煤層密閉取心用超前隔水式PDC鉆頭設(shè)計(jì)與優(yōu)化

高曉亮，張 朋，龍威成

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國(guó)煤礦瓦斯事故頻發(fā)，為改善煤礦開采前瓦斯含量，降低瓦斯事故發(fā)生率，地面和井下煤層氣聯(lián)合抽采是治理煤礦瓦斯的有效途徑。瓦斯抽采前需要對(duì)含瓦斯煤層進(jìn)行大量的煤層氣含量測(cè)試，以指導(dǎo)瓦斯抽采并提高瓦斯抽采率，而地面煤層氣勘探開發(fā)也需要大量的煤層氣含量數(shù)據(jù)以滿足煤層氣資源評(píng)價(jià)及煤層氣勘探需要。另外，瓦斯抽采結(jié)束后仍需要對(duì)煤層進(jìn)行含氣量測(cè)試，以檢測(cè)瓦斯抽采效果是否滿足相關(guān)規(guī)范要求，因此進(jìn)行煤層含氣量準(zhǔn)確測(cè)試具有重要意義[1]。

為改善傳統(tǒng)瓦斯含量測(cè)定方法程序復(fù)雜和測(cè)定結(jié)果誤差大等不足，目前多采用密閉取心的方法進(jìn)行煤層取樣。目前常用的密閉取心取樣器以石油、天然氣領(lǐng)域?yàn)橹?。密閉取心多采用黏液密閉法、冷凍密閉法以及球閥密閉法等進(jìn)行密閉取心，采用不同方式獲取原狀巖心，以期獲得目標(biāo)地層的特性，進(jìn)一步分析儲(chǔ)層含油、含氣情況[2-5]。但是無論何種密閉取心方式均面臨一個(gè)問題，就是如何最大程度避免鉆井液對(duì)巖心的沖蝕、污染。本文針對(duì)中煤科工集團(tuán)西安研究院研制的球閥型煤層密閉取心裝置，通過對(duì)常規(guī)底噴式鉆頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)選、水路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步降低鉆井液對(duì)密閉取心原裝煤樣的污染。

1 煤層密閉取心技術(shù)原理

煤層密閉取心技術(shù)是利用機(jī)械的方式在煤層中直接鉆進(jìn)取心，取心完成后通過改變水路的方式對(duì)取心裝置進(jìn)行密閉，從而取得煤層原狀式樣的方法，該技術(shù)減少了普通雙管取心過程中由于煤芯暴露時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的斯氣體逸散的問題，大大提高了瓦斯含量測(cè)定的準(zhǔn)確性[4]。

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的QMB-120-38DM型密閉取心器采用三筒單動(dòng)結(jié)構(gòu)，即外筒、內(nèi)筒和液壓傳遞筒，取心鉆進(jìn)過程中，外筒隨鉆桿同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)筒和液壓筒相對(duì)不動(dòng)。外筒上端與鉆桿相連、下端與取心鉆頭連接，外筒傳遞鉆壓和扭矩。內(nèi)筒是煤心和解吸氣的存儲(chǔ)容器；內(nèi)筒上下端均與球閥相連，對(duì)煤心樣品進(jìn)行密封保壓；取心內(nèi)筒上端球閥外側(cè)安裝一個(gè)解吸閥門，便于煤心提至地面后進(jìn)行解吸氣的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)取心與氣含量測(cè)定一體化。液壓推動(dòng)筒傳遞液壓動(dòng)力，推動(dòng)內(nèi)筒上下端球閥關(guān)閉，其上端由銷釘與懸掛總承相連。密閉取心器下部是取心鉆頭，在鉆壓和扭矩作用下鉆頭壁對(duì)煤層進(jìn)行切削，以形成柱狀煤心進(jìn)入到取心內(nèi)筒[6-8]。

