小口徑水力雙循環(huán)雙壁鉆具設(shè)計與應(yīng)用

吳晶晶 ，張紹和 ，施莉

(1. 中南大學 有色金屬成礦預(yù)測教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083;2. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083;3. 江西有色工程有限公司，江西 南昌，330025)

反循環(huán)連續(xù)取心鉆進技術(shù)包括空氣反循環(huán)連續(xù)取心鉆進技術(shù)、氣液反循環(huán)連續(xù)取心鉆進技術(shù)和水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進技術(shù)[1]。反循環(huán)連續(xù)取心鉆進由于具有鉆進效率高、取心質(zhì)量好、鉆探成本低、勞動強度小、適用于復(fù)雜地層特別是漏失地層和缺水地區(qū)鉆進，在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。在礦山的坑道鉆探中，經(jīng)常會遇到硬、脆、碎、漏、坍等復(fù)雜地層[2]。當采用常規(guī)的繩索取心鉆具、雙管鉆具或單管鉆具等鉆進方法鉆進這類地層時，往往存在鉆進效率低、巖礦心采取率低、鉆孔質(zhì)量差、鉆頭壽命低、孔底事故多、鉆探成本高等問題，多年來一直是國內(nèi)外鉆進領(lǐng)域需要解決的難題。許多研究表明[3?5]：采用雙壁鉆具反循環(huán)連續(xù)鉆進技術(shù)應(yīng)是比較理想的解決途徑。坑道鉆探中，鉆孔一般設(shè)計為水平孔或傾斜孔，孔深一般在200 m以內(nèi)。由于采礦爆破過程的影響，鉆孔一般漏失比較嚴重。因此在坑道鉆探中選擇用水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進比較理想。而要在坑道鉆探中充分發(fā)揮水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進的優(yōu)勢，設(shè)計和選用合理的雙壁水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆具是關(guān)鍵。由于坑道鉆探中鉆孔直徑小，雙壁水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆具設(shè)計和制造一直是業(yè)界的一個難題，針對這種適用于坑道鉆探的雙壁鉆具水力反循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)，本文作者以此為立足點，提出一種水力雙循環(huán)雙壁鉆具設(shè)計。

1 雙壁雙循環(huán)鉆具的工作機理

雙壁雙循環(huán)鉆具的結(jié)構(gòu)[6]如圖 1所示，雙壁水龍頭1下端接雙壁鉆桿2，每兩節(jié)雙壁鉆桿2之間接一個擴孔扶正封堵器 3，最末的一個擴孔扶正封堵器 3下端接一個分水器4，分水器4下端再接一個金剛石鉆頭5。雙壁鉆桿2的外管之間采用絲扣連接，雙壁鉆桿2的內(nèi)管之間采用插接，用O形橡膠密封圈密封，雙壁鉆桿2的內(nèi)外管之間用點焊連接固定。

雙壁雙循環(huán)鉆具按如下方式工作：在進行坑道取心鉆探時，坑道鉆機夾持鉆桿外管施加壓力和扭矩，金剛石鉆頭5、分水器4、擴孔扶正封堵器3、雙壁鉆桿2和雙壁水龍頭1的中軸、內(nèi)管一起轉(zhuǎn)動，雙壁水龍頭1的其他部件固定不動。沖洗液從彎管進入內(nèi)外管之間的間隙到達孔底分水器 4，約 20%[7]沖洗液進入外管與孔壁之間的環(huán)狀通道，起到潤滑孔壁、冷卻金剛石鉆頭5的作用，約80%沖洗液進入內(nèi)管，攜帶巖心返出孔外，從而實現(xiàn)連續(xù)取心。

2 雙壁雙循環(huán)鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 關(guān)鍵部位設(shè)計

雙壁水龍頭設(shè)計如下。

圖1 水力雙循環(huán)雙壁鉆具結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure chart of hydraulic dual circulation double-wall drill tools

