袁志堅(jiān)

(1．河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，河南鄭州450016;2．河南省煤田地質(zhì)局，河南鄭州450016)

1 研制背景

大直徑工程井是礦山企業(yè)為實(shí)現(xiàn)從井下向地面抽排瓦斯或由地面向井下輸冷(媒)降溫、送料堵水、輸?shù)獪缁鹨约敖⑺汀⒒仫L(fēng)系統(tǒng)等目的而建設(shè)的一種永久性工程通道，直徑一般在600～1500 mm之間，深度通常在1000 m以淺。因受鉆探機(jī)具性能等客觀條件限制，國(guó)內(nèi)大多數(shù)地勘單位采用“先導(dǎo)鉆進(jìn)+分級(jí)擴(kuò)孔”正循環(huán)鉆進(jìn)方法施工。由于環(huán)空面積大，泥漿上返流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足攜帶巖粉的需要，巖屑重復(fù)破碎嚴(yán)重，鉆進(jìn)效率低，孔內(nèi)事故隱患多。眾所周知，反循環(huán)鉆進(jìn)工藝是解決大直徑工程井施工排渣問(wèn)題最科學(xué)、合理的方法。目前國(guó)內(nèi)氣舉反循環(huán)鉆具有兩大系列，如:水井、地?zé)峋?、太?yáng)能井方面用的114～140 mm同心式氣舉反循環(huán)鉆具;特殊鉆(鑿)井用355.6～500 mm法蘭連接的并列式氣舉反循環(huán)鉆具。從兩大系列鉆具分析來(lái)看，前一類反循環(huán)鉆具扭矩強(qiáng)度低，不能完全滿足抗扭的需要(見(jiàn)下部計(jì)算分析);特殊鉆(鑿)井常用鉆具采用法蘭連接，法蘭的外徑尺寸較大，鉆具的內(nèi)通徑與環(huán)空間隙比例不合理，循環(huán)過(guò)程中環(huán)空泥漿流速較大，沖刷孔壁影響孔壁穩(wěn)定，而且法蘭連接耗時(shí)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合深孔施工。因此，迫切需要研制一套適合大直徑工程井施工的成套氣舉反循環(huán)鉆具。

2 大直徑工程井破巖扭矩計(jì)算

鉆進(jìn)破巖時(shí)需要機(jī)具提供扭矩，破巖扭矩的計(jì)算比較復(fù)雜，影響扭矩的因素比較多，目前尚沒(méi)有十分準(zhǔn)確的計(jì)算公式，我們選用了《鉆井施工手冊(cè)》中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Mp——破巖扭矩，kN·m;K——碎巖刀具旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，為實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)值，一般取0.1～0.3(小直徑或用舊刀具的鉆頭取較大值，反之取小值);P——鉆壓，kN;R——鉆孔換算半徑，m;R1——鉆頭破巖帶外半徑，m;R2——鉆頭破巖帶內(nèi)半徑，m。

由于鉆具旋轉(zhuǎn)尚需克服泥漿阻力等多種扭矩?fù)p失，實(shí)際所需扭矩應(yīng)比計(jì)算的破巖扭矩適當(dāng)加大，即:

式中:M——實(shí)際所需扭矩，kN·m;Mp——計(jì)算的破巖扭矩，kN·m;K0——系數(shù)，一般取1.2。

通過(guò)以上公式計(jì)算求得井眼直徑1500 mm，一次成孔破巖所需扭矩為81 kN·m。

3 大直徑氣舉反循環(huán)鉆具研制

鉆具的主要作用是傳遞扭矩、承受拉應(yīng)力及輸送介質(zhì)。氣舉反循環(huán)鉆柱包括:氣水龍頭、雙壁主動(dòng)鉆桿、雙壁鉆桿、氣水混合器;下接單壁鉆桿、鉆鋌(加重鉆具)、扶正器、反循環(huán)鉆頭。根據(jù)成套鉆具組合特點(diǎn)可以看出，單壁鉆具規(guī)格尺寸相對(duì)最小，鉆柱抗扭強(qiáng)度是薄弱環(huán)節(jié)，因此，確定單壁鉆具的尺寸規(guī)格，進(jìn)行抗扭和抗拉強(qiáng)度計(jì)算是整套鉆具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3．1 單壁鉆桿