取心器取心過程如下：首先鉆進(jìn)至目標(biāo)地層后，下入密閉取心器，取心器依靠鉆具自重壓入煤層，如圖1(a)所示，此時(shí)取心器密閉上下端球閥處于打開狀態(tài)；然后鉆具回轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)取心，鉆頭切削地層，煤心進(jìn)入內(nèi)筒，如圖1(b)所示；當(dāng)取心至預(yù)定位置后，投球改變水路方向，高壓鉆井液推動(dòng)液壓筒關(guān)閉上下端球閥，密閉取心器內(nèi)筒，形成密閉空間，如圖1(c)所示；最后提出取樣器，完成密閉取心施工[9]。

圖1 密閉取心原理示意圖

2 密閉取心用PDC鉆頭設(shè)計(jì)

普通取心鉆頭在施工過程中，由于水路通過鉆頭水槽進(jìn)入煤層，沖洗液與巖心直接接觸，對(duì)采取的煤心進(jìn)行了污染，破壞了煤樣的原狀性。甚至在松軟煤層鉆進(jìn)過程中由于過大水壓對(duì)煤層進(jìn)行了破碎，嚴(yán)重降低了取心率。因此為提高巖心采取率，提高煤層原狀性，對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

2.1 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)雙管取心用鉆頭多采用底噴式結(jié)構(gòu)，底噴式鉆頭與普通取心鉆頭的區(qū)別在于鉆頭水路在鉆頭內(nèi)部進(jìn)行了分流。普通取心鉆頭沖洗液通過內(nèi)外管的間隙及鉆頭水槽進(jìn)入鉆頭底唇面進(jìn)行冷卻鉆頭、攜帶巖粉，而底噴式取心鉆頭沖洗液通過內(nèi)外管間隙直接進(jìn)入鉆頭外側(cè)，進(jìn)而冷卻鉆頭唇面，起到保護(hù)巖心的作用，從而提高巖心采取率，并減少鉆井液對(duì)巖心的污染。為此，密閉取心用鉆頭采用了底噴式水眼結(jié)構(gòu)。

2.1.1 底噴式鉆頭

針對(duì)密閉取心裝置要求煤芯采取率高，且要求原狀煤樣的特點(diǎn)，首次鉆頭設(shè)計(jì)采用了底噴式水眼，并在取心鉆具內(nèi)外管間隙添加密封結(jié)構(gòu)，防止鉆頭通過內(nèi)外管間隙進(jìn)入巖心，從而污染巖心。

鉆頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，密閉取心鉆頭包括鉆頭體、PDC切削齒，以及刀翼、水眼、流道組成，鉆頭流道設(shè)計(jì)為向孔壁傾斜的錐面，將水眼噴射出的水流向環(huán)空導(dǎo)向，另外鉆頭不設(shè)置內(nèi)水槽，進(jìn)一步防止水流進(jìn)入巖心。

圖2 密閉取心用底噴式鉆頭

采用設(shè)計(jì)的鉆頭配合密閉取心裝置進(jìn)行取煤試驗(yàn)，底噴式鉆頭雖然從一定程度上隔斷了水與煤芯的接觸，但是在鉆進(jìn)底唇面上，水與煤層必然接觸，仍然對(duì)煤層有一定的沖刷，因此，煤芯采取率相對(duì)較低，且受到到了一定程度的擾動(dòng)，為改善這一問題，對(duì)鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1.2 錐面煤芯導(dǎo)進(jìn)式鉆頭

為改善普通底噴式鉆頭采取率低，且對(duì)煤芯有擾動(dòng)的問題，對(duì)鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在鉆頭前端增加錐形導(dǎo)進(jìn)面，錐面的存在一方面增加了進(jìn)煤量，保證了取心率。另一方面超前的錐面阻斷了水，提前進(jìn)入煤層，保證了中心部位煤樣的質(zhì)量，從而解決了水對(duì)煤層沖刷的問題，錐面煤芯導(dǎo)進(jìn)式鉆頭如圖3所示。

