張 杰

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著我國煤炭開采技術(shù)的不斷提升，煤礦井下定向鉆進技術(shù)已廣泛應(yīng)用到煤礦安全和地質(zhì)勘探領(lǐng)域，如煤層氣抽采鉆孔、頂?shù)装逄椒潘@孔、精準地質(zhì)勘探鉆孔等應(yīng)用越來越廣泛。隨著煤層開采深度增加，我國部分煤礦逐漸進入千米深井開采[1]，尤其是中東部煤礦區(qū)地質(zhì)條件復雜，煤礦安全生產(chǎn)對各類鉆孔的成孔性提出了更高要求。在煤礦瓦斯抽放鉆孔施工中，采用定向鉆進技術(shù)在煤層頂(底)板巖層施工中常遇見破碎帶塌孔卡鉆，致使鉆孔布置方式適用條件比較苛刻，即使可施工地層也需在鉆孔設(shè)計時使鉆孔軌跡避讓復雜巖層，從而鉆進層位不是最佳層位致使抽采效果不理想，地層因素的限制，嚴重影響了定向鉆進技術(shù)與裝備的應(yīng)用[2-3]。

目前常采用注漿護孔、下套管護孔和擴孔護孔3種方法提高定向鉆孔穿過破碎帶地層成功率。文獻[4-5]進行了注漿護孔技術(shù)試驗，將定壓力的漿液或者固化劑注入到鉆孔中，利用其自身壓力滲透到鉆孔周圍裂縫中，人為提高了鉆孔圍壓力學強度，然而常因漿液無法有效填充到破碎帶中而造成破碎帶膠結(jié)差，致使注漿護孔效果不佳。中煤科工集團西安研究院有限公司研發(fā)了下套管工藝及配套裝備，其中一種形式為鉆頭從孔口鉆到終孔后先不提鉆，先通過鉆桿內(nèi)孔送入護孔篩管，然后起鉆，護孔篩管穿過內(nèi)心可打開的鉆頭而留在孔內(nèi)，該技術(shù)在淮北、淮南、晉城等礦區(qū)進行了現(xiàn)場試驗[6-7]，但該技術(shù)只能用于坍塌不嚴重地層且孔深小于100 m的孔口段，下套管工藝復雜成本高適應(yīng)性差。文獻[8-9]提出了扭力沖擊旋轉(zhuǎn)擴孔技術(shù)與反向回拉擴孔技術(shù)，主要采用機械擴孔技術(shù)提高鉆具與孔壁環(huán)隙孔徑，進而提高鉆渣排出效率，該技術(shù)在塌孔不嚴重破碎帶地層比較好，但在塌孔嚴重的復雜破碎帶地層中機械擴孔半徑有限，無法有效地將破碎帶中浮渣掃出孔外。鉆孔穿過破碎帶施工中常出現(xiàn)邊鉆進破碎帶持續(xù)坍塌大塊浮渣，大塊浮渣無法通過穩(wěn)定巖層孔段與鉆桿環(huán)隙空間，阻塞到破碎帶與穩(wěn)定孔段邊界處，造成返水逐步減少、孔底鉆渣無法隨返水排出，逐漸堆積在破碎帶與穩(wěn)定孔段邊界處形成沉渣卡鉆，最后蹩泵、回轉(zhuǎn)壓力激增，若不及時提鉆處理易造成鉆具卡死[10-11]。

因此要解決鉆孔破碎帶塌孔卡鉆難題，關(guān)鍵在于尋找將破碎帶大塊浮渣排出孔外并保障排渣通道暢通的方法。筆者開展破碎帶水力復合擴孔技術(shù)研究，探索解決復雜地質(zhì)條件下鉆孔穿過破碎帶時鉆進困難、埋鉆與卡鉆問題的技術(shù)途徑。

1 水力復合擴孔技術(shù)原理

為實現(xiàn)將破碎帶大塊浮渣排出孔外且保障排渣通道暢通，首先需采用導向擴孔鉆具機械擴孔將大塊鉆渣排出孔外，解決穩(wěn)定巖層孔段排渣環(huán)隙通道不足難題；然后用高壓水力射流沖碎浮渣擴大空間，解決將破碎帶中大塊浮渣破碎沖出孔外的難題，即采用導向擴孔鉆具機械擴孔與射流短節(jié)徑向射流水力擴孔結(jié)合的復合擴孔技術(shù)，實現(xiàn)鉆孔破碎帶水力復合擴孔，如圖1所示，具體技術(shù)原理如下。

