井下碎軟煤層雙管雙動空氣定向鉆進工藝研究

王 力

(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)

我國含碎軟煤層賦存層位多、分布廣，這類煤層透氣性差、瓦斯含量高、煤體力學強度低[1]。煤礦井下碎軟煤層鉆進是開式循環、欠平衡鉆進，沒有靜液柱壓力平衡地層壓力來維持孔壁的穩定性，孔壁易失穩，鉆進時更易發生噴孔、塌孔，導致鉆進困難、成孔深度淺、孔內事故頻發、鉆孔堵塞等問題[2]，嚴重影響瓦斯治理。采用中風壓空氣鉆進、高轉速螺旋鉆進等技術有效提高了碎軟煤層的鉆孔深度[3-6]，上述研究主要是通過提高排渣效率、減少沖刷和軟化孔壁等措施來提高成孔深度和成孔率的鉆進方法，鉆孔深度、成孔率等仍然受噴孔、塌孔的影響[7-8]。

借鑒石油鉆井領域的套管鉆進方法，集成中風壓空氣鉆進的和套管鉆進護孔的優勢，“十二五”期間，中煤科工集團西安研究院提出了碎軟煤層空氣套管鉆進技術，對套管鉆進孔底組合鉆具、鉆進供風參數以及鉆進施工流程進行了深入研究，把碎軟煤層孔深提高到250 m、成孔率80%以上，取得了良好的應用效果[9]，但該技術采用雙管單動方法，內管為回轉鉆進鉆具，無法實現定向鉆進，且內管鉆進時無法活動外管鉆具，會造成沉渣卡鉆。隨著煤礦碎軟煤層“以孔代巷”、遞進式抽采等區域瓦斯治理需求的提出，對鉆孔深度和精度有了更高的要求，在空氣套管鉆進技術的基礎上，“十三五”期間中煤科工集團西安研究院開展了集隨鉆護孔、空氣螺桿精確定向、篩管完孔等功能于一體的雙管雙動空氣定向鉆進技術研究[10-12]，提高了碎軟煤層鉆孔深度，并且實現了鉆孔軌跡精確控制。

筆者從雙管雙動空氣定向鉆進工藝方法出發，研究雙管鉆具級配與結構、供風參數、空氣鉆進排粉規律等關鍵工藝，以期為碎軟煤層隨鉆護孔精確鉆進提供新工藝方法，為雙管雙動定向鉆進技術的開發提供理論基礎。

1 雙管雙動空氣定向鉆進工藝方法

雙管雙動空氣定向鉆進鉆具組合包括套管、套管鉆頭、空氣螺桿鉆具、擴眼器和領眼鉆頭等，鉆具組合如圖1 所示。

圖1 雙管雙動定向鉆進工藝方法Fig.1 Schematic diagram of techniques of double-pipe and double-acting directional drilling

以隨鉆護孔套管鉆具和以空氣螺桿鉆具(彎角β=1.25°)為核心的定向鉆具，由鉆機雙動力頭分別驅動(雙管雙動力頭定向鉆機如圖2 所示)，實現雙管雙動鉆進，還可以根據排渣、定向效果等情況，實現內管定向鉆具和外管套管鉆具在一定超前距 ΔL范圍內差動。該方法的優勢在于內管為空氣螺桿鉆具，可以進行碎軟煤層隨鉆測量定向鉆進；外管為螺旋套管鉆具，可以隨定向鉆進軌跡跟進隨鉆護孔，雙管在各自動力頭驅動下可以相互獨立地進行旋轉鉆進護孔、定向鉆進。

圖2 雙管雙動力頭空氣定向鉆機Fig.2 Schematic diagram of the double-pipe and double drill head air directional drilling rig

雙管雙動空氣定向鉆進分為定向鉆進和復合鉆進兩個工藝過程。定向鉆進時，鉆桿動力頭帶動螺桿鉆具滑動定向鉆進，同時套管動力頭帶動套管以較低轉速回轉跟管鉆進，實現套管隨鉆護孔，鉆屑從內外環空排出孔外，實現連續鉆進。復合鉆進時，鉆桿動力頭帶動螺桿鉆具復合鉆進，同時套管動力頭帶動套管以較低轉速回轉跟管鉆進，并隨鉆護孔，鉆屑主要從內環空排出孔外，實現連續鉆進，這兩個鉆進過程中套管是反絲連接、反向旋轉的，防止雙管旋向一致導致套管松扣。鉆進結束后，先將內管定向鉆具從套管內提出，套管暫時留在孔內，然后從套管內通孔下入大直徑篩管，完成后將套管提出，把篩管留在孔內終孔，鉆進過程示意如圖3 所示。