單壁鉆桿是指加置在氣水混合器下面的單通道鉆桿。其在氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)中的主要作用是傳遞扭矩和輸送巖屑，并靠其逐漸加長(zhǎng)鉆具不斷延長(zhǎng)孔深。單壁鉆桿的抗扭強(qiáng)度決定著整套氣舉反循環(huán)鉆具所適應(yīng)的井徑范圍。因此，單壁鉆桿的匹配在整套鉆具研制中有著十分重要的地位。單壁鉆桿管體規(guī)格設(shè)計(jì)主要遵循以下原則:

(2)鉆桿規(guī)格可在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有API管材規(guī)格系列中選擇;

(3)單壁鉆桿內(nèi)徑與大直徑氣舉反循環(huán)鉆具通孔內(nèi)徑呈相近或相等關(guān)系。

根據(jù)上述原則和井眼直徑1500 mm一次成孔所需扭矩(81 kN·m)，參考API新鉆桿強(qiáng)度數(shù)據(jù)［2］見(jiàn)表1，從表1可以看出，127和139.7 mm鉆桿接頭抗扭強(qiáng)度低于管體強(qiáng)度，故單壁鉆桿抗扭強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)以接頭抗扭強(qiáng)度為基礎(chǔ)。而127和139.7 mm鉆桿接頭抗扭強(qiáng)度最小60.57 kN·m，最大118.19kN·m，顯然127和139.7 mm型號(hào)的鉆桿均不能滿足抗扭需要。因此，參照API管材規(guī)格系列，單壁鉆桿尺寸確定為168.3 mm。

表1 API新鉆桿強(qiáng)度數(shù)據(jù)

鉆桿尺寸確定后，結(jié)合大直徑工程鉆井時(shí)，因孔內(nèi)掉塊“憋車”、擴(kuò)孔“扒車”等實(shí)際工況，管體選用了API標(biāo)準(zhǔn)的S－135材質(zhì);接頭選用AISI 4140合金結(jié)構(gòu)鋼。反循環(huán)鉆進(jìn)鉆具內(nèi)徑非常關(guān)鍵，而鉆具內(nèi)徑最小部位是接頭的內(nèi)徑，在同等接頭外徑條件下，為了盡可能增大接頭內(nèi)徑，選擇了上海海隆HLST72雙臺(tái)肩超高抗扭螺紋。該螺紋錐度設(shè)計(jì)1/12，密封采用雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)，同時(shí)加大了螺距和螺紋牙底弧半徑，經(jīng)力學(xué)參數(shù)校核，HLST72接頭的抗扭屈服強(qiáng)度為180.1 kN·m，完全能夠滿足大直徑工程井鉆井(擴(kuò)孔)對(duì)抗扭的需求。單壁鉆桿技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 單壁鉆桿技術(shù)參數(shù)

3．2 雙壁鉆桿

雙壁鉆桿是由內(nèi)外管組成，具有2個(gè)流體通道的雙層鉆桿。雙壁鉆桿是氣舉反循環(huán)鉆具的核心組成部分。雙壁鉆桿管體規(guī)格設(shè)計(jì)主要遵循以下幾點(diǎn)要求:

(1)氣舉反循環(huán)成套鉆具采用內(nèi)平設(shè)計(jì)，單壁鉆桿內(nèi)徑147.6 mm是雙壁鉆具內(nèi)管內(nèi)徑設(shè)計(jì)的前提;

(2)鉆具管體應(yīng)盡可能選取國(guó)內(nèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)石油或地質(zhì)管材;

(3)雙壁鉆具內(nèi)外管的環(huán)空面積應(yīng)大于空壓機(jī)排風(fēng)管面積，小于內(nèi)管通徑面積;

(4)考慮內(nèi)外管連接方式、機(jī)加工以及擰卸等多方面因素，外管直徑不宜過(guò)大。

按照上述要求并參照單壁鉆桿設(shè)計(jì)思路，雙壁鉆桿基本尺寸及主要參數(shù)見(jiàn)表3。連接方式:外管采用HLST88螺紋;內(nèi)管采用插接式，通過(guò)O形圈密封。雙壁鉆桿總成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，外管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，內(nèi)管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

表3 雙壁鉆桿基本尺寸及主要參數(shù)

圖1 雙壁鉆具基本結(jié)構(gòu)

圖2 雙壁鉆桿外管基本結(jié)構(gòu)

圖3 雙壁鉆桿內(nèi)管基本結(jié)構(gòu)

