松軟煤層近水平孔解卡機(jī)理研究

張 俞

（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）

目前，我國(guó)抽采瓦斯最普遍的方法是利用鉆孔對(duì)開采工作面煤層瓦斯提前預(yù)抽[1-3]。井下瓦斯抽采鉆孔的形式主要有水平定向鉆孔、常規(guī)穿層孔以及本煤層鉆孔[4-6]。然而我國(guó)松軟煤層遭受了地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致煤體原生裂隙被破壞，煤體變軟，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，透氣性減小[7-11]，且煤體強(qiáng)度比巖層小，井下鉆孔液柱壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地層壓力，孔內(nèi)支撐壓力非常小，另外受地應(yīng)力、煤層瓦斯含量和煤體強(qiáng)度等因素影響，松軟煤層瓦斯抽采孔鉆進(jìn)時(shí)極易變形甚至坍塌，造成卡鉆。此外，由于開采活動(dòng)引起的鉆孔周圍應(yīng)力的二次分布，會(huì)造成煤體位移形變，更易引起鉆孔坍塌[12-14]。隨著定向鉆孔在煤礦井下的大面積推廣，近水平定向長(zhǎng)鉆孔逐漸成為煤礦瓦斯治理的主要方式之一，長(zhǎng)距離定向鉆孔遭受塌孔的危害更容易發(fā)生卡鉆失效[15]。為了減少卡鉆事故的發(fā)生，需要對(duì)卡鉆的原因及解卡機(jī)理進(jìn)行分析，以指導(dǎo)鉆具的設(shè)計(jì)，減少鉆孔卡鉆事故發(fā)生的概率。

1 近水平孔孔卡鉆的形成過(guò)程

鉆孔坍塌和鉆渣排出不暢是煤礦井下進(jìn)水平孔卡鉆的主要原因。我國(guó)大部分地區(qū)煤層及其相近地層大多具有強(qiáng)度低、節(jié)理發(fā)育、連續(xù)性差、應(yīng)力復(fù)雜等特點(diǎn)，且煤層頂?shù)装迳踔撩簩又谐０橛袑永戆l(fā)育的泥頁(yè)巖層。鉆孔過(guò)程中應(yīng)力的重新分配以及鉆具的振動(dòng)，極易造成煤層塌孔和泥頁(yè)巖層以片狀脫落[16-18]。

卡鉆事故表現(xiàn)為排渣通道被堵死，排渣介質(zhì)無(wú)法循環(huán)而導(dǎo)致鉆具最終被完全抱死在孔內(nèi)，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)或起拔。根據(jù)煤礦井下鉆孔的施工情況，當(dāng)鉆孔發(fā)生塌孔時(shí)，鉆柱不會(huì)立刻被抱死，而是經(jīng)過(guò)塌落巖渣逐漸填實(shí)而導(dǎo)致塌落段巖渣與鉆柱的摩擦力逐漸增大，最終鉆柱被完全抱死的發(fā)展過(guò)程。按其卡鉆的程度分為3 個(gè)階段，鉆孔塌孔抱鉆過(guò)程示意圖如圖1。

圖1 鉆孔塌孔抱鉆過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole collapse and hold drilling process

2 卡鉆力學(xué)模型

為了有針對(duì)性的分析卡鉆的受力本質(zhì)，只選取受阻段的鉆柱和巖渣作為分析對(duì)象。

在受阻段，堆積的巖屑與巖屑之間會(huì)產(chǎn)生相互作用力，其大小受巖屑堆積的密實(shí)程度和巖屑本身的巖石力學(xué)性質(zhì)影響；巖屑與鉆具、孔壁之間會(huì)產(chǎn)生支撐力、摩擦力等。鉆柱受鉆機(jī)提供的拉力為F，力矩為M。并不考慮鉆柱和鉆孔彎曲的情況。

2.1 卡鉆階段1 受力

卡鉆階段1 受力示意圖如圖2。由于受阻段巖渣未被完全壓實(shí)，排渣循環(huán)氣體能夠部分循環(huán)的情況下，鉆柱所受阻力主要是由堆積巖渣和鉆柱本身重力而產(chǎn)生的摩擦力。

圖2 卡鉆階段1 受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress in holding stage I

不考慮鉆頭被受阻段卡住的情況，鉆柱所受摩擦力Ff為：

式中：μ 為巖屑與鉆桿外壁接觸面的摩擦系數(shù)，巖石和金屬之間的靜摩擦系數(shù)在無(wú)潤(rùn)滑條件下大約為0.3～0.4；m 為孔內(nèi)產(chǎn)生摩擦力的有效鉆桿質(zhì)量，kg；ms為阻塞段產(chǎn)生摩擦力的有效巖屑質(zhì)量，kg。