圖3 煤芯導(dǎo)進(jìn)式鉆頭

采用煤芯導(dǎo)進(jìn)式鉆頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，煤芯采取率大幅度提高，且煤芯取樣幾乎不受擾動(dòng)，滿足了密閉取心的要求，但是在鉆進(jìn)過程中由于斜面位置沒有切削齒的存在，難以破碎煤層，導(dǎo)致鉆進(jìn)過緩慢，鉆進(jìn)效率過低，因此，再一次對(duì)鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1.3 超前隔水式鉆頭

新改進(jìn)的鉆頭采用了小鉆頭超前設(shè)計(jì)，即采用一只小鉆頭超前于大鉆頭及鉆頭水眼進(jìn)行鉆進(jìn)取心，防止沖洗液進(jìn)入煤層[10]，并且可以根據(jù)煤層滲透系數(shù)選用不同長(zhǎng)度的小鉆頭，即在水容易滲透的煤層采用較長(zhǎng)小鉆頭，增加超前量防止水進(jìn)入，而在水不容易滲透的煤層采用較短超前量。小鉆頭與大鉆頭之間采用螺紋連接，便于更換。小超前隔水式鉆頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 超前隔水式鉆頭

2.2 鉆頭水路設(shè)計(jì)

鉆頭水路設(shè)計(jì)對(duì)密封取心式鉆頭設(shè)計(jì)至關(guān)重要，為防止沖洗液過早進(jìn)入煤層，需要對(duì)鉆頭水眼角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，另外為防止沖洗液從鉆頭內(nèi)部進(jìn)入巖心，需要對(duì)鉆頭內(nèi)外管之間進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。

1)水眼大小計(jì)算。根據(jù)流體力學(xué)連續(xù)性方程，見式(1)。

Q=v1A1=v2A2

(1)

式中，Q為流量；v1為環(huán)空流速；A1為環(huán)空過流面積；v2為水眼內(nèi)流速；A2為水眼過流面積。

流量一定情況下，水流速度與過流面積呈反比，為防止水眼過小導(dǎo)致流速過大沖刷巖石，進(jìn)而侵入巖心，要求總水眼過流面積大于等于鉆頭外壁與取心筒環(huán)狀間隙，即：

式中，N為水眼數(shù)量；D為水眼直徑；D1為環(huán)空大徑；D2為環(huán)空小徑。

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算出最小水眼直徑與數(shù)量為?10mm水眼8個(gè)。

2)水眼噴射角度。普通底噴水眼由于鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，多為直水眼，水路直接沖入煤層，容易沖刷煤層，為防止沖洗液對(duì)煤層的污染，本次鉆頭水眼設(shè)計(jì)為斜水眼，斜水眼一方面對(duì)鉆頭具有冷卻效果，能夠更好的沖刷切削齒與地層的接觸面，冷卻鉆頭，攜帶巖粉，另外斜水眼沖刷面距離巖心相對(duì)較遠(yuǎn)，防止了沖洗液對(duì)煤芯段的污染。

3)鉆頭流道。為防止沖洗液從鉆頭水眼流出后沖刷前端巖層，鉆頭流道設(shè)計(jì)為向后傾斜的斜面，對(duì)沖洗液進(jìn)行導(dǎo)流，使沖洗液冷卻大鉆頭切削齒后攜帶巖粉進(jìn)行上返，進(jìn)一步降低沖刷巖心的可能性。

2.3 切削齒排布

切削齒排布是確定切削齒在鉆頭剖面上的位置，主要是切削齒的中心距，由于鉆頭內(nèi)外徑確定，鉆頭中心齒及保徑齒位置可以確定，應(yīng)該按照切削齒能完全覆蓋井底的原則進(jìn)行排布。

切削齒安裝于PDC鉆頭體上，應(yīng)當(dāng)選擇合適的切削角。在鉆進(jìn)參數(shù)一定時(shí)，鉆頭的切入能力隨著切削角的增大而減小，但是過小的切削角容易導(dǎo)致切削齒過早損壞，因此應(yīng)根據(jù)地層情況優(yōu)選切削角度[11-15]。由于該取心鉆頭主要應(yīng)用于煤層鉆進(jìn)，偶見夾矸，因此采用最優(yōu)切削角度為15°。合理的側(cè)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)可以使破碎的巖石快速排出井底，防止重復(fù)破碎，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇該地層PDC鉆頭切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角應(yīng)控制在5°～8°。

