井下回轉鉆孔防斜鉆具研制與應用

徐樹斌

1煤礦災害防控全國重點實驗室 重慶 400039

2中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039

我國約 95% 的煤礦開采是井下作業，井下地質條件極為復雜，煤礦開采受到瓦斯、水、火、粉塵、頂板、地溫、地壓等七大自然災害的威脅。井下鉆探在瓦斯、水、頂板災害治理方面有著重要作用。但由于地層傾角、軟硬交替地層、鉆具自重、施工工藝等因素影響，實際鉆孔軌跡會偏離設計軌跡，從而為煤層后續開采埋下安全隱患。

針對鉆孔存在的偏斜現象，國內進行了大量研究，并根據實際情況提出了相應的糾斜方法。一般而言，預防鉆孔偏斜的方法有 3 種：①結合地質構造設計鉆孔，根據不同的地質條件，設計不同的鉆孔位置，如針對軟硬交錯較為復雜的地層，設計的鉆孔方向要盡量和層理面垂直；② 改變鉆具的運動力學狀態，如采取輕鉆壓、慢轉速等；③采用某些器具控制或改變鉆具的軸線方向，如扶正器、各種偏心楔等。許彥鵬等人[1]利用鉆孔測斜儀對抽采順層孔偏斜規律進行了試驗研究，對偏斜主要影響因素進行了分析；焦聚博等人[2]從扶正器保直鉆進技術、水力保直鉆進技術、取心保直鉆進及定向技術保直 4 個方面對保直鉆進技術現狀進行了闡述；樊陽洋[3]在對偏斜規律分析的基礎上，設計了φ94 mm 鉆頭+φ94 mm 刻槽鉆桿+反向鉆頭+三棱鉆桿的保直防斜鉆具；劉學通等人[4]針對傳統的扶正器防斜進行了改進，設計了護板可拆卸式的防斜裝置；王紅勝等人[5]針對李雅莊煤礦 2603 工作面卸壓瓦斯抽采鉆孔軌跡偏移嚴重的問題，提出了角度補償糾偏方法，并提出了鉆孔糾偏效果評價指標；王力[6]結合試驗地點的巖層特性和鉆孔設備，采用了保直穩定組合鉆具，通過穿層鉆孔的鉆進試驗，使鉆孔的偏斜問題得到一定的解決。雖然國內外對鉆孔偏移的問題進行了大量研究，也提出了諸多糾正方法，但是仍然存在一些問題：現有的保直防斜裝置精度較差，滿足不了抽采鉆孔保直防斜的要求；現有的保直防斜技術裝置不成熟，不能保證正常施工作業，容易出現退鉆等問題，仍然沒有在煤礦推廣應用。

筆者在粗徑鉆具的基礎上，設計了一套反循環鉆具，以解決鉆孔軌跡嚴重偏斜問題。該鉆具利用鉆桿內徑保障排渣通道，降低粗徑鉆具對孔壁的擾動，減少排渣量，降低卡鉆的風險。

1 工藝原理

粗徑鉆具保直鉆進技術是目前煤礦井下運用較多的保直方法，其主要原理是與鉆頭連接的鉆具外徑級差不大于 3 mm，減小環空間隙，增大孔底鉆具剛性，保證鉆孔的直線性。該工藝常見的為扶正器保直技術和取芯保直鉆進技術。但該工藝由于孔底環空間隙較小，孔底鉆屑不易排出，容易發生卡鉆、埋鉆等事故。

粗徑鉆具局部反循環鉆進技術是采用雙壁反循環鉆桿配合相應規格反循環鉆頭，構成粗徑鉆具組合，利用粗徑鉆具的側向支撐力實現鉆孔保直；同時利用雙壁鉆桿的中心通道及流道切換接頭將鉆渣排至后端環空，從而實現孔底局部反循環，如圖1 所示。該技術既有效利用了粗徑鉆具在保直工藝上的優勢，又能夠發揮反循環工藝排渣能力強的優點。

圖1 粗徑鉆具局部反循環鉆進示意Fig.1 Sketch of local reverse circulation drilling with large diameter drill tool

2 鉆具研制

2.1 雙壁鉆桿設計

雙壁鉆桿是反循環介質的重要通道，不僅要提供排渣介質下行通道和鉆渣上返通道，還要傳遞鉆壓、轉矩，設計時主要遵循以下原則。

(1) 雙壁鉆桿外管及內管材料選用高強度無縫鋼管，確保鉆桿的強度和韌性滿足施工強度要求。

(2) 鉆桿密封性能良好，保證內管與外管環空和內管通道的密封性；同時鉆桿內壁盡量平滑，降低環空流體阻力，減小壓力損失。

基于上述原則，確定雙壁鉆桿由外管、內管及支撐環組成，如圖2 所示。鉆桿外徑為φ89 mm，外管通過螺紋連接，內管采用插接式連接。外管總體結構為內外平式結構；考慮內管使用過程中易損壞，為了便于維修更換，內管采用 3 段式組合結構[7]。

圖2 雙壁鉆桿總體結構示意Fig.2 Sketch of overall structure of double-wall drill pipe

如圖3 所示，鉆桿接頭設計為雙頂結構，增加了接頭臺肩接觸面積，提高了鉆桿接頭的抗扭和抗彎能力；螺紋連接后，公螺紋可將母螺紋大端包覆，抑制母螺紋脹扣；螺紋設計為大螺距，增加了螺紋的接觸面，提高了連接的定心精度及連接剛性，使螺紋受力均勻，傳遞轉矩大，且密封性能好[8]。