(1) 雙壁水龍頭結(jié)構(gòu)。針對用于坑道鉆探的水力雙循環(huán)雙壁鉆具，設(shè)計了配合雙壁鉆具使用的雙壁水龍頭。雙壁水龍頭[8]由以下零件組成：頂部塞、上殼體、彎管、彈簧、下殼體、中軸、水龍頭內(nèi)管、61906深溝球軸承、51111推力球軸承、61810深溝球軸承、51106推力球軸承 2個、陶瓷密封圈、油封氈圈、O形橡膠密封圈、鎖帽2個以及不同墊圈4個，如圖2所示。

雙壁水龍頭的中軸通過外管接頭與雙壁鉆桿的外管連接；雙壁水龍頭的內(nèi)管通過內(nèi)管接頭與鉆桿內(nèi)管連接；雙壁水龍頭的中軸與內(nèi)管在D處通過點焊固定連接。在進行坑道取心鉆探時，雙壁水龍頭的中軸和內(nèi)管隨鉆桿的轉(zhuǎn)動一起轉(zhuǎn)動，雙壁水龍頭的其他部件固定不動。沖洗液從雙壁水龍頭的彎管進入雙壁水龍頭的中軸和內(nèi)管之間的環(huán)狀通道，再進入到鉆桿外管和鉆桿內(nèi)管之間的環(huán)狀通道。

(2) 水龍頭各部件的相對轉(zhuǎn)動。① 轉(zhuǎn)動部分。雙壁水龍頭的中軸上端與水龍頭內(nèi)管在D處采用點焊方式固定，中軸下端與雙壁鉆桿的外管連接。當進行坑

圖2 雙壁水龍頭設(shè)計圖Fig. 2 Design chart of double-wall swivel

道鉆進時，雙壁水龍頭的中軸與水龍頭內(nèi)管一同隨著鉆桿外管轉(zhuǎn)動。② 固定部分。除了雙壁水龍頭的中軸與水龍頭內(nèi)管轉(zhuǎn)動外，水龍頭的其他部件均不轉(zhuǎn)動。雙壁水龍頭的上殼體下端與下殼體通過螺紋連接，上殼體上端與頂部塞也通過螺紋連接，形成一個整體。上殼體與水龍頭內(nèi)管之間安裝深溝球軸承和推力球軸承，下殼體與中軸之間安裝深溝球軸承和推力球軸承。當雙壁水龍頭的中軸與水龍頭內(nèi)管一同隨著鉆桿外管轉(zhuǎn)動時，這些部件相對固定。

2.2 其他部位設(shè)計

2.2.1 雙壁鉆桿及接頭設(shè)計

結(jié)合坑道鉆探的特殊性，本文著重設(shè)計小口徑的坑道鉆探雙壁鉆具，所以選用了兩種尺寸的無縫鋼管來加工雙壁鉆桿的內(nèi)管和外管，分別是外徑31 mm、內(nèi)徑27 mm和外徑45 mm、內(nèi)徑38 mm，即雙壁鉆桿內(nèi)管尺寸為外徑31 mm，內(nèi)徑27 mm，外管尺寸為外徑45 mm，內(nèi)徑38 mm。為適應(yīng)坑道中鉆桿的擰卸與安裝，設(shè)計每節(jié)鉆桿長度為1.5 m。接頭內(nèi)、外管尺寸配合鉆桿內(nèi)外管尺寸設(shè)計。

2.2.2 擴孔器設(shè)計

擴孔器配合鉆頭使用，連接在鉆頭之上，起到修正孔徑和導(dǎo)正鉆頭的作用[9]。本套雙壁鉆具設(shè)計的擴孔器為雙管擴孔器，胎體為條帶狀，采用金剛石聚晶作為切削材料。本套雙壁鉆具中，擴孔器除了起到修正孔徑和導(dǎo)正鉆頭的作用，還起到封堵沖洗液的作用。部分沖洗液由鉆具內(nèi)管和外管之間的環(huán)狀通道流入外管與孔壁之間的環(huán)狀通道后，高速轉(zhuǎn)動的擴孔器起到一定的封堵作用，使部分沖洗液流經(jīng)鉆孔底部，起到冷卻鉆頭的作用。

