鉆桿活動(dòng)肘節(jié)的研制與應(yīng)用

孫利海

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

煤礦井下鉆孔施工是保障煤礦安全高效生產(chǎn)的基本手段，普遍應(yīng)用于煤礦瓦斯、礦井水、火災(zāi)、粉塵防治以及地質(zhì)探測(cè)等領(lǐng)域。由于煤礦井下鉆孔施工作業(yè)的復(fù)雜性，且隨著鉆孔深度的增加、鉆孔直徑的增大，在鉆孔施工過(guò)程中時(shí)常發(fā)生卡鉆和鉆桿斷裂等孔內(nèi)事故。其中鉆桿斷裂事故一般采用絲錐打撈工藝以及套銑打撈工藝進(jìn)行處理，但由于鉆桿斷裂點(diǎn)往往發(fā)生在鉆孔塌孔處，鉆孔孔徑擴(kuò)大，落魚(yú)頭空間位置常與鉆孔不同心，采用公、母絲錐進(jìn)行打撈時(shí)難以接觸落魚(yú)頭，打撈難度較大，容易導(dǎo)致打撈失敗，造成較大經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。目前在鉆孔超徑孔段采用絲錐打撈時(shí)，為了擴(kuò)大打撈工具的打撈范圍以及提高打撈的成功率，常配合彎鉆桿進(jìn)行使用，且經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)在彎鉆桿的基礎(chǔ)上又增加引鞋配合使用，達(dá)到擴(kuò)大打撈范圍以及提高打撈成功率的目的[4-6]。但由于鉆孔環(huán)空空間的限制，使得采用絲錐配合彎鉆桿以及增加引鞋時(shí)打撈范圍有限，不能滿足掉鉆事故處理的需要，導(dǎo)致掉鉆事故打撈的成功率低，而采用活動(dòng)肘節(jié)，可有效擴(kuò)大打撈工具的打撈范圍，從而提高掉鉆事故打撈成功率[7]。

目前活動(dòng)肘節(jié)技術(shù)在石油行業(yè)較為成熟，主要應(yīng)用于石油鉆井修井及鉆井事故處理領(lǐng)域，但與石油鉆井行業(yè)相比，煤礦井下鉆孔直徑相對(duì)較小，且兩者的作業(yè)環(huán)境以及應(yīng)用工況不同，所以石油行業(yè)的活動(dòng)肘節(jié)技術(shù)不能直接應(yīng)用于煤礦井下鉆桿斷裂事故的打撈[8-11]。因此有必要研制一種可靠性強(qiáng)、適用于煤礦井下鉆桿斷裂事故處理的活動(dòng)肘節(jié)，以解決目前鉆桿斷裂事故打撈難度較大、成功率低的問(wèn)題，挽回掉鉆產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，恢復(fù)已施工鉆孔的有效性。

