許 超,姜 磊,李泉新,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)
煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)起步于20世紀(jì)60年代英國[1],最初依靠穩(wěn)定組合鉆具及單點測斜儀實現(xiàn)傾角在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。隨著彎螺桿鉆具及隨鉆測量系統(tǒng)的引進(jìn),煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)得到極大發(fā)展[2-3]。我國煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)起步較晚,得益于國家長期堅持的煤炭能源結(jié)構(gòu),經(jīng)過“十一·五”、“十二·五”等科技攻關(guān),煤礦井下大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備取得重大突破,定向鉆進(jìn)技術(shù)已達(dá)世界領(lǐng)先水平[4-6]。
隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的進(jìn)步,近水平定向鉆孔以其精確的軌跡控制優(yōu)勢,逐漸被應(yīng)用于瓦斯抽采、防治水及地質(zhì)構(gòu)造探測等方面,取得了顯著的應(yīng)用效果[7-10]。目前由定向鉆進(jìn)技術(shù)引申而來的應(yīng)用場景正在不斷擴(kuò)寬,同時新的應(yīng)用場景也為定向鉆機(jī)技術(shù)提出更高的要求,在煤礦井下大區(qū)域瓦斯治理以盤區(qū)綜合治理為目標(biāo)的應(yīng)用中,定向超長鉆孔單次施工覆蓋整個盤區(qū),要求所施工的順煤層定向鉆孔長度大于3000m[11],但受制于目前煤礦井下定向技術(shù)與裝備,順煤層鉆孔滑動定向鉆進(jìn)鉆進(jìn)深度不超過2000m。
在順煤層超長定向鉆孔施工過程中,為實現(xiàn)鉆孔軌跡高精度定向控制、安全高效鉆進(jìn)以及鉆孔沿煤層延伸的鉆進(jìn)目標(biāo),“滑動鉆進(jìn)糾偏+復(fù)合鉆進(jìn)保直”的高效、精確定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)與“主動探頂+側(cè)鉆分支+再探頂+再分支+…”的順煤層遞進(jìn)式延伸鉆進(jìn)技術(shù)是順煤層超長定向鉆孔成孔的工藝保障。其中滑動定向鉆進(jìn)工藝在軌跡精確控制和側(cè)鉆分支作業(yè)中起到?jīng)Q定性作用。然而,隨著鉆孔長度增加滑動鉆進(jìn)阻力加速上升,滑動定向鉆進(jìn)阻力隨孔深增加加速上升,造成鉆機(jī)系統(tǒng)壓力快速接近臨界值[12],從而制約了定向鉆孔成孔深度。為此,從滑動鉆進(jìn)阻力影響因素分析出發(fā),得出滑動鉆進(jìn)鉆具阻力隨孔深變化特性,并依此開發(fā)了滑動鉆進(jìn)減阻工藝技術(shù),并通過現(xiàn)場試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。