當(dāng)巖屑填滿塌孔段時(shí)，ms達(dá)到最大值，此時(shí)：

式中：ρs為巖屑密度，一般在1.2～3.8 g/cm3之間；L 為塌孔段長(zhǎng)度，m；D1為塌孔段當(dāng)量直徑，m；d為鉆桿直徑，m；e 為鉆桿在塌孔段的偏心距，m。

旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆柱所受摩擦力矩Mf為：

根據(jù)以上分析，在卡鉆階段1，鉆桿所受阻力主要來(lái)自鉆桿自重和堆積巖屑的重力產(chǎn)生的摩擦力，其值小于鉆機(jī)動(dòng)力，所以在這個(gè)階段鉆桿能夠來(lái)回拉動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。以ZYWL-6000 鉆機(jī)配套φ73 mm 鉆桿為例，假設(shè)塌孔孔徑為130 mm，塌孔段長(zhǎng)10 m，取完全填滿且偏心e=20 mm 時(shí)的重力值進(jìn)行計(jì)算，并假設(shè)此時(shí)施工孔深為600 m，取摩擦系數(shù)0.4，此時(shí)計(jì)算出極限為摩擦力為38 400 N，摩擦力矩為1 402 N·m。其值遠(yuǎn)小于鉆機(jī)的極限能力6 000 N·m。

2.2 卡鉆階段2 和卡鉆階段3 受力

卡鉆階段2、階段3 受力示意圖如圖3。受阻段被巖屑填滿，排渣氣體無(wú)法循環(huán)。此時(shí)，鉆柱所受阻力除了堆積巖渣和鉆柱本身重力產(chǎn)生的摩擦力以外，還受到巖屑內(nèi)部擠壓而產(chǎn)生的摩擦力。

圖3 卡鉆階段2、階段3 受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of stress in the second and the third stage of holding drill

鉆桿所受摩擦力Ff為：

式中：σ 為作用在剪切面上的法向應(yīng)力，kPa。

σ 是由于塌孔段巖石圍壓和孔壁反作用力綜合作用產(chǎn)生的巖屑內(nèi)部應(yīng)力，其大小受塌孔段巖屑的密實(shí)程度，并與坍塌段所受圍巖作用力的大小等相關(guān)。與塌孔階段1 相比，鉆柱所承受的巖屑內(nèi)部擠壓應(yīng)力所產(chǎn)生的摩擦力為主要作用力，與塌孔段長(zhǎng)度和σ 大小成正比，當(dāng)其達(dá)到一定程度后，使得阻力大于鉆機(jī)能力的極限時(shí)，鉆柱則被完全抱死。此時(shí)：

式中：Fmax為鉆機(jī)極限起拔力，N；Mmax為鉆機(jī)極限扭矩，N·m。

3 解卡機(jī)理

影響卡鉆程度的主要因素有：

1）堵塞段長(zhǎng)度。堵塞巖屑在環(huán)空當(dāng)中堆積時(shí)，鉆具與巖屑和井壁相互接觸并具有較大的相互擠壓力，使得接觸面獲得了較大的靜摩擦力。此靜摩擦力隨著堵塞段的增加而增大，解卡的阻力也隨之增大。

2）巖屑堆積的緊密程度。巖屑堆積越緊密，巖屑之間的作用力就越強(qiáng)，巖屑與環(huán)空井壁、鉆具的相互作用力就越強(qiáng)，解卡的阻力也隨之增大。

3）堵塞段堆積的巖屑自身性質(zhì)。堆積巖屑的巖石力學(xué)強(qiáng)度關(guān)系到解卡時(shí)巖屑受破壞的難易。而巖屑的表面性質(zhì)關(guān)系到巖屑與巖屑之間、巖屑與鉆具和孔壁之間的摩擦系數(shù)。巖屑表面越粗糙，摩擦系數(shù)越大，在相互作用力一定的情況下，摩擦系數(shù)越大使得最大靜摩擦力越大，那么巖屑與巖屑之間的相互滑動(dòng)、巖屑與環(huán)空鉆具、井壁之間的相互滑動(dòng)就越困難。因此巖屑的自身性質(zhì)也與卡鉆的嚴(yán)重程度有關(guān)。