1 活動(dòng)肘節(jié)打撈工藝原理

當(dāng)鉆孔施工過(guò)程中發(fā)生鉆桿斷裂事故時(shí)，通過(guò)計(jì)算退出孔內(nèi)鉆桿的長(zhǎng)度，從而判斷斷裂鉆桿落魚(yú)頭的大致位置。在使用活動(dòng)肘節(jié)前，在孔外進(jìn)行通水試驗(yàn)以驗(yàn)證活動(dòng)肘節(jié)的工作性能。性能測(cè)試完成后，將活動(dòng)肘節(jié)和絲錐組裝起來(lái)送入孔內(nèi)。下鉆過(guò)程中為了保證鉆孔通暢性，鉆桿內(nèi)可以正常通水，此時(shí)活動(dòng)肘節(jié)不工作。當(dāng)送至鉆桿斷裂點(diǎn)附近位置時(shí)，投入限流塞并開(kāi)啟泥漿泵進(jìn)行通水作業(yè)，此時(shí)在限流塞的節(jié)流作用下，活動(dòng)肘節(jié)內(nèi)部工作機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓差作用，在壓差作用下推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)凸輪的上端面，使得凸輪在活塞的推力作用下實(shí)現(xiàn)沿中心擺動(dòng)，而與凸輪相接觸的定向接頭則沿中心反向擺動(dòng)[9-15]。當(dāng)泥漿泵提供的水壓固定在某一值時(shí)，活動(dòng)肘節(jié)擺動(dòng)的角度也固定在某一角度值，擴(kuò)大了打撈的作業(yè)范圍，活動(dòng)肘節(jié)打撈工藝流程如圖1所示。當(dāng)泥漿泵憋壓后，操作鉆機(jī)緩慢旋轉(zhuǎn)鉆具，在鉆具的旋轉(zhuǎn)扭矩作用下活動(dòng)肘節(jié)也隨著做圓周運(yùn)動(dòng)，并以點(diǎn)動(dòng)的方式緩慢向前推進(jìn)；在此過(guò)程中，注意觀察壓力表，當(dāng)壓力表存在波動(dòng)時(shí)，則表示引鞋或公錐與“落魚(yú)”產(chǎn)生接觸，則在該點(diǎn)附近嘗試對(duì)接；當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓力或推進(jìn)壓力大幅增長(zhǎng)時(shí)，則表示絲錐與落魚(yú)頭對(duì)接成功，此時(shí)緩慢后退鉆具并觀察起拔壓力值，判斷是否成功打撈，若成功打撈后操作鉆機(jī)后退鉆具，則掉落鉆具與打撈鉆具一起退出鉆孔，打撈作業(yè)結(jié)束。

圖1 活動(dòng)肘節(jié)打撈工藝流程圖

2 活動(dòng)肘節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材質(zhì)選材

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)鉆桿斷裂事故打撈難度大，成功率低的問(wèn)題，研制的活動(dòng)肘節(jié)采用凸輪-連桿式結(jié)構(gòu)，主要由活塞、凸輪、定向接頭、限流塞以及公錐等組成，如圖2所示。

圖2 活動(dòng)肘節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

以孔徑為?96mm的鉆孔為例，為了滿足鉆桿斷裂事故打撈的需要，擴(kuò)大鉆桿斷裂事故的作業(yè)半徑，從而確定最大可調(diào)偏轉(zhuǎn)角度為7°的技術(shù)指標(biāo)，以此為目標(biāo)通過(guò)計(jì)算來(lái)確定活動(dòng)肘節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于本次設(shè)計(jì)的活動(dòng)肘節(jié)采用凸輪-連桿式結(jié)構(gòu)，為了計(jì)算方便可將活動(dòng)肘節(jié)簡(jiǎn)化為凸輪連桿機(jī)構(gòu)[12]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 凸輪連桿機(jī)構(gòu)示意圖

其中凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)可按下列公式計(jì)算[12-15]：

L=l0A

式中：p為凸輪輪廓曲率半徑，mm；φ為凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度，(°)；Ψ0為從動(dòng)件初始角，(°)；Ψ為從動(dòng)件擺動(dòng)的角度，(°)；R為凸輪基圓半徑，mm；L為為連桿的長(zhǎng)度，mm。

為了滿足煤礦井下鉆孔施工鉆桿斷裂事故打撈的需要，通過(guò)計(jì)算確定活動(dòng)肘節(jié)主要工作參數(shù)為：殼體最大外徑為90mm，長(zhǎng)度為1m，最大可調(diào)偏轉(zhuǎn)角度為7°，最大打撈直徑為130mm，水眼直徑為35mm，限流塞最大直徑為33mm。為了保證活動(dòng)肘節(jié)的可靠性，最大工作載荷為1000kN，允許最大扭矩為10kN·m。由于采用凸輪-連桿結(jié)構(gòu)，使得活動(dòng)肘節(jié)可以實(shí)現(xiàn)徑向上360°的自由偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了鉆桿斷裂事故打撈的作業(yè)半徑。