滑動鉆進(jìn)時,孔口鉆機(jī)向鉆具施加鉆壓,同時孔底煤巖給鉆具以反作用力,致使鉆具處于受壓狀態(tài),定向長鉆孔內(nèi)隨孔深增加鉆具呈現(xiàn)出較強(qiáng)的“柔性”特征,受壓變形后的鉆具將與鉆孔孔壁產(chǎn)生擠壓接觸,從而在滑動鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生鉆具與孔壁之間的摩擦力;另外,在近水平定向鉆進(jìn)過程中,鉆屑容易在孔壁下部沉積形成巖屑床,巖屑床內(nèi)鉆屑與沖洗液混合形成的“固-液”兩相流體對鉆具產(chǎn)生一定的摩擦和黏附力。
因此,滑動鉆進(jìn)阻力可分為孔底對鉆頭阻力(鉆壓的反作用力)和鉆具沿程摩擦阻力,其中后者包擴(kuò)鉆具與孔壁之間的摩擦阻力和鉆具與巖屑床之間的摩擦與黏附阻力。
其中鉆具與孔壁之間的摩擦阻力主要影響因素有3個方面:①鉆孔深度:近水平定向鉆進(jìn)過程中,隨孔深增加,鉆具彎曲變形越來越嚴(yán)重,與孔壁之間的正壓力也不斷增加,從而造成孔內(nèi)摩阻增大,導(dǎo)致鉆壓傳遞效率大大降低,這是影響滑動鉆進(jìn)深度的主要因素;②鉆孔軌跡彎曲強(qiáng)度:鉆孔軌跡彎曲強(qiáng)度越大,增大了鉆具受壓時徑向偏移量,從而增加了鉆具與孔壁擠壓接觸的正壓力,導(dǎo)致摩擦阻力增大;③地層類型:地層對鉆進(jìn)過程中摩擦阻力的影響主要體現(xiàn)在2個方面:一方面鉆進(jìn)地層巖性造成孔壁與鉆具之間的摩擦系數(shù)變化影響摩擦阻力,另一方面,鉆進(jìn)地層巖性堅固程度的影響,地層越堅硬,孔底煤巖給鉆頭的反作用力越大,鉆具受壓變形更嚴(yán)重,摩擦阻力就更大,反之亦然。
基于上述認(rèn)識結(jié)合現(xiàn)場實際數(shù)據(jù),在假設(shè)忽略法向力的增加對煤層摩擦系數(shù)的影響、鉆孔沉渣沿鉆孔孔壁均勻分布、忽略鉆孔彎曲對摩擦力影響、鉆孔延伸方向煤層力學(xué)參數(shù)均質(zhì)等條件基礎(chǔ)上,進(jìn)行滑動鉆進(jìn)阻力特性分析。
滑動定向鉆進(jìn)過程中,鉆進(jìn)推力需要克服孔底鉆進(jìn)阻力和鉆具摩擦力才能實現(xiàn)正常鉆進(jìn)。其中孔底鉆進(jìn)阻力是地層抵抗鉆頭壓入和切削的阻力,其大小取決于地層力學(xué)參數(shù)、鉆頭結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)工藝參數(shù)等,在各項條件確定的基礎(chǔ)上,孔底鉆進(jìn)阻力近似為常數(shù)。
鉆具摩擦力包括孔壁巖屑床對鉆具的摩擦與黏附阻力和鉆具與孔壁之間的摩擦力,其中前者大小與鉆屑性質(zhì)和沉積狀況以及鉆具長度有關(guān),假設(shè)鉆屑在孔內(nèi)均勻分布,則孔內(nèi)沉渣阻力將隨孔深增加呈線性增加;后者在不考慮鉆具與孔壁間摩擦因數(shù)變化情況下,隨孔深增長,孔壁摩擦阻力逐漸增加、孔口推進(jìn)力增大,鉆進(jìn)過程中鉆具彎曲變形程度加劇,鉆具與孔壁接觸壓力增大,導(dǎo)致孔壁摩擦阻力隨孔深增長逐漸快速增加?;瑒佣ㄏ蜚@進(jìn)阻力隨孔深變化規(guī)律示意圖如圖1。
圖1 滑動定向鉆進(jìn)阻力變化規(guī)律示意圖Fig.1 Diagram of resistance variation law in directional sliding drilling
鉆孔施工過程中鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力是孔內(nèi)鉆進(jìn)阻力的重要表征,兩者之間成正比,因此系統(tǒng)壓力能夠直接反應(yīng)孔口鉆進(jìn)推進(jìn)力。以保德煤礦二盤區(qū)相同中硬煤層條件2311m和2570m2組順煤層超長定向鉆孔為例,實鉆滑動鉆進(jìn)阻力符合滑動定向鉆進(jìn)阻力隨孔深變化規(guī)律。鉆進(jìn)過程中系統(tǒng)滑動鉆進(jìn)推進(jìn)壓力隨孔深變化如圖2。