圖3 雙管雙動鉆進過程Fig.3 Schematic diagram of double-pipe and double-acting directional drilling process

2 關鍵鉆具及鉆進工藝參數研究

2.1 鉆具級配及結構

雙管鉆具級配和結構是實現雙管雙動定向鉆進工藝方法的核心，關系到鉆進工藝參數的選擇，根據排粉環空最大、供風損失以及鉆孔孔徑最小原則，確定了鉆具結構和級配。

1)鉆具級配

雙管鉆具既要考慮套管與套管鉆頭的級配、還要考慮帶彎角的氣動螺桿鉆具在套管內的通過性，鉆具通過性試驗如圖4 所示。以?73 mm、彎角1.25°空氣螺桿鉆具為基準，結合現有鉆探管材標準，確定領眼鉆頭直徑為90 mm，底擴式擴眼器直徑120 mm，套管心桿采用?114 mm 標準管材，公接頭處最小內通孔直徑96 mm、焊接螺旋葉片后外徑 120 mm，套管鉆頭直徑140 mm。

圖4 空氣螺桿螺桿鉆具通過性試驗Fig.4 Test of air motor running though the casing

2)螺旋套管結構

鉆進時，套管鉆頭切削的部分煤粉需要從外環空排出孔外，因此將套管設計為寬葉片螺旋套管，螺旋葉片可以輸送和攪動煤粉，輔助空氣進行雙動力復合排粉，提高排粉效率，螺旋葉片的頭數、升角、螺距等都會影響鉆進排粉效率，螺旋葉片作用下煤粉運動分析如圖5 所示。

圖5 螺旋鉆進煤粉顆粒運動分析Fig.5 Motion analysis diagram of coal particles in auger drilling

以螺旋葉片上O點的煤粉顆粒M 作為研究對象，vR是沿O點法線方向煤粉顆粒的絕對運動速度，由于煤粉與螺旋葉片存在摩擦，vN是煤粉顆粒與法線偏轉一定摩擦角β方向的實際運動速度。對vN進行分解，可得到煤顆粒的軸向速度vA和圓周速度vC。vA即是煤粉軸向輸出速度，而vC沿螺旋鉆桿徑向使煤粉產生上下翻滾，起到了攪動煤粉的作用[13-14]，有利于空氣攜帶排粉，這正是采用寬葉片螺旋鉆桿空氣鉆進提高排粉效率的工藝原理。

由圖5 分析可得到如下公式：

根據螺旋鉆桿結構理論可知：

式中：L為螺旋葉片螺距，m；n為套管或鉆桿轉速，r/min；P為螺旋葉片導程，m；D1為套管直徑，mm；s為螺旋葉片頭數，可取1、2、3；α為螺旋升角，(°)；β為煤與螺旋葉片摩擦角，(°)；μ為煤與螺旋葉片摩擦因數，常取0.46。

由式(1)可知，煤粉軸向運動速度與螺距、鉆具轉速成正比。由于套管的主要作用是護孔，套管鉆頭的切削量較小，且大部分煤粉從內環空排出孔外，套管轉速最高70 r/min，葉片主要起攪動、研磨煤粉的作用。因此，煤粉軸向運動速度可以近似看做與螺旋葉片螺距成正比。當螺距較大時，煤粉軸向輸送速度vA增大，但會出現煤粉圓周速度vC過小，攪動煤粉作用減弱；當螺距較小時，圓周速度分量增大，攪動煤粉作用增強。在確定最優螺距時，套管在較低轉速的情況下，螺旋設計盡量使煤粉顆粒輸送速度vC≥vA，這樣才能滿足攪動煤粉、輔助排粉的要求。多頭螺旋相當于有多條螺旋線在輸送和攪動煤粉，相同條件下的排粉效果要優于單頭螺旋，但此時每個螺旋葉片都會參與攪動、研磨鉆屑，就會增大排粉阻力，反而不利于排粉。一般螺旋葉片設計為1～3 頭，孔徑較大、煤層較硬時選擇3 頭，綜合碎軟煤層性質、增大導程等因素，確定套管螺旋葉片為2 頭設計。

