煤礦井下密閉取樣鉆頭設計與優(yōu)化

盧宗瑋，王清峰，李彥明

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團重慶研究有限公司，重慶 400039；3.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家實驗室，重慶 400037)

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。在建設瓦斯抽采系統(tǒng)之前，需對煤層瓦斯含量進行評估，以指導瓦斯抽采提高瓦斯抽采率。在瓦斯抽采結束后仍需檢測煤層瓦斯含量，以判斷瓦斯抽采是否達到相關規(guī)范要求，所以瓦斯含量檢測準確與否對指導瓦斯抽采具有重要的現(xiàn)實意義。

隨著定向鉆機技術及其配套設備的發(fā)展，對瓦斯含量的檢測深度有了新的要求[1-5]，密閉取樣工具是當前完成深孔取樣效果最好的方法，通過密閉取樣工具采集的煤樣相較于普通取樣方法得到的煤樣更接近原狀煤體，因此進一步分析目標煤層特性的準確度更高[6-11]。雖然密閉取樣方式不同，但最大程度減少鉆井液對煤體的污染、提高取樣量、保證取樣成功率是煤礦井下密閉取樣工具需解決的共同問題。目前煤礦井下密閉取樣技術還不成熟，取樣過程中存在密封效果不好和取樣量達不到標準要求兩大問題。密閉取樣工具密封效果不好一般由密封機構關閉失敗等原因所致；取樣量少則是取心鉆頭本身的結構不合理所致[12-14]。

1 密閉取樣裝置技術原理

以DMQ-73型密閉取樣裝置為例，該裝置采用非球閥式的剪切密閉結構[15]，取樣鉆進過程中鉆桿帶動外筒旋轉而內(nèi)筒不動；取樣內(nèi)筒上端與剪切錯位閥門連接、下端與驅動套筒連接，驅動套筒內(nèi)設置了兩卡銷固定驅動套筒；外筒連接鉆桿與取樣鉆頭，由外筒傳遞轉矩與鉆壓；在轉矩的作用下取樣鉆頭切削煤樣并通過柱狀通道進入取樣內(nèi)筒。DMQ-73型密閉取樣裝置取樣原理如圖1 所示。

1—取樣內(nèi)筒；2—錯位閥門；3—取樣鉆頭；4—煤樣。

密閉取樣技術工作流程如下：①采用常規(guī)鉆孔工藝施工至取樣深度時正常退鉆;②卸下鉆桿前端鉆頭并將密閉取樣裝置安裝至最前端鉆桿上；③啟動鉆機將密閉取樣裝置送至取樣目標孔深；④將泥漿泵置于流量低檔位，啟動泥漿泵，低壓水通過取樣內(nèi)外筒的間隙與取樣鉆頭水眼到達孔底進行排渣與鉆頭的冷卻；⑤密閉取樣裝置在鉆桿作用下推進旋轉，切削煤樣并壓入取樣內(nèi)筒，直至取樣孔深；⑥開啟高壓水，在高壓水的作用下，被碟簧頂住的卡銷下移，驅動套筒復位帶動剪切錯位閥門旋轉并關閉取樣內(nèi)筒，完成煤樣的密封；⑦退鉆取出取樣器，完成密閉取樣工作。

相較于常規(guī)定點取樣方式，密閉取樣裝置將煤樣密封極大地減少了煤樣在空氣中的暴露時間，提高了瓦斯含量檢測的準確度[16]。但實際取樣過程中由于冷卻液對孔底煤樣的沖刷，取樣內(nèi)筒無法裝滿煤樣?，F(xiàn)對取樣鉆頭的水路結構進行分析，研究孔底水的流速與壓力分布對取樣的影響，并優(yōu)化取樣鉆頭。

2 常規(guī)取樣鉆頭存在的問題分析

在取樣鉆進過程中，低壓水通過水路排渣、冷卻鉆頭，由于直接與煤樣接觸，低壓水會沖擊煤樣并破壞其原有的狀態(tài)。在松軟煤層中鉆進時過大的水壓還會破壞煤層。為了提高取樣率，現(xiàn)對PDC鉆頭進行設計，以常用的底噴式鉆頭為基礎對水路結構進行改進。為方便研究其鉆進取樣時孔底的流場狀態(tài)[17-19]，將常規(guī)底噴式鉆頭進行簡化并劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 常規(guī)底噴式鉆頭流場模型及網(wǎng)格劃分

