趙江鵬，王四一，張 晶，劉 祺

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

0 引言

頂驅(qū)車載鉆機(jī)的主機(jī)、操控系統(tǒng)、動(dòng)力泵站和冷卻系統(tǒng)集成于車載底盤(pán)上，具有事故響應(yīng)速度快、施工占地面積小等突出優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，在礦山地面應(yīng)急救援孔、煤層氣井、水井施工中得到較為廣泛的應(yīng)用。

空氣潛孔錘鉆進(jìn)具有高效的鉆進(jìn)速度，為礦山地面應(yīng)急救援孔、煤層氣井和水井等施工中重點(diǎn)考慮的工藝方法。在空氣潛孔錘鉆進(jìn)過(guò)程中，壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)攜帶孔底隨鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的大量巖屑、粉塵(鉆遇地層水時(shí)，固液兩相混合成糊狀物)經(jīng)鉆桿柱與孔壁間的環(huán)狀間隙高速上返至孔口，如果任其自由噴出，則會(huì)嚴(yán)重污染鉆場(chǎng)環(huán)境，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員身體健康構(gòu)成威脅，同時(shí)給施工作業(yè)帶來(lái)不利影響?？卓诜绹娧b置是實(shí)現(xiàn)孔口密封凈化并將返出的粉塵或水泥漿導(dǎo)向遠(yuǎn)離孔口方向的關(guān)鍵裝置。

1 空氣鉆進(jìn)用低壓防噴裝置

目前，國(guó)內(nèi)空氣鉆進(jìn)時(shí)，由于所選用鉆機(jī)類型的差異性，孔口防噴裝置結(jié)構(gòu)存在較大的差別，對(duì)其稱呼也不統(tǒng)一。采用小型立軸式鉆機(jī)在淺孔進(jìn)行空氣鉆進(jìn)時(shí)，通常是由箍套在鉆柱上的橡膠密封和柔韌性護(hù)罩來(lái)阻止環(huán)空巖屑沖向鉆臺(tái)［1－2］;史兵言等(2009)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式孔口密封導(dǎo)流裝置密封部分可隨鉆桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)以減少對(duì)橡膠密封件的磨損，該裝置設(shè)計(jì)用于密封六方主動(dòng)鉆桿［3］;范黎明等(2011)研制的隔板式和流線型2種空氣潛孔錘用孔口密封裝置設(shè)置了雙層橡膠密封，設(shè)計(jì)用于密封89 mm外平式鉆桿［4］。上述裝置其密封件補(bǔ)償量小，對(duì)于外徑變化大的斜坡鉆桿則密封性較差。魏曉東等(2010)研制的用于煤層氣欠平衡鉆井專用的低壓旋轉(zhuǎn)控制頭，主要由旋轉(zhuǎn)控制頭本體和潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)組成，密封件采用錐形膠芯，設(shè)計(jì)用于88.9 mm斜坡鉆桿，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，錐形膠芯平均壽命達(dá) 80 h［5－8］;石油鉆井采用的孔口旋轉(zhuǎn)防噴器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓力級(jí)別高，整體高度大、質(zhì)量大，不易搬遷運(yùn)輸［8］。

2 頂驅(qū)車載鉆機(jī)空氣潛孔錘鉆進(jìn)用低壓防噴裝置設(shè)計(jì)

ZMK5530TZJ60型鉆機(jī)為一款全液壓動(dòng)力頭車載鉆機(jī)，針對(duì)該鉆機(jī)空氣潛孔鉆進(jìn)用低壓防噴裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮其孔口工作臺(tái)結(jié)構(gòu)、空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝、所配套127 mm斜坡鉆桿外形特征以及裝卸操作環(huán)境條件等多方面因素。

2．1 密封件的選型

錐形膠芯材料為丁腈橡膠和氯丁橡膠，都屬于一種超彈性材料，具有一定的流動(dòng)性，受力后變形大，能充填并阻塞介質(zhì)泄漏的通道，并與密封面形成接觸壓力實(shí)現(xiàn)密封。錐形膠芯利用橡膠這種顯著特性，通過(guò)變形區(qū)的擠壓和回彈密封不同直徑的鉆桿［9］。圖1為錐形膠芯結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物外觀圖，其變形區(qū)內(nèi)徑尺寸105 mm。

