松軟煤層穿層孔撓性鉆具強造斜機理與過程研究

張福濤

(中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

松軟煤層穿層孔撓性鉆具強造斜機理與過程研究

張福濤

(中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

增加松軟煤層穿層孔煤孔段的長度可以提高穿層孔單孔瓦斯抽采效果，利用撓性鉆具組合施工煤孔段可以達到延長煤孔段的目的。本文建立了撓性鉆具施工的力學(xué)模型，研究了強造斜的運動學(xué)特征，并提出了造斜過程的運動學(xué)曲線；根據(jù)力學(xué)模型及運動學(xué)特征，研究了強造斜鉆進工藝，盡可能增加鉆孔煤層鉆遇率。

松軟煤層；穿層孔；撓性鉆具；造斜；瓦斯抽排

0 引言

穿層鉆孔是一種用于治理松軟煤層瓦斯問題的有效方法之一，被廣泛應(yīng)用于松軟突出煤層的防突、消突治理[1]，穿層鉆孔煤層鉆遇率是影響單孔瓦斯抽采效果和區(qū)域瓦斯治理效果的關(guān)鍵參數(shù)。從20世紀(jì)90年代中期開始,專業(yè)技術(shù)人員設(shè)想在抽放瓦斯穿層孔的施工過程中使用受控定向鉆進技術(shù),使穿層孔中煤孔段發(fā)生彎曲,在巖石孔段長度基本不發(fā)生變化的前提下,增加其在煤層中的鉆遇率,則可以減少工作量,節(jié)約成本,提高瓦斯抽放效率,緩解煤礦生產(chǎn)的被動局面[2]。近20年來主要是利用穩(wěn)定組合鉆具來實現(xiàn)較強造斜鉆進，2012年我公司研制了撓性鉆桿及配套強造斜鉆頭、穩(wěn)定器等組成強造斜撓性鉆具組合，從鉆具受力狀態(tài)進行分析撓性鉆具造斜機理，并研究造斜過程中的運動特征，進而總結(jié)出一套撓性鉆具強造斜鉆進工藝,改變鉆孔軌跡，增加鉆孔在煤層中的鉆遇率，保障瓦斯抽采效果。

1 撓性鉆具強造斜力學(xué)與運動學(xué)特征研究

1.1 力學(xué)分析

在鉆進過程中，鉆具組合在重力及給進力的作用下會發(fā)生彎曲變形[3]，鉆柱與孔壁的接觸點叫切點。撓性鉆具受力情況如圖1所示。下面取鉆柱組合離鉆頭最近一個切點下面取切點A以前的鉆柱段為研究對象，對其進行受力分析。鉆柱受來自孔底的壓力Pa(給進力的反作用力)，自身的重力W，孔壁施加給鉆頭的支持力T，假設(shè)鉆頭到第一個切點的鉆柱長度無變化，將之間孔段假設(shè)為直線，鉆柱的重力不變，A點力矩為0，可得以下方程：

(1)

式中：L——鉆頭到切點A的距離，m；W——AB段鉆桿線重力,N；θ——鉆孔傾角(與水平面的夾角)，(°)；DB——鉆頭的直徑，m；DC——鉆桿的直徑，m。

圖1 撓性鉆具受力示意圖

孔壁施加給鉆頭的支持力即是鉆頭施加給地層造斜力Tr的反力。可見在給進力一定的情況下，造斜力僅與鉆孔的傾角有關(guān)系，傾角越大造斜力越小，反之則越大。切點A的位置與給進壓力和鉆桿彈性模量E有關(guān)，在鉆具材料一定的情況下，給進力越大則A點位置越靠近鉆頭，L越小，由公式(1)可見，造斜力越小。

1.2 運動學(xué)分析

在鉆進過程中，鉆頭運動合成情況如圖2所示。將鉆機給進速度限定為V，則鉆具在往里切削運動過程中，運動軌跡上每一點的切線方向速度Vt恒為V。鉆頭在造斜力Tr作用下會切削下孔壁煤層，即運動軌跡上每一點的法向方向也有速度，用Vi表示，法線速度與鉆頭轉(zhuǎn)速、造斜力大小、煤的抗壓強度有關(guān)系，法線速度可表示為：

圖2 鉆頭運動合成示意圖

(2)

式中:k——系數(shù)，無量綱；n——鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；σ——煤的抗壓強度，Pa。