這些影響因素中，孔壁的粗糙度和巖屑自身的性質(zhì)是客觀因素，解卡需要著重考慮巖屑堆積的密實(shí)度和堵塞段長(zhǎng)度2 個(gè)因素。密實(shí)程度決定了堵塞段巖屑的相互作用力，堵塞長(zhǎng)度則線性的增加了卡鉆摩擦力的大小?？ㄣ@的過(guò)程，實(shí)際上是巖屑從松散到被動(dòng)壓實(shí)的過(guò)程，巖屑的壓實(shí)程度決定了巖屑之間的相互作用力的大小，也就決定了鉆桿與巖屑之間的摩擦力大?。缓暧^上，超過(guò)一定的密實(shí)度，巖屑之間的相互作用使得堵塞段巖屑成為一個(gè)整體，依靠排渣介質(zhì)的壓力無(wú)法將堵塞段整體排開。所以，解卡的關(guān)鍵要素是要破壞巖屑間的相互作用。

首先，需要通過(guò)旋轉(zhuǎn)特殊結(jié)構(gòu)的鉆桿破壞巖屑之間的相互作用力。旋轉(zhuǎn)時(shí)，巖屑受鉆柱的作用呈受剪狀態(tài)，巖屑的抗剪強(qiáng)度體現(xiàn)巖屑之間抵抗剪切破壞的能力，當(dāng)巖屑受到載荷作用后，巖屑中各點(diǎn)將產(chǎn)生剪應(yīng)力，若某點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度，在剪切面兩側(cè)的堆積體將產(chǎn)生相對(duì)位移而發(fā)生活動(dòng)破壞抗剪強(qiáng)度：

式中：τf為抗剪強(qiáng)度，kPa；φ 為巖屑之間的內(nèi)摩擦角，（°）。

巖屑的內(nèi)摩擦角反映了巖屑的摩擦特性，一般認(rèn)為包含2 個(gè)部分：巖屑顆粒的表面摩擦力，顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。其大小和巖屑的形狀有關(guān)，如有棱角的巖屑要比圓粒的更多咬合，故其內(nèi)摩擦角大；其大小還和密實(shí)程度和級(jí)配有關(guān)，密實(shí)程度越高，級(jí)配越好，巖屑之間的接觸面積越大，內(nèi)摩擦角就越大。

其次，依靠特殊結(jié)構(gòu)鉆桿的旋轉(zhuǎn)對(duì)堵塞段靠近鉆桿外壁的巖屑進(jìn)行局部輸送，降低堵塞段的壓實(shí)程度（降低內(nèi)摩擦角φ），使得巖屑間的作用力得到主動(dòng)釋放（表現(xiàn)為壓應(yīng)力σ 減小和抗剪強(qiáng)度τf的降低），使得巖屑從被動(dòng)壓實(shí)的狀態(tài)變?yōu)槠溟g相互作用力的釋放而形成松散態(tài)，從而降低抱緊力。進(jìn)而依靠鉆桿的持續(xù)自轉(zhuǎn)和偏心公轉(zhuǎn)形成排渣通道，配合排渣介質(zhì)的循環(huán)搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)完全解卡。

4 鉆桿設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)受阻段的解卡，鉆桿采用帶刃口的L型螺旋槽結(jié)構(gòu)，L 型螺旋槽鉆桿解卡示意圖如圖4。

圖4 L 型螺旋槽鉆桿解卡示意圖Fig.4 Schematic diagram of releasing stuck L-shaped spiral groove drill pipe

L 型螺旋槽鉆桿解卡原理：一方面，鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)可以有效降低巖屑沉積；另一方面，刃口的犁削作用會(huì)破壞巖屑之間的相互作用力，使得切削范圍內(nèi)的巖屑與外部巖屑分離；同時(shí)，螺旋槽平面端會(huì)引導(dǎo)巖屑進(jìn)入槽內(nèi)，在側(cè)壓力作用下，巖屑緊貼螺旋槽壁被螺旋輸送。持續(xù)的旋轉(zhuǎn)可以使得巖屑逐漸從被動(dòng)壓實(shí)的狀態(tài)變?yōu)樗缮B(tài)，從而降低巖屑對(duì)鉆桿的抱緊力，最終可以實(shí)現(xiàn)堵塞段的疏通而實(shí)現(xiàn)解卡。

5 排渣性能試驗(yàn)