2.2 材質(zhì)選擇

活動(dòng)肘節(jié)各零部件因?yàn)樾阅芤蟛煌?，?duì)材質(zhì)的選擇以及處理工藝也不盡相同。其中凸輪材質(zhì)選用沖擊韌性好，淬透性好的材質(zhì)；活塞材質(zhì)則選用低碳合金鋼，以便后期熱處理工藝中滲碳處理，使零件表面硬度增加，心部韌性好，使零件具有良好的抗沖擊疲勞強(qiáng)度；殼體和定向接頭選用強(qiáng)度較高的合金鋼，經(jīng)氮化處理后硬度得到大幅增強(qiáng)；限流塞選用橡膠在高溫高壓下硫化而成，具有耐溫耐壓耐磨抗酸抗堿撕裂強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

3.1 施工地點(diǎn)概況

某礦利用井下定向鉆進(jìn)工藝與裝備在該礦西一軌道石門(mén)沿5煤實(shí)驗(yàn)5個(gè)孔徑為?153mm、孔深為600m的順煤層大直徑定向長(zhǎng)鉆孔。施工段地層總體為單斜構(gòu)造，局部地層可能會(huì)受斷層影響，煤巖層產(chǎn)狀略有起伏，煤巖層走向70°～92°，傾向160°～182°；巷道斷面煤巖層?xùn)|傾4～8°，平均傾角為6°，巷道剖面煤巖層南傾7～15°，平均傾角為12°。5煤平均厚6.22m，堅(jiān)固性系數(shù)為0.5，煤層破碎松軟，成孔性較差，頂?shù)装鍘r性分別為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。

3.2 鉆桿斷裂事故情況及打撈情況

3.2.1 事故情況

由于該礦施鉆區(qū)域煤層破碎松軟、成孔性較差，在鉆孔施工過(guò)程中，塌孔、掉塊頻繁，鉆孔局部擴(kuò)徑嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)憋泵、給進(jìn)和后退阻力較大、起拔壓力較大的情況。在試驗(yàn)大直徑定向鉆孔施工期間，共發(fā)生了4次鉆具斷裂事故，3次鉆桿母扣發(fā)生斷裂，1次單向閥公扣螺紋斷裂，4次鉆具斷裂事故發(fā)生情況如下所示：

第1次：2020年5月6日早班，3#孔正常鉆進(jìn)至339m孔深時(shí)發(fā)生卡鉆事故，鉆機(jī)推進(jìn)壓力12MPa，起拔壓力10MPa，旋轉(zhuǎn)壓力12MPa。退鉆后發(fā)現(xiàn)鉆桿于150m孔深處斷裂，經(jīng)診斷為母扣螺紋發(fā)生斷裂(該孔段無(wú)塌孔、卡鉆現(xiàn)象)，經(jīng)多次打撈后成功撈出。

第2次：2020年5月26日早班，6#孔正常鉆進(jìn)至423m孔深時(shí)，孔底出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，鉆機(jī)推進(jìn)壓力15MPa，起拔壓力13MPa，旋轉(zhuǎn)壓力15MPa。洗孔過(guò)程中發(fā)生鉆桿斷裂事故，退鉆后發(fā)現(xiàn)120m孔深處單向閥公扣螺紋斷裂，于5月27日中班成功打撈。

第3次：2020年6月20日早班，1#孔正常鉆進(jìn)至399m孔深時(shí)，孔底輕微塌孔，鉆機(jī)推進(jìn)壓力14MPa，起拔壓力12MPa，旋轉(zhuǎn)壓力14MPa。在洗孔過(guò)程中發(fā)生鉆桿斷裂事故，退鉆后發(fā)現(xiàn)291m處鉆桿斷裂，經(jīng)診斷為鉆桿母扣螺紋斷裂。經(jīng)多次打撈后成功撈出。

第4次：2020年9月17日夜班，5#孔(穿層鉆孔)鉆進(jìn)至348m孔深時(shí)，孔底煤層輕微塌孔，推進(jìn)壓力9MPa，起拔壓力7MPa，旋轉(zhuǎn)壓力10MPa。在洗孔過(guò)程中發(fā)生鉆桿斷裂事故，退鉆后發(fā)現(xiàn)129m孔深處鉆桿母螺紋斷裂，退鉆后于9月17日早班成功撈出。

