許 超,姜 磊,王 鮮,方 俊,陳 盼,劉 智
順煤層超長定向鉆孔復(fù)合鉆進(jìn)摩阻規(guī)律研究
許 超,姜 磊,王 鮮,方 俊,陳 盼,劉 智
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
煤礦井下超長孔定向鉆進(jìn)中孔內(nèi)摩阻是限制其成孔率及成孔效率的主要因素,為適應(yīng)大盤區(qū)瓦斯抽采模式的客觀需求,研究實(shí)鉆過程中摩阻及其影響規(guī)律。為順煤層超長定向鉆孔復(fù)合鉆進(jìn)減摩阻工藝參數(shù)選取提供依據(jù),對煤礦井下順煤層近水平復(fù)合鉆進(jìn)工況下鉆柱的鉆具運(yùn)動特性及受力狀態(tài)進(jìn)行分析。通過一定的條件假設(shè),建立復(fù)合鉆進(jìn)軸向摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)摩擦扭矩力學(xué)模型,通過數(shù)值計算,針對常用?89 mm定向鉆具組合,在不同孔深及鉆進(jìn)工藝參數(shù)匹配下的摩阻規(guī)律特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明:機(jī)械鉆速、鉆具轉(zhuǎn)速、鉆孔深度是滑動摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)摩擦扭矩的主控影響因素,與超長定向鉆孔實(shí)鉆參數(shù)統(tǒng)計分析對比,推進(jìn)阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩變化規(guī)律與模型計算結(jié)果吻合,該結(jié)果對于指導(dǎo)近水平鉆孔復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝參數(shù)選取、鉆進(jìn)工況判斷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,同時,對于煤礦井下自動化、智能化定向鉆進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)具有借鑒意義。
近水平定向鉆進(jìn);復(fù)合鉆進(jìn);力學(xué)模型;滑動摩阻;摩擦扭矩;影響規(guī)律
我國煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備自“十一五”以來已取得長足進(jìn)步,在煤礦井下瓦斯抽采、水害防治、隱蔽致災(zāi)因素探查等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[1]。“十二五”期間,我國煤礦井下大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備取得重大突破,順煤層定向鉆孔深度達(dá)到1 881 m[2];近年來,國內(nèi)一些高瓦斯礦井井下大盤區(qū)瓦斯超前治理要求井下順煤層定向鉆孔深度達(dá)到3 000 m以上,2017—2019年,工藝和裝備不斷創(chuàng)新和發(fā)展,陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了深度2 311、2 570、3 353 m井下順煤層超長定向鉆孔,連續(xù)刷新了井下定向鉆孔深度的世界紀(jì)錄[3-4]。
隨著煤礦井下技術(shù)裝備向智能化發(fā)展,定向鉆進(jìn)技術(shù)被賦予更多內(nèi)涵,在從常規(guī)定向鉆進(jìn)向自動化、智能化轉(zhuǎn)化的過程中,孔內(nèi)多參數(shù)隨鉆測量信息融合及通過機(jī)器學(xué)習(xí)建立“大師系統(tǒng)”等是其發(fā)展的必由之路[5],首先要了解鉆孔定向鉆進(jìn)過程中系統(tǒng)參數(shù)隨孔深變化的規(guī)律。
煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)體系中,復(fù)合鉆進(jìn)工藝以其高效、安全、低阻等技術(shù)優(yōu)勢,在順煤層超長定向鉆孔鉆進(jìn)成孔作業(yè)中發(fā)揮著極其重要的作用[6-7],其中復(fù)合鉆進(jìn)減阻特性是實(shí)現(xiàn)超長孔定向鉆進(jìn)的關(guān)鍵。許多學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際,從復(fù)合鉆進(jìn)效率、軌跡平滑度、鉆進(jìn)深度、排渣效果、鉆進(jìn)阻力等方面對復(fù)合鉆進(jìn)特點(diǎn)進(jìn)行了分析,得出復(fù)合鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)效率高、鉆進(jìn)阻力小、鉆進(jìn)安全性好、鉆進(jìn)深度大等優(yōu)勢[8-12];徐寶龍等[13]在復(fù)合鉆進(jìn)減阻特征研究中提出了轉(zhuǎn)滑比概念,運(yùn)用動力學(xué)有限元分析方法研究了轉(zhuǎn)速和給進(jìn)速度對摩阻的影響,得出了轉(zhuǎn)滑比與減阻效率的影響關(guān)系。目前對煤礦井下近水平超長孔定向鉆進(jìn)中摩阻影響規(guī)律的研究缺乏多因素同時作用下的理論模型及解析解,對順煤層超長孔定向鉆進(jìn)中減摩阻工藝參數(shù)的選取尚缺乏理論依據(jù)。
因此,本次研究從復(fù)合鉆進(jìn)鉆柱運(yùn)動及力學(xué)模型研究出發(fā),結(jié)合井下定向鉆孔實(shí)鉆工況,開展復(fù)合定向鉆進(jìn)減阻特性研究,并通過井下超長定向鉆孔實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果驗證。由此為順煤層超長定向鉆孔復(fù)合鉆進(jìn)工藝方法及參數(shù)選取提供指導(dǎo),并為今后自動化、智能化定向鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。
復(fù)合鉆進(jìn)中的主要碎巖動力由孔底螺桿鉆具提供。由于煤體自身強(qiáng)度較低,較低的推進(jìn)力(鉆壓)和扭矩便可以實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn),淺孔近水平低鉆壓復(fù)合鉆進(jìn)時,鉆具會貼著孔壁下緣做旋轉(zhuǎn)和軸向滑動的復(fù)合運(yùn)動;圖1為煤礦井下2 570 m近水平順煤層超長定向鉆孔復(fù)合鉆進(jìn)時,液壓系統(tǒng)推進(jìn)壓力隨孔深變化曲線[14],由圖1可知,煤層超長定向鉆孔鉆進(jìn)過程中,復(fù)合鉆進(jìn)推進(jìn)壓力隨孔深增加變化很小,因此,超長孔條件下復(fù)合鉆進(jìn)鉆具運(yùn)動狀態(tài)與淺孔相似;此外,通過現(xiàn)場試驗孔口觀察,近水平順煤層超長定向鉆孔復(fù)合鉆進(jìn)中,鉆具沿鉆孔孔壁下緣做平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)和軸向滑動的復(fù)合運(yùn)動。
圖1 復(fù)合鉆進(jìn)推進(jìn)壓力隨孔深變化曲線
根據(jù)復(fù)合鉆進(jìn)鉆具運(yùn)動特點(diǎn)得知,鉆進(jìn)過程中鉆具與孔壁之間產(chǎn)生相對滑動,因此符合滑動摩擦理論,摩擦阻力計算可采用:
(1)
式中:為摩擦力,N;為動摩擦系數(shù),無量綱;為法向壓力,N。
煤礦井下定向鉆桿采用鋼材,根據(jù)煤與鋼摩擦研究結(jié)果,動摩擦系數(shù)大小與煤的強(qiáng)度、法向力大小、摩擦相對運(yùn)動速度等有關(guān)[15]。
為方便分析,根據(jù)井下近水平復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)做出如下假設(shè)[16]:
① 忽略煤的強(qiáng)度、法向力對摩擦系數(shù)的影響;
② 由于復(fù)合鉆進(jìn)鉆桿與孔壁相對運(yùn)動線速度一般不超過0.4 m/s,可近似忽略相對速度對動摩擦系數(shù)的影響,取常數(shù)0.38[15];
③ 假設(shè)鉆具及鉆孔軸線沿直線延伸,在重力作用下,鉆具沿孔壁下緣分布,且鉆孔軌跡沿水平延伸;
④ 忽略鉆屑對鉆具造成的沿程阻力,僅考慮鉆具與孔壁之間正壓力形成的摩擦力;
⑤ 忽略鉆桿接頭對鉆桿力學(xué)性能的影響,將鉆桿柱簡化為相同材質(zhì)、等徑連續(xù)圓管;
