煤礦井下連續(xù)管鉆進(jìn)管柱分析及射流鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)

姚寧平，王 力，張金寶，豆旭謙，魏宏超

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

鉆探是煤礦地質(zhì)信息探查、瓦斯防治和水害治理的直接手段，是保證煤礦安全生產(chǎn)的根本措施[1-2]。煤礦井下每年僅用于瓦斯治理的鉆孔工作量就達(dá)到1.5 億m 以上，目前，煤礦井下鉆探采用接單根的方式加接鉆桿，輔助作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度高且存在安全隱患[3-4]，頻繁地加桿停泵(循環(huán)間斷)也易導(dǎo)致沉渣卡鉆事故。因此，亟需提高煤礦井下特殊環(huán)境下鉆探施工的自動(dòng)化程度和作業(yè)安全性，以滿(mǎn)足煤礦安全高效生產(chǎn)的重大需求。

連續(xù)管鉆井是采用纏繞在滾筒上的柔性鋼管作為鉆柱而完成鉆井的技術(shù)。1992 年，美國(guó) Oryx 公司采用連續(xù)油管在一口老井中完成了水平井側(cè)鉆作業(yè)，側(cè)鉆長(zhǎng)度320 m[5]。Baker Hughes 在中東地區(qū)相繼創(chuàng)造了最長(zhǎng)水平段1 457 m、單趟連續(xù)管柱側(cè)鉆1 607 m 的記錄[6-7]。近年來(lái)，每年連續(xù)管鉆井?dāng)?shù)都在1 000 口以上，全世界每年在用連續(xù)管鉆機(jī)超過(guò)1 500 臺(tái)[8]，連續(xù)管鉆井技術(shù)已成為發(fā)展最快的石油鉆井技術(shù)之一[9-10]，其優(yōu)勢(shì)在于不需要連接單根，可以連續(xù)鉆進(jìn)和起下鉆，自動(dòng)化程度高，大幅降低輔助作業(yè)時(shí)間，減少人工操作和誤操作，施工安全性高，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液可以連續(xù)循環(huán)，有利于減少沉渣卡鉆事故。在地質(zhì)勘探和煤礦領(lǐng)域，美國(guó)AXON 公司和澳大利亞DET CRC 都開(kāi)發(fā)了地面地質(zhì)勘探用連續(xù)管鉆機(jī)[11]。

連續(xù)管鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)正中煤礦井下鉆探施工的痛點(diǎn)，也是煤礦井下鉆探技術(shù)未來(lái)重要的發(fā)展方向。筆者針對(duì)連續(xù)管鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下坑道鉆探應(yīng)用中存在的管柱配置、鉆進(jìn)方法等關(guān)鍵問(wèn)題，提出煤礦井下坑道連續(xù)管射流定向鉆進(jìn)方法，進(jìn)行近水平鉆進(jìn)連續(xù)管屈曲、連續(xù)管流體摩阻、旋轉(zhuǎn)水射流參數(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題的研究，并進(jìn)行射流破巖和地面噴射定向鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，以期為開(kāi)發(fā)煤礦坑道連續(xù)管鉆進(jìn)技術(shù)和裝備提供了理論基礎(chǔ)。