將式(2)、式(4)代入式(1)可得式(5)：

因此，式(5)中煤粉軸向運動速率vA是一個關于螺距的函數，在不同轉速下，煤粉軸向運動速度vA隨螺距的增大出現先增加后減小的趨勢，在螺旋葉片合理參數取值范圍內存在最佳螺距，如圖6 所示。復合鉆進時盡量在鉆機的能力范圍內提高轉速，以提高攪動煤粉效果。

圖6 不同轉速下vA 與螺距關系Fig.6 The relationship of vA and pitch under different rotation rate

根據鉆探工藝要求，由式(3)得到的周向攪動煤粉速度也較大以及加工方便等因素，螺距為100 mm，則導程為200 mm，葉片高度為3 mm，寬度20 mm，反螺旋套管如圖7 所示。

圖7 ?120/96 mm 反螺旋套管Fig.7 ?120/96 mm reverse spiral casing

2.2 供風參數

1)供風量

雙管雙動定向鉆進工藝的供風量要滿足?140 mm鉆孔排粉、空氣螺桿正常運行時耗氣量。根據空氣鉆進理論與實踐經驗。要獲得較高鉆進排粉效率，必須保證鉆桿與孔壁之間環狀間隙的返風速度。實踐表明，返風速度最小應達到15.2 m/s，最佳風速23 m/s 左右[15]。排粉所需風量按下列經驗公式估算。

式中：Q為供風量，m3/min；D2和d分別為鉆孔、鉆具直徑，mm；v為返風速度，一般取v≥15 m/s；K為系數，一般取1.3 左右；λ為擴孔系數(實鉆孔徑與理論孔徑的比值)取1.0～1.1；當0.2≤f＜0.5 時，取1.05～1.10；當0.5≤f＜0.9 時，取1.00～1.05。

另外，供風量直接關系到空氣螺桿鉆具轉速，供風達到螺桿設計排量時可有效發揮螺桿鉆具的性能，供風量5～8 m3/min 時[15]，螺桿鉆具轉速可達到165 r/min，按照雙管雙動定向鉆進鉆具級配、典型碎軟煤層擴孔參數代入式(6)計算，供風量大于10 m3/min 即可滿足鉆進排粉、空氣螺桿鉆進的用風需要。

2)供風壓力

為達到上述排粉風速，就要克服風流的各種阻力。供風壓力損失主要包括管道壓損、螺桿鉆具壓降、加速壓損、摩擦壓損等，供風壓力大于上述各壓力損失之和即可滿足鉆進壓力需求。

式中：p為供風壓力，Pa；Δp為總壓力損失，Pa；Δppd為管路、鉆桿壓力損失，Pa；Δpam為螺桿鉆具壓降，Pa；Δpma為空氣與鉆屑加速壓損，Pa；Δpmf為空氣與鉆屑摩擦壓損，Pa。

供風管路長度取決于空壓機安裝位置，對于目前井下常用的17 m3/min，風壓1.25 MPa 空壓機來說，供風管路到鉆場的長度應小于1 000 m，管路內通孔直徑80 mm 以上，鉆桿通孔孔徑35 mm 以上，此時，在整個管路上壓損0.3 MPa 左右，空氣螺桿鉆具壓降0.5 MPa[16]，此時可滿足鉆進需要，隨著煤礦井下空壓機的發展，可選擇排氣量20 m3/min、排氣壓力1.6 MPa以上空壓機或制氮機作為供風風源，供風能力富余量更大，孔內復雜情況處理能力大，鉆進效果更佳。

2.3 排粉規律

通過螺旋套管、螺旋鉆桿空氣鉆進仿真分析，研究不同鉆進工藝參數下煤粉運移量、分布狀態規律，為鉆進試驗參數調整和優化提供理論依據。收集典型碎軟煤層礦區空氣鉆進煤粉，通過篩分進行粒徑分析，煤樣粒徑分布和數值模擬加權粒徑分布見表1。

表1 煤粉樣品粒徑分布和加權粒徑分布Table 1 Particle size distribution of coal sample and weighted particle size distribution