3.2.2 打撈情況

4次鉆具斷裂事故采用有效的處理措施后均打撈成功，其中第1次和第3次鉆桿斷裂事故采用定向鉆桿直接連接絲錐打撈，并成功打撈出孔內(nèi)落魚(yú)；第2次和第4次鉆桿斷裂事故采用定向鉆桿直接連接絲錐打撈，由于事故孔段鉆孔擴(kuò)徑嚴(yán)重，導(dǎo)致絲錐沒(méi)有碰到落魚(yú)頭，從而導(dǎo)致打撈失敗，后采用活動(dòng)肘節(jié)打撈工藝進(jìn)行處理，成功打撈出孔內(nèi)落魚(yú)。

具體打撈過(guò)程以第4次鉆桿斷裂事故打撈情況為例，通過(guò)計(jì)算退出鉆桿長(zhǎng)度，確定了落魚(yú)頭的大致位置為129m孔深處，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員討論，決定先采用絲錐進(jìn)行打撈，后下入打撈鉆具超過(guò)落魚(yú)頭位置1m左右，沒(méi)有碰到落魚(yú)頭。后繼續(xù)打撈3次，緩慢旋轉(zhuǎn)給進(jìn)造扣，起拔壓力沒(méi)有明顯變化，判斷沒(méi)有成功打撈。然后后退鉆具進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)母錐表面有明顯劃痕，而錐絲沒(méi)有明顯的劃痕，初步判定鉆桿偏心，下入打撈鉆具沒(méi)有碰到落魚(yú)頭，從而導(dǎo)致打撈失敗。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員討論，決定采用活動(dòng)肘節(jié)進(jìn)行打撈，通過(guò)連接活動(dòng)肘節(jié)打撈鉆具下入孔內(nèi)進(jìn)行打撈，將打撈鉆具下至計(jì)算的落魚(yú)頭位置，開(kāi)啟泥漿泵，穩(wěn)壓3MPa后緩慢旋轉(zhuǎn)鉆具并向前給進(jìn)，阻力上升明顯，緩慢后退鉆具起拔壓力沒(méi)有明顯變化。然后泥漿泵穩(wěn)壓4MPa，緩慢旋轉(zhuǎn)鉆具并向前給進(jìn)，阻力上升明顯，起拔壓力從4MPa上升至7MPa，然后緩慢后退鉆具起拔壓力穩(wěn)定在7MPa，成功打撈出孔內(nèi)落魚(yú)。

4 結(jié) 論

由于鉆桿斷裂事故常發(fā)生在鉆孔塌孔處，落魚(yú)頭位置常與鉆孔不同心，采用常規(guī)方式進(jìn)行打撈時(shí)難以接觸落魚(yú)頭，容易導(dǎo)致打撈失敗。因此開(kāi)發(fā)了一種適用于煤礦井下鉆桿斷裂事故的活動(dòng)肘節(jié)打撈工藝以及研制了一種配套該工藝的凸輪-連桿式結(jié)構(gòu)的活動(dòng)肘節(jié)，根據(jù)各零部件的性能要求，對(duì)活動(dòng)肘節(jié)的各零部件的加工材料以及處理工藝進(jìn)行優(yōu)選，關(guān)鍵零部件采用性能好的材質(zhì)，并采用適當(dāng)?shù)奶幚砉に嚫纳屏悴考男阅?。通過(guò)在煤礦井下鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆桿斷裂事故進(jìn)行事故處理試驗(yàn)，首先采用鉆桿直接連接絲錐進(jìn)行打撈，由于鉆桿偏心嚴(yán)重，沒(méi)有碰到落魚(yú)頭，而采用活動(dòng)肘節(jié)連接絲錐進(jìn)行打撈，成功打撈出孔內(nèi)落魚(yú)，驗(yàn)證了活動(dòng)肘節(jié)打撈工藝的有效性，表明采用活動(dòng)肘節(jié)打撈工藝能有效提高鉆桿斷裂事故打撈的成功率。