1 煤礦坑道連續(xù)管鉆進(jìn)方法

受煤礦巷道空間和連續(xù)管最小彈性彎曲半徑限制，煤礦井下無(wú)法應(yīng)用較大直徑連續(xù)管；由于鉆具級(jí)配限制，配套小直徑螺桿鉆具鉆進(jìn)能力?。涣硗?，連續(xù)管管柱柔性大，難以從孔口旋轉(zhuǎn)管柱來(lái)調(diào)整螺桿鉆具的工具面向角，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)，難以滿(mǎn)足煤礦井下定向鉆進(jìn)需要。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合煤礦坑道近水平鉆進(jìn)特點(diǎn)，提出連續(xù)管鉆進(jìn)采用水射流噴射鉆進(jìn)的方法。高壓水通過(guò)旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)入連續(xù)管，經(jīng)過(guò)液力換向器后驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)水射流鉆頭噴射破巖，連續(xù)管在滾筒和注入頭的協(xié)同驅(qū)動(dòng)下，隨著破巖不斷地注入孔內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)定向鉆進(jìn)。連續(xù)管鉆機(jī)設(shè)計(jì)為臥式結(jié)構(gòu)(底盤(pán)可設(shè)計(jì)為履帶平臺(tái))，連續(xù)管注入方向和鉆進(jìn)方向一致，大幅減少了起下鉆引起的疲勞應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，提高了連續(xù)管的壽命。水平放置的注入頭提供連續(xù)管延伸所需的注入力，連續(xù)管鉆進(jìn)總體技術(shù)方案如圖1 所示。

圖1 連續(xù)管鉆進(jìn)總體技術(shù)方案Fig.1 Overall technical plan of coiled tubing drilling

液力換向器是連續(xù)管?chē)娚涠ㄏ蜚@進(jìn)方法的核心裝置。開(kāi)泵鉆進(jìn)時(shí)，流體流經(jīng)噴射鉆頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生節(jié)流壓差，流體壓力通過(guò)噴射鉆頭、傳遞至接頭、下殼體和上殼體后整體向下移動(dòng)，同時(shí)壓縮彈簧，當(dāng)減小泵入流體時(shí)，節(jié)流壓差減小，彈簧回彈推動(dòng)上述機(jī)構(gòu)上行，通過(guò)棘輪機(jī)構(gòu)導(dǎo)向銷(xiāo)與導(dǎo)向槽的配合，驅(qū)動(dòng)液力換向器前端連接的噴射鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，即完成噴射鉆頭工具面調(diào)整，此時(shí)在泵量穩(wěn)定的情況下，棘輪機(jī)構(gòu)會(huì)鎖住當(dāng)前定向方位，使水射流在穩(wěn)定方向噴射破巖，隨著連續(xù)管不斷向前鉆進(jìn)延伸，便實(shí)現(xiàn)了定向鉆進(jìn)，液力換向器如圖2 所示。

圖2 液力換向器Fig.2 Hydraulic orienter

確定了煤礦井下連續(xù)管射流定向鉆進(jìn)方法后，連續(xù)管管柱在有限空間下許用彎曲半徑、流體摩阻、受鉆孔直徑約束下的屈曲狀態(tài)、射流破巖以及定向鉆進(jìn)的效果成了研究的關(guān)鍵。

2 連續(xù)管管柱分析

連續(xù)管管柱是煤礦井下連續(xù)管鉆進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，即根據(jù)鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)深度以及鉆孔直徑進(jìn)行連續(xù)管管柱分析和確定。連續(xù)管的彈性彎曲半徑、管內(nèi)流體摩阻、近水平鉆進(jìn)最優(yōu)管孔比(連續(xù)管管徑與鉆孔孔徑比)是確定連續(xù)管管柱的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 連續(xù)管彈性彎曲半徑

由圖1 可知，連續(xù)管鉆機(jī)的尺寸取決于滾筒尺寸，而滾筒尺寸取決于連續(xù)管最小彈性彎曲半徑。連續(xù)管最小彈性彎曲半徑可根據(jù)下式[12]計(jì)算：

式中：Ry為連續(xù)管的最小彈性彎曲半徑，mm；r0為連續(xù)管外半徑，mm；E為彈性模量，Pa；σy為連續(xù)管屈服強(qiáng)度，Pa。常用CT100 鋼級(jí)的連續(xù)管彈性模量E取1.86×1011Pa，屈服強(qiáng)度σy取6.89×108Pa。

