旋轉導向用?114.3 mm 有線隨鉆測量鉆桿設計及應用

董萌萌

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下定向鉆孔是瓦斯抽采治理、水害防治、地質構造探查等工程施工的重要途徑和安全保障措施[1-4]。瓦斯災害嚴重制約著煤炭行業的安全可持續發展，近年來，利用定向鉆孔軌跡精確可控、可沿目標地層長距離延伸的優勢，在煤礦井下大區域范圍內實施“中硬煤層大盤區瓦斯抽采、碎軟煤層瓦斯區域抽采、頂板巖層以孔代巷抽采”全區域精準覆蓋、“采前－采中－采后”全時段連續抽采，實現了煤礦井下瓦斯全域化、精準、快速抽采，為煤礦安全綠色開采提供地質保障[5-8]。

隨鉆測量鉆桿是定向鉆探施工中必備的配套鉆具，包括有線隨鉆測量鉆桿和無線隨鉆測量鉆桿2 大類[9-11]。由于煤礦井下條件限制，定向鉆進施工通常以有線隨鉆測量鉆桿為主，即通纜裝置與鉆桿構成同軸電纜結構，可實現孔口與孔底電力和信號的雙向實時穩定傳輸[12-13]。定向鉆孔施工工藝總體分為定向造斜鉆進和保直鉆進2 種，前者主要目的是以最短的進尺使鉆孔軌跡進入目標地層，施工時采用滑動定向鉆進工藝；進入目標層后，采用復合定向鉆進工藝，使鉆孔盡可能在煤層中延伸，即“滑動糾偏、復合保直”[14]。

現有定向鉆進施工在滑動定向時，鉆桿柱摩阻沿鉆桿軸向，容易造成“托壓”現象，同時井眼軌跡不光滑，影響排粉效果，長距離鉆進容易引發卡鉆事故[15-16]。旋轉導向鉆進施工井下單元在鉆柱旋轉過程中以推靠或指向的方式實現軌跡控制，定向過程中鉆桿柱始終保持旋轉，因而井眼軌跡光滑，排粉能力好，有利于實現長距離定向鉆孔[17-19]。

旋轉導向系統要求孔口控制單元與孔內測量單元之間具有信號實時雙向傳輸的特點，而有線隨鉆測量鉆桿由于“數據傳輸效率高，滿足孔口與孔內測量單元之間電力和信號的雙向實時傳輸”等優點而應用于煤礦井下旋轉導向鉆進施工中[20-21]。

因此亟須研制適用于旋轉導向鉆進工藝的?114.3 mm 大直徑有線隨鉆測量鉆桿。

1 鉆桿結構設計

1.1 設計需求

旋轉導向鉆進施工配套ZDY25000LDK 大功率定向鉆機，鉆孔直徑增大，對鉆桿的強度、過流通道、信號傳輸可靠性等方面提出了更高的要求，因而現有的有線隨鉆測量鉆桿無法滿足安全高效鉆進需求。根據旋轉導向施工工藝及配套設備，有線隨鉆測量鉆桿結構設計遵循以下4 條原則：①強度滿足大功率鉆機施工要求，鉆機額定轉矩25 kN·m，給進起拔力300 kN；②鉆桿接頭結構設計合理，滿足額定泵量800 L/min 的過流要求；③內部中心通纜裝置密封性能好，信號傳輸穩定可靠；④適用于孔底旋轉導向鉆具施工工藝和復合定向鉆進工藝，鉆桿彎曲強度能夠滿足鉆孔全彎曲強度≤1°/3 m 的造斜要求。

1.2 鉆桿體結構

旋轉導向配套的有線隨鉆測量鉆桿設計的重點和難點有2 方面：①要求鉆桿具有足夠的強度和抗彎能力：為了保證鉆桿具有足夠的強度和韌性，需要對鉆桿接頭及螺紋進行合理設計，確保鉆桿在鉆進施工時的安全性；②要考慮接頭螺紋錐度與內通孔匹配性：通過增大螺紋錐度滿足鉆桿自動化上卸扣，但在根圓直徑不變時，錐度越大，公接頭小端直徑變小，影響過流面積，因此，在鉆桿滿足強度要求前提下，需平衡鉆桿接頭通孔直徑與錐度。

鉆桿整體設計結構如圖1。有線隨鉆測量鉆桿主要包括鉆桿體和中心通纜裝置：鉆桿外管主要傳遞鉆機輸出的扭矩、給進、起拔力；內部中心通纜裝置主要實現孔底與孔口設備之間電力和信號的雙向傳遞。