超前小鉆頭切削齒由于取樣過程中處于干鉆狀態(tài)，為防止PDC切削齒高溫破壞，此次小鉆頭切削齒采用硬質(zhì)合金，合金刃角選用25°，正斜鑲，可以在煤層鉆進(jìn)中取得較高的鉆進(jìn)效率，同時(shí)為防止沖洗液沿小鉆頭外壁進(jìn)入巖心，小鉆頭采用無外出刃設(shè)計(jì)。

按照鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到鉆頭模具三維模型，如圖5所示。根據(jù)模型采用數(shù)控編程方法加工鉆頭體，最后通過火焰釬焊的形式將PDC切削齒及保徑合金鑲焊于鉆頭體上。

圖5 鉆頭成品圖

3 密閉取心用鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

密閉取心鉆進(jìn)試驗(yàn)是在淮北蘆嶺煤礦地面采動(dòng)卸壓瓦斯抽采井中，鉆孔編號(hào)為Ⅲ13-6。鉆孔一開為?445mm，下入?377mm×12mm套管；鉆孔二開為?311mm，鉆孔鉆進(jìn)至 8 煤頂板5m后，下入?244.5mm×11.05mm套管；三開為距離8煤頂板5m至Ⅲ13巖石工作面頂板15m段，鉆孔孔徑為?216mm，下入?177.8mm花管，進(jìn)行8煤層采動(dòng)卸壓瓦斯抽采。根據(jù)礦井8煤地質(zhì)剖面變化情況，并結(jié)合試驗(yàn)孔鄰近采動(dòng)卸壓抽采鉆井見煤點(diǎn)設(shè)置，進(jìn)行密閉取心試驗(yàn)。

3.2 鉆進(jìn)設(shè)備

鉆進(jìn)設(shè)備采用TSJ-2000型號(hào)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)，配套BW-250型號(hào)泥漿泵，密閉取心鉆具組合為?89mm鉆桿+QMB-120-38DM型密閉取心器+?152/38mm超前隔水式取心鉆頭。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

采用密閉取心鉆頭在Ⅲ13-6鉆孔進(jìn)行取樣，取樣深度及巖心采取率見表1，此次共采用密閉取心器取樣4次，其中第一次因泥漿流量嚴(yán)重超過了設(shè)計(jì)值達(dá)到100L/min，導(dǎo)致本回次未采取到煤心，后對(duì)泥漿泵進(jìn)行調(diào)整，其余3次均完成了密閉取心。

表1 密閉取心試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出，調(diào)整泥漿泵量后3次密閉取心均能采集到煤樣，煤心采取率為 62.73%～74.17%，均值 68.17%，滿足了密閉取心施工方法要求。

4 結(jié) 論

1)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)選，對(duì)常規(guī)底噴式鉆頭、錐面煤心導(dǎo)進(jìn)式鉆頭及超前隔水式鉆頭等優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，采用超前隔水式鉆頭進(jìn)行密閉取心，并對(duì)超前小鉆頭長(zhǎng)度進(jìn)行定制以適應(yīng)不同煤層，解決了常規(guī)鉆頭容易沖刷巖心導(dǎo)致巖心采取率低下，煤心容易污染的問題；

2)通過鉆頭水眼大小計(jì)算、鉆頭水道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆頭合理切削齒優(yōu)選與排布，有效降低了沖洗液進(jìn)入煤心的可能性，進(jìn)一步防止煤心被沖洗液污染?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的密閉取心鉆頭巖心采取率滿足密閉取心施工要求，可靠性高，能夠配套密閉取心鉆具進(jìn)行密閉取心進(jìn)而提高瓦斯檢測(cè)精度。