?19～?44.45 mm 連續(xù)管的最小彈性彎曲半徑可由式(1)計(jì)算得出，結(jié)果見(jiàn)表1。?38.1 mm 連續(xù)管的最小彈性彎曲直徑為2.572 m，加上操作空間300 mm，高度達(dá)到了2.872 m，接近一般煤礦巷道高度(3 000 mm)極限值。若再加上鉆機(jī)底盤(pán)高度(200～500 mm)，從尺寸角度看，?38.1 mm 連續(xù)管巷道普適性受限，可在較大尺寸巷道中使用，結(jié)合表1 可知，?31.75 mm 以下連續(xù)管纏繞滾筒后，在空間上可滿(mǎn)足一般煤礦巷道適用要求。

表1 連續(xù)管最小彈性彎曲直徑Table 1 Minimum elastic bending diameter of coiled tubing

2.2 連續(xù)管流體摩阻分析

連續(xù)管內(nèi)流體摩阻可由壓力損失Δpf表示[13]：

式中：L和d分別為管長(zhǎng)和管徑，m；ρ為流體密度，kg/m3；v為管內(nèi)流體的平均速度，m/s；f為摩阻系數(shù)，與流體的雷諾數(shù)和管壁的表面粗糙度等因素有關(guān)，通過(guò)下面公式來(lái)計(jì)算流體的雷諾數(shù)：

式中：μ為流體黏度，Pa·s。

連續(xù)管鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，管內(nèi)流體液態(tài)為紊流[14]，處于混合摩擦區(qū)，此時(shí)根據(jù)Colebrook-White 公式，直管段摩阻系數(shù)fSL為[15]：

由于式(4)為隱函數(shù)，不易求解，采用文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果，可得fSL的高度近似解為：

式中：ε為相對(duì)粗糙度；φ為絕對(duì)粗糙度，連續(xù)管取φ=47.25×10?6m[16]。

根據(jù)Sas-Jaworsky 經(jīng)驗(yàn)公式，滾筒上盤(pán)管段摩阻系數(shù)fCL為[17]：

式中：Rb為連續(xù)管纏繞在滾筒上時(shí)的彎曲半徑，m。

將式(5)、式(6) 分別代入式(2) 相加，即可得到鉆進(jìn)時(shí)流體在連續(xù)管內(nèi)的總摩阻為：

流體在連續(xù)管內(nèi)的總摩阻即為流體流經(jīng)連續(xù)管時(shí)的總壓降。按照煤礦坑道連續(xù)管鉆進(jìn)工藝條件，連續(xù)管分別為?19、?25.4、?31.75、?38.1 mm，鉆進(jìn)深度200 m，最大流量為200 L/min，流體密度1 000 kg/m3，黏度0.978 4 mPa·s 時(shí)計(jì)算不同管徑、不同彎曲比(r0/Rb)情況下的摩阻如圖3 所示。

圖3 不同直徑連續(xù)管在不同彎曲比條件下流體摩阻Fig.3 Fluid friction of coiled tubing with different diameters and bending ratios

對(duì)于?19 mm 和?25.4 mm 連續(xù)管在流量200 L/min以?xún)?nèi)流體摩阻與流量近似指數(shù)關(guān)系，連續(xù)管管徑越小，流阻隨流量增加而急劇升高。對(duì)于?31.75、?38.1 mm連續(xù)管，在流量200 L/min 以?xún)?nèi)流體摩阻與流量近似于線(xiàn)性關(guān)系。?31.75、?38.1 mm 連續(xù)管摩阻分別為2.08、0.88 MPa，而?19、?25.4 mm 連續(xù)管摩阻分別達(dá)到了26、7 MPa 以上。在管徑和流量一定的情況下，流體摩阻隨彎曲比的減小而減小，因此，影響流體摩阻的主要因素為連續(xù)管管徑和流量，彎曲比在一定程度上影響流體摩阻，但不是主導(dǎo)因素。