圖3 雙壁鉆桿接頭雙頂結構示意Fig.3 Sketch of joint with double-roof structure of double-wall drill pipe

為了檢測鉆桿的抗扭強度，對其進行轉矩檢測，采用勻速加載的方式逐漸施加載荷，試驗結果如圖4所示。

圖4 鉆桿抗扭加載試驗曲線Fig.4 Curve of torsion resistance test using loading method for drill pipe

2.2 反循環鉆頭設計

反循環鉆頭的主要作用是改變沖洗液的流向，迫使沖洗液向鉆頭中心部分流動，使其攜帶煤巖屑上返。借鑒地勘領域反循環概念和設計理念，同時參考煤礦常用鉆頭結構，設計了如圖5 所示的反循環鉆頭[9]。反循環鉆頭鉆頭內管內徑為φ28 mm，與雙壁鉆桿內母接頭插接式連接。為防止進入內管的鉆屑顆粒過大形成堵塞，在鉆頭前部入口處焊接 4 片 PDC復合片，覆蓋入口約 1/4 的面積，從而在鉆頭旋轉切削過程中，進入內管的鉆屑粒徑始終小于內管面積。

圖5 反循環鉆頭結構示意Fig.5 Sketch of reverse circulation drill bit

2.3 流道轉換接頭設計

流道轉換接頭是孔底實現正循環與反循環轉換的重要部件。流道轉換接頭由外管體、內管和交換座三部分組成，如圖6 所示。交換座坐落于外管錐形腔內，通過銷軸與支撐環分別實現周向與軸向的固定；內管插接于交換座上。流道轉換接頭下方管體與雙壁鉆桿外管通過螺紋連接，內管與雙壁鉆桿內管插接式連接[10]。循環介質通過交換座與外管間隙、雙壁鉆桿內外管間隙進入孔底后，通過雙壁鉆桿內管、交換座進入鉆孔環空。

圖6 流道轉換接頭示意Fig.6 Sketch of flow channel conversion joint

流道轉換接頭在外管壁上留有 3 個流道孔，旋轉施工過程中容易產生應力集中。為了檢測其抗扭強度，采用勻速加載的方式逐漸施加載荷進行轉矩檢測，試驗結果如圖7 所示。

圖7 流道轉換接頭抗扭加載試驗曲線Fig.7 Curve of torsion resistance test using loading method for flow channel conversion joint

3 現場應用

本次試驗地點為 8 號煤 13 區 21310 工作面，煤層頂板由偽頂、直接頂和基本頂組成，偽頂為砂質泥巖，僅局部范圍內存在，厚度約為 0.20 m；直接頂為砂質泥巖與泥巖互層，含黃鐵礦結核和菱鐵礦結核，裂隙不發育，整體性好，平均 11.6 m；基本頂為灰白色中粗粒石英砂巖 (K7)，厚度為 0～18.0 m，平均為6.0 m；底板巖性為砂質泥巖或泥巖，平均為 3.0 m。

試驗鉆孔從 21310 回風巷 700 m 處向外施工 8 個鉆孔，鉆孔間距為 2 m，鉆孔垂直于巷道，鉆孔設計傾角為 3°，設計方位角為 58°，鉆孔設計孔深為 132 m，鉆孔開孔位置距巷道底板為 1.8 m。試驗用鉆機為ZDY-4500L 型礦用液壓鉆機，配套使用φ73 mm 三棱鉆桿、φ89 mm 雙壁鉆桿、φ94 mm 鉆頭、流道轉換接頭、姿態儀及存儲式隨鉆測量儀，施工過程采用壓風排渣。

1、2 號孔采用φ94 mm 鉆頭+φ73 mm 三棱鉆桿的常規鉆具，3～8 號孔按圖1 所示進行鉆具連接進行正常施工，待鉆孔完成后，重新下入存儲式隨鉆測量儀進行軌跡測量，鉆孔軌跡如圖8 所示，鉆孔測試參數如表1 所列。

表1 鉆孔測試參數Tab.1 Testing parameters of drill holes

圖8 鉆孔設計軌跡與實際軌跡對比Fig.8 Comparison of designed trajectory and actual trajectory for drill holes

由測試結果以及軌跡分析可知，8 個測試孔都偏離了設計軌跡。從圖8 可以看出，所有鉆孔軌跡因鉆具自重都向下偏，而鉆孔方位角變化隨機性較大，沒有顯著規律。本次試驗鉆孔實際軌跡與設計軌跡相比，常規鉆孔，平均剖面百米偏差為 6.19 m，平均平面百米偏差為 6.66 m；采用粗徑反循環鉆具，平均剖面百米偏差為 2.58 m，平均平面百米偏差為 3.55 m。

4 結語

通過本次試驗對比考察，驗證粗徑反循環鉆具的防斜效果，得出以下結論。

(1) 鉆孔軌跡因鉆具自重都向下偏，而鉆孔方位角變化隨機性較大，沒有顯著規律。

(2) 粗徑反循環鉆具平均剖面百米偏差 2.58 m，平均平面百米偏差 3.55 m。與常規鉆具相比，平均剖面百米偏差降低了 58.32%，平均平面百米偏差降低了 46.7%，糾斜效果顯著。