使用ANSYS-FLUENT軟件進行分析，該軟件具有優(yōu)秀的力學分析能力，強大的前處理及后處理功能，可以保證模擬的可靠性。仿真模擬設定的邊界條件與參數(shù)在優(yōu)化前后的模型中均相同。通過仿真軟件分析，將入口水路流速設定為9.3 m/s，壓力設定為1 MPa，得出常規(guī)底噴式鉆頭在孔底鉆取煤樣時的速度流線圖與孔底壓力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 常規(guī)底噴式鉆頭速度流線圖

圖4 常規(guī)底噴式鉆頭孔底壓力云圖

由圖3可以看出，常規(guī)底噴式鉆頭孔底煤樣受沖擊較大且區(qū)域不集中，導致鉆頭取樣率低，最大速度在水路處，超過了50 m/s。由圖4可以直觀地看到煤樣受到的沖擊大小，最大壓力為51 960 Pa，直水路在冷卻鉆頭的同時也將沖洗液引向煤樣，在沒有導路引導的情況下向外擴散無法準確進入取樣內(nèi)筒。因此，為提高當前取樣鉆頭的取樣效果，需對水路結構進行優(yōu)化。

3 取樣鉆頭優(yōu)化設計

3.1 水路結構設計

在底噴式鉆頭內(nèi)部將水路進行了分流，但現(xiàn)有底噴式鉆頭的分流水路多為直水路朝向孔底[20]，為減少水對孔底的直接沖刷，保護煤樣，將直水路改成斜水路，分流水路流向如圖5所示。

圖5 分流水路流向示意圖

圖5(b)為改進后的水路結構，通過斜水路引導低壓水向孔壁排出，可減少直接沖刷孔底的鉆井液流量。將直水路改為斜水路后，由于斜水路相較于主要水路流量小，整個孔底煤屑在泥漿循環(huán)的作用下不會受到較大的影響；為防止沖洗液從斜水路流出后沖刷煤層導致埋鉆塌孔等現(xiàn)象，鉆頭流道設計為斜向后對沖洗液進行導向，冷卻大鉆頭攜帶煤渣更好地進行循環(huán)。通過仿真軟件對2種水路進行分析,基于結構尺寸進行建模并簡化倒角等復雜結構，得到網(wǎng)格模型如圖6所示。設定流量為28 L/s,鉆井液為清水，孔徑為110 mm。仿真結果如圖7、圖8 所示。

圖6 優(yōu)化后鉆頭流場模型及網(wǎng)格劃分

圖7 不同水路速度流線圖

圖8 不同水路孔底壓力云圖

由圖7、圖8可以看出，相較于直水路，斜水路在取樣過程中最大流速減小了30.45%，孔底最大壓力減小了25.15%，受力范圍更加集中，煤樣受到的作用力更小，提高了取樣成功率。

由圖7可以看出，大部分沖洗液還是會進入煤層影響取樣裝置采集孔底煤樣，且由于大鉆頭的孔口沒有設置錐面引導、缺乏內(nèi)切削齒碎巖，導致鉆進效率較低。為解決這一問題還需對鉆頭進行優(yōu)化。

3.2 小鉆頭設計

為達到隔水目的，減小中心流量，在大鉆頭中間安裝一個小鉆頭先行鉆進，被切削煤樣通過小鉆頭進入取樣內(nèi)筒，同時為防止高溫破壞，小鉆頭材質選用硬質合金，刃角選25°[21]。為獲得更好的取樣效果，設計了3種長度分別超前5、15、25 mm的小鉆頭，并在與大鉆頭水路設計中相同的邊界條件下進行仿真模擬，結果如圖9所示。