排渣性能試驗(yàn)方案圖如圖5。

圖5 排渣性能試驗(yàn)方案圖Fig.5 Slag discharge performance test scheme diagram

試驗(yàn)采用鋼管內(nèi)壁模擬鉆孔孔壁，鋼管內(nèi)孔直徑為φ94 mm，鋼管連接長(zhǎng)度為30 m。進(jìn)水口連接泥漿泵出口管路。試驗(yàn)時(shí)，先在進(jìn)渣口加滿煤屑（以模擬孔內(nèi)充滿煤屑的狀態(tài)），鉆機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，泥漿泵驅(qū)動(dòng)一定流量的水從鉆桿與鋼管之間的環(huán)狀間隙往外流出作為排渣介質(zhì)，同時(shí)以一定的速度從進(jìn)渣口添加煤屑。通過(guò)觀測(cè)煤屑排出量來(lái)判斷不同類型鉆桿的排渣性能優(yōu)劣。

試驗(yàn)參數(shù)：①泥漿泵排出流量150 L/min；②鉆桿轉(zhuǎn)速90 r/min；③添加煤屑總質(zhì)量20 kg；④試驗(yàn)時(shí)間6 min。試驗(yàn)鉆桿種類：①φ73 mm U 型螺旋槽鉆桿；②φ73 mm 三棱鉆桿；③φ73 mm L 型螺旋槽鉆桿。排渣試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 排渣試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Slag discharge test results

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，同等工況下，L 型螺旋槽鉆桿排出的煤屑量較U 型螺旋槽鉆桿和三棱鉆桿多2 kg 以上，表明U 型螺旋槽鉆桿和三棱鉆桿在孔內(nèi)沉積的煤屑較L 型螺旋槽鉆桿多，排渣性能為L(zhǎng) 型螺旋槽鉆桿最優(yōu)。

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2021 年6 月在首山一礦己15-17-12120 機(jī)巷抽放巷進(jìn)行了φ73 mm L 型螺旋槽鉆桿與常規(guī)U 型槽螺旋鉆桿的對(duì)比鉆孔試驗(yàn)，成孔直徑為φ94 mm，鉆孔累計(jì)進(jìn)尺為5 378 m，已統(tǒng)計(jì)到的解卡次數(shù)為50 次，具有良好的排渣和解卡功能。其中：旋槽鉆桿卡鉆易發(fā)生在煤巖交接的位置，試驗(yàn)中共鉆孔深度為250 m，共發(fā)生卡鉆事故11 次，發(fā)生卡鉆后，最大解卡旋轉(zhuǎn)壓力為16 MPa；型槽螺旋鉆桿共鉆孔250 m，發(fā)生卡鉆事故為16 次，最大解卡壓力為19 MPa。

L 型螺旋槽鉆桿鉆孔時(shí)旋轉(zhuǎn)壓力隨孔深變化的曲線如圖6，U 型槽螺旋鉆桿鉆孔時(shí)旋轉(zhuǎn)壓力變化曲線如圖7。

圖6 L 型螺旋槽鉆桿鉆進(jìn)時(shí)旋轉(zhuǎn)壓力變化圖Fig.6 Rotary pressure variation diagrams of L-shaped spiral groove drill pipe during drilling

圖7 U 型螺旋槽鉆桿鉆進(jìn)時(shí)旋轉(zhuǎn)壓力變化圖Fig.7 Rotary pressure variation diagram of U-shaped spiral groove drill pipe during drilling

由圖6 和圖7 可知：在相同地層和相同鉆孔參數(shù)，L 型螺旋槽鉆桿發(fā)生卡鉆為11 次，而U 型槽鉆桿發(fā)生卡鉆事為16 次，L 型螺旋槽鉆桿相比U 型槽鉆桿排渣更有效，更有利于應(yīng)對(duì)巖屑突然增多的特殊情況。L 型螺旋槽鉆桿的解卡最大壓力為16 MPa，U 型槽鉆桿最大解卡壓力為19 MPa，因此，在發(fā)生塌孔后，L 型螺旋槽鉆桿的解卡能力優(yōu)于U 型槽鉆桿。

7 結(jié) 語(yǔ)

煤礦井下瓦斯治理過(guò)程中，近水平長(zhǎng)鉆孔的應(yīng)用越來(lái)越多，而煤巖交界地層往往比較破碎，易塌孔，易造成卡鉆事故。所以相應(yīng)鉆桿的結(jié)構(gòu)必須具備攪動(dòng)破壞孔內(nèi)積聚巖屑相互作用力和高效排渣的能力，從而減少和避免卡鉆事故的發(fā)生。L 型螺旋槽鉆桿的設(shè)計(jì)遵循了解卡機(jī)理對(duì)鉆桿排渣結(jié)構(gòu)的要求，對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中的防卡和解卡有較大的作用。