空氣定向鉆進螺桿馬達潤滑關鍵技術

李 坤

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

鉆孔抽采是防治煤與瓦斯突出事故、實現瓦斯綜合治理與利用的有效措施[1]。碎軟煤層在我國高瓦斯礦井中發育廣泛，由于其在形成過程中遭遇多期次的地質構造作用，具有松軟、破碎、低滲、應力復雜的特點，導致煤層機械強度低、煤體結構劣化[2-5]。碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工存在孔壁易失穩破壞、孔內煤粉清潔困難、鉆孔軌跡不能精確控制、完孔方法有限等諸多難題[6-7]。

中風壓空氣鉆進工藝利用鉆機回轉破碎煤層，同時利用礦用空壓機提供的壓縮空氣和異形結構鉆桿共同進行排渣，可大幅度提高碎軟煤層成孔深度；但由于鉆孔軌跡不可控造成長鉆孔成孔率和煤層鉆遇率低等問題[8-9]。

空氣定向鉆進技術結合了中風壓鉆進工藝和螺桿鉆具定向鉆進工藝的技術優勢；采用井下防爆空壓機或制氮機提供動力，驅動氣動螺桿鉆具旋轉帶動鉆頭回轉切削鉆進，同時，壓縮氣體將鉆進過程中產生的熱量和煤渣從環空排出孔外，實現連續定向鉆進[10-12]。因其具有擾動小，有利于孔壁穩定和瓦斯解吸的特點，成為碎軟煤層的有效鉆進技術。但是，由于空氣的冷卻、潤滑、減振作用相對清水要差，空氣螺桿馬達的工作環境相對惡劣，工作穩定性和使用壽命有待進一步提高。因此，迫切的需要針對空氣螺桿馬達技術特點，研制專用潤滑與冷卻裝備，延長螺桿馬達使用壽命。

1空氣螺桿馬達結構原理

空氣螺桿馬達是專為空氣定向鉆進而設計的一種動力馬達，作為驅動鉆頭回轉切削煤巖的核心部件，其結構上與泥漿螺桿馬達差別不大。常見的有?73 mm 和?82 mm 2 種規格；其結構主要由旁通閥總成、螺桿馬達（定子、轉子）總成、萬向軸總成、傳動軸總成4 大部分組成。

馬達總成由定子和轉子2 部分組成；定子是在鋼管內壁上壓注橡膠襯套而成，橡膠內孔是具有一定幾何參數的螺旋；轉子則是1 根表面鍍鉻的螺桿。馬達工作時，作為轉子的螺桿在高壓氣體的作用下相對定子高速轉動，并通過萬向軸總成和傳動軸總成將扭矩傳遞給鉆頭，驅動鉆頭切削煤巖。由于摩擦，在轉子和定子間會發生磨損并產生大量的熱量，如果熱量不能被及時帶走，不斷積聚，有可能會造成馬達高溫損壞。改善轉子與定子間的潤滑條件有利于減少熱量的產生，提高螺桿馬達的使用壽命。

2 螺桿馬達孔口潤滑技術與裝備

采用空氣定向鉆進技術進行鉆孔施工的過程中，多在孔口采用人工向鉆桿內加注潤滑油，并借助壓縮空氣將部分油液吹至螺桿馬達處，實現行螺桿馬達的潤滑。由于，加注進去的潤滑油為液體，大部分會附著在鉆桿內壁，導致潤滑油輸送距離短，定向長鉆孔施工時很難到達螺桿馬達處，造成了油液的浪費，且潤滑效果不佳。為此，中煤科工西安研究院研置了2 套空氣螺桿馬達專用潤滑裝備，可以滿足不同使用需求。

2.1 油霧潤滑

2.1.1 ZYB4-10 型油霧潤滑泵

ZYB4-10 型油霧潤滑泵如圖1。

圖1 ZYB4-10 型油霧潤滑泵Fig.1 ZYB4-10 oil mist lubrication pump

ZYB4-10 型油霧潤滑泵主要由壓風管路、液動計量泵、泵站、操縱臺等幾部分組成。壓風管路中間安裝有旋渦式流量計可以實時讀取當前壓風的流量和壓力信息；液動計量泵是一種采用液壓馬達驅動的小排量計量泵，額定輸出流量40 L/h，最大工作壓力10 MPa，具有可以保持與排出壓力無關的恒定流量的特性，通過調節手輪可以在0～40 L/h 之間準確控制潤滑油的加注流量。

油霧潤滑泵工作時，泵站輸出的高壓油驅動液動計量泵從油箱內抽取抗磨液壓油加壓后將其輸送至壓風管路。壓風管路上沿壓風流動方向安裝有空氣霧化噴頭，抗磨液壓油進入霧化噴頭后會在壓風管路內形成噴射狀油霧。當空壓機壓力超過0.5 MPa 時，油霧顆粒直徑在7 μm 左右，能夠很好地懸浮在空氣中，并隨壓風進入螺桿馬達，實現了潤滑油的較長距離輸送。