⑥ 鉆孔延伸方向上,煤層的力學(xué)參數(shù)相同。
根據(jù)假設(shè),在長度鉆具上取微單元d為研究對象,復(fù)合鉆進(jìn)過程中,d上質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動可以分解為以1沿鉆具軸線的軸向運(yùn)動和以轉(zhuǎn)速繞鉆具軸線的切向運(yùn)動,鉆具軸向摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)摩擦阻力模型分別如圖2和圖3所示[17-19]。
圖2 復(fù)合鉆進(jìn)鉆具軸向摩擦阻力模型
圖3 復(fù)合鉆進(jìn)鉆具旋轉(zhuǎn)摩擦阻力模型
如圖2所示,鉆具在孔口鉆機(jī)軸向推力T作用下克服孔底對鉆頭的阻力p以及鉆具軸向摩擦力F1沿軸向以速度1勻速運(yùn)動,由此可得出鉆桿軸向滑動摩擦阻力F1為:
式中:F1為鉆桿柱與孔壁摩擦力的軸向分量,N;T為鉆進(jìn)推進(jìn)力,N;p為孔底對鉆頭的阻力(鉆壓),N。
近水平復(fù)合鉆進(jìn)狀態(tài)下,鉆桿柱微單元d橫截面受力如圖3所示,鉆桿柱在以轉(zhuǎn)速做順時針旋轉(zhuǎn)過程中,受孔壁動摩擦阻力d2作用,使孔壁與鉆桿柱外緣上點(diǎn)相切,并與孔壁之間做穩(wěn)定的相對滑動,由此可以得出:
式中:為鉆柱重力(鉆具及其內(nèi)部的沖洗液重力和),N;F為鉆桿柱在孔內(nèi)受到的浮力,N;N為孔壁作用在鉆桿柱上的正壓力,N;F2為鉆桿柱與孔壁摩擦力的切向分量,N;為與N夾角,(°);為鉆桿柱克服摩擦阻力旋轉(zhuǎn)所需要的扭矩,N·m;為鉆桿外徑,m。
根據(jù)圖2和圖3,鉆桿柱上質(zhì)點(diǎn)與孔壁上接觸點(diǎn)瞬時相對運(yùn)動速度可分解為滑動鉆進(jìn)機(jī)械鉆速1和鉆具旋轉(zhuǎn)引起切向速度2,從而有:
式中:1為滑動鉆進(jìn)機(jī)械鉆速,m/s;2為鉆具旋轉(zhuǎn)引起的質(zhì)點(diǎn)與孔壁之間切向相對速度,m/s;為2與之間夾角,(°);為復(fù)合轉(zhuǎn)速,r/min;為鉆桿外徑,m。
根據(jù)滑動摩擦力與滑動速度方向相反定律,得知質(zhì)點(diǎn)摩擦力dF方向與速度方向相反,dF沿1相反方向分量為鉆機(jī)推進(jìn)力需要克服的鉆具軸向摩擦力dF1,沿2相反方向分量為鉆具旋轉(zhuǎn)需要克服的鉆具切向摩擦力dF2[20],則有:
根據(jù)假設(shè),鉆具沿孔壁下緣直線分布,鉆具摩擦力符合式(8),得出
根據(jù)假設(shè),積分得F1、計算公式為:
式中:1為鉆桿鋼材密度,kg/m3;2為沖洗液(水)密度,kg/m3;為重力加速度,取值9.8 m/s2;為鉆桿內(nèi)徑,m;為鉆桿柱長度,m。
式(10)、式(11)表達(dá)的意義是外徑、內(nèi)徑、長度的鉆桿柱,在復(fù)合鉆進(jìn)工況下與孔壁之間相互摩擦作用而產(chǎn)生的軸向摩擦力和摩擦扭矩,鉆具長度、復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速1和鉆具轉(zhuǎn)速是影響該兩項指標(biāo)的主控因素。下面將針對現(xiàn)有的?89 mm定向鉆具,在不同孔深及鉆進(jìn)工藝參數(shù)匹配的條件下進(jìn)行摩阻規(guī)律特性分析。
式(10)、式(11)中,摩擦系數(shù)、鉆桿外徑、鉆桿內(nèi)徑、重力加速度、鉆桿材料密度1、沖洗液密度2均為已知,所以軸向滑動摩擦力F1與摩擦扭矩為鉆柱長度(孔深)、滑動鉆進(jìn)速度1和轉(zhuǎn)速的函數(shù),為了方便分析,結(jié)合井下定向鉆進(jìn)實(shí)際,采用了3種計算分析方案。
圖4、圖5分別為孔深=3 000 m時,復(fù)合鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速為10~80 r/min工況下的軸向摩擦阻力隨機(jī)械鉆速變化曲線。如圖4所示,相同轉(zhuǎn)速條件下,軸向摩擦阻力隨機(jī)械鉆速增加呈近似線性增加趨勢;隨著復(fù)合鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速增加,軸向摩擦阻力逐漸降低,且在相同機(jī)械鉆速條件下,轉(zhuǎn)速和軸向摩擦阻力近似成反比。