2．2 密封形式的確定

目前，防噴裝置設(shè)計(jì)有2種思路，一種是密封件固定于外殼上，鉆進(jìn)時(shí)密封件不會(huì)隨著鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)［1－2，4］;另一種是鉆進(jìn)時(shí)密封件隨鉆桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，以減少兩者之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦損傷［3，5］。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，后者增加了旋轉(zhuǎn)總成和軸承潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中獲得了較好的效果，然而密封件與鉆桿相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，還需進(jìn)一步改進(jìn)［7－8］。

空氣潛孔錘鉆進(jìn)方法是以高頻沖擊和慢回轉(zhuǎn)方式碎巖，其回轉(zhuǎn)速度與機(jī)械鉆速有關(guān)，回轉(zhuǎn)速度確定推薦的經(jīng)驗(yàn)公式為:1.6×機(jī)械鉆速(m/h)，與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法相比，其回轉(zhuǎn)速度較低，因此，該防噴裝置可不設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)總成，即在空氣潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿與錐形膠芯變形區(qū)內(nèi)表面直接產(chǎn)生回轉(zhuǎn)摩擦和軸向摩擦，由于錐形膠芯具有較大的補(bǔ)償功能，可確保可靠的密封性和較長(zhǎng)的使用壽命。

2．3 防噴裝置總高度和徑向最大尺寸的確定

ZMK5530TZJ60型鉆機(jī)的工作臺(tái)高度一般將高度調(diào)至1.5 m左右，安放補(bǔ)心后，補(bǔ)心底端面距地面高度1.2 m，因此，防噴裝置總高度受到此限制，且要考慮上、下端部法蘭安裝擰卸的操作空間。

防噴裝置質(zhì)量較大，需借助鉆機(jī)絞車起吊從工作臺(tái)孔口通過(guò)來(lái)安裝。ZMK5530TZJ60型鉆機(jī)工作臺(tái)孔口可通過(guò)最大直徑為711 mm鉆具，通過(guò)油缸打開(kāi)前推和后推板，亦可通過(guò)局部寬度≯820 mm的裝置。因此，防噴裝置徑向結(jié)構(gòu)尺寸需考慮該工作臺(tái)孔口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2．4 導(dǎo)流口的設(shè)計(jì)

防噴裝置通過(guò)膠芯的彈性變形密封鉆桿以迫使孔內(nèi)上返壓縮空氣和攜帶的巖屑(巖粉)從側(cè)部導(dǎo)流口流出，確?？卓诤退俱@臺(tái)的干凈、安全。通過(guò)計(jì)算和對(duì)比上返流體通道截面積與導(dǎo)流口截面積，為使兩者面積較為接近，設(shè)置了2個(gè)導(dǎo)流口，當(dāng)壓氣量大時(shí)，兩導(dǎo)流口都接上管道排渣，以減小防噴裝置密封膠芯根部壓力;當(dāng)壓出氣量較小時(shí)，可只接入一側(cè)導(dǎo)流口排渣。

3 防噴裝置的結(jié)構(gòu)及其基本技術(shù)參數(shù)

防噴裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由錐形膠芯、上部管體、下部管體、快接夾等組成，法蘭與法蘭連接處用石棉墊密封。其實(shí)物照片見(jiàn)圖3，其主要技術(shù)參數(shù)為:總高度735 mm，總質(zhì)量452 kg，額定轉(zhuǎn)速40 r/min，設(shè)計(jì)密封壓力1.6 MPa，上部管體通徑406 mm，下部管體通徑331 mm，排渣口連接法蘭外徑345 mm，底部連接法蘭外徑520 mm，膠芯適合鉆桿規(guī)格127 mm，過(guò)最大鉆頭規(guī)格311.14 mm。

圖2 防噴裝置結(jié)構(gòu)示意

圖3 防噴裝置實(shí)物照片

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用ZMK5530TZJ60型車載鉆機(jī)施工完成的一口煤層氣水平對(duì)接井，在直井巖石段的空氣潛孔錘鉆進(jìn)過(guò)程中，對(duì)該防噴裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

4．1 鉆孔概況與鉆進(jìn)工藝

在一開(kāi)0～49.2 m土層段，采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)完成后，下入351 mm×10 mm無(wú)縫鋼管;在二開(kāi)49.2～306.69 m巖石孔段，采用311 mm空氣潛孔錘鉆進(jìn)。圖4為防噴裝置在孔口的安裝與連接圖，表1為311 mm空氣潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)，表2為鉆速統(tǒng)計(jì)。

