煤礦井下水力反循環(huán)連續(xù)取芯用PDC鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高曉亮

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

作為獲得地質(zhì)信息的有效手段，巖心鉆探廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探施工中[1]。由于常規(guī)取芯鉆進(jìn)需要多次提下鉆，純鉆進(jìn)時(shí)間短，輔助時(shí)間長，施工效率低。繩索取芯依靠繩索提取巖心，縮短了提下鉆時(shí)間，但仍存在繩索提取巖心的輔助時(shí)間。為了免除取芯作業(yè)的耗時(shí)，20世紀(jì)50年代國外發(fā)展了水力反循環(huán)連續(xù)取芯技術(shù)，其采用水力輸送巖心，避免了取芯作業(yè)耗時(shí)，臺班效率較高。同時(shí)由于水流對巖心具有裹攜、隔離、懸浮作用，且?guī)r心進(jìn)入方向與水流方向一致，可大幅度提高巖心的采取率和完整性[2]。另外，反循環(huán)能夠及時(shí)清潔孔底，減少巖石的重復(fù)破碎，可大大提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命[3]。

我國在20世紀(jì)90年代開展了水力反循環(huán)連續(xù)取芯技術(shù)的研究[4，5]，多家科研單位完成了鉆探設(shè)備的配套與推廣，但是主要集中于地面金剛石鉆進(jìn)。趙爾信[6，7]等通過對反循環(huán)水力參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算確定鉆頭沖洗介質(zhì)分流比，并針對不同地層設(shè)計(jì)了鉆頭底唇面結(jié)構(gòu)。但是該鉆頭適用于垂直鉆孔金剛石高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。甘心[8]等對貫通式潛孔錘錘頭內(nèi)噴孔參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算及CFD仿真，并確定了最優(yōu)內(nèi)噴孔參數(shù)，但是對鉆頭其他結(jié)構(gòu)未進(jìn)行深入研究。梅安平[9]等對反循環(huán)連續(xù)取芯鉆頭的流體參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并計(jì)算了鉆鉆進(jìn)中所需最小泵量，為現(xiàn)場施工泵量的選擇提供了理論依據(jù)。但是其未對鉆頭整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

鑒于井下施工中受限于鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，多采用PDC鉆頭鉆進(jìn)，且鉆孔以近水平鉆孔為主，為提高煤礦井下水力反循環(huán)連續(xù)取芯鉆進(jìn)施工效率，筆者從水力反循環(huán)連續(xù)取芯原理出發(fā)，通過對鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化、巖心卡斷器設(shè)計(jì)以及PDC布齒優(yōu)化等方面進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了良好應(yīng)用效果。

1 水力反循環(huán)連續(xù)取芯技術(shù)原理

水力反循環(huán)連續(xù)取芯系統(tǒng)由反循環(huán)專用鉆頭、雙壁鉆桿、雙通道送水器、泥漿泵以及巖心收集箱組成。如圖1所示，水力反循環(huán)連續(xù)取芯鉆進(jìn)過程中，水泵通過雙通道送水器將沖洗液送入雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)狀間隙，通過鉆頭底噴水眼將一部分鉆井液分流至鉆頭唇面進(jìn)行冷卻鉆頭攜帶巖粉，另一部分鉆井液通過鉆頭內(nèi)管上的反噴水眼分流至雙壁鉆桿內(nèi)管從而將卡斷器卡斷的巖心及破碎的巖屑送出孔底，通過排心軟管進(jìn)入巖心收集箱。隨著鉆進(jìn)的不斷進(jìn)行和沖洗液的連續(xù)循環(huán)，鉆頭所產(chǎn)生的鉆屑和巖心也會不斷地被沖洗液攜帶至地表巖心收集箱，從而完成了水力反循環(huán)連續(xù)取芯的過程[10-12]。