在采用壓縮空氣作為動力源進行空氣定向鉆孔施工時，由于潤滑油霧易燃易爆的特性，需要嚴格控制潤滑油霧和壓縮空氣之間比例。推薦采用制氮機作為動力源配套油霧潤滑泵使用。另外，使用抗磨液壓油作為潤滑介質使用成本較高。

2.1.2 ZCY-2×16L 型煤礦壓風鉆進用履帶式除塵車

ZCY-2×16L 型煤礦壓風鉆進用履帶式除塵車如圖2。

圖2 ZCY-2×16L 型煤礦壓風鉆進用履帶式除塵車Fig.2 ZCY-2×16L type crawler dust collector for air directional drilling in coal mine

為降低潤滑油使用成本，提高施工安全性，ZCY-2×16L 型煤礦壓風鉆進用履帶式除塵車使用價格更低，且不易燃的乳化液作為潤滑介質，并為其設置了專用油箱。乳化液潤滑效果較液壓油稍差，因此將計量泵的額定輸出流量增大至150 L/h，確保螺桿馬達潤滑效果。

空氣定向長鉆孔施工中，除了螺桿馬達潤滑同外，現場作業還需要配套有除塵系統、應急孔內滅火系統、風水聯動系統，等諸多系統。ZCY-2×16L 型煤礦壓風鉆進用履帶式除塵車將這些原本獨立的系統很好的集成在了一起，并且采用電控化、自動化的方式，將原那本復雜的操作固化到控制程序里，現場無需進行管路連接和設備調試，降低了用戶的使用和維護成本。

2.2 孔口潤滑技術的不足

2 套系統分別在全國多個礦區成功應用，取得了很好的使用效果。同時也暴露出了螺桿馬達孔口潤滑技術的諸多不足。

采用空氣霧化的方式增大潤滑介質的輸送距離，潤滑效果會隨鉆孔深度的增加而逐漸減弱。隨著專用施工設備和施工工藝的不斷推出，碎軟煤層中空氣定向長鉆孔的最大施工距離不斷被突破，孔口潤滑的方式已很難滿足定向長鉆孔的使用要求。

在長距離的輸送過程中，潤滑油霧會不斷地碰撞，匯聚形成大油滴，附著在鉆桿內壁，為了達到良好的潤滑效果隨著鉆孔深度的增加需要不斷地增加潤滑油霧的注入量，而這些潤滑油中最終只有小部分能夠到達螺桿馬達，造成了潤滑油的浪費，同時還會對鉆桿內壁和施工煤層產生污染。

3 孔底噴霧潤滑鉆桿

針對孔口潤滑技術存在的不足，設計了一型空氣定向鉆進專用孔底潤滑鉆桿。鉆桿安裝在空氣螺桿馬達前端，潤滑距離不再受鉆孔深度的影響；具有更好的潤滑效果，減少油液浪費，消除潤滑介質對鉆桿和施工煤層的污染。另外，鉆桿還可以根據馬達的轉速自適應調節噴出潤滑油流量。

3.1 噴霧潤滑鉆桿的結構

噴霧潤滑鉆桿結構如圖3。噴霧潤滑鉆桿主要由公接頭組件、外筒、內筒、活塞組件、母接頭組件組成。公接頭組件和母接頭組件通過螺紋分別固定在內筒和外筒的兩端，并通過密封件在外筒和內筒的環狀空間內形成密閉腔體；腔體內設置有活塞組件將密封腔體分成左右2 部分。

圖3 噴霧潤滑鉆桿結構Fig.3 Spray lubricated drill pipe structure

噴霧潤滑鉆桿公頭端結構如圖4。公接頭組件上設置有噴霧通道，噴霧通道從左到右安裝有過濾接頭、插裝節流閥、霧化噴頭，潤滑油可以從噴霧通道進入，經過潤滑后從霧化噴頭中噴出，節流閥用于控制油液的噴出流量。另外，公接頭組件上還設置有進氣控制通道，進氣控制通道主要安裝有過濾接頭、閥芯、堵頭和復位彈簧，堵頭的下方設置有進氣口，閥芯的滑移可以控制進氣口開閉。

圖4 噴霧潤滑鉆桿公頭端結構Fig.4 Male joint structure of spray lubricated drill pipe

噴霧潤滑鉆桿母頭端結構如圖5。母接頭組件結構相對簡單，沿圓周方向設置有若干個進氣通道，內部還通過螺紋固定有節流裝置。

圖5 噴霧潤滑鉆桿母頭端結構Fig.5 Female joint structure of spray lubricated drill pipe

3.2 潤滑鉆具的工作原理

3.2.1 單根鉆桿工作原理

當設計孔深不深，1 根噴霧潤滑鉆桿攜帶的潤滑油即可滿足馬達潤滑需要時，單根鉆桿工作原理如下：首先，將噴霧潤滑鉆桿公接頭組件上的插裝節流閥取出，利用油泵通過噴霧通道將潤滑油注入噴霧潤滑鉆桿腔體內，活塞組件會在油壓的作用下右移，待活塞組件移到最右側位置，腔體中充滿潤滑油后，再將插裝節流閥裝回原處；然后將噴霧潤滑鉆桿左端通過變徑接頭與螺桿馬達末端相連，將噴霧潤滑鉆桿右端通過變徑接頭與無磁鉆桿相連，即可安裝普通鉆桿進行正常空氣螺桿馬達定向鉆進施工。