圖4 防噴裝置的安裝與連接

4．2 防噴裝置使用效果

在干空氣鉆進(jìn)時(shí)，孔口無(wú)巖粉灰塵彌散，環(huán)境良好，粉塵全部導(dǎo)向遠(yuǎn)離孔口處開(kāi)始彌漫，見(jiàn)圖5所示現(xiàn)場(chǎng)照片;在孔內(nèi)出水后，孔口無(wú)泥漿噴出和滲漏;提鉆后，檢查錐形膠芯主密封面磨損較小、劃痕較少。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該裝置起到了孔口防噴、密封和導(dǎo)流的作用，錐形膠芯補(bǔ)償量大、壽命較長(zhǎng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。該裝置完全滿足了ZMK5530TZJ60型鉆機(jī)空氣潛孔錘鉆進(jìn)的需要。

5 結(jié)語(yǔ)

由于不同類型鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)差異，其空氣鉆進(jìn)用防噴裝置也具有不同的特征，最主要體現(xiàn)于密封件和密封形式的選取上。針對(duì)ZMK5530TZJ60型頂驅(qū)車載鉆機(jī)特點(diǎn)，研制了一款用于空氣潛孔錘鉆進(jìn)的低壓防噴裝置。

表1 311 mm空氣潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)

表1 311 mm空氣潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)

孔段/m 鉆進(jìn)工藝 供風(fēng)量/(m3·min－1)供氣壓力/MPa注水量/(L·min－1)注水壓力/MPa鉆壓/kN動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速/(r·min －1)49.2～65.53 干空氣鉆進(jìn)65.53～117.73 分段注水除塵鉆進(jìn)117.73～163.69 純空氣鉆進(jìn)，注泡沫排渣163.69～306.69 純空氣鉆進(jìn)60～70 20～30 25～36鉆進(jìn)時(shí):60～70;排渣時(shí):80～90 1.6 — —1.7～1.9 30 1.8鉆進(jìn)時(shí):1.9;注泡沫時(shí):2.1 38 2鉆進(jìn)時(shí):1.9;排渣時(shí):1.4 — —

表2 空氣潛孔錘鉆進(jìn)鉆速統(tǒng)計(jì)

圖5 干空氣鉆進(jìn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)照片

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該防噴裝置在干空氣鉆進(jìn)時(shí)明顯改善了孔口操作環(huán)境，滿足空氣潛孔錘鉆進(jìn)孔口密封、防噴、導(dǎo)流的需要，防噴器錐形膠芯補(bǔ)償量大、壽命較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝方便和經(jīng)濟(jì)實(shí)用，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

［1］ 李強(qiáng)(譯)．空氣鉆進(jìn)用的孔口裝置［J］．國(guó)外地質(zhì)勘探技術(shù)，1987，(2):14 －15．

［2］ 鄺光升，陳紹清，陸文鳳．潛孔錘鉆進(jìn)孔口鋪塵裝置的研究與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(S1):74 －75．

［3］ 史兵言，許劉萬(wàn)，李洪，等．旋轉(zhuǎn)式孔口密封導(dǎo)流裝置:中國(guó)，200920218257．9［P］．2009 －10 －16．

［4］ 范黎明，殷琨，張曉光，等．潛孔錘鉆進(jìn)孔口密封器流場(chǎng)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2011，4(2):511－517．

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［6］ 袁光杰，魏曉東，王國(guó)榮，等．低壓小型旋轉(zhuǎn)控制頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械．2011，40(6):66 －69．

［7］ 王國(guó)榮，雷中清，成兵，等．煤層氣欠平衡鉆井專用旋轉(zhuǎn)控制頭在鄭試平4H井的應(yīng)用［J］．石油鉆采工藝，2011，33(3):87－90．

［8］ 魏曉東，劉清友，王國(guó)榮，等．煤層氣欠平衡鉆井旋轉(zhuǎn)控制頭膠芯密封特性分析［J］．石油鉆采工藝，2012，34(4):111 －113．

［9］ 余長(zhǎng)柏，費(fèi)根生，王海峽，等．高壓大通徑旋轉(zhuǎn)防噴器膠芯有限元仿真研究［J］．江漢石油科技，2012，，22(2):54－57．