圖9 3種長度小鉆頭與無小鉆頭速度流線圖

由圖9可以看出，使用超前小鉆頭可以極大地減小中心孔流量，將更多的鉆井液引導至斜水路，雖然最大速度相較于無小鉆頭的時候大，但最大速度的分布并未集中在孔底，更多地集中于斜水路中。在無小鉆頭的情況下，孔底鉆井液流量大且速度為15～18 m/s；在安裝小鉆頭的情況下，速度為4～14 m/s，煤樣受到的沖刷影響更小，且沖刷范圍更集中，而不是整個孔底受到大范圍沖刷。

對比3種長度小鉆頭，最短的小鉆頭孔底流速最小但是流量最大；最長的小鉆頭孔底流速最大但是流量最??；中等長度的小鉆頭流速與流量處于前兩者之間，相對均衡。

上述分析表明，超前小鉆頭的設計優(yōu)化了取樣鉆頭的取樣效率，能夠提高采集煤樣的質量?？筛鶕?jù)不同環(huán)境選擇不同長度的小鉆頭配套使用，如水更容易滲透的煤層使用流速大但流量小的長鉆頭；水不易滲透的煤層使用流速小但流量大的短鉆頭。模型流線圖等結果相對工整，水路處的速度滿足清洗鉆頭孔底的需求。最終設計出來的PDC取樣鉆頭在水路結構與取樣部分進行了改善，斜水路與超前小鉆頭的設計大大減小了鉆井液沖刷對煤樣的影響，可提高取樣效率與成功率。

4 煤礦密閉取樣PDC鉆頭現(xiàn)場試驗

為檢驗PDC取樣鉆頭的實際使用效果，在河南正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦進行現(xiàn)場工藝試驗，以實際取樣量與取樣成功率作為效果考核標準。

4.1 鉆進設備

鉆進設備采用ZYWL-6000煤礦用履帶式全液壓鉆機，配套BW-600型泥漿泵，使用?86 mm鉆桿與DMQ-73型密閉取樣裝置。鉆頭使用外徑93 mm的取樣鉆頭。

4.2 現(xiàn)場試驗情況

為保證鉆孔的施工質量與取樣效果不受其他因素影響，取樣鉆孔設計需避開原抽采鉆孔，保證每個鉆孔之間的距離在40 m以上。

根據(jù)施工要求，采用鉆機鉆至預定取樣點，退鉆更換取樣裝置并二次送至孔底開始取樣，取樣時轉桿轉速平均保持在90 r/min。

首先使用常規(guī)底噴式取樣鉆頭進行3次取樣，取樣結果如表1所示。

表1 常規(guī)取樣試驗結果

由表1可以看出，平均取樣量為275 g，取樣率較低。更換優(yōu)化后的取樣鉆頭，開展了5次取樣試驗。第3次取樣選擇了長鉆頭，在取樣過程中發(fā)生了塌孔情況，故未取到煤樣。根據(jù)現(xiàn)場煤層情況，后續(xù)2次試驗采用中等長度的超前小鉆頭，均在百米以上的深孔成功取到煤樣。取樣結果如表2所示。

表2 密閉取樣試驗結果

由表2可以看出，最大取樣量為1 024 g，最小取樣量為475 g。第1次取樣為淺孔快速取樣，簡單鉆進至2 m，退鉆后檢查取樣裝置密封保壓性能等。正常3次取樣率均在70%以上，取樣量均大于 500 g，與常規(guī)底噴式鉆頭平均取樣量275 g比較，使用該密閉取樣鉆頭取樣量提高了1倍左右。部分取樣結果如圖10所示。

(a)第2次取樣

5 結論

1)對常規(guī)底噴式鉆頭取樣過程進行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)存在因水路結構不合理導致取樣量少的問題。

2)通過結構設計、模擬仿真，對常規(guī)底噴式鉆頭水路結構進行了優(yōu)化。斜水路結構大大減少了孔底受到的鉆井液沖擊力，并使整體受力更集中，解決了常規(guī)鉆頭沖刷煤樣、煤樣易受污染的問題。

3)設計了3種長度的小鉆頭，通過模擬仿真，結合現(xiàn)場試驗證明3種長度小鉆頭均提高了煤樣的采集效率、減小了鉆井液對孔底的直接沖擊影響、加強了斜水路排渣能力。其中長度適中的小鉆頭適用范圍廣，取樣效果最好。