2.2.3 金剛石鉆頭設(shè)計

金剛石鉆頭由胎體和鋼體組成，胎體又分為工作層和非工作層，本套鉆具金剛石鉆頭的高度設(shè)計為80 mm，非工作層高度為5 mm，工作層高度為7 mm；鉆頭外徑為47 mm，內(nèi)徑為25 mm。在金剛石鉆頭設(shè)計中，配方參數(shù)的確定,直接影響到鉆頭的質(zhì)量[10]，且鉆頭效率和壽命的好壞主要取決于鉆頭的金剛石參數(shù)、胎體參數(shù)等[11]，而鉆頭參數(shù)的確定又是建立在研究成果和實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上的[12]。經(jīng)分析，鉆頭胎體配方選用FJT-A1、FJT-A2和FJT-07粉料，各粉料的重量比例分別是：FJT-A1占30%，F(xiàn)JT-A2占20%，F(xiàn)JT-07占50%，金剛石選用粒度為0.297～0.595 mm的MBD12等級金剛石。

3 鉆具工作狀態(tài)水力學計算

3.1 管道分流

設(shè)計分流的作用是當內(nèi)外管之間間隙流入的高壓沖洗液到達鉆頭底部時，要求保證大部分沖洗液從雙壁鉆桿內(nèi)管中返回，以利于攜帶巖心和巖屑返出孔口；同時還要保證有一小部分沖洗液流入外管與孔壁之間的環(huán)狀通道中，以保證冷卻鉆頭、潤滑雙壁鉆桿和冷卻擴孔器等。

在恒定總流中，任取一元流，設(shè)進口過流斷面微元面積dAa，流速ua；出口過流斷面微元面積dAb，流速ub。由于恒定條件下，元流的形狀位置不隨時間改變，元流中流體只能沿元流運動，流體是連續(xù)介質(zhì)，所以根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時間流入和流出的流體質(zhì)量必定相等。則會有和相等且均為常數(shù)。

對于不可壓縮流體，ρa=bρ，則有：

為了便于計算，設(shè)過流斷面流速均勻分布，同時運用積分中值定理，可得：

式中：va和vb為總流斷面平均流速，m/s；Qa為進口斷面總流量，m3/s或L/min；Qb為出口斷面總流量，m3/s或L/min。

設(shè)進入雙壁鉆具內(nèi)外管環(huán)狀通道的沖洗液量為Q1，流入鉆具內(nèi)管的沖洗液量為Q2，流入鉆具外管與孔壁間環(huán)狀通道的沖洗液量為Q3，則需要滿足：

設(shè)沖洗液從水龍頭進入內(nèi)外管環(huán)狀通道時平均速度為v1，沖洗液到達鉆頭底部流經(jīng)內(nèi)管過水孔時速度v2，流經(jīng)外管過水孔時速度v3。流體力學中規(guī)定[13]，液體為不可壓縮流體，所以將雙壁鉆具鉆進使用的沖洗液看做不可壓縮流體，根據(jù)式(2)，可將式(3)化為：

由于內(nèi)外管分水孔位置都在鉆頭底部，沖洗液以速度v1從水龍頭到達鉆頭底部分流時，沿程水頭損失和局部水頭損失相同，所以速度變化相同，即有v2=v3。所以有：

式中：n2為內(nèi)管過水孔數(shù)量，個；n3為外管過水孔數(shù)量，個；d2為內(nèi)管過水孔直徑，mm；d3為外管過水孔直徑，mm。

根據(jù)式(5)設(shè)計分流結(jié)構(gòu)，在鉆頭底部鋼體外側(cè)加工3個直徑為5 mm的過水孔，內(nèi)側(cè)加工8個直徑為6 mm的過水孔。則有：