3．3 雙壁主動(dòng)鉆桿

主動(dòng)鉆桿位于鉆柱的最上端，作用是傳遞扭矩并承受整個(gè)鉆柱的重力。氣舉反循環(huán)主動(dòng)鉆桿除應(yīng)具備的性能外，同時(shí)還具有輸送壓縮空氣的功能。為了滿足大直徑工程井氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)需求，雙壁主動(dòng)鉆桿結(jié)構(gòu)尺寸、材質(zhì)、強(qiáng)度校核依照雙壁鉆桿設(shè)計(jì);驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)成四方截面，為避免驅(qū)動(dòng)受力邊應(yīng)力集中，四方截面的棱角處設(shè)置倒角;上下接頭采用法蘭結(jié)構(gòu)，一端直接與氣舉反循環(huán)送水器連接，另一端通過(guò)短接頭過(guò)渡連接下部雙壁鉆具。雙壁主動(dòng)鉆桿基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。主要技術(shù)參數(shù)為:四方對(duì)邊寬度249 mm，最大對(duì)角距離353 mm，內(nèi)通徑148 mm，最大扭矩50 kN·m，最大負(fù)荷1500 kN，最大風(fēng)壓3 MPa。

3．4 氣舉反循環(huán)送水器

圖4 雙壁方鉆桿結(jié)構(gòu)圖

氣舉反循環(huán)送水器是實(shí)現(xiàn)氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)重要組成部分，主要作用是懸重鉆柱，實(shí)現(xiàn)單動(dòng)，具有輸送壓縮空氣和沖洗液上返的通道，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。氣舉反循環(huán)送水器見(jiàn)圖5，主要技術(shù)參數(shù)為:內(nèi)通徑148 mm，最高轉(zhuǎn)速150 r/min，最大負(fù)荷1500 kN，最大風(fēng)壓3 MPa。

圖5 氣舉反循環(huán)送水器

3．5 加重鉆具

大直徑工程井破巖面積較大，根據(jù)單位面積破巖推薦鉆壓(0.3～1.0 kN/mm)，鉆(擴(kuò))時(shí)需要較大的鉆壓。為了滿足破巖鉆壓需求，我們還研制了雙壁鉆鋌和鉆鋌，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 雙壁鉆鋌和鉆鋌主要技術(shù)參數(shù)

4 生產(chǎn)試驗(yàn)情況

為驗(yàn)證整套氣舉反循環(huán)配套鉆具的使用效果，生產(chǎn)試驗(yàn)分別交由河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)、三隊(duì)兩家生產(chǎn)單位，在平煤十礦、新密和成礦兩個(gè)不同礦區(qū)分別實(shí)施。

平煤神馬集團(tuán)十礦北翼瓦斯抽排井工程位于平頂山市十礦北翼采區(qū)三水平回風(fēng)井院內(nèi)，設(shè)計(jì)井深651.2 m。根據(jù)該地區(qū)地層特征及鉆孔穿過(guò)采空區(qū)等復(fù)雜條件，鉆孔按二級(jí)孔徑設(shè)計(jì):一開(kāi)終孔直徑1200 mm，穿過(guò)第四系卵石、流沙層、風(fēng)化基巖，見(jiàn)完整基巖下入1000 mm×14 mm螺旋管，二開(kāi)孔徑920 mm，至651.2 m處，下入711 mm×19 mm的無(wú)縫工作套管，水泥固井完井。

井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)表5。

表5 平煤十礦北翼采區(qū)瓦斯抽采井井身結(jié)構(gòu)

以試驗(yàn)井段206～258 m為例，氣舉反循環(huán)主要采用外徑444.5 mm PDC鉆頭，其鉆進(jìn)參數(shù)為:鉆壓16～56 kN，轉(zhuǎn)速 43～63 r/min，泥漿排量 16.6～38.8 L/s，環(huán)空灌入量保持環(huán)空灌滿。

氣舉反循環(huán)井內(nèi)上返巖屑情況見(jiàn)圖6，對(duì)比情況見(jiàn)圖7，正循環(huán)鉆進(jìn)與氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)排渣效果一目了然。

圖6 氣舉反循環(huán)井內(nèi)上返最大巖塊直徑達(dá)83.50 mm

現(xiàn)場(chǎng)收集到的平煤十礦瓦斯抽排井試驗(yàn)井段井深218～257 m鉆進(jìn)時(shí)效統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。

圖7 氣舉反循環(huán)(上)與正循環(huán)鉆進(jìn)(下)井內(nèi)上返巖屑對(duì)比

表6 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)效統(tǒng)計(jì)表(444.5 mm PDC鉆頭)

表6 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)效統(tǒng)計(jì)表(444.5 mm PDC鉆頭)