定向鉆進施工時，從鉆桿內通孔輸送過來的高壓氣體，高速通過母接頭組件上的節流裝置，會在該裝置兩側形成1 個壓力差，在此壓力差的作用下高壓氣體會從母接頭組件圓周方向設置的進氣通道進入活塞組件右側，在高壓氣體的推動下活塞組件會向左運動，鉆桿內的潤滑油在壓力的作用下通過公接頭組件上的過濾接頭后進入噴霧通道并依次通過插裝節流閥和霧化噴頭，噴入鉆孔內通孔，并隨高壓氣體進入螺桿馬達內部，起到潤滑作用。調節插裝節流閥的開度可以調節一定工作壓力下霧化噴頭噴出油液的流量。同時，一部分潤滑油會通過通道推動閥芯向左移動壓縮復位彈簧，封堵住進氣通道。

3.2.2 2 根鉆桿依次噴油工作原理

2 根鉆桿同時工作剖視圖如圖6。

圖6 2 根鉆桿同時工作剖視圖Fig.6 Section diagram of two drill pipes working simultaneously

當設計孔深較深，1 根噴霧潤滑鉆桿攜帶的潤滑油無法滿足馬達潤滑需要時，需要2 根鉆桿對接使用，工作原理如下：首先，采用和單根鉆桿相同的方法給兩根噴霧潤滑鉆桿內注滿潤滑油；然后將2根噴霧潤滑鉆桿首尾對接，再將前端1 根噴霧潤滑鉆桿公接頭組件通過變徑接頭與螺桿馬達末端相連，將后端1 根噴霧潤滑鉆桿母接頭組件通過變徑接頭與無磁鉆桿相連，即可安裝普通鉆桿進行正常空氣螺桿馬達定向鉆進施工。

定向鉆進施工時，從鉆桿內通孔輸送過來的高壓氣體，高速通過2 個節流裝置，會在該裝置兩側形成壓力差，在此壓力差的作用下高壓氣體會從右側鉆桿母接頭組件的進氣通道進入，推動活塞組件向左運動，潤滑油同樣通過噴霧通道噴入鉆桿內通孔，潤滑螺桿馬達；同時，一部分潤滑油會通過進氣控制通道推動閥芯向左移動封堵進氣口。由于設置在左側鉆桿母接頭組件上的進氣通道被封堵，沒有高壓氣體進入左側鉆桿內部，故左側鉆桿暫時不噴油。

當右側鉆桿的活塞組件運動到末端，腔體內的油液完全噴出，壓力下降，閥芯會在復位彈簧的作用下向右滑動。此時，進氣口被打開，高壓氣體依次通過右側鉆桿進氣口和左側鉆桿進氣通道進入左側鉆桿，推動鉆桿內的活塞組件運動，左側鉆桿噴油。

3.2.3 轉速自適應調節噴出潤滑油霧量原理

在空氣螺桿馬達定向鉆進施工時，螺桿馬達的轉速主要取決于螺桿馬達的排氣量，當排氣量增加時馬達的轉速也會相應增加，同時鉆桿內的空氣流速也會增加，節流裝置兩端產生的壓差也會相應增加，造成活塞組件所受到的推動力增加，單位時間就會從插裝節流閥兩端通過更多的潤滑油，對螺桿馬達進行充分潤滑。當馬達轉速降低時情況則剛好相反。節流裝置兩端產生的壓差減小，造成活塞組件所受到的推動力降低，單位時間從插裝節流閥兩端通過的潤滑油的量也會相應減少。

4 結 語

空氣定向鉆進鉆孔施工時，手工往鉆桿內通孔加注潤滑油的方式，潤滑距離短、效果差、效率低。ZYB4-10 型油霧潤滑泵采用空氣霧化的方式對潤滑油進行霧化處理，提高了潤滑油的輸送距離，改善了潤滑效果，但是仍存潤滑油成本高，潤滑油霧易燃易爆的缺點。ZCY-2×16L 型煤礦壓風鉆進用履帶式除塵車集成油霧潤滑功能，實現了空氣螺桿馬達潤滑的電控化、自動化；采用乳化液作為潤滑介質，降低了潤滑油的使用成本，同時解決了潤滑油霧易燃易爆的問題。但是，孔口潤滑技術仍然存在潤滑效果隨鉆孔深度增加而減弱，潤滑油會造成鉆桿和施工煤層污染的不足，無法滿足日益增長的空氣定向鉆進鉆孔深度對螺桿馬達潤滑的需求。

針對孔口潤滑技術存在的不足，提出了一種孔底潤滑技術，研制了一種空氣螺桿馬達專用孔底潤滑鉆桿，安裝在空氣螺桿馬達前端，潤滑距離不再受鉆孔深度的影響；改善了潤滑效果，減少油液浪費，消除潤滑介質對鉆桿和施工煤層的污染。另外，鉆桿還可以根據馬達的轉速自適應控制噴出潤滑油流量。