結(jié)合2.1 節(jié)尺寸適用性的分析結(jié)果和煤礦井下鉆探泥漿泵可提供的壓力31.5 MPa、流量200 L/min 的條件，除去?31.75 mm 連續(xù)管流體摩阻2.08 MPa，滿(mǎn)足煤層射流鉆進(jìn)壓力要求，以及一般巷道普適性的因素，優(yōu)選?31.75 mm 連續(xù)管作為進(jìn)一步研究對(duì)象。

2.3 近水平鉆進(jìn)管柱屈曲分析

采用有限元分析管柱屈曲，孔底、孔壁采用剛體材料，限制所有自由度，結(jié)合煤礦井下常用鉆孔級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)[18]，模擬孔徑分別為50、70、90、110 mm。連續(xù)管采用彈塑性材料，彈性模量213 GPa、屈服強(qiáng)度960 MPa、泊松比0.28，外徑31.75 mm、管壁厚度2.4 mm、長(zhǎng)度10 m，連續(xù)管設(shè)置軸向位移速度0.017 m/s，并施加重力加速度?？椎?、孔壁以及連續(xù)管均采用六面體網(wǎng)格。

近水平鉆進(jìn)時(shí)，連續(xù)管管徑(dc)與鉆孔直徑(db)匹配關(guān)系管孔比(rc=dc/db)對(duì)鉆柱安全性和連續(xù)管延伸深度產(chǎn)生影響。在施加相同軸向運(yùn)動(dòng)速度和邊界條件情況下，對(duì)?31.75 mm 連續(xù)管在孔徑50、70、90、110 mm時(shí)，即rc=0.636、rc=0.454、rc=0.353、rc=0.289 進(jìn)行了屈曲分析，不同時(shí)刻rc應(yīng)力如圖4—圖6 所示。

圖4 不同rc 下軸向加載t=0.2 s 時(shí)應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution under different rc at axial loading time t=0.2 s

圖5 不同rc 下軸向加載t=0.3 s 時(shí)應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution under different rc at axial loading time t=0.3 s

圖6 不同rc 下軸向加載t=0.5 s 時(shí)應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution under different rc at axial loading time t=0.5 s

rc=0.636，在t=0.3 s 時(shí)連續(xù)管在孔內(nèi)由連續(xù)接觸變成了多點(diǎn)接觸出現(xiàn)了正弦屈曲，隨著繼續(xù)軸向給進(jìn)，當(dāng)t=0.5 s 時(shí)呈現(xiàn)螺旋屈曲狀態(tài)。rc=0.454，在t=0.2 s時(shí)連續(xù)管在孔內(nèi)由連續(xù)接觸變成了多點(diǎn)接觸出現(xiàn)了正弦屈曲，隨著繼續(xù)軸向給進(jìn)，當(dāng)t=0.5 s 時(shí)已進(jìn)入螺旋屈曲狀態(tài)。rc=0.353、rc=0.289，在t=0.2 s 時(shí)連續(xù)管在孔內(nèi)由連續(xù)接觸變成了多點(diǎn)接觸出現(xiàn)了正弦屈曲，隨著繼續(xù)軸向給進(jìn)，當(dāng)t=0.3 s 時(shí)已完全呈現(xiàn)螺旋屈曲狀態(tài)，t=0.5 s 時(shí)，拉應(yīng)力水平提高了一個(gè)量級(jí)。

如圖7a 所示，rc=0.636 時(shí)，在連續(xù)管與孔壁接觸時(shí)接觸應(yīng)力劇烈振蕩，隨后趨于穩(wěn)定；當(dāng)連續(xù)管由正弦屈曲向螺旋屈曲轉(zhuǎn)化時(shí)接觸力再次劇烈震蕩。如圖7b所示，rc=0.454 時(shí)，在連續(xù)管與孔壁接觸時(shí)接觸應(yīng)力劇烈振蕩，發(fā)生正弦屈曲之后一直趨于穩(wěn)定。如圖7c 所示，rc=0.353 時(shí)，在連續(xù)管與孔壁接觸時(shí)接觸應(yīng)力劇烈振蕩，發(fā)生正弦屈曲之后直趨于高頻小幅振蕩穩(wěn)定狀態(tài)。如圖7d 所示，rc=0.289 時(shí)，在連續(xù)管與孔壁接觸時(shí)接觸應(yīng)力劇烈振蕩，發(fā)生正弦屈曲之后直趨于高頻小幅振蕩狀態(tài)，振幅比rc=0.353 時(shí)大。