井段/m 用時(shí)/min 時(shí)效/m 井段/m 用時(shí)/min 時(shí)效/m 218～219 152 0.39 238～239 55 1.09 219～220 172 0.35 239～240 52 1.15 220～221 285 0.21 240～241 55 1.09 221～222 255 0.24 241～242 25 2.40 222～223 370 0.16 242～243 23 2.61 223～224 169 0.36 243～244 69 0.87 224～225 95 0.63 244～245 77 0.78 225～226 145 0.41 245～246 59 1.02 226～227 170 0.35 246～247 49 1.22 227～228 153 0.39 247～248 21 2.86 228～229 173 0.35 248～249 173 0.35 229～230 95 0.63 249～250 300 0.20 230～231 59 1.02 250～251 280 0.21 231～232 145 0.41 251～252 175 0.34 232～233 213 0.28 252～253 200 0.30 233～234 159 0.38 253～254 145 0.41 234～235 250 0.24 254～255 105 0.57 235～236 272 0.22 255～256 135 0.44 236～237 141 0.43 256～257 120 0.50 237～238 125 0.48 平均時(shí)效/m 0.68

和成煤礦地面瓦斯抽放鉆孔設(shè)計(jì)孔深475 m。其中0～100.00 m孔徑為1020 mm，0～100.00 m下入900 mm×16 mm的螺旋鋼管。100.00～475.00 m孔徑為760 mm，0～475.00 m下入640 mm×20 mm的無(wú)縫鋼管。

現(xiàn)場(chǎng)收集到新密和成煤礦瓦斯抽排井試驗(yàn)井段井深102.44～484.56 m，先導(dǎo)孔444.5 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)最高時(shí)效達(dá)1.61 m，平均時(shí)效0.55 m，平均每小時(shí)碎巖體積達(dá)0.0852 m3，純鉆作業(yè)時(shí)間占總時(shí)間的比重為74.4%。760 mm擴(kuò)孔最高時(shí)效達(dá)1.11 m，平均時(shí)效0.405 m，平均每小時(shí)碎巖體積達(dá)0.298 m3，純鉆作業(yè)時(shí)間占總時(shí)間的比重為70.6%。施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖8。

圖8 新密和成煤礦瓦斯抽排井氣舉反循環(huán)鉆井現(xiàn)場(chǎng)

在平煤十礦、新密和成煤礦的2個(gè)大直徑工程井項(xiàng)目進(jìn)行了該套大直徑氣舉反循環(huán)鉆具生產(chǎn)試驗(yàn)，完成試驗(yàn)進(jìn)尺1127 m，最大井深651.2 m，最大直徑1200 mm。實(shí)踐應(yīng)用表明，研制的雙壁鉆具其螺紋接頭具有強(qiáng)度高，密封性好，擰卸方便等特點(diǎn)。氣舉反循環(huán)氣水龍頭、雙壁方鉆桿及其他配套器具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，經(jīng)試驗(yàn)證明，該鉆具可滿足600～1500 mm的大直徑工程井氣舉反循環(huán)鉆井工藝需求，解決了傳統(tǒng)大直徑工程井施工技術(shù)難題。

5 結(jié)論和建議

大直徑氣舉反循環(huán)成套鉆具是在廣泛研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有氣舉反循環(huán)鉆具的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合大直徑工程井特點(diǎn)，以滿足鉆進(jìn)抗扭為前提，充分考慮輸送壓縮空氣通道，泥漿上返內(nèi)通道，泥漿補(bǔ)給環(huán)空間隙等綜合因素，以及鉆具連接便捷條件而研制的。全套鉆具抗扭及抗拉強(qiáng)度高，采用內(nèi)平設(shè)計(jì)和超高強(qiáng)度螺紋連接，在國(guó)內(nèi)螺紋聯(lián)接大口徑氣舉反循環(huán)雙壁鉆具方面具有一定的創(chuàng)新性。大口徑氣舉反循環(huán)成套鉆具的成功研制，解決了氣舉反循環(huán)工藝施工大直徑工程井急需配套的鉆具。為了進(jìn)一步提高鉆井效率，充分體現(xiàn)這一鉆具的優(yōu)勢(shì)，下一步還需配套完善一些輔助器具，并要不斷完善氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝技術(shù)，特別需要加快推進(jìn)大直徑工程井專用鉆機(jī)的配套研發(fā)。

［1］ 耿建國(guó)，等．大口徑氣舉反循環(huán)鉆具研制及應(yīng)用研究［R］．河南省煤田地質(zhì)局，2014．

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