由圖2可看出，鉆孔運動軌跡曲線上每點的運動方向都不同，即鉆孔軌跡每一點的斜率都在變化。由于撓性鉆桿是由多個撓性接頭連接而成，由于撓性接頭的角度變化遠大于鉆具材料本身的彎曲度，可將每兩個撓性接頭之間的桿體看作是剛性材料，將兩個撓性接頭之間距離設(shè)為e，可將鉆孔運動軌跡視為有限個長度為e的直線段連接而成。對單個長度為e(圖2中第一個點)的直孔段進行分析：

(3)

傾角變化量：

(4)

由公式(4)，通過改變鉆進工藝參數(shù)可以增大或減小傾角變化量。當(dāng)給進壓力、給進速度、轉(zhuǎn)速及地層一定的情況下，傾角大于0時傾角越小，|Δθ|越大；當(dāng)傾角小于0時，傾角越小，|Δθ|越小；當(dāng)傾角等于0時，|Δθ|達到最大值。

(5)

1.3 運動曲線

撓性接頭由于采用蘑菇瓣狀切口且切口有一定的縫隙[4-7]，存在著最大彎曲角度θm，即存在最大曲率[8]。因此對于一定傾角的孔段并不能根據(jù)調(diào)整鉆進工藝來獲得任意傾角變化值，即傾角變化值不可能大于撓性接頭的最大彎曲角度。

鉆進工藝參數(shù)一定的情況下，|Δθ|并不一定會隨傾角減小而一直增大：當(dāng)|actan〔(kn/(2VLσ)〕〔L2W-Pa(DB-DC)〕|lt;θm時，|Δθ|隨傾角減小一直在增大但小于θm，則鉆頭運動軌跡為圖3中的a類曲線(拋物線)；當(dāng)|actan〔(kn/(2VLσ)〕〔L2W-Pa(DB-DC)〕|≥θm時，鉆頭運動曲線為圖3中的b類曲線，傾角在減小過程中，存在臨界點A及B，使得|Δθ|max=θm，AB之間鉆桿在按最大彎曲角度進行運動，AB為一段圓弧，R=e/〔2sin(θ/2)〕，當(dāng)超過B點時，運動軌跡為一段斜率不斷增大的拋物線；如果鉆頭在入煤時的造斜率即達到了撓性接頭的最大值，則其運動軌跡開始就為圓弧，當(dāng)傾角為-90°時，可將其視為豎直鉆進，不考慮地層造斜等因素理論上應(yīng)為直線，見圖3中的c類曲線。

圖3 鉆頭運動的理論曲線圖(視全部在均質(zhì)煤層中)

2 造斜鉆進工藝研究

改變鉆進工藝可以改變造斜率及造斜過程中的鉆頭運動曲線，鉆頭運動曲線類型的選擇主要根據(jù)鉆遇煤層時的遇層角、鉆遇煤層的力學(xué)性質(zhì)等確定。鉆頭從巖層鉆到煤層時的遇層角[9]為：

(6)

式中：θ1——煤層傾向角度；θ2——煤層走向角度；α——鉆孔軸線與鉆場中線(勘探線)夾角，向左為負(fù)，向右為正；θ——鉆孔傾角。

(1)當(dāng)遇層角較大時，如果鉆孔傾角下降較慢則鉆頭很快鉆至煤層頂板巖層中，因此通過控制鉆進參數(shù)控制鉆頭運動曲線為c類(見圖4)。根據(jù)公式(4)可采取“降低給進速度、增加轉(zhuǎn)速、減小給進壓力”的方式控制。

圖4 鉆進過程示意圖

(2)當(dāng)遇層角較小時，鉆頭運動曲線宜采用a類曲線(見圖4)，鉆孔傾角不易下降太快。采用a類曲線讓鉆孔傾角降至和煤層傾角相同時需再次改變鉆進參數(shù)，改用“大給進壓力、大給進速度、降低轉(zhuǎn)速”等方式控制曲線類型，使其見底板位置盡可能滯后。

(3)當(dāng)煤層局部有夾矸、礦石等地質(zhì)異常時，可由a類曲線調(diào)整為b類曲線，方式為“降低給進速度、增加轉(zhuǎn)速、減小給進壓力”，減少異常層位孔段，同時通過鉆進參數(shù)的控制使撓性鉆具受力變小，鉆具施工安全性也得以提高。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 地質(zhì)概況

在淮南潘一東礦1231(1)運順底板巷中進行試驗，目標(biāo)煤層為11-2號煤，煤層厚度1.8 m，瓦斯壓力1.8 MPa，瓦斯含量11.62 m3/t。煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)情況見表1。