3.2 水頭損失與流速計算

不同的流動狀態(tài)、不同的邊界及其變化對水頭損失都有影響。設(shè)計的雙循環(huán)連續(xù)取芯雙壁鉆具的沿程水頭損失主要來自管道壁對流體的黏性作用；局部水頭阻力損失主要是由于流動斷面大小的突變帶來的，而設(shè)計的雙循環(huán)連續(xù)取芯雙壁鉆具內(nèi)外管環(huán)狀通道連接處尺寸大小基本一樣，沒有流動斷面大小的突變，因而其局部水頭阻力損失可以忽略不計。這里僅討論沿程水頭損失。

沖洗液在管道中的流動狀態(tài)影響到其水頭損失的計算，所以首先要判斷沖洗液在管道中的流動狀態(tài)。

雙壁鉆具內(nèi)外管環(huán)狀通道的過流斷面面積ω為：

式中：D為鉆桿外管內(nèi)徑，設(shè)計為38 mm；d為鉆桿內(nèi)管外徑，設(shè)計為31 mm。

過流斷面上沖洗液與管道壁接觸周界χ為：

所以水力半徑為：

式中：R為水力半徑，m。

設(shè)計的水力雙循環(huán)鉆具用清水作為沖洗液，取常溫t=25 ℃，此時水的運動黏度[14]為μ=0.897×10?6m2/s。

金剛石巖心鉆探中，沖洗液要保證能夠順利將巖心返出孔外，流速一般不能低于 2.5 m/s[14]，這里取v=2.5 m/s為過流斷面平均速度來計算。計算雷諾數(shù)為：

所以，沖洗液在鉆具管道中的流動狀態(tài)為紊流[15]。式中：μ為流體運動黏度，m2/s；d為管徑，m；Rec為臨界雷諾常數(shù)，其值為2 300。

內(nèi)管中沖洗液的最小速度為vmin=2.5 m/s，則內(nèi)管中某一過水斷面流量：

式中：d4為雙壁鉆具內(nèi)管的內(nèi)徑，設(shè)計尺寸為27 mm；Q4為經(jīng)過內(nèi)管過水孔進入鉆具內(nèi)管的沖洗液流量，所以Q4=1.43 L/s。

對于不可壓縮流體，密度不變，由質(zhì)量守恒定律可知Q2=Q4=1.43 L/s。所以有：

所以從水龍頭流入的沖洗液流量

從而可以計算內(nèi)外管環(huán)狀通道沖洗液的流速v1=Q1/A1=4.8 m/s。

設(shè)工作中鉆具總長為L，沖洗液從水龍頭經(jīng)過內(nèi)外管之間環(huán)狀通道到達孔底時的水頭損失為：

沖洗液從孔底經(jīng)過鉆具內(nèi)管返回孔口的沿程水頭損失為：

所以，總的沿程水頭損失為：

綜上所述，經(jīng)過水力學計算和分析，設(shè)計雙壁鉆具外管分流水孔為3個對稱分布的直徑為5 mm的過水孔，內(nèi)管分流水孔為8個直徑為6 mm的過水孔；沖洗液在雙壁鉆具管道內(nèi)的流動狀態(tài)為紊流；沖洗液從水龍頭進入雙壁鉆具內(nèi)外管之間環(huán)狀通道到達孔底，再經(jīng)過內(nèi)管返出孔外，水頭損失與鉆具長度呈線性關(guān)系，為22.89L；為保證沖洗液能夠順利攜帶巖心和巖屑返出孔外，經(jīng)水龍頭泵入雙壁鉆具的沖洗液流速應(yīng)不低于4.8 m/s，流量不低于1.81 L/s，即泵量不低于108.6 L/min。

所以，通過流體力學對鉆具管道中沖洗液流動狀態(tài)的分析和水頭損失的計算都從理論上表明，使用設(shè)計的水力雙循環(huán)雙壁鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)對坑道中漏失地層的正常鉆進，滿足連續(xù)取心的要求。

4 現(xiàn)場試驗

本次現(xiàn)場鉆進試驗在廣東韶關(guān)某鉆井的坑道內(nèi)進行。

4.1 試驗條件

4.1.1 地層情況

試驗地層節(jié)理發(fā)育、裂隙較多，鉆孔主要地層情況依次為：中細?；◢徑Y(jié)構(gòu)的堅硬花崗巖；中細?；◢徑Y(jié)構(gòu)的較硬、較破碎花崗巖；晶屑凝灰結(jié)構(gòu)，較硬、較破碎凝灰?guī)r；致密，見裂縫面，裂縫被方解石全充填的泥灰?guī)r；裂隙較發(fā)育的粉砂巖與角礫巖互層。