圖7 不同rc 不同時(shí)刻孔壁接觸應(yīng)力Fig.7 Contact stress of hole wall at different time under different rc

從連續(xù)管屈曲分析看，當(dāng)rc=0.454 時(shí)，管柱正弦屈曲和螺旋屈曲發(fā)生較晚，臨界載荷相對(duì)較大；當(dāng)rc=0.353、rc=0.289 時(shí)，正弦屈曲和螺旋屈曲發(fā)生時(shí)間相當(dāng)，但拉應(yīng)力水平高出一個(gè)量級(jí)。從連續(xù)管與孔壁接觸應(yīng)力分析看，不同rc時(shí)，隨著軸向位移增大，連續(xù)管軸向最大應(yīng)力都趨向于增大，但當(dāng)rc=0.454 時(shí)，連續(xù)管最大壓應(yīng)力呈近似線(xiàn)性變化，且處于相對(duì)較低水平，如圖8 所示。

圖8 連續(xù)管不同rc 時(shí)壓應(yīng)力變化Fig.8 Variation of compressive stress of coiled tubing at different rc

因此，經(jīng)過(guò)綜合分析不同rc時(shí)屈曲行為、接觸應(yīng)力以及最大壓應(yīng)力等因素，管徑為31.75 mm、孔徑為70 mm 時(shí)，連續(xù)管在孔內(nèi)的力學(xué)條件較好。

3 射流鉆進(jìn)工藝研究

3.1 旋轉(zhuǎn)水射流參數(shù)

由于旋轉(zhuǎn)射流具有徑向、切向和軸向的空間三維速度，破巖時(shí)有正面壓碎、拉伸破碎和剪切破碎的作用，破巖效率高，同時(shí)還具備自動(dòng)擴(kuò)孔的能力[19-23]，在煤層瓦斯抽采孔鉆進(jìn)中具有優(yōu)勢(shì)。

1)射流速度

噴嘴內(nèi)外2 個(gè)截面間的伯努利方程，可得出下列關(guān)系式：

式中：p1為 噴嘴內(nèi)靜壓力，MPa；p2為噴嘴外靜壓力，MPa；v1為噴嘴內(nèi)流體平均流速，m/s；v2為噴嘴外流體平均流速，m/s；ρ1=ρ2為噴嘴前后流體密度，kg/m3。由內(nèi)外2 個(gè)截面的連續(xù)性方程得：

由于噴嘴內(nèi)外壓差非常大，即p1遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)小于1，同時(shí)將清水ρ=1 000 kg/m3代入式(11)，得出噴嘴出口射流流速簡(jiǎn)化為：

2)射流流量

由式(12)可以計(jì)算出噴嘴出口流速，射流流量可由出口速度乘以截面積得出，即：

式中：dj為噴嘴直徑，mm。

3)射流破巖力[24]