對于小顆粒煤粉(0.1 mm)，在風量400 m3/h、轉速80 r/min 時，煤粉在鉆孔左右兩側沉積較多，其沉積程度主要受風量影響(圖8)。當轉速大于40 r/min 時，通過提高轉速的方法改善其沉積程度效果不明顯。對于大顆粒煤粉(0.3 mm 以上)，其沉積程度受風量和轉速雙重影響，風量較低時，通過提高鉆桿轉速改善其沉積程度效果明顯；煤粉沉積規律如圖8b 所示。當煤粉顆粒離開孔底后，大致隨著葉片的螺旋軌跡向孔外運移，離鉆桿體越遠，煤粉運移速度越高。

圖8 煤粉顆粒運移規律模擬Fig.8 Migration law of coal particles

風量300～400 m3/h、轉速80 r/min 時有較多煤粉沉積；風量400 m3/h 時，轉速達到120 r/min 以上，才沒有煤粉沉積；風量為300 m3/h 時，轉速達到200 r/min時，才沒有煤粉沉積；當風量增加到500 m3/h，轉速40 r/min 時即沒有煤粉沉積，說明增加風量比增加轉速的提高排粉效果更明顯。

根據仿真分析結果，結合中風壓鉆進實踐經驗，回轉鉆進轉速控制在80 r/min 左右，風量最好達到500 m3/h；采用滑動定向鉆進方式時，由于轉速為0，要求保證更大風量減少沉積，風量應達到500 m3/h 以上；鉆進過程中，當風量低于400 m3/h 時，應當充分回轉掃孔排渣，確保孔內順暢和施工安全。

3 鉆進工藝試驗

采用上述優化鉆具和推薦工藝參數，在淮北某礦1076 回風巷10 煤進行了鉆進試驗。試驗煤層厚度1.5～4.2 m，平均厚度2.85 m，煤層結構單一，傾角變化范圍2°～17°，平均9.5°，煤層堅固性系數f=0.54。

1)試驗配套設備

試驗設備主要參數見表2。

表2 試驗設備主要性能參數Table 2 Main performance of test equipments

2)試驗效果

累計施工4 個試驗鉆孔，總進尺1 170 m，最大孔深354 m(右2 號孔)。其中，0 號孔為地層探查孔，單管定向鉆進，孔深162 m；右1 號、右2 號、右3 號孔為雙管定向鉆進，其中兩個孔孔深達350 m 以上，套管隨鉆護孔深度170 m 以上，有效保護了前段鉆孔，并實現了套管隨定向鉆進護孔，試驗鉆孔施工情況見表3，鉆孔軌跡如圖9 所示，其中右2 號鉆孔軌跡剖面如圖10 所示。

圖9 試驗鉆孔軌跡平面圖Fig.9 Plan of test borehole trajectory

圖10 右2 號試驗鉆孔軌跡剖面Fig.10 No.2 test borehole profile

表3 試驗鉆孔施工情況Table 3 Construction of test boreholes

滑動鉆進時，風量500 m3/h 時，仍有大顆粒煤粉沉積，定向造斜完成后，應立即進行穩斜復合鉆進，旋轉內管鉆具以盡快清除孔內沉積煤粉，實鉆試驗表明，孔深400 m、孔徑140 mm 時，推薦鉆進工藝參數為：轉速40、60、80、120 r/min 時，對應風量應最小達到500、400、400、300 m3/h。

4 結 論

a.雙管雙動空氣定向鉆進綜合了隨鉆套管護孔和空氣定向鉆進的優勢，有效解決了碎軟煤層鉆進的痛點，是碎軟煤層瓦斯遞進式區域治理的新技術。

b.?90 mm 領眼鉆頭+?120 mm 擴眼器+?73 mm空氣螺桿鉆具+?73/35 mm 寬葉片螺旋鉆桿的內管鉆具+?140 mm 套管鉆頭+?120/96 mm 反螺旋套管的外管鉆具組合，級配和結構滿足雙管雙動空氣定向鉆進工藝要求。

c.鉆進轉速40、60、80、120 r/min 時，對應風量應最小分別達到500、400、400、300 m3/h，增加風量比增加轉速的提高排粉效果更明顯，滑動定向造斜完成后，應盡快復合鉆進，清除沉積煤粉。

d.雙管雙動鉆進鉆具采用中間加卸雙管，操作復雜，應進一步進行雙管鉆具加卸自動化研究，提高施工效率和便利性。