4.1.2 鉆進設(shè)備

(1) 鉆機。采用赤峰市某鉆機有限責任公司制造的KY?200型全液壓坑道鉆機，其主要技術(shù)性能如表1所示。

(2) 泥漿泵。采用BW150型三缸單作用活塞泵，其技術(shù)性能如表2所示。

(3) 鉆具。采用本套水力雙循環(huán)雙壁鉆具。

4.1.3 工藝參數(shù)

鉆進試驗的主要鉆進參數(shù)如表3所示。

4.2 試驗效果

采用雙壁水力雙循環(huán)連續(xù)取心鉆具鉆進時，鉆完設(shè)計孔深80 m的水平孔，平均鉆進效率為5 m/h。整個鉆進過程中，雙壁水龍頭、雙壁鉆桿、擴孔器和金剛石鉆頭工作正常，沒有出現(xiàn)影響鉆進的不良情況，巖心和巖屑能通過內(nèi)管實現(xiàn)順利返出。

圖3所示為鉆探過程中收集到的巖心和巖屑。

水力雙循環(huán)雙壁鉆具進行坑道鉆探結(jié)果表明：該套鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)坑道中漏失地層的正常鉆進，滿足連續(xù)取心的使用要求，鉆進效果良好。

泵入和返出的沖洗液量如表4所示。

表1 KY?200鉆機主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of drilling rig KY?200

表2 BW150泥漿泵主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of mud pump

表3 主要鉆進參數(shù)Table 3 Main drilling parameter

圖3 試驗現(xiàn)場鉆進返出的巖心和巖屑Fig. 3 Returned core and cuttings from testing field drilling

表4 泵入和返出的沖洗液量Table 4 Pumped and returned volume of flushing fluid

從表4可以看出：攜帶巖心返出孔外的沖洗液量占泵送沖洗液總量的比例為：

由式(17)可見：設(shè)計的雙壁鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)泵入的沖洗液總量有約80%進入鉆具內(nèi)管攜帶巖心和巖屑，鉆進效果良好。

5 結(jié)論

(1) 結(jié)合硬、脆、碎、漏、坍等復(fù)雜地層中鉆進時沖洗液容易漏失的問題，將正循環(huán)與反循環(huán)技術(shù)結(jié)合起來，研究了一種水力雙循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)，解決坑道鉆探中沖洗液漏失嚴重的問題，并實現(xiàn)連續(xù)取心。

(2) 針對水力雙循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)，設(shè)計一套雙壁鉆具，實現(xiàn)坑道中水力雙循環(huán)鉆進。確定了雙壁鉆桿外管尺寸為外徑45 mm，內(nèi)徑38 mm，雙壁鉆桿內(nèi)管尺寸為外徑31 mm，內(nèi)徑27 mm，內(nèi)外管通過內(nèi)管接頭上的鍵導(dǎo)正；雙壁水龍頭的密封選用耐高溫、耐磨損、壽命長且具有自潤滑作用的陶瓷密封圈；分水鉆頭外側(cè)設(shè)計有3個直徑為5 mm的過水孔，內(nèi)側(cè)設(shè)計有8個直徑為6 mm的過水孔。

(3) 對鉆具在鉆進過程中的沖洗液進行了水力學分析，從而得出該套雙壁鉆具工作中能夠正常實現(xiàn)鉆頭的冷卻和巖心的采取。

(4) 現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：在坑道鉆探中，巖心能夠正常返出孔外，從鉆具內(nèi)管返出的沖洗液量約占泵送的總沖洗液量的80%。該套水力雙循環(huán)雙壁鉆具能夠解決坑道鉆探中沖洗液漏失的問題，保證連續(xù)取心的順利進行。

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