根據(jù)作用力與反作用力原理，前噴孔的反沖力即為射流的破巖力：

式中：Ff為射流反沖力，N。將式(13)代入式(14)得射流反沖力另一種表達(dá)式：

對(duì)于多噴嘴射流鉆頭的破巖力可表示為：

式中：Fp為 噴頭射流總破巖力，N；n為噴嘴數(shù)量，個(gè)；θ為噴嘴的噴射角度，(°)。

根據(jù)前人關(guān)于煤層射流鉆進(jìn)所需射流壓力、流量的研究成果[25]，計(jì)算不同壓力下，符合煤礦井下泥漿泵能力的不同直徑噴嘴的流量與破巖力關(guān)系如圖9 所示，3 種噴嘴中，d=1.5 mm 時(shí)，隨著射流壓力增大，破巖力增加更快，且絕對(duì)值也最大，但是在流量一定的情況下，它的射流壓力最小、射流速度最低；d=0.8、1.0 mm 時(shí)，破巖力增加較慢，在流量一定的情況下，它們的射流壓力大、射流速度也高。然而，在鉆孔施工時(shí)不是僅僅只考慮破巖效果，要綜合考慮射流壓力、破巖力和流量，它們關(guān)系到破巖能力、鉆進(jìn)速度和排渣效率等綜合影響下的鉆進(jìn)效果。

圖9 射流壓力、流量與破巖力關(guān)系Fig.9 Relationship between jet pressure,flow rate and rock-breaking force

綜合考慮煤礦井下鉆探用泵能力(壓力：31.5 MPa，排量：200 L/min)，大部分煤層單軸抗壓強(qiáng)度在15 MPa[26]左右等因素，設(shè)計(jì)了自旋轉(zhuǎn)水射流噴射鉆頭，噴頭上布置5 個(gè)噴嘴，第一個(gè)噴嘴布置在噴頭錐尖處，與軸線(xiàn)夾角10°，其余噴嘴交錯(cuò)且等間距布置于錐面兩側(cè)，與軸線(xiàn)夾角分別為20°、30°、45°、60°，且沿圓周順時(shí)針偏斜10°，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，噴射鉆頭結(jié)構(gòu)如圖10 所示，根據(jù)鉆頭參數(shù)計(jì)算的理論破巖力見(jiàn)表2。

圖10 旋轉(zhuǎn)射流鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of rotating jet bit

表2 不同噴嘴不同流量時(shí)破巖力Table 2 Rock-breaking force at different flow rates of nozzles

3.2 噴射破巖實(shí)驗(yàn)

依據(jù)相似材料原理，采用普通硅酸鹽水泥32.5、ZT303 石膏和煤粉(粒徑小于3 mm)制備了的煤層相似材料試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行了單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)得平均單軸抗壓強(qiáng)度12.1 MPa，接近煤層強(qiáng)度。試樣配方按水泥、石膏、煤粉(1.5∶1.5∶1)的比例配比，試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤試樣配方及強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Coal sample formula and strength test results

采用排量200 L/min、最大壓力35 MPa 泥漿泵，用上述3 種噴嘴的噴射鉆頭鉆進(jìn)同一種強(qiáng)度試樣，分析 破巖效果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖11 所示。

圖11 室內(nèi)旋轉(zhuǎn)水射流噴射破巖實(shí)驗(yàn)Fig.11 Laboratory experiment on rock breaking by rotating water jet

采用d=1.5 mm 鉆頭實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴射壓力達(dá)到約15 MPa時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{泵達(dá)到排量最大值，無(wú)法繼續(xù)加載，未產(chǎn)生明顯破巖作用。根據(jù)前面分析，d=1.5 mm 噴嘴在泵壓達(dá)到25 MPa 后需要流量達(dá)到200 L/min 以上，在泥漿泵能力受限時(shí)，其射流速度、噴射壓力不足以破巖，且對(duì)于煤層鉆探性質(zhì)和排渣需求，更大的沖洗流量會(huì)沖刷孔壁，反而不利于孔壁穩(wěn)定。采用d=0.8、1.0 mm噴嘴鉆頭，將泵壓升高到20 MPa 以上開(kāi)始破巖實(shí)驗(yàn)，鉆孔直徑隨著泵量的增加而增大，隨著給進(jìn)速度的增加而減小。d=0.8 mm 時(shí)，流量106～126 L/min，鉆孔直徑56～62 mm；給進(jìn)速度1.9～2.5 cm/s 時(shí)，鉆孔直徑62～56 mm；d=1.0 mm 時(shí)，流量122～163 L/min，鉆孔直徑60～72 mm；給進(jìn)速度3.0～3.5 cm/s 時(shí)，鉆孔直徑76～60 mm，鉆進(jìn)速度、射流流量與破巖直徑的關(guān)系如圖12 所示。