圖4 軸向摩擦阻力隨機(jī)械鉆速變化曲線
摩擦扭矩隨機(jī)械鉆速變化曲線如圖5所示,在相同轉(zhuǎn)速條件下,摩擦扭矩隨機(jī)械鉆速增加逐漸降低;相同機(jī)械鉆速條件下,復(fù)合轉(zhuǎn)速越高,摩擦扭矩越高;在相同孔深條件下,復(fù)合鉆進(jìn)工藝參數(shù)區(qū)間范圍內(nèi),摩擦扭矩變化幅度很小,因此在實(shí)際鉆進(jìn)中,基本可以忽略復(fù)合鉆進(jìn)工藝參數(shù)對摩擦扭矩的影響。
圖5 摩擦扭矩隨機(jī)械鉆速變化曲線
圖6、圖7為機(jī)械鉆速1=36 m/h時,孔深分為500~3 000 m工況下的-F和-曲線。如圖6所示,相同孔深條件下,軸向摩擦阻力隨復(fù)合轉(zhuǎn)速增加而降低;0≤≤30 r/min時,轉(zhuǎn)速的微小增加便會引起軸向摩擦阻力的顯著降低,并且鉆孔深度越大,復(fù)合轉(zhuǎn)速對軸向摩擦阻力影響越大,復(fù)合鉆進(jìn)減阻效果越好;30<≤100 r/min時,隨著復(fù)合轉(zhuǎn)速的不斷增加,軸向摩擦阻力逐漸減小并趨于穩(wěn)定;相同復(fù)合轉(zhuǎn)速條件下,鉆孔深度越大,軸向摩擦阻力越大。
圖6 軸向摩擦阻力隨復(fù)合轉(zhuǎn)速變化曲線
如圖7所示,在相同孔深條件下,隨著復(fù)合轉(zhuǎn)速增加,摩擦扭矩呈增加趨勢,但是當(dāng)>20 r/min時,摩擦扭矩變化近似趨于恒值;相同復(fù)合轉(zhuǎn)速條件下,鉆孔深度越大,摩擦扭矩越大。
圖7 摩擦扭矩隨復(fù)合轉(zhuǎn)速變化曲線
圖8、圖9為根據(jù)不同復(fù)合鉆進(jìn)工況,給定不同、1組合時的-F1和-曲線。如圖8所示,在給定、1時,軸向摩擦阻力隨孔深增加呈線性增加趨勢;相同孔深和機(jī)械鉆速條件下,復(fù)合轉(zhuǎn)速越高軸向摩擦阻力越小;相同孔深和復(fù)合轉(zhuǎn)速條件下,機(jī)械鉆速越低軸向摩擦阻力越小。
圖8 軸向摩擦阻力隨孔深變化曲線
如圖9所示,摩擦扭矩隨鉆孔深度(鉆具長度)增加呈線性增長趨勢,且無論何種復(fù)合轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速組合均不會對摩擦扭矩產(chǎn)生明顯影響,因此,復(fù)合鉆進(jìn)摩擦扭矩大小僅與鉆孔深度有關(guān)。
圖9 摩擦扭矩隨孔深變化曲線
2019年8—9月,在山西保德煤礦81210工作面,采用復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù),成功完成了主孔深度3 353 m的順煤層超長定向鉆孔,創(chuàng)造了井下順煤層定向鉆孔深度紀(jì)錄。該孔施工總進(jìn)尺4 428 m,主孔煤層鉆遇率100%,總進(jìn)尺中的復(fù)合鉆進(jìn)占比達(dá)到91.5%。
鉆孔施工過程中,根據(jù)鉆孔軌跡控制需要會不斷調(diào)整復(fù)合鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度[1],一個鉆孔施工數(shù)據(jù)難以支撐圖4—圖7的分析方法,通過實(shí)鉆基礎(chǔ)數(shù)據(jù)篩選,可以得出復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)鉆系統(tǒng)推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力隨孔深變化的規(guī)律,推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力分別為復(fù)合鉆進(jìn)時推進(jìn)油路和回轉(zhuǎn)油路的液壓油壓力,它們分別與推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)扭矩呈正比關(guān)系,因此,這兩個參數(shù)隨孔深變化趨勢也間接反應(yīng)了軸向摩擦阻力和摩擦扭矩與孔深的關(guān)系。