3.2 保直鉆進

表1 煤層頂?shù)装甯艣r

3.2.1 鉆孔開孔

根據(jù)鉆孔開孔設(shè)計參數(shù)(傾角、方位角)穩(wěn)固鉆機，采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝鉆進開孔。鉆具組合：?113 mm PDC內(nèi)凹鉆頭+?73 mm鉆桿。

3.2.2 巖石孔段

巖石孔段都采用保直鉆進技術(shù)[10-12]，即利用保直效果好的內(nèi)凹支柱型PDC鉆頭來控制鉆孔鉆進軌跡，使鉆孔盡量保持設(shè)計參數(shù)(傾角、方位角)。

鉆具組合：?113 mm內(nèi)凹支柱型PDC鉆頭+?73 mm外平鉆桿。

鉆進參數(shù)：供水量≮200 L/min；水壓為2～4.5 MPa。沖洗介質(zhì)：清水。

3.3 強造斜鉆進

3.3.1 下專用造斜鉆具

鉆孔鉆至目標(biāo)煤層停止鉆進，沖凈孔內(nèi)鉆渣后提鉆，連接造斜鉆頭+專用造斜撓性鉆桿+普通鉆桿，從孔口下入造斜鉆具至孔底見煤點，并記錄開始造斜鉆進給進壓力值，觀察鉆進及返渣情況。

3.3.2 鉆進情況

由于煤層較薄，鉆具彎曲需要的空間受限，加之鉆孔遇層角比較大，由表2可見最小的遇層角大于30°，若按保直鉆進計算煤孔段最多延伸3.6 m,所以將鉆頭運動曲線類型控制為c類,盡可能讓撓性鉆具在鉆進過程中達到自身最大彎曲角度。

經(jīng)過試驗驗證，效果最好的鉆孔(1-3號孔)煤孔段比直鉆桿施工設(shè)計的煤孔段延長8m(圖5)，延長率達到145%，3個40°～60°傾角的鉆孔中延伸率為41%、67%、54%，在施工20個20°～40°傾角的鉆孔中，造斜段深度為設(shè)計直線孔段的2.1～2.2倍所占比例最高，占34%(圖6)[13-15]。

表2 設(shè)計鉆孔的遇層角 (°)

圖5 1-3號孔軌跡圖

圖6 20個20°～40°傾角的鉆孔煤孔段延伸率統(tǒng)計圖

4 結(jié)論

(1)撓性鉆具造斜力與給進壓力、鉆孔傾角、鉆桿彈性模量有關(guān)。

(2)撓性鉆具造斜過程中鉆頭運動曲線可以分為“拋物線”、“拋物線+圓弧+拋物線”、“圓弧”三種類型，通過控制鉆進參數(shù)可以調(diào)整撓性鉆具的造斜強度，進而可以改變鉆頭的運動曲線類型。

(3)根據(jù)鉆孔鉆遇煤層時的遇層角及鉆遇地層力學(xué)性質(zhì)調(diào)整鉆進參數(shù)，改變鉆頭運動曲線類型，盡可能延伸煤孔段的長度。

[1] 石智軍.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工技術(shù)[C]// 《煤炭科學(xué)技術(shù)》雜志社，《煤炭學(xué)報》編輯部，國家安全生產(chǎn)專家組煤礦組.煤礦安全工程實用技術(shù)新進展.2008.

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StudyonMechanismandProcessofStrongDeflectingofFlexibleDrillingToolsinThroughBedsHoleofSoftCoalSeam

ZHANGFu-tao

(Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group, Xi’an Shaanxi 710077, China)

Increasing the length of coal-bearing interval of through beds hole in soft coal seam coal can improve gas drainage effect of single hole, which can be realized by using the flexible drilling assembly. This paper presents the mechanical model of flexible drilling tools construction, makes the studies on the kinematics characteristics of strong deflection and puts forward the kinematics curve. According to the above, the strong deflecting drilling technology is researched to increase drilling rate in coal seam as far as possible.

soft coal seam; through beds hole; flexible drilling; deflecting; gas drainage

2016-11-29；

2017-09-18

張福濤，男，漢族，1981年生，從事煤礦坑道鉆機及鉆具的推廣工作，陜西省西安市錦業(yè)一路82號，liqiaoqiao@cctegxian.com。

P634.7

A

1672-7428(2017)10-0047-04