圖12 鉆進(jìn)速度、射流流量與破巖直徑關(guān)系Fig.12 Relationship between drilling speed,jet flow rate and rock-breaking diameter

在一定泵壓、流量下，d=1.0 mm 射流鉆頭破巖效率和鉆孔直徑優(yōu)于d=0.8 mm 射流鉆頭，且射流流量大，實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)也有利于返水排渣。

3.3 射流定向鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)

采用上述研究確定的?34.5 mm/ 5×1.0 mm 噴射鉆頭+?40 mm 液力換向器+?31.75 mm 連續(xù)管鉆具組合，配套ZDY650 全液壓坑道鉆機(jī)，排量200 L/min、最大壓力31.5 MPa 泥漿泵等設(shè)備在黃土地層中進(jìn)行了射流定向鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，該黃土層層主要為第四系堆積物，硬塑為主，厚約 3 m，含零星姜石，成孔性較好。采用0°、180°、270°等典型工具面施工實(shí)驗(yàn)鉆孔10 個(gè)，鉆孔深度均設(shè)計(jì)為50 m，每6 m 進(jìn)行一次鉆孔測(cè)斜。鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13 所示，采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料見(jiàn)表4，實(shí)驗(yàn)鉆孔情況見(jiàn)表5。

表4 采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料Table 4 Test equipment and material adopted

表5 實(shí)驗(yàn)鉆孔Table 5 Test boreholes

圖13 地面模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)Fig.13 Simulated surface drilling test

3.4 鉆進(jìn)效果分析

(1)鉆進(jìn)工具面向角0°時(shí)，施工1 號(hào)—4 號(hào)鉆孔，孔深均為50 m，如圖14a 所示，增傾角鉆進(jìn)時(shí)，平均增斜率為0.67(°)/6 m。如圖14b 所示，工具面向角180°時(shí)，施工5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)鉆孔，平均降斜率為0.61(°)/6 m。如圖14c 所示，工具面為270°時(shí)，施工8 號(hào)、9 號(hào)、10號(hào)鉆孔，平均降方位率0.49(°)/6 m，由圖中造斜率線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)可知，在工具面向角一定的情況下造斜鉆進(jìn)趨勢(shì)穩(wěn)定，驗(yàn)證了連續(xù)管射流定向鉆進(jìn)的可靠性。由圖14 分析可知，射流定向鉆進(jìn)還可實(shí)現(xiàn)直接向上造斜鉆進(jìn)(螺桿鉆具鉆進(jìn)造斜時(shí)一般需要先向下造斜鉆進(jìn)開(kāi)出分支孔后，再逐步向上造斜，有一個(gè)調(diào)整過(guò)程)，另外，工具面向角0°向上鉆進(jìn)時(shí)平均造斜率高于工具面向角180°向下鉆進(jìn)造斜率，是因?yàn)橄蛏香@進(jìn)時(shí)鉆屑落到下孔壁被排出孔外前，會(huì)短暫停留在下孔壁墊高鉆具，使得向上造斜率提高，而向下造斜時(shí)，定向射流始終要浸入鉆屑中，并重復(fù)破碎鉆屑，減緩了射流鉆進(jìn)效率，就造成了造斜率較低。

圖14 不同工具面向角鉆進(jìn)造斜情況Fig.14 Build-up rate of borehole with different tool faces angle