圖1 水力反循環(huán)連續(xù)取芯原理

該鉆進(jìn)技術(shù)獲取巖心過程中無須停止鉆進(jìn)和提出孔內(nèi)鉆具，具有鉆進(jìn)效率高、鉆進(jìn)中連續(xù)取芯、純鉆時(shí)間長、可隨時(shí)觀察地層變化情況等優(yōu)點(diǎn)。但是由于采用了與常規(guī)鉆進(jìn)不同的反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，其對鉆頭結(jié)構(gòu)提出了新的要求，一方面要求鉆頭具有較高的鉆進(jìn)效率，這樣才能最大限度發(fā)揮水力反循環(huán)連續(xù)取芯的優(yōu)勢；另外，要求鉆頭具有卡斷機(jī)構(gòu)，使輸送的巖心不至于過長，避免水力無法輸送導(dǎo)致鉆桿堵塞；第三要求鉆頭水力參數(shù)合理，要有足夠的水冷卻鉆頭唇面，同時(shí)也要有足夠的水輸送巖心，同時(shí)需要在鉆頭上加工噴射水路，從而增大巖心輸送的水力?；谝陨弦?，進(jìn)行了水力反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反循環(huán)鉆頭和正循環(huán)鉆頭的不同點(diǎn)在于反循環(huán)鉆頭需改變沖洗液的流向，迫使沖洗液向鉆頭中心部分流動。由于采用雙壁鉆桿，反循環(huán)鉆頭的碎巖面積比普通鉆頭增大60%～70%。反循環(huán)鉆頭需設(shè)置巖心卡斷器，將進(jìn)入內(nèi)管的連續(xù)巖心卡斷?？〝嗥魃戏叫枰O(shè)置反向水眼，將部分循環(huán)介質(zhì)分流至雙壁鉆桿的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)巖心的水力運(yùn)移。其余部分循環(huán)介質(zhì)分流到鉆頭切削齒部位冷卻鉆頭，攜帶巖粉[3]。根據(jù)此要求設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，鉆頭主要由鉆頭體、切削齒、卡斷器以及帶有反噴水眼的插接內(nèi)管組成。鉆進(jìn)過程中，鉆頭外圓上的切削齒克取巖石進(jìn)行碎巖鉆進(jìn)，同時(shí)中心的巖石形成巖心進(jìn)入鉆頭中心孔，破碎的巖屑通過外側(cè)排渣通道進(jìn)入孔壁環(huán)空排出孔口，當(dāng)巖心長度到達(dá)卡斷器位置時(shí)，在鉆壓作用下，卡斷器斜面將巖心截?cái)?，巖心在水力作用下從鉆桿內(nèi)通道運(yùn)移至孔口。

圖2 反循環(huán)取芯鉆頭結(jié)構(gòu)

2.2 鉆頭水力參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 鉆頭水路參數(shù)確定

水力反循環(huán)連續(xù)取芯鉆頭的設(shè)計(jì)，一方面要考慮鉆頭冠部有足夠循環(huán)介質(zhì)充分冷卻鉆頭、攜帶巖粉，另一方面要求有足夠的循環(huán)介質(zhì)保證巖心運(yùn)移。兩部分的循環(huán)介質(zhì)應(yīng)合理分配，既保證巖心順利運(yùn)移，防止巖心卡堵；又保證及時(shí)冷卻排粉，防止鉆頭燒鉆。因此應(yīng)對底噴水眼、反噴水眼等進(jìn)行水力學(xué)設(shè)計(jì)。

研究表明，當(dāng)內(nèi)管鉆井液上返流速低于2.5 m/s時(shí)，沖洗液難以將巖心輸送出孔口，因此要求內(nèi)孔上返流速大于2.5 m/s。根據(jù)連續(xù)性方程，在沖洗液流量和泵壓一定時(shí)，分流的流量與過水面積成正比，即：

