煤礦井下近水平鉆孔反循環(huán)取心先導(dǎo)性試驗研究

楊冬冬，趙江鵬，楊虎偉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)曾經(jīng)作為繼金剛石繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)之后的又一重大創(chuàng)新性技術(shù)在地質(zhì)資源勘查、地質(zhì)構(gòu)造探測等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。該技術(shù)的主要特點是利用反循環(huán)沖洗液在鉆桿柱內(nèi)的上升力將孔底鉆取的巖心連續(xù)不斷地輸送至孔外，從而實現(xiàn)不提鉆連續(xù)取心的目的[3-4]。與常規(guī)取心技術(shù)相比，該工藝方法可減少20%～30%的輔助時間，具有效率高、純鉆進(jìn)時間長、鉆探成本低、巖礦心采取率高、品質(zhì)好、勞動強度小等諸多優(yōu)點[5-7]。

為了保障煤炭安全高效開采，探查采煤工作面是否存在陷落柱、溶洞、斷層等地質(zhì)異常體是一項重要工作內(nèi)容[8-9]。隨著煤礦精細(xì)化管理落地生根，為避免地質(zhì)構(gòu)造的無計劃揭露，對查明采煤工作面地質(zhì)構(gòu)造尤其地質(zhì)異常體等的工作提出了構(gòu)造要素精準(zhǔn)化探測的更高要求，因而提出將水力反循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造要素精準(zhǔn)探測工作中。參考現(xiàn)有的坑道取心鉆探技術(shù)裝備并結(jié)合礦方相關(guān)技術(shù)要求，設(shè)計研制了一套規(guī)格為Φ89mm/42mm雙壁反循環(huán)取心鉆具用于煤礦井下施工近水平地質(zhì)異常體探查鉆孔。該套取心鉆具在加工工藝及結(jié)構(gòu)方面針對煤礦井下施工環(huán)境做出了改良。為了有效預(yù)見在煤礦井下施工近水平鉆孔的過程中可能出現(xiàn)的問題并能夠及時改進(jìn)完善該套反循環(huán)取心鉆具結(jié)構(gòu)與施工工藝技術(shù)，于是開展了近水平鉆孔水力反循環(huán)連續(xù)取心地面及煤礦井下先導(dǎo)性試驗研究。

1 技術(shù)原理及特點

近水平鉆孔水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)技術(shù)原理如圖1所示。在近水平鉆孔內(nèi)，泥漿泵將沖洗液首先壓送至雙壁送水器，雙壁送水器與雙壁鉆桿內(nèi)環(huán)空相連通，使得沖洗液沿著雙壁鉆桿內(nèi)環(huán)空進(jìn)入取心鉆頭并從鉆頭水眼噴出，大部分沖洗液攜帶巖心及破碎的巖屑沿著鉆具中心通道上返至孔外巖心箱，少量沖洗液進(jìn)入鉆孔環(huán)空正循環(huán)通道攜帶環(huán)空沉渣上返，施工過程中巖心持續(xù)卡斷并上返從而實現(xiàn)不提鉆連續(xù)取心。現(xiàn)場試驗利用鉆機(jī)提供孔內(nèi)鉆具給進(jìn)力及回轉(zhuǎn)力，利用泥漿泵提供巖心上返動力，同時起到鉆頭冷卻及攜粉排渣的作用。雙壁反循環(huán)取心鉆進(jìn)可以有效的減少沖洗液對孔壁的沖刷，有利于孔壁穩(wěn)定，也一定程度上緩解了地層漏失問題。

圖1 水力反循環(huán)連續(xù)取心原理Figure 1 Hydraulic reverse circulation continuous coring principle