如圖10所示,分別展示了兩種復(fù)合鉆進(jìn)工況下推進(jìn)系統(tǒng)壓力隨孔深變化曲線,受鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)固有初始壓力和鉆進(jìn)碎巖動力需求等因素影響,曲線起始壓力大于0。兩種復(fù)合鉆進(jìn)工況下曲線的線性擬合公式?jīng)Q定系數(shù)分別為2=0.870 4和2=0.960 3,符合圖9所示的復(fù)合鉆進(jìn)軸向摩擦阻力隨孔深的線性變化趨勢;同時,也與圖9的機(jī)械鉆速越高、復(fù)合回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越低,曲線斜率越大的特點(diǎn)。
圖10 超長孔復(fù)合鉆進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)壓力隨孔深變化曲線
如圖11所示,分別展示了兩種復(fù)合鉆進(jìn)工況下回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力隨孔深變化曲線,同樣受鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)固有初始壓力和鉆進(jìn)碎巖動力需求等因素影響,曲線起始壓力大于0。兩種復(fù)合鉆進(jìn)工況下曲線的線性擬合公式?jīng)Q定系數(shù)分別為2=0.981 3和2=0.966 2,符合圖9所示的復(fù)合鉆進(jìn)摩擦扭矩隨孔深的線性變化趨勢;同時,盡管兩種工藝參數(shù)相差較大,但曲線幾乎重合,通過計算,孔深0~3 000 m條件下,擬合的兩個公式結(jié)果偏差最大僅有3.9%,與圖9分析結(jié)果相吻合。
圖11 超長孔復(fù)合鉆進(jìn)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)壓力隨孔深變化曲線
此外,兩種復(fù)合鉆進(jìn)工況下軸向摩擦阻力一直處于較低的水平;相同孔深下,不同復(fù)合鉆進(jìn)工況下回轉(zhuǎn)動力輸出變化幅度不大。這符合圖4—圖7所得出的規(guī)律。
a. 復(fù)合鉆進(jìn)狀態(tài)下,機(jī)械鉆速、鉆具復(fù)合轉(zhuǎn)速和鉆孔深度是影響鉆具軸向摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)摩擦扭矩的主控因素。
b. 低轉(zhuǎn)速復(fù)合鉆進(jìn)時,少量的轉(zhuǎn)速增加,便會引起軸向摩擦阻力顯著降低,并且鉆孔深度越大,復(fù)合轉(zhuǎn)速對滑動阻力影響越大,復(fù)合鉆進(jìn)減阻效果越好。復(fù)合鉆進(jìn)工況下,旋轉(zhuǎn)摩擦扭矩僅與孔深相關(guān)(呈正比),復(fù)合轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速組合方法對其影響不大。
c. 超長定向鉆孔實(shí)鉆參數(shù)統(tǒng)計和分析結(jié)果表明,實(shí)際鉆進(jìn)過程中,軸向摩擦阻力和摩擦扭矩變化規(guī)律與模型計算結(jié)果吻合,該結(jié)果對于指導(dǎo)近水平鉆孔復(fù)合定向鉆進(jìn)(尤其是超長定向鉆孔復(fù)合鉆進(jìn))工藝參數(shù)選取、鉆進(jìn)工況判斷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
d. 與之前關(guān)于復(fù)合鉆進(jìn)工藝相關(guān)研究對比,本文專門對復(fù)合鉆進(jìn)減阻特性進(jìn)行了深入分析,建立了運(yùn)動和力學(xué)計算模型,并通過超長定向鉆孔實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證,研究結(jié)果對于煤礦井下自動化、智能化定向鉆進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)具有借鑒意義。
[1] 李泉新,石智軍,田宏亮,等. 我國煤礦區(qū)鉆探技術(shù)裝備研究進(jìn)展[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2019,47(2):1–6.
