牟培英，董萌萌，許翠華，莫海濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安710077)

近水平定向鉆進(jìn)瓦斯抽采技術(shù)是基于隨鉆測(cè)量技術(shù)發(fā)展的瓦斯抽采技術(shù)，因其具有抽采量大、衰減期長(zhǎng)、控制區(qū)域大等優(yōu)點(diǎn)，成為提高煤礦井下瓦斯抽采率的重要技術(shù)方法。然而鉆孔施工過(guò)程中，由于人為因素或自然因素可能導(dǎo)致孔內(nèi)事故，影響定向鉆進(jìn)效率，造成經(jīng)濟(jì)損失。

為高效地處理近水平定向鉆進(jìn)發(fā)生的鉆孔事故，促進(jìn)定向鉆進(jìn)瓦斯抽采技術(shù)的推廣，相關(guān)科研院所展開(kāi)了近水平定向鉆進(jìn)系統(tǒng)配套的打撈工藝的研究和打撈鉆具的研制，并取得了成效。

1 定向鉆進(jìn)打撈工藝分析

圖1 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)鉆具連接示意

煤礦井下定向鉆進(jìn)配套鉆具一般由通纜送水器、通纜鉆桿、測(cè)量探管、無(wú)磁鉆桿及螺桿鉆具等組成，如圖1所示。

根據(jù)定向鉆進(jìn)配套鉆具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借鑒石油鉆井經(jīng)驗(yàn)，研究確定適用于近水平定向鉆進(jìn)打撈的工藝主要有公錐、母錐和套銑打撈3種。

公、母錐打撈是較為常見(jiàn)的打撈工藝，它主要是打撈掉入鉆孔內(nèi)的鉆具，或先將孔內(nèi)鉆具從某處解扣，將解扣處至孔口段鉆具提出，再根據(jù)孔內(nèi)鉆具情況選用反絲公錐或反絲母錐進(jìn)行打撈，但是在近水平定向鉆進(jìn)過(guò)程中，由于配套鉆具自重作用和鉆孔軌跡存在彎曲，公、母錐打撈工藝方法現(xiàn)場(chǎng)施工有一定難度，對(duì)于機(jī)臺(tái)人員的操作技術(shù)要求較高。

采用套銑式工藝進(jìn)行打撈施工時(shí)，要求整套鉆具仍全部在鉆孔內(nèi)，不需要將未發(fā)生事故的鉆桿起鉆，而是將打撈鉆桿套在鉆桿外端，直接將打撈鉆桿下至孔內(nèi)事故處，利用打撈鉆頭將事故處的鉆屑等鉆出，以減少鉆屑對(duì)事故鉆桿的包覆力和摩擦力，使其轉(zhuǎn)動(dòng)后，或?qū)⑹鹿抒@桿起鉆，或使用事故鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn)，隨后將打撈鉆桿提鉆取出(如圖2所示)。但是套銑式打撈工藝不適于斷鉆事故處理。

圖2 撈鉆桿工作示意

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，套銑式打撈工藝對(duì)于煤礦井下近水平定向鉆孔施工中在較淺部位出現(xiàn)的塌孔引起的卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故處理可行性較強(qiáng)。

2 鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材

由套銑打撈工藝原理可知，套銑式打撈鉆桿的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:

(1)確保套銑環(huán)狀間隙。綜合考慮套銑工藝對(duì)沖洗液量的要求和套銑安全要求，合理設(shè)計(jì)套銑鉆桿內(nèi)徑與事故鉆桿外徑之間的環(huán)狀間隙;

(2)保證套銑鉆桿內(nèi)壁光滑，減小摩擦阻力，降低對(duì)事故鉆桿的磨損。

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足打撈工藝，套銑式打撈鉆桿設(shè)計(jì)為大通孔結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。母接頭和公接頭采用螺紋連接，且外徑較中間桿體外徑大。根據(jù)我院定向鉆進(jìn)系統(tǒng)配套的隨鉆測(cè)量鉆桿(事故鉆桿)、鉆頭(直徑96 mm)、鉆機(jī)能力(最大額定扭矩6000 N·m)等參數(shù)設(shè)計(jì)打撈鉆桿外形尺寸參數(shù)見(jiàn)表1，這些參數(shù)的選取可以在保證打撈鉆桿接頭強(qiáng)度的前提下，為套銑事故鉆桿提供更大的環(huán)狀間隙。

圖3 鉆桿主體結(jié)構(gòu)

表1 套銑鉆桿與事故鉆桿外形參數(shù) /mm

2.2 選材

在套銑過(guò)程中，鉆桿受到拉、壓、彎、扭等多種復(fù)合力的周期性作用，在鉆桿連接接頭部位容易發(fā)生疲勞失效，如變形、斷裂等情況，因此，鉆桿的選材主要是對(duì)鉆桿接頭的選材。

地質(zhì)鉆桿常用的機(jī)械性能較好的接頭材料有40Cr、42CrMo(如表2所示)。40Cr材料，鋼材價(jià)格適中，加工容易，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的強(qiáng)度和耐磨性。但是該材料韌性不足，鉆桿使用過(guò)程中，接頭容易出現(xiàn)粘扣等現(xiàn)象;42CrMo材料相對(duì)于材料40Cr，其強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小，更加適合鉆桿的使用工況，且價(jià)格也比較適中。

表2 兩種接頭材料機(jī)械性能對(duì)比

2.3 接頭螺紋設(shè)計(jì)