圖1 水射流擴孔鉆具結(jié)構(gòu)示意

1)機械擴孔階段。首次導向擴孔鉆頭體機械擴孔至破碎帶處，提高鉆桿與穩(wěn)定巖層鉆孔間環(huán)隙截面積，提高大塊鉆渣的通過性，保障排渣通道暢通，由于鉆頭體水眼直徑遠大于碰嘴孔徑，大部分水流通過水眼入鉆頭體底卸壓，射流碰嘴短節(jié)不工作。

2)射流短節(jié)徑向射流水力擴孔階段。將投球投入鉆頭體內(nèi)，封堵鉆頭體水眼，沖洗液被迫從徑向噴嘴噴出高壓水射流，將破碎帶中大塊浮渣沖碎，在高壓水射流對破碎帶的持續(xù)破壞與攜帶作用下，破碎帶浮渣被沖出孔外，實現(xiàn)水力擴孔，增大了排渣通道[12]。

由于水力擴孔已將破碎帶孔段上方不穩(wěn)定浮渣沖刷排出孔外，裸露較穩(wěn)定頂部，有效保障后續(xù)孔段定向鉆施工排渣通道暢通，提高定向鉆穿過破碎帶的能力，降低埋鉆與卡鉆事故。

2 水射流擴孔鉆具研制

現(xiàn)有定向鉆具組合為?98 mm定向鉆頭+?73 mm鉆具，其環(huán)隙間距平均12.5 mm，通過鉆渣粒徑≤25 mm。復雜巖層定向鉆施工過程中塌孔常見粒徑為30～40 mm扁卵石狀，破碎帶大塊浮渣粒徑≥80 mm。

綜合考慮擴孔效率、鉆具抗扭能力、復雜巖層特性，導向擴孔鉆頭體采用?89 mm導向頭+?120 mm擴孔頭，擴孔后孔徑120 mm，相對于?73 mm鉆具其環(huán)隙間距平均23.5 mm，通過鉆渣粒徑≤47 mm，可保證常見復雜巖層塌孔粒徑(30～40 mm)鉆渣通過。水射流要求能將大塊浮渣沖碎至粒徑≤40 mm，沖蝕距離≥40 mm，水力擴孔后孔段平均直徑≥153 mm。

2.1 射流短節(jié)設(shè)計

每節(jié)射流短節(jié)均勻布置3個噴嘴螺紋孔道，其沿圓周的相位角為120°，射流方向為斜向后60°，當射流短節(jié)回轉(zhuǎn)時，可高效破壞周圍大塊巖塊且快速沖刷攜帶巖屑。射流短節(jié)前端為鉆頭體，通過投球封堵鉆頭體的中間孔道后，流體通過噴嘴(圖1)噴出射流擴孔。

2.2 噴嘴選型

射流短節(jié)的噴嘴采用特種結(jié)構(gòu)的孔形，可將高壓水能量轉(zhuǎn)化為水射流單元的高速動能，噴嘴是產(chǎn)生水射流的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)基本決定了水射流碎巖的力學特性。其高性能表現(xiàn)在3個方面：①利用率高，確保高壓水能高效從噴嘴全部射出做功；②噴嘴材質(zhì)與壽命，具有高耐磨性保障噴射性能可靠；③噴射距離，合理噴射距離保障碎巖效果和碎巖范圍[13-14]。

空化水射流噴射時生成的空泡云是產(chǎn)生沖蝕作用的主要因素，目前主要有2種假設(shè)來解釋空化水射流的沖蝕機理：一種是空泡的潰滅產(chǎn)生“微射流”，另一種是在空泡潰滅的最后階段產(chǎn)生沖擊波[15]。這2種作用是空化射流較普通射流提高沖蝕效率的主要原因。相關(guān)研究表明，在沖蝕效果相同的情況下，選用空化噴嘴替代普通噴嘴可以使泵壓下降1～2個數(shù)量級[16]。

噴嘴結(jié)構(gòu)分為普通噴嘴和空化噴嘴(圖2)?？栈瘒娮?種，孔徑2.8 mm；普通噴嘴的孔徑均設(shè)置4種，分別為1.6、2.0、2.4、2.8 mm。以試驗在不同射流壓力下的射流流量、射流沖蝕效果。