2 反循環(huán)取心施工配套裝備

本次地面試驗配套的鉆探裝備主要有鉆機(jī)、泥漿泵、Φ89/42mm雙壁鉆桿、反循環(huán)取心鉆頭、雙壁送水器等。

2.1 Φ89mm/42mm雙壁鉆桿

雙壁鉆桿為沖洗液的輸送、巖心巖屑的返回提供通道，是順利實施水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)的關(guān)鍵鉆具之一。為了適應(yīng)煤礦井下地質(zhì)異常體探查施工，本次研制的雙壁鉆桿在參考地面取心鉆具的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了加工工藝及結(jié)構(gòu)上的改良，目的是為了提高漏失地層的適應(yīng)性、反循環(huán)取心效率及鉆桿整體性，最終將雙壁鉆桿規(guī)格定為Φ89mm/42mm×1.5m，相較地面常規(guī)取心鉆具規(guī)格尺寸、內(nèi)外管環(huán)間過流面積均有所增加，雙壁鉆桿實物如圖2所示。地面取心鉆孔多為垂直鉆孔，而煤礦井下施工的探查鉆孔多為近水平鉆孔，近水平鉆孔施工過程中鉆具的受力狀態(tài)較復(fù)雜，扭矩與彎矩同時作用于鉆桿上，因此將內(nèi)管公接頭、內(nèi)管桿體、內(nèi)管母接頭等依次采用螺紋連接，內(nèi)管之間的連接采用插接的形式，內(nèi)管與外管由焊接在內(nèi)管母接頭和內(nèi)管公接頭上的支撐塊限位，外管由外管母接頭、外管桿體、外管公接頭等依次摩擦焊接而成，整體性好、強度高、壽命長。

圖2 雙壁鉆桿Figure 2 Double-wall drill rod

2.2 反循環(huán)取心鉆頭

反循環(huán)取心鉆頭與正循環(huán)鉆頭不同點在于需改變沖洗液的流向，迫使沖洗液向鉆頭中心部分流動，以達(dá)到攜帶巖屑巖心上返流速。目前地質(zhì)勘探、坑道取心鉆探多采用金剛石取心鉆頭，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度在600～1 600r/min，考慮煤礦井下現(xiàn)有的技術(shù)裝備及施工工藝，設(shè)計研制了適應(yīng)煤礦井下施工的PDC取心鉆頭，鉆頭規(guī)格尺寸為Φ98mm/38mm和Φ113mm/38mm，取心直徑為Φ38mm，復(fù)合片卡斷器距離鉆頭頂端80mm，并且為了將沖洗液大部分分流至雙壁鉆桿的中心通道，在反循環(huán)取心鉆頭內(nèi)管上設(shè)置分水孔或噴水孔。

2.3 雙壁送水器

雙壁送水器是將沖洗液導(dǎo)入至雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)隙，煤巖心、煤巖屑自雙壁鉆桿內(nèi)管中心通道導(dǎo)出的專用工具，是成功實施水力反循環(huán)連續(xù)取心的關(guān)鍵鉆具之一，針對煤礦井下水力反循環(huán)取心鉆具，設(shè)計了配合雙壁鉆具使用的雙壁送水器(圖3)。其中雙壁送水器外殼內(nèi)部設(shè)有軸承、心軸、密封圈及內(nèi)管等轉(zhuǎn)動部件，心軸的徑向設(shè)有多個圓形通孔連通進(jìn)水端與雙壁送水器環(huán)空，雙壁送水器環(huán)空與雙壁鉆桿環(huán)空相連通組成進(jìn)水通道，內(nèi)管布設(shè)于心軸內(nèi)且通過點焊固定連接，內(nèi)管與心軸兩端安裝有深溝球軸承，在煤礦井下進(jìn)行取心施工時，雙壁送水器的內(nèi)管可與心軸同步回轉(zhuǎn)，雙壁送水器其他部件不回轉(zhuǎn)。為了提高雙壁送水器整體密封性能，在軸承端面設(shè)置兩組密封圈，內(nèi)管與芯軸連接處設(shè)有多組O型圈密封。

1-返水接頭；2-后蓋；3-軸承；4-外殼；5-進(jìn)水接頭；6-心軸；7-密封圈；8-內(nèi)管；9-前端蓋；10-鉆桿接頭圖3 雙壁送水器Figure 3 Double-wall water transmitter

3 先導(dǎo)性試驗

3.1 地面先導(dǎo)性試驗

本次地面先導(dǎo)試驗地點選址在陜西省渭南市白水縣展開，地層主要為砂巖層且斷層發(fā)育漏失嚴(yán)重。現(xiàn)場共施工了3個近水平取心試驗鉆孔，開孔傾角均在0°左右。本次試驗的3個取心鉆孔的最大回次進(jìn)尺為69m，鉆進(jìn)效率為3.61～6.26m/h，綜合取心率73.9%(表1)。

表1 地面鉆孔取心情況Table 1 Surface coring situations

對上述3個反循環(huán)試驗鉆孔返出的巖心進(jìn)行整理編錄，按巖心上返先后順序依次擺放，統(tǒng)計現(xiàn)場巖心的規(guī)格尺寸。巖心長度超過50mm的巖心數(shù)量超過80%，大部分巖心長度在85mm左右，巖心直徑為37.5mm左右，巖心完整度較高。通過對巖心的觀察，地層變化、裂隙、層理的情形均清晰可辨。