圖2 滑動鉆進(jìn)推進(jìn)壓力隨孔深變化規(guī)律Fig.2 Propulsion pressure of sliding drilling varies with hole depth
根據(jù)圖2分析得知:
1)該曲線起始壓力為5.99MPa,該壓力主要由鉆機(jī)液壓系統(tǒng)初始壓力和孔底鉆進(jìn)阻力組成,根據(jù)實鉆數(shù)據(jù),煤層中鉆進(jìn)孔底鉆進(jìn)阻力約為0.6MPa,因此,煤層鉆進(jìn)中,孔底鉆進(jìn)阻力對于滑動鉆進(jìn)阻力的貢獻(xiàn)極為有限。
2)孔深0~1000m孔段,滑動鉆進(jìn)推進(jìn)壓力處于緩慢增長模式,從6.5MPa增加至8.0MPa,平均增長幅度0.15MPa/100m,由于根據(jù)滑動鉆進(jìn)摩阻特性理論分析得知,由鉆屑沉積造成的滑動阻力增幅要低于0.15MPa/100m,處于比較低的水平,因此沿程鉆巖屑床造成的滑動鉆進(jìn)阻力對鉆孔延伸深度的影響十分有限。
3)當(dāng)孔深達(dá)到1000~2000m時,滑動鉆進(jìn)推進(jìn)壓力呈現(xiàn)出加速增長特點,壓力從8MPa增加至18MPa,平均增長幅度1.0MPa/100m。隨著孔深的增加,孔內(nèi)鉆具的重量增大,其所受的摩阻逐漸增加,鉆具彎曲造成的摩阻增大現(xiàn)象凸顯,消耗了大部分推進(jìn)力。
4)當(dāng)孔深超過2000m后,滑動鉆進(jìn)推進(jìn)壓力呈現(xiàn)急劇增長特點,壓力從18MPa迅速增大至28 MPa,達(dá)到定向鉆機(jī)額定推進(jìn)壓力,平均增長幅度3.3MPa/100m,此段滑動定向鉆進(jìn)中,由于滑動推進(jìn)力極具上升,造成滑動定向鉆進(jìn)機(jī)械鉆速快速下降且不平穩(wěn),時常發(fā)生滑動“鎖死”現(xiàn)象,已不能滿足正常定向鉆進(jìn)的需要。
因此,滑動定向鉆進(jìn)過程中,鉆具與孔壁之間摩擦阻力隨孔深增加加速上升,造成鉆機(jī)系統(tǒng)壓力快速接近臨界值,是制約鉆進(jìn)深度的根本原因。目前采用的準(zhǔn)89mm定向鉆具組合,順煤層滑動鉆進(jìn)深度一般不超過2000m。
基于上述研究,研究開發(fā)了水力加壓和正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)來解決滑動鉆進(jìn)減阻難題。
通常情況下,煤礦井下滑動定向鉆進(jìn)中推進(jìn)力由孔口鉆機(jī)通過鉆具傳遞到孔底,但推進(jìn)力在傳遞過程中會因鉆具與孔內(nèi)沉渣和孔壁摩擦導(dǎo)致傳遞效率降低,深孔狀態(tài)下會造成鉆機(jī)施加的推進(jìn)力無法有效傳遞至孔底鉆頭上。為此,設(shè)計了水力加壓螺桿鉆具,水力加壓螺桿鉆具轉(zhuǎn)子總成在水力驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)的同時可在軸向產(chǎn)生一定位移,即沖洗液流經(jīng)螺桿鉆具時在高、低壓腔沖洗液壓降作用下不僅可驅(qū)動鉆具轉(zhuǎn)子總成帶動鉆頭旋轉(zhuǎn),同時產(chǎn)生軸向推力將轉(zhuǎn)子總成連同鉆頭沿軸向推出一定距離,進(jìn)而在鉆進(jìn)過程中通過水壓為鉆頭施加推力(鉆壓),從而改善孔底鉆具受力狀態(tài)和鉆具彎曲變形程度,降低滑動鉆進(jìn)過程中的鉆進(jìn)摩擦阻力,對于提高超長定向孔鉆進(jìn)深度具有積極意義。水力加壓螺桿鉆具工作示意圖如圖3。
圖3 水力加壓螺桿鉆具工作