圖2 空化噴嘴結(jié)構(gòu)

3 水射流地面試驗

3.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由泥漿泵、泵站、水箱、水便接頭、噴射鉆頭組成。泥漿泵額定壓力為31.5 MPa，額定流量為400 L/min，其壓力表與流量計能實時監(jiān)測泥漿泵出口高壓水的壓力與流量。泵站液壓系統(tǒng)額定壓力為28 MPa，提供液壓動力驅(qū)動泥漿泵運轉(zhuǎn)。水便接頭將泥漿泵與噴射鉆頭連接到一起。噴射鉆頭由射流短節(jié)與鉆頭體組成，兩者通過螺紋連接，鉆進時高壓水從鉆頭體射出，擴孔時高壓水從射流短節(jié)的噴嘴射出，起到破碎巖塊的作用。

煤樣取自安徽淮北礦業(yè)某礦9號煤層，試樣長×寬×高為200 mm×150 mm×150 mm，如圖3所示，依據(jù)國際力學與巖石標準測其力學參數(shù)，見表1。

圖3 煤樣

表1 煤樣力學參數(shù)

3.2 試驗方法

為探究射流量與射流壓力、噴嘴直徑的關(guān)系，對噴嘴直徑分別為1.6、2.0、2.4、2.8 mm，射流壓力分別為8、10、12、14、16 MPa時的射流量大小進行試驗。

射流沖蝕試驗包括普通噴嘴的射流沖蝕試驗與空化噴嘴的射流沖蝕試驗。依據(jù)上述試驗方案，將不同直徑的普通噴嘴與空化噴嘴置于距離煤樣30 mm處，射流時間為5 min，記錄煤樣的沖蝕深度與形態(tài)。

3.3 地面試驗效果分析

1)射流量與射流壓力、噴嘴直徑的關(guān)系。噴嘴的射流量與射流壓力、噴嘴直徑均相關(guān)。如圖4所示，不同射流壓力下，射流量與噴嘴直徑呈二次函數(shù)關(guān)系，且隨著射流壓力增大射流量也增大，但其增加幅度減?。蝗鐖D5所示，不同直徑噴嘴下，其射流量與射流壓力呈線性關(guān)系，3個直徑2.8 mm的噴嘴在16 MPa壓力下的射流量可達200 L/min，而同樣數(shù)量同等壓力下的直徑1.6 mm噴嘴射流量只有65 L/min，可得噴嘴的射流量受噴嘴直徑的影響遠大于射流壓力，因此進行射流沖蝕試驗選取直徑為2.8 m的噴嘴作為試驗對象。

圖5 不同噴嘴直徑的射流量與射流壓力關(guān)系

2)射流沖蝕試驗效果。對直徑均為2.8 mm的普通噴嘴和空化噴嘴進行了射流沖蝕試驗，測試射流壓力在8～16 MPa下沖蝕煤樣的效果。其中射流壓力為8 MPa時，空化碰嘴對煤樣的沖蝕深度為45 mm，滿足水力擴孔后孔段平均直徑≥153 mm。射流壓力為16 MPa時，普通噴嘴和空化噴嘴對煤樣的破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 破壞煤樣形態(tài)

噴嘴射流軸線與射流短節(jié)中軸線成60°焊接，由圖6可以看出，試驗中射流短節(jié)平行于煤樣面，由于噴嘴射流方向與煤樣表面成60°夾角，造成煤樣沖蝕區(qū)長度(水平方向)比寬度(垂直方向)大，煤樣2處沖蝕孔穴均為橢圓形，沖蝕區(qū)域范圍隨射流壓力提高而增大，橢圓形的長短軸(沖蝕區(qū)長寬比)之比平均為1.2，沖蝕區(qū)長寬比基本保持不變(表2)。在對煤樣沖蝕效果方面，空化射流比普通射流有明顯優(yōu)勢，同等射流壓力下空化射流沖蝕深度是普通射流的2倍以上，且隨著射流壓力增加而增大；在8 MPa射流壓力下，空化射流沖蝕直徑(橢圓形面積等效標準圓的直徑)與普通射流的接近，但隨著壓力增大，空化射流的沖蝕直徑較普通射流逐步增大(圖7、圖8)。