LI Quanxin,SHI Zhijun,TIAN Hongliang,et al. Progress in the research on drilling technology and equipment in coal mining areas of China[J]. Coal Geology & Exploration,2019,47(2):1–6.
[2] 石智軍,李泉新,姚克. 煤礦井下水平定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的新進(jìn)展[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(1):12–16.
SHI Zhijun,LI Quanxin,YAO Ke. Latest developments of horizontal directional drilling technology and the equipments for underground coal mine[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2015,42(1):12–16.
[3] 石智軍,董書寧,楊俊哲,等. 煤礦井下3 000 m順煤層定向鉆孔鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2019,47(6):1–7.
SHI Zhijun,DONG Shuning,YANG Junzhe,et al. Key technology of drilling in-seam directional borehole of 3 000 m in underground coal mine[J].Coal Geology & Exploration,2019,47(6):1–7.
[4] 石智軍,姚克,姚寧平,等. 我國煤礦井下坑道鉆探技術(shù)裝備40年發(fā)展與展望[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2020,48(4):1–34.
SHI Zhijun,YAO Ke,YAO Ningping,et al. 40 years of development and prospect on underground coal mine tunnel drilling technology and equipment in China[J].Coal Science and Technology,2020,48(4):1–34.
[5] 石智軍,李泉新,姚克. 煤礦井下智能化定向鉆探發(fā)展路徑與關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 煤炭學(xué)報,2020,45(6):2217–2224.
SHI Zhijun,LI Quanxin,YAO Ke. Development path and key technology analysis of intelligent directional drilling in underground coal mine[J].Journal of China Coal Society,2020,45(6):2217–2224.
[6] 霍福星,方俊,李泉新,等. 復(fù)雜破碎地層中定向孔復(fù)合排渣鉆進(jìn)技術(shù)[J]. 煤礦安全,2019,50(7):112–115.
HUO Fuxing,F(xiàn)ANG Jun,LI Quanxin,et al. Technology of composite slag discharge for directional drilling in complicated broken stratum[J]. Safety in Coal Mines,2019,50(7):112–115.
[7] 李泉新,石智軍,許超,等. 2 311 m順煤層超長定向鉆孔高效鉆進(jìn)技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2018,46(4):27–32.
LI Quanxin,SHI Zhijun,XU Chao,et al. Efficient drilling technique of 2 311 m ultra-long directional borehole along coal seam[J].Coal Science and Technology,2018,46(4):27–32.
[8] 李泉新. 碎軟煤層復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2018,46(11):101–106.
LI Quanxin. Research and application of drilling technology combined rotary with direction in soft-fragmentized coal seam[J]. Coal Science and Technology,2018,46(11):101–106.
[9] 許超. 煤礦井下復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢探討[J]. 金屬礦山,2014(2):112–116.
XU Chao. Discussion on superiority of compound directional drilling technology in underground coal mine[J].Metal Mine,2014(2):112–116.
[10] XU Chao,WANG Xian,LIU Fei,et al. Practice and challenge of in-seam directional borehole over 2 000 m in coal mines in China[J]. IOP Conference Series:Earth and Environmental Science,2019,332(2):022016.
[11] 劉建林,李泉新. 基于軌跡控制的煤礦井下復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝[J]. 煤礦安全,2017,48(7):78–81.
LIU Jianlin,LI Quanxin. Composite directional drilling technology for underground coal mine based on trajectory control[J]. Safety in Coal Mines,2017,48(7):78–81.
[12] 趙建國,趙江鵬,許超,等. 煤礦井下復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2018,46(4):202–206.
ZHAO Jianguo,ZHAO Jiangpeng,XU Chao,et al. Composite directional drilling technology in underground coal mine[J].Coal Geology & Exploration,2018,46(4):202–206.
[13] 徐保龍,姚寧平,王力. 煤礦井下定向深孔復(fù)合鉆進(jìn)減阻規(guī)律研究[J]. 煤礦安全,2018,49(2):92–95.
XU Baolong,YAO Ningping,WANG Li. Friction reduction law of compound drilling in directional deep hole of underground mine[J].Safety in Coal Mines,2018,49(2):92–95.
[14] 石智軍,許超,李泉新,等. 煤礦井下 2 570 m順煤層超深定向孔高效成孔關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2020,48(1):196–201.
