而導致重復下鉆和多次切割；化學式切割器[13]是采用電流激發混合劑的化學反應產生的高溫對套管熔斷切割的方法，適合小尺寸連續管的事故處理；磨料射流式內切割器[14-15]是在高壓水中摻入磨料顆粒，經由噴嘴噴出后形成切削刀進行切割，但隨著噴距的增加，射流能量的衰減會造成切割不完全。在現有內切割到中，水力式割刀因結構簡單、易加工制造且成本低而被普遍采納[16]。但現有水力式內切割器在施工時存在對司鉆操作要求高、刀具容易磨損、容易發生偏心等問題[16]，且針對煤礦井下小口徑近水平鉆孔套銑鉆桿內切割器的研制與應用較少。

鑒于此，在現有機械式內切割器的基礎上設計了一種用于煤礦井下近水平定向鉆孔套銑鉆桿切割的棘輪式二級定位小口徑內切割器，該切割器利用流體壓力壓縮彈簧蓄能，采用二級棘輪定位切割作業，蓄能彈簧起到蓄能緩沖作用，能夠降低刀具因瞬變力而導致的損壞，操作簡單，安全高效。

1 棘輪式二級定位小口徑切割器原理及性能

現有的水力式內切割多采用水力擠壓式結構，該類裝置內置活塞和壓縮彈簧，其中活塞在水壓作用下產生位移進行推動連接刀具或伸縮刀具張開，完成套管切割動作。水力擠壓式內切割器原理示意圖如圖1。

圖1 水力擠壓式內切割器原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic extrusion internal cutter

棘輪式二級定位小口徑內切割器以水力擠壓式結構為原型，對推送機構和刀具伸出機構進行了改進與優化。其工作流程為：將棘輪式二級定位套銑鉆桿內切割器安設到位后，采用高壓清水推動活塞式推送器，帶動旋轉棘輪軸向運動，壓縮復位彈簧和推送彈簧，推動錐形推送桿剪斷銷釘，錐形推送桿將切削刀推出；停止高壓水，旋轉棘輪卡在二級棘輪定位外管的二級齒條上；打開低壓水，旋轉內切割器，錐形推送桿在推送彈簧的作用下，推動切削刀切割套銑鉆桿；切成完成后，打開高壓水，旋轉棘輪越過一級齒條復位，并帶動T 型連接桿和錐形推送桿復位，切削刀在復位彈簧作用下收回外管內。

棘輪式二級定位小口徑內切割器性能特點：①采用全機械設計，結構簡單、緊湊，易加工制造且成本低；②以活塞棘輪裝置實現蓄能功能，較少對持續水壓的依賴，作業過程中不受水壓波動影響，切割平穩，避免刀片切割油管時的切削量發生較大波動，從而盡可能的消除打刀現象；③兩級齒條機構實現了切割到位報信功能，且切削刀能夠自動復位，便于使用與操作。

棘輪式二級定位小口徑內切割器技術參數：①外徑：89 mm；②長度：1 100 mm；③切割刀最大外徑：119 mm；④扶正器外徑：94 mm；⑤流量300 L/min時的啟動壓差：4 MPa；⑥流量300 L/min 時的完成壓差：4 MPa。

2 棘輪式二級定位小口徑內切割器結構設計

2.1 總體結構

棘輪式二級定位小口徑內切割器結構如圖2。由二級棘輪定位外管、節流針、活塞密封圈、活塞式推送器、旋轉棘輪、復位彈簧、推送彈簧、中外管、T型連接桿、定位套、銷釘、錐形推送桿、下外管、切削刀復位彈簧、切削刀、扶正套等組成。

圖2 棘輪式二級定位小口徑鉆具內切割器結構圖Fig.2 Structure diagram of the ratchet two-stage positioning small-diameter internal cutter

2.2 錐形推靠機構

錐形推送桿與切削刀刀尖的幾何模型如圖3，以軸線方向為x 軸，以垂直軸線方向且通過銷軸中心為y 軸，N1點為錐形推送桿與切削刀的初始接觸點，N2為錐形推送桿與切削刀位移后的接觸點。

圖3 錐形推送桿與切削刀刀尖的幾何模型Fig.3 Geometric model of conical push rod and cutting tool tip

在切割過程中，假設h 為錐形推送桿的移動距離，θ 為此過程切削刀的轉角，T 為切削刀伸出的距離，則：

式中：x1為N1點到y 軸的距離；y1為N1點到O點的垂直距離；α 為OP 和ON1的夾角；T1為OP 的距離。

2.3 棘輪式二級定位機構

棘輪式二級定位機構由4 部分組成：二級棘輪定位外管、活塞式推送器、旋轉棘輪和復位彈簧。二級棘輪定位外管起到將旋轉棘輪二級定位的功能，活塞式推送器與旋轉棘輪端面接觸，起到推動旋轉棘輪軸向和周向運動的作用。二級棘輪定位外管剖面圖如圖4，活塞式推送器結構示意圖如圖5，旋轉棘輪結構示意圖如圖6。

圖4 二級棘輪定位外管剖面圖Fig.4 Section graph of the secondary ratchet positioning outer tube

圖5 活塞式推送器結構示意圖Fig.5 Structural diagram of the piston pusher

圖6 旋轉棘輪結構示意圖Fig.6 Structural diagram of the rotating ratchet

二級棘輪定位外管與鉆桿連接，內設有凹槽，凹槽間設有6 組兩級環形排列的齒條，一級齒條寬度為二級齒條寬度的2 倍，二級齒條高于一級齒條，其中一級齒條用于定位旋轉棘輪，起到鎖定推送彈簧蓄能的作用。