圖1 鉆桿結構Fig.1 Drill pipe structure

鉆桿外徑為?114.3 mm，單根長度1～2 m，桿體壁厚7～9 mm；滿足鉆桿承載能力的情況下，考慮排粉需求，接頭內孔采用內部平滑流線設計，降低循環壓耗，既能滿足鉆進時的泥漿泵循環要求，又能滿足旋轉導向鉆具工作小流量要求，結合生產實際及設計經驗，確定鉆桿內孔直徑為?60 mm；煤礦井下用鉆桿，其公母接頭螺紋配合采用負緊密距，便于鉆桿上卸。有線隨鉆測量鉆桿通纜裝置采用剛性金屬結構固定支撐，支撐環采用大環空過流結構，結構穩定、質量輕、過流面積大，實現了大環空過流通道設計，同時能夠將中心信號傳輸裝置穩定可靠固定于鉆桿體內部，避免旋轉過程中發生相對竄動。采用新型塑料接頭插接方式，具有較好的強度、韌性和抗高溫蠕變性；內芯插接端部設置有組合密封結構，能夠有效隔離高壓水，實現任意鉆桿連接后在高壓工況下接頭的可靠密封。根據大直徑定向鉆孔施工工藝要求，鉆桿接頭采用V150 鋼級材料，熱處理后，屈服強度大于1 000 MPa，抗拉強度大于1 200 MPa，延伸率大于18%，接頭抗彎能力強，韌性高，螺紋抗粘扣性能好。鉆桿管體選用G105 鋼級材料，確保管體具備良好的綜合機械性能。結合煤礦井下用有線隨鉆測量鉆桿設計經驗，同時兼顧鉆機上卸扣方便，鉆桿接頭螺紋牙型選用三角牙型[22]，鉆桿接頭螺紋錐度設計為1:6，螺距6.35 mm，具有良好的密封能力和抗彎能力，便于大功率定向鉆機上卸鉆桿。

1.3 通纜結構

?114.3 mm 中心通纜式有線隨鉆測量鉆桿，由鉆桿體及中心通纜裝置組成，中心通纜裝置主要由絕緣公（母）接頭、導線、橡膠穩定器和支撐環組成。公、母接頭及導線是提供信號的傳輸通道；橡膠穩定器為導線在鉆桿體中提供支撐緩沖作用，防止導線在管內介質的作用下擺動造成斷裂；支撐環用于實現鉆桿連接時絕緣公（母）接頭的中心定位以及提供介質通道。

根據對普通中心式有線隨鉆測量鉆桿的流場分析可得，提高鉆桿接頭 2 支撐環距離，提高支撐環結構的截面積，提高鉆桿接頭各部位的過流面積是減小鉆桿接頭部位流阻的有效途徑。以此為指導，對鉆桿支撐環結構、中心通纜方式等進行結構優化，設計了?114.3 mm 中心通纜有線隨鉆測量鉆桿，通纜結構和鉆桿接頭結構如圖2。

圖2 通纜結構和鉆桿接頭結構Fig.2 Cable structure and drill pipe joint structure

采用更高鋼級的材料，減小接頭部位厚度，增加內孔直徑；管體中心改為外管支撐，管體內通纜方式改為外繞式，增加桿體過流面積，減小通纜接頭尺寸，提高2 個支撐環間過流面積；增加支撐環孔隙面積，將支撐環結構由平面式改為立體式，減緩截面積的突變，提高 2 個支撐環之間的距離。

2 數值模擬與接頭強度分析

采用數值模擬方法對螺紋牙型強度進行分析，以優選鉆桿接頭螺紋參數。在母接頭非螺紋端的端面施加固定約束，在公接頭非螺紋端的端面上施加25 kN·m 的扭矩，通過Abaqus 有限元仿真計算，得到的公母接頭螺紋的應力云圖如圖3。

圖3 公母接頭螺紋的應力云圖Fig.3 Stress cloud images of male and female joint threads

分析圖3，采用三角螺紋牙型的鉆桿公接頭的最大應力值均出現在錐扣大端螺紋處，母接頭的最大應力值均出現在錐扣小端的螺紋處。公接頭最大等效應力為376.7 MPa，母接頭最大等效應力為212.6 MPa，均滿足接頭材料強度要求。