SHI Zhijun,XU Chao,LI Quanxin,et al. Key technology of high efficiency hole formation for ultra deep directional hole with long 2 570 m along seam in underground coal mine[J].Coal Science and Technology,2020,48(1):196–201.
[15] 謝錫純,李曉豁.礦山機(jī)械與設(shè)備[M]. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2012:6–7.
XIE Xichun,LI Xiaohuo.Mining Machinery[M]. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2012:6–7.
[16] 馬善洲,韓志勇. 水平井鉆柱摩阻力和摩阻力矩的計算[J]. 石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1996,20(6):24–28.
MA Shanzhou,HAN Zhiyong. Calculation of torque and drag of drill string in horizontal well[J].Journal of the University of Petroleum(Edition of Natural Science),1996,20(6):24–28.
[17] 呂苗榮. 石油工程管柱力學(xué)[M]. 北京:中國石化出版社,2012.
LYU Miaorong. Pipe string mechanics of petroleum engineering[M]. Beijing:China Petrochemical Press,2012.
[18] 閆鐵,李慶明,王巖,等. 水平井鉆柱摩阻扭矩分段計算模型[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報,2015,35(5):69–72.
YAN Tie,LI Qingming,WANG Yan,et al. Segmental calculation model for torque and drag of drillstring in horizontal wells[J].Journal of Daqing Petroleum Institute,2015,35(5):69–72.
[19] 王國華,張軍偉,熊繼有,等. 水平井鉆井摩阻扭矩計算模型研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報,2016,12(增刊2):651–655.
WANG Guohua,ZHANG Junwei,XIONG Jiyou,et al. Research of calculation model for friction and torque in horizontal wells[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2016,12(Sup.2):651–655.
[20] 李乾,紀(jì)國棟,張輝,等. 滑動鉆進(jìn)中頂驅(qū)扭擺減阻控制技術(shù)研究[J]. 石油機(jī)械,2018,46(5):1–6.
LI Qian,JI Guodong,ZHANG Hui,et al. Drag reduction control for torsion and oscillation in top drive system slide drilling[J].China Petroleum Machinery,2018,46(5):1–6.
Friction law of compound drilling along the coal seam with super-long directional drilling
XU Chao, JIANG Lei, WANG Xian, FANG Jun, CHEN Pan, LIU Zhi
(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)
The internal friction is the main factor affecting the drilling rate and drilling efficiency in super-long directional drilling in coal mines. In order to meet the objective demand of gas drainage mode in big panels, the friction and its influence law in drilling process are studied. To provide a basis for the selection of friction reduction process parameters of compound drilling along coal seam with super-long directional drilling, the drill string motion characteristics and stress state under the condition of near-horizontal compound drilling in the coal mine are analyzed. With certain conditional assumptions, the mechanical models of axial frictional resistance and rotational frictional torque of composite drilling are established. Under different hole depths and matching drilling process parameters, numerical calculations are carried out to analyze the friction law characteristics of the common ?89 mm directional assembly. The results reveal that the mechanical drilling speed, drilling rotation speed and drilling depth are the main controlling factors of sliding friction resistance and rotating friction torque. Compared with the statistical analysis of actual drilling parameters of super-long directional drilling,the changes of propulsion resistance and rotating torque are consistent with the calculation of the model. The result is of important practical significance for guiding the selection of technological parameters and drilling conditions of compound directional drilling near horizontal holes. Furthermore, it has referential significance for the design of automatic and intelligent directional drilling control system in underground coal mines.
near horizontal directional drilling; compound drilling; mechanical model; sliding friction; friction torque; influence law
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P634
A
1001-1986(2021)05-0265-07
2021-01-28;
2021-04-25
國家科技重大專項課題(2016ZX05045-003);中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項項目(2018ZD004)
許超,1982年,男,陜西戶縣人,碩士,副研究員,研究方向為煤礦井下鉆探工藝技術(shù)研究及推廣工作. E-mail:xuchao@cctegxian.com
許超,姜磊,王鮮,等. 順煤層超長定向鉆孔復(fù)合鉆進(jìn)摩阻規(guī)律研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2021,49(5):265–271. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.030
XU Chao, JIANG Lei, WANG Xian, et al. Friction law of compound drilling along the coal seam with super-long directional drilling[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(5):265–271. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.030
(責(zé)任編輯 聶愛蘭)