(2)旋轉(zhuǎn)射流鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔直徑跟流量成正相關(guān)關(guān)系，流量越大、泵壓就越大，射流速度就越高，鉆孔孔徑越大；鉆孔直徑與鉆進(jìn)速度負(fù)相關(guān)，當(dāng)鉆進(jìn)速度較快時(shí)射流對(duì)孔壁的噴射破巖時(shí)間短，限制了鉆孔孔徑向更大擴(kuò)展。反之，當(dāng)鉆進(jìn)速度較小時(shí)，在同一孔段射流破巖較長(zhǎng)時(shí)間，鉆孔孔壁將會(huì)逐漸擴(kuò)大，直到噴射距離增大，破巖能量衰減至不能有效切割地層為止，流量和鉆進(jìn)速度與孔徑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，關(guān)系如圖15 所示。

圖15 不同射流流量、鉆進(jìn)速度與鉆孔直徑關(guān)系Fig.15 Relationship between different flow rate,drilling speed and borehole diameter

表6 不同射流流量、鉆進(jìn)速度下鉆孔孔徑Table 6 Borehole diameter under different jet flow rates and drilling speed

原地噴射時(shí)，流量為200 L/min 時(shí)，孔徑可達(dá)130 mm，流量90 L/min 時(shí)，孔徑減小至80 mm；射流流量80 L/min情況下，鉆進(jìn)速度為5 m/min 時(shí)，孔徑為131 mm，鉆進(jìn)速度20 m/min 時(shí)，孔徑為78 mm。同樣的鉆進(jìn)速度下，射流流量越大，鉆孔徑越大；同樣流量下，鉆進(jìn)速度越快，鉆孔孔徑越小。對(duì)于煤層瓦斯抽采孔鉆進(jìn)來(lái)說(shuō)，可利用這種鉆進(jìn)特點(diǎn)，在鉆孔完成后通過(guò)增大流量或者降低鉆進(jìn)速度，進(jìn)行鉆擴(kuò)一體化施工，鉆孔直徑與噴射流量、鉆進(jìn)速度的對(duì)比如圖16 所示。

圖16 鉆孔直徑與噴射流量和鉆進(jìn)速度對(duì)比Fig.16 Comparison between borehole diameter,jet flow rate and drilling speed

4 結(jié)論

a.根據(jù)煤礦井下連續(xù)管鉆進(jìn)總體技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)連續(xù)管彈性彎曲半徑、不同彎曲比r0/Rb流體摩阻、不同管孔比rc連續(xù)管屈曲分析，得出了最佳連續(xù)管管柱。射流破與鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)表明，煤礦井下近水平連續(xù)管?chē)娚涠ㄏ蜚@進(jìn)方法是可行的。

b.在管孔比rc=0.454(即?31.75 mm 連續(xù)管、鉆孔直徑70 mm)時(shí)，在連續(xù)管與孔壁接觸應(yīng)力在發(fā)生正弦屈曲之后一直趨于穩(wěn)定；鉆進(jìn)時(shí)最大壓應(yīng)力呈近似線(xiàn)性變化。

c.實(shí)驗(yàn)表明，采用?34.5 mm/5×1.0 mm 噴 射鉆頭+1.25°彎管+?40 mm 液力換向器+?31.75 mm 連續(xù)管，配套流量200 L/min、壓力31.5 MPa 泥漿泵鉆進(jìn)時(shí)，增傾角平均造斜率為0.67(°)/6 m，減傾角平均造斜率為0.61(°)/6 m，增/減方位平均造斜率0.49(°)/6 m，在工具面向角一定的情況下造斜鉆進(jìn)趨勢(shì)穩(wěn)定。鉆孔直徑跟射流流量成正相關(guān)、與鉆進(jìn)速度負(fù)相關(guān)，通過(guò)控制射流流量和鉆進(jìn)速度可控制鉆孔直徑。

d.在煤相似材料、黃土層中分別進(jìn)行了破巖實(shí)驗(yàn)和定向鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了連續(xù)管旋轉(zhuǎn)射流鉆進(jìn)能力和鉆進(jìn)工藝的可行性，下一步計(jì)劃進(jìn)行實(shí)際煤層鉆進(jìn)工藝參數(shù)的研究。