式中，Q1為反噴水眼上返沖洗液量，L/min；Q2為底噴水眼沖洗液量，L/min；S1為反噴水眼面積，m2；S2為底噴水眼面積，m2。

根據(jù)內(nèi)管直徑，保證內(nèi)管介質(zhì)流速2.5 m/s的情況下，內(nèi)管流量應(yīng)不小于180 L/min。假設(shè)采用的泵量為300 L/min，則底噴水路的流量為120 L/min，根據(jù)式(1)，需要的反噴水眼與底噴水眼的分流比為1.5∶1。通過計(jì)算，選擇4個(gè)?10 mm反噴水眼與4個(gè)?8 mm底噴水眼能夠滿足要求。

2.2.2 鉆頭直徑確定

為保證鉆頭鉆取的巖屑順利排出孔底，鉆頭規(guī)格的選取至關(guān)重要，相同泵量下，鉆孔直徑越大鉆井液上返流速越大，但是排粉空間越小，鉆頭直徑應(yīng)該再滿足最低上返流速的要求下盡量增大鉆孔直徑以增大排粉空間。

為滿足礦方取芯試驗(yàn)要求，巖心直徑為?38 mm，為保證巖心采取及水力循環(huán)，選用的雙壁鉆桿規(guī)格為?89 mm，內(nèi)管內(nèi)徑?42 mm。鉆桿與鉆孔環(huán)空返回的流量為120 L/min，則鉆井液上返流速：

v=Q/A

(2)

其中，v為鉆井液上返流速，m/s；Q為上返流量，m3/min；A為截面面積，m2。

鉆井實(shí)踐中常采用鉆渣上返速度達(dá)到必需值來確定泵量。因?yàn)殂@渣重度大于鉆井液，為滿足鉆渣上返流速要求，要求鉆井液上返流速[13]：

式中，v為鉆井液上返流速，m/s；v1為鉆渣相對于鉆井液下降速度，m/s；d1為球形顆粒的直徑，m；γ1為鉆渣顆粒重度，kN/m3；γ2為鉆井液重度，kN/m3；g為重力加速度，m2/s；c為顆粒形狀系數(shù)。

針對煤礦井下鉆進(jìn)，取顆粒直徑d1=5 mm，鉆渣和鉆井液重度分別取2.0×104N/m3和1×104N/m3，顆粒形狀按近似球形計(jì)算，取顆粒形狀系數(shù)c=0.5。則可計(jì)算出需要的鉆井液上返流速為0.40～0.47 m/s。進(jìn)而可計(jì)算出120 L/min流量下，最大鉆孔直徑為144 mm時(shí)能夠滿足鉆井液上返流速要求，綜合考慮鉆頭破巖面積，此次鉆頭直徑設(shè)計(jì)為113 mm，此時(shí)鉆井液上返流速為0.53 m/s，滿足排粉要求。

2.2.3 鉆頭流場模擬

鉆頭水路參數(shù)對反循環(huán)能否正常實(shí)施影響至關(guān)重要，為驗(yàn)證鉆頭水力參數(shù)的合理性，對設(shè)計(jì)的鉆頭流場進(jìn)行數(shù)值模擬。

因切削齒安裝具有一定角度，切削齒后靠背呈不規(guī)則圓弧形狀，為便于網(wǎng)格劃分及模擬計(jì)算，對鉆頭模型進(jìn)行簡化，去除切削齒及刀翼圓角。對鉆頭中心通道及鉆孔環(huán)空通道設(shè)定為環(huán)境壓力，即1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，入口通道設(shè)定為流量300 L/min，固壁邊界條件為壁面上滿足無滑移條件，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理，計(jì)算介質(zhì)選擇為清水[14]。以速度、壓力、出口流量為目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)果顯示中心管出流為189.5 L/min，環(huán)空出流為111.5 L/min，其中中心管流量略大于計(jì)算結(jié)果，這是因?yàn)榈讎娝鄄糠殖隽骺赏ㄟ^底部進(jìn)入中心管，進(jìn)而增大了中心管流量。取反噴水眼與底噴水眼所在平面上的速度分布如圖3所示，從圖3中可以看出水路從底噴水眼噴出后向外環(huán)空水道漫流，最后由環(huán)空向上流動攜帶巖粉。通過反噴水眼進(jìn)入中心管的流體大部分向上方流動以推動巖心上返，一部分向下流動與從底噴水眼返入中心管內(nèi)的流體匯合，在邊緣部位形成渦流，出現(xiàn)負(fù)壓，有利于巖心向孔口運(yùn)移。同時(shí)反噴水眼處上返速度最大，最大可達(dá)13.72 m/s，故將卡斷器設(shè)置在該位置，保證卡斷的巖心在最大水流速度下向孔口運(yùn)移。