3.2 煤礦井下先導(dǎo)性試驗

本次煤礦井下先導(dǎo)性試驗選址在寺河礦西區(qū)W33013巷13#橫川。試驗共施工了7個反循環(huán)取心試驗鉆孔，均為近水平鉆孔。累計施工36d，進(jìn)尺1 033.5m。取心孔段長616.5m，取心累計長度486.01m，其中巖心長度280.43m，煤心長度205.58m，巖心取心率72.7%，煤心取心率89%，綜合取心率為78.83%，單孔最高取心率為90.68%，最大回次進(jìn)尺97.5m，巖層中取心平均鉆進(jìn)效率7.5～9m/h，煤層中取心平均鉆進(jìn)效率較高，可達(dá)9～18m/h，單個反循環(huán)取心試驗鉆孔的具體施工數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 井下鉆孔取心情況Table 2 Underground coring situations

經(jīng)不完全統(tǒng)計，巖心長度超過50mm的巖心數(shù)量超過80%，大部分巖心長度在85mm左右，巖心直徑在37.5～39.5mm，巖心完整度較高。由于煤層較破碎，完整煤心較少，大部分呈塊狀、片狀、屑狀煤心，其中塊狀煤心長度在20～30mm，部分煤心長度可達(dá)85mm，煤心直徑在36.5～38.5mm。

4 巖心卡堵問題及解決方案

水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)技術(shù)的公認(rèn)難題就是巖心卡堵[10]問題，完全避免堵塞難度較大，一般解決辦法是通過提大鉆清理卡堵巖心，耗時費力。為了克服上述難題，結(jié)合現(xiàn)場現(xiàn)有條件提出中心通道打水解卡方法。原理是通過水壓使卡堵巖心發(fā)生松動而達(dá)到解卡的目的，原理具體如圖4所示，通過3NB320泥漿泵將沖洗液通過變徑接頭泵入取心鉆具中心通道，堵住雙壁水便側(cè)面注水口，解卡過程中保持鉆具回轉(zhuǎn)并反復(fù)提拉鉆具，待孔口返水水量較大時，暫停向中心通道打水，更換接頭并向雙壁水便側(cè)面注水口打水繼續(xù)施工。白水現(xiàn)場3#反循環(huán)試驗鉆孔施工過程中發(fā)生多次卡堵，后續(xù)均采用中心通道打水這種方法均順利解卡，解卡成功率可達(dá)80%左右。同時在煤礦井下試驗過程中主要采用該解卡方法，煤礦井下解卡成功率也在80%左右，解卡成功率較高，效果較好，有利于提高整體回次進(jìn)尺。

圖4 現(xiàn)場中心通道打水解卡原理Figure 4 Site central channel water injection sticking removal principle

5 結(jié)論及建議

1)采用Φ89mm反循環(huán)取心鉆具在地面試驗場地共施工3個近水平反循環(huán)取心鉆孔，累計進(jìn)尺215.3m，單孔最大孔深120.8m，綜合取心率73.9%，單孔最高取心率為83.9%，最大回次進(jìn)尺為69m，鉆進(jìn)效率為3.61～6.26m/h；煤礦井下試驗共施工7個近水平反循環(huán)取心鉆孔，累計進(jìn)尺1 033.5m，巖心取心率72.7%，煤心取心率89%，綜合取心率為78.83%，單孔最高取心率為90.68%，最大回次進(jìn)尺97.5m，巖層中取心平均鉆進(jìn)效率7.5～9m/h，煤層中取心平均鉆進(jìn)效率可達(dá)9～18m/h，反循環(huán)效果顯著，Φ89mm反循環(huán)取心鉆具設(shè)計合理。

2)試驗過程中發(fā)生卡堵會有明顯的征兆，需要即刻采取有效的解卡措施，根據(jù)現(xiàn)場試驗解卡方案，采用中心通道打水解卡是最有效且最省時省力的方法，地面及井下試驗現(xiàn)場采用此種解卡方法的成功率均為80%左右。

3)本次地面及井下先導(dǎo)性試驗暴露的主要問題是巖心卡堵。為了將水力反循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)更好的應(yīng)用于煤礦井下地質(zhì)異常體探查工作中，應(yīng)結(jié)合煤礦井下地質(zhì)條件作進(jìn)一步分析，尤其要考慮在煤層、煤巖交界處取心鉆進(jìn)可能遇到的狀況、地質(zhì)異常體孔段地層漏失問題及井下施工過程中卸壓瓦斯的治理問題等等，逐步完善該套反循環(huán)取心鉆具結(jié)構(gòu)、配套裝備及取心工藝方法。