2.4 切割扭矩與推送彈簧推送力

1）切割扭矩計算。在套管切割作業時，孔口扭矩由2 部分組成[17]：刀具的切割扭矩和鉆柱產生的慣性扭矩。

式中：M 為孔口切割扭矩，N·m；M1為切割器切削套管產生的扭矩，N·m；M2為鉆桿柱的慣性扭矩，N·m；n 為切削刀個數；f 為切割摩阻系數，mm，f值與管壁粗糙度，刀尖是否碎裂、磨損，切割時的吃刀深度等許多因素都有關[18]；F 為套管作用于切削刀上的等效力，kN；B 為切削寬度，mm；S 為每齒進尺量，可取0.12～0.20 mm；Z 為硬質合金切削刃個數；?為鉆柱角加速度，rad/s2；qm為鉆柱線質量，kg/m；l 為鉆柱總長度，m；de為鉆桿內徑，mm；d 為鉆桿外徑，mm。

2）推送彈簧推送力[19]。

式中：Ft為推送彈簧的推動力，kN；L1為切削刀刃P 點至切削刀旋轉中心O 點的距離，mm；β 為ON1與鉆具周平面的夾角。

3 現場應用

山西某礦施工底板梳狀壓裂定向鉆孔補1 號孔1-5 號分支孔時，鉆進至孔深462 m 見煤層底板泥巖，施工至498 m 時出現塌孔憋泵現象，提鉆至486 m 進行掃孔時發生卡鉆事故，事故鉆具組合為：φ120 mm 定向鉆頭+φ89 mm 螺桿馬達+φ89 mm 泥漿脈沖測量系統+φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆桿+水便。定向鉆孔軌跡平面圖如圖7，定向鉆孔軌跡剖面圖如圖8。

圖7 定向鉆孔軌跡平面圖Fig.7 Plane graph of directional drilling track

圖8 定向鉆孔軌跡剖面圖Fig.8 Section graph of directional drilling track

3.1 事故概況

在采用“強力回轉起拔”工藝處理時，φ89 mm整體銑削式螺旋鉆桿在147.9 m 處摩擦焊接位置斷裂，隨后采用“φ127 mm 套銑鉆頭+φ114 mm 套銑鉆桿”鉆具組合套銑施工至473 m 時，套銑鉆具卡鉆，且在距離孔口2.7 m 處脫扣，鉆孔與鉆具結構如圖9。

圖9 鉆孔與鉆具結構示意圖Fig.9 Structure diagram of borehole and drilling tools

因該鉆孔為壓裂鉆孔，須將鉆孔內333 m 之前的φ114 mm 套銑鉆桿取出后才能進行裸孔壓裂。確定了：“反絲公錐+反絲鉆桿”處理φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆具，結合內切割器處理φ114 mm 套銑鉆具的組合方案，力爭將孔深≥351 m 以內的鉆具全部取出。

φ89mm 整體銑削式螺旋鉆具反絲處理。采用“φ73-95/95-F 型反絲公錐+φ89 mm 反絲鉆桿”將φ114 mm 套銑鉆桿內φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆桿反絲處理至465 m。

3.2 事故處理工藝流程

采用“棘輪式二級定位內切割器+φ89 mm 鉆桿”組合，將棘輪式二級定位內切割器下入φ114 mm 套銑鉆桿至孔深446.5 m 處（鉆桿與內切割器接頭位置），內切割器扶正套位于φ114 mm 套銑鉆桿接頭處，打開泥漿泵后，緩慢增加清水流量，泵壓升至6.4 MPa 時，活塞式推送器壓縮推送彈簧蓄能，切削刀開始打開且與φ114 mm 套銑鉆桿內壁接觸；減小流量，旋轉棘輪卡在二級棘輪定位外管的二級齒條上，將流量調整至100 L/min，泵壓穩定在2.2 MPa，用于冷卻切削刀；緩慢轉動鉆具，轉速控制在40 r/min 左右；每間隔5～8 min 增加流量，觀察泵壓是否出現下降情況；切割至21 min 時增加泵量至300 L/min，泵壓由6.4 MPa 降至3.5 MPa，活塞式推送器與節流針脫開，切削刀完全打開，旋轉棘輪越過一級齒條復位，切割完成。

采用“φ108/57 公錐+φ89 mm 鉆桿”組合，將孔深2.7 m 至446.5 m 共計443.8 m 的φ114 mm 套銑鉆桿提出鉆孔。

4 結 語

從煤礦井下近水平定向孔套銑鉆具卡/埋鉆事故處理出發，將棘輪式二級定位機構應用到水力擠壓式內切割器中，采用推送彈簧蓄能為切削刀提供切削壓力的方式，設計的新型棘輪式二級定位小口徑內切割器，滿足φ114 mm 套銑鉆具切割的需求。結果表明：該新型內切割器通過一級齒條為推送彈簧定位蓄能，位置穩定可靠，消除了切割過程中對水壓的高精控制要求，且為切削刀提供了柔性的推送力，減少了因水壓不穩造成的切削刀沖擊崩齒現象；該裝置在發揮水力擠壓式機械內切割器優勢的基礎上，利用活塞式推送器和節流針組合，實現了切削刀完全張開報信功能，使用操作簡便、控制簡單，降低了對操作人員的使用技術要求，且應用效果較好；對內切割器的設計提供一種新的思路，但在設計中未考慮切削刀具的簡便更換以及其使用壽命等問題，且對棘輪式二級定位機構與刀具受力運動的綜合分析尚有待完善。