圖3 鉆頭水眼中心截面速度分布

2.3 巖心卡斷器設(shè)計(jì)

卡斷器多為楔形或球形，其工作原理是鉆具鉆進(jìn)深入巖層過程中，巖心與地層不動，卡斷器在鉆壓FN作用下，隨著鉆頭深入巖層，巖心與卡斷器接觸，巖心受卡斷器斜面或球面?zhèn)认蚍至P的作用，F(xiàn)P可分解成軸向力Fx和徑向力Fy，巖心在徑向力作用下承受彎矩，從而在根部發(fā)生斷裂[15]。

兩種卡斷器受力分析如圖4所示，兩種卡斷器對巖心作用形式類似，但是斜面的卡斷器可以選擇不同的鑲焊角度調(diào)整對巖心的徑向力，因此此次選用斜面式卡斷器。

圖4 兩種卡斷器受力分析

根據(jù)圖示力的分解，可計(jì)算徑向力Fy與斜向力FP及鉆壓FN之間的關(guān)系，即：

FP=FNsinα

(4)

Fy=FPcosα

(5)

式中，α為卡斷器斜面與巖心中心線夾角。

由于巖心在徑向力作用下，受彎矩作用，能將巖心卡斷的條件下，其滿足：

式中，σmax為巖心最大拉應(yīng)力，MPa；M為巖心所受彎矩，N·m；W為抗彎截面模量；l為巖心長度，m；[σ]為巖心的最大許用拉應(yīng)力，MPa。

圓形截面的抗彎截面模量為：

式中，d為巖心直徑，mm。

根據(jù)以上公式，取鉆壓為80 kN，巖心長度l為80 mm，巖心極限抗拉強(qiáng)度[σ]為25 MPa，按礦方試驗(yàn)需求，取的巖心長度為80 mm，即l=80 mm，分別對20°、30°、45°截面進(jìn)行計(jì)算，可得需要的鉆壓分別為489、362、314 N，而80 kN鉆壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該數(shù)值，能夠卡斷巖心，為保證巖心順利通過鉆頭內(nèi)管，選用20°斜面卡斷器。

2.4 切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因反循環(huán)取芯鉆頭破碎延式面積較普通取芯鉆進(jìn)較大，為提高鉆頭鉆進(jìn)效率，增大單刀翼鉆頭切削壓力，水力反循環(huán)鉆頭采用四刀翼圓弧剖面切削結(jié)構(gòu)，圓弧剖面有利于增加巖石切削自由面，降低單齒碎巖面積，進(jìn)而提高鉆進(jìn)效率[16，17]。而刀翼數(shù)量增加有利于提高鉆頭保徑與孔壁的接觸面積，在旋轉(zhuǎn)速度和徑向力相等的條件下，延長鉆頭與孔壁的接觸時(shí)間，分散指向孔壁的切削力，減小鉆頭保徑與孔壁間的接觸應(yīng)力。