在煤礦井下近水平鉆孔施工過程中，由于鉆桿柱自重以及自身的偏心等因素產生彎曲，回轉時造成鉆桿柱有一定的質量偏離回轉中心而產生離心力，在拉力、壓力、離心力、轉矩等各種力的作用下，鉆桿軸線在鉆孔內呈變節距的空間螺旋曲線形狀[23]。根據鉆桿實際使用工況建立三維模型，施加扭矩25 kN·m，軸向力300 kN，采用Abaqus 對鉆桿接頭在孔內的受力情況進行仿真。鉆桿接頭的應力分布云圖如圖4。

圖4 鉆桿接頭的應力分布云圖Fig.4 Stress cloud images of drill pipe joint

分析圖4，鉆桿公接頭螺紋第1 牙處應力值高，螺紋整體應力值分布均勻，其應力最大發生在公接頭螺紋第1 牙處，最大應力值為580.4 MPa；母接頭受力主要集中在接觸臺肩、螺紋、根部螺紋位置處，最大應力在大端和公接頭接觸面上，應力最大值為394 MPa，螺紋牙位置應力分布均勻。通過有限元分析，驗證了鉆桿接頭螺紋強度符合設計要求，滿足現場施工要求。

3 室內性能測試

1）密封性和導電性測試。根據NB/T 10175—2019《煤礦井下有線隨鉆測量測量鉆桿》標準要求，鉆桿在20 MPa 水壓下保壓持續8 h 后：壓力≥8 MPa，信號傳輸裝置與鉆桿外壁絕緣電阻大于10 MΩ。考慮現場使用實際工況，按照試驗要求，利用打壓試驗平臺鉆桿進行打壓試驗，調節增壓裝置加壓至 20 MPa，保壓8 h 后，對鉆桿進行密封性試驗。打壓至20 MPa，保壓8 h 后，壓力為19.8 MPa，基本保持穩定，測量中心電阻0.3 Ω，絕緣電阻阻值為∞。鉆桿密封性試驗結果表明：研制的?114.3 mm 有線隨鉆測量鉆桿密封性能，滿足20 MPa 鉆進工況施工要求。

2）扭轉試驗。采用扭轉試驗機對鉆桿進行抗扭試驗，扭轉試驗結果表明：?114.3 mm 有線隨鉆測量鉆桿抗扭能力達到54 kN·m 未出現漲扣，能夠滿足使用要求。

3）拉伸試驗。采用萬能拉伸試驗機對?114.3 mm有線隨鉆測量鉆桿進行抗拉性能試驗，結果表明：?114.3 mm 有線隨鉆測量鉆桿承受拉力高達2 750 kN 后才發生斷裂失效，因此滿足ZDY25000LDK大功率定向鉆機起拔能力要求。

4 現場試驗

2021 年1 月11 日至2021 年10 月26 日，采用ZDY25000LDK 定向鉆機、泵車、旋轉導向系統等配套設備在內蒙古鄂爾多斯唐家會煤礦進行現場旋轉導向鉆進試驗。在6 煤南2 巷施工3 個鉆孔，在61 303 回風巷鉆場施工1 個鉆孔。唐家會旋轉導向現場鉆孔設計見表1。1 號鉆孔實鉆軌跡剖面圖如圖5。

表1 唐家會旋轉導向現場鉆孔設計Table 1 Rotary steerable field drilling design in Tangjiahui Coal Mine

圖5 1 號鉆孔實鉆軌跡剖面圖Fig.5 Drill path cross-section diagram of No.1 hole

采用研制的?114.3 mm 有線隨鉆測量鉆桿施工，累計進尺2 421 m，其中3 號鉆孔因地層原因，鉆至151 m 處停鉆，鉆孔報廢，1 號鉆孔最大造斜強度1°/3 m。現場試驗證明了大直徑有線隨鉆測量鉆桿力學性能穩定、能夠滿足造斜強度和信號實時傳輸的要求。

5 結 語

?114.3 mm 大直徑中心通纜有線隨鉆測量鉆桿整體結構設計合理，有效提高了過流面積，減小孔底循環壓力損失；配套旋轉導向裝置對唐家會頂板砂巖水進行疏放，現場使用證明通纜裝置滿足旋轉導向鉆進對信號傳輸性能的需求；建議進一步對鉆桿使用壽命進行跟蹤，對通纜裝置絕緣接頭材料進行改進，提高使用壽命。