表2 直徑2.8 mm空化噴嘴射流沖蝕區(qū)范圍

圖7 ?2.8 mm普通噴嘴和空化噴嘴射流沖蝕深度

圖8 ?2.8 mm普通噴嘴和空化噴嘴射流沖蝕直徑

綜上所述，噴嘴的射流量受噴嘴直徑的影響遠大于射流壓力；同等射流壓力下，噴嘴直徑為2.8 mm時射流量最大；普通噴嘴和空化噴嘴射流沖蝕對煤樣的破壞形態(tài)為橢圓形且長短軸之比保持不變；空化射流比普通射流沖蝕效率上有明顯優(yōu)勢。

4 現(xiàn)場試驗

試驗地點位于安徽淮北礦業(yè)某礦風抽聯(lián)絡(luò)巷高位鉆場，施工A2定向鉆孔深175～195 m處遇到泥巖-煤層的破碎帶而塌孔，孔徑98 mm，反復鉆進嘗試無果后，采用水射流復合擴孔技術(shù)進行擴孔。

4.1 地質(zhì)條件

本次高位定向鉆孔目標層位為9號煤頂板。9號煤層頂板施工地層主要為：①細砂巖，灰色，堅硬，厚5.53 m；②泥巖，深灰色，破碎含植物化石，厚1.04 m；③8號煤，破碎，厚1.24 m；④中粒砂巖，灰色，塊狀，致密，部分含粉砂質(zhì)，厚25.45 m；目標層位9號煤上方20 m處砂巖，需穿過厚2.28 m泥巖、8號煤層破碎帶[17]。

4.2 鉆孔設(shè)計

在風抽聯(lián)絡(luò)巷鉆場中，A組孔3個，用于治理9號煤工作面采空區(qū)瓦斯，并抽采因該工作面回采裂縫導通7號煤向下溢出瓦斯。設(shè)計孔深分別為540、420、420 m，孔徑98 mm。

4.3 鉆孔施工情況

在施工A2定向鉆孔時，孔深175 m處見泥巖、184 m處見8號煤、195 m處見中粒砂巖，分別在孔深178、184、192、195、199、202 m處塌孔卡鉆(泵壓由4 MPa增至8 MPa、回轉(zhuǎn)壓力由7 MPa增至18 MPa)，提鉆至孔深172 m處掃孔后鉆進參數(shù)才正常，如此反復掃孔2 d無法往深鉆進，決定進行水射流擴孔試驗。

試驗過程：首先將孔內(nèi)定向鉆進鉆具提出孔外，然后連接好水射流復合擴孔鉆具組合(?89/120 mm水射流擴孔組合鉆頭+?89 mm外平鉆桿)，通水回轉(zhuǎn)機械擴孔至185 m；下到預定孔深后，從孔口投入鋼球，水射流回轉(zhuǎn)水力擴孔，回轉(zhuǎn)速度30～40 r/min，泥漿泵壓力8～12 MPa，在175～195 m來回反復掃孔2 h，出渣約0.34 m3，返渣顆粒直徑大小不一，返渣顆粒呈不規(guī)則形狀，分析認為水射流沖刷破壞巖石結(jié)構(gòu)，起到一定切削作用。通過換算得到擴孔后鉆孔外徑平均約為173 mm；提出復合擴孔鉆具后，下入定向鉆具正常鉆進，順利施工至420 m。

此后A1、A3鉆孔在遇到9號煤頂板上方煤巖破碎帶時采用水射流擴孔技術(shù)沖出破碎帶碎渣，降低沉渣卡鉆風險，鉆孔深度分別鉆至設(shè)計孔深530、420 m。

5 結(jié) 論

1)同等射流壓力與噴嘴直徑下，空化射流比普通射流沖蝕效率上有明顯優(yōu)勢，空化射流的沖蝕深度是普通射流的2倍以上，2種射流對煤樣的破壞形態(tài)為橢圓形且長短軸之比基本保持不變。

2)噴嘴的射流量受噴嘴直徑的影響遠大于射流壓力，在礦井泥漿泵提供泵量160 L/min、壓力12 MPa工況條件下，優(yōu)選?2.8 mm空化噴嘴短節(jié)。

3)開發(fā)的水力擴孔技術(shù)采用3×?2.8 mm空化噴嘴短節(jié)+?89/120 mm導向擴孔鉆頭組合，可實現(xiàn)鉆孔孔徑由98 mm擴至173 mm，降低煤系地層破碎帶沉渣卡鉆風險，在兩淮復雜地層應(yīng)用，提升定向鉆技術(shù)應(yīng)用范圍。