因擬鉆地層主要為砂巖、泥巖等煤系地層，硬度相對較小，綜合考慮鉆頭的機(jī)械鉆速、穩(wěn)定性和使用壽命，采用較小的切削齒后傾角以增大鉆頭攻擊性，后傾角從內(nèi)錐到外錐后傾角逐漸增大。按照鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)，利用三維制圖軟件進(jìn)行鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到鉆頭三維模型，如圖5所示。

圖5 反循環(huán)取芯鉆頭模型

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場概況

為探查采區(qū)地層地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，采用設(shè)計(jì)的水力反循環(huán)連續(xù)取芯PDC鉆頭在晉煤集團(tuán)寺河煤礦西三盤區(qū)13橫川W33013巷道進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用反循環(huán)取芯工藝，此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)鉆孔7個(gè)，鉆孔布置如圖6所示。從圖中可知鉆孔方位角與W33013巷道角度夾角為20°～80°不等。鉆孔直徑為113 mm，鉆孔設(shè)計(jì)深度150 m，鉆孔傾角0°～11°，穿越地層主要為泥巖、砂巖等。

圖6 鉆孔布置

選用鉆機(jī)為中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司生產(chǎn)的ZDY6500LP型履帶式鉆機(jī)，3NB320泥漿泵，鉆桿選用?89 mm雙壁鉆桿，鉆頭為?113/38反循環(huán)取芯鉆頭，鉆頭實(shí)物如圖7所示。

圖7 反循環(huán)取芯鉆頭實(shí)物

3.2 試驗(yàn)情況

施工中，除1號鉆孔因孔內(nèi)事故提前終孔外，其它均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如鉆遇構(gòu)造地層繼續(xù)鉆進(jìn)，具體施工情況見表1。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，此次施工累計(jì)進(jìn)尺1033.5 m，取芯段長616.5 m，取芯累計(jì)長度486.01 m，其中巖心長度280.43 m，煤心長度205.58 m，巖心取芯率72.7%，煤心取芯率89%，綜合取芯率為78.83%，單孔最高取芯率為90.68%，最大回次進(jìn)尺97.5 m，巖層中取芯平均鉆進(jìn)效率7.5～9 m/h，煤層中取芯平均鉆進(jìn)效率9～18 m/h。對巖心的參數(shù)進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，巖心長度超過50 mm的數(shù)量超過80%，巖心直徑37.5～39.5 mm，完整度高。由于煤層較為破碎，完整煤心較少，大部分呈塊狀、片狀以及碎屑狀，其中塊狀煤心長度在20～30 mm左右，直徑在36.5～38.5 mm之間。采取的部分巖心如圖8所示，可以看出鉆頭卡斷器能夠及時(shí)卡斷巖心，保證巖心順利返出。

表1 7個(gè)鉆孔取芯情況

圖8 采集的巖心

4 結(jié) 論

1)結(jié)合水力反循環(huán)連續(xù)取芯原理，通過對鉆頭總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力參數(shù)設(shè)計(jì)、巖心卡斷器設(shè)計(jì)以及切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面設(shè)計(jì)的反循環(huán)取芯鉆頭能夠滿足煤礦井下反循環(huán)連續(xù)取芯鉆進(jìn)要求。

2)現(xiàn)場試驗(yàn)證明，反循環(huán)連續(xù)取芯鉆頭水力參數(shù)合理，滿足巖心運(yùn)移及巖屑排出要求，卡斷器力學(xué)結(jié)構(gòu)能夠及時(shí)卡斷巖心。采用的弧角形刀翼式切削結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)效率高，巖層中平均鉆進(jìn)效率達(dá)到7.5～9 m/h，煤層中取芯平均鉆進(jìn)效率9～18 m/h。

3)本研究僅對鉆頭水力參數(shù)進(jìn)行了流體力學(xué)計(jì)算，并通過流場分析驗(yàn)證了鉆頭水力參數(shù)，未對鉆孔中巖心運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行深入研究，建議在后續(xù)研究過程中關(guān)注巖心運(yùn)移規(guī)律及其水力學(xué)機(jī)理。