為了確保套銑鉆桿的整體連接強(qiáng)度，保證鉆桿連接時(shí)的密封性，并滿(mǎn)足鉆桿大通孔的使用要求，鉆桿接頭采用螺紋連接。同時(shí)，考慮到在公接頭根部的螺紋尖底產(chǎn)生應(yīng)力集中，反復(fù)擰卸會(huì)磨損螺紋，因此選擇合理的螺紋類(lèi)型和技術(shù)參數(shù)，對(duì)提高鉆桿螺紋連接強(qiáng)度十分重要。

鋸齒形螺紋兼有矩形螺紋傳動(dòng)效率高、梯形螺紋牙根強(qiáng)度高的特點(diǎn)，因此將鉆桿的螺紋設(shè)計(jì)為鋸齒形錐螺紋，并在有限的空間內(nèi)確定牙高取最大值，不僅增加了螺紋強(qiáng)度，更降低了鉆桿脫扣的危險(xiǎn)性。套銑鉆桿螺紋部分具體參數(shù)為:牙高2.5 mm，螺距8.467 mm，齒頂寬度3.414 mm，螺紋錐度1∶30，工作面的牙側(cè)角3°，非工作面的牙側(cè)角30°。同時(shí)對(duì)螺紋表面進(jìn)行一定的熱處理，以提高螺紋的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性，防止螺紋出現(xiàn)粘扣等現(xiàn)象。

2.4 螺紋強(qiáng)度分析

采用PRO/E三維造型軟件建立鉆桿接頭模型，然后利用CAD－CAE間的雙向參數(shù)傳輸接口直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench進(jìn)行螺紋強(qiáng)度分析。設(shè)定鉆桿接頭材料42CrMo的彈性模量E、泊松比μ、屈服強(qiáng)度為δs、切變模量G等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行四面體單元網(wǎng)格劃分，并在母接頭非螺紋端的端面施加固定約束，在公接頭非螺紋端的端面施加6000 N·m的扭矩進(jìn)行分析(如圖4、5所示)。

圖4 母接頭等效應(yīng)力場(chǎng)

圖5 公接頭等效應(yīng)力場(chǎng)

由圖4、5可知，母接頭最大等效應(yīng)力位于母接頭螺紋根部，值為472.8 MPa，且距離臺(tái)肩最近的螺紋應(yīng)力較大，應(yīng)力值在300～400 MPa之間，小于材料許用應(yīng)力;與母接頭類(lèi)似，公接頭最大等效應(yīng)力位于公接頭螺紋根部，值為590.7 MPa，距離臺(tái)肩最近的螺紋應(yīng)力值為350～500 MPa，小于材料許用應(yīng)力。可見(jiàn)，該套銑鉆桿接頭能夠滿(mǎn)足最大額定扭矩為6000 N·m鉆機(jī)的使用要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

套銑打撈鉆桿在陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)、晉城煤業(yè)集團(tuán)等公司下屬的多處礦區(qū)都取得了良好的應(yīng)用。本文以晉煤集團(tuán)成莊礦的事故打撈施工狀況為案例進(jìn)行闡述。

晉煤集團(tuán)成莊礦4311工作面位于成莊礦四盤(pán)區(qū)，定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)鉆孔深度500～600 m，終孔孔徑96 mm。在定向鉆孔施工過(guò)程中，由于煤層松軟，且具有一定破碎性，在施工6號(hào)鉆孔過(guò)程中，鉆進(jìn)至180 m時(shí)出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，操作人員隨即起拔鉆具并相繼提出2根鉆桿，當(dāng)鉆頭提至174 m時(shí)憋泵嚴(yán)重，沖洗液壓力達(dá)到8～10 MPa，鉆具起拔回轉(zhuǎn)不動(dòng)，孔口返水逐漸減少?，F(xiàn)場(chǎng)人員由此判定，孔內(nèi)發(fā)生卡鉆事故，并及時(shí)采取套銑打撈工藝方法實(shí)施打撈，現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

通過(guò)分析，發(fā)生卡鉆事故的孔段在156～162 m，卡鉆原因是由于該孔段煤層過(guò)于松散破碎，原鉆孔鉆進(jìn)時(shí)大量煤粉突然涌向鉆孔，導(dǎo)致鉆孔阻塞，鉆具被卡。套銑鉆進(jìn)至該孔段后將阻塞打通，順利打撈出原鉆具。提鉆后，套銑鉆桿未發(fā)現(xiàn)彎曲、異常磨損等現(xiàn)象，表明其整體性能完全能夠滿(mǎn)足煤礦井下定向鉆進(jìn)套銑打撈工藝施工的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

近水平定向鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生塌孔、卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故在所難免，成莊礦的應(yīng)用表明，采用套銑打撈工藝處理此類(lèi)孔內(nèi)事故的可行性較強(qiáng)，同時(shí)也驗(yàn)證了研制的配套打撈鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能滿(mǎn)足定向鉆進(jìn)配套鉆進(jìn)套銑打撈工藝的使用要求。

隨著煤礦井下隨鉆測(cè)量技術(shù)和定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)的不斷推廣和發(fā)展，還需進(jìn)一步研究定向鉆進(jìn)打撈工藝及配套鉆具。并且，打撈鉆具及配套打撈工藝需根據(jù)鉆孔事故的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，通過(guò)權(quán)衡各種打撈工藝所消耗的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)，可單獨(dú)使用也可考慮配合使用，為煤礦井下安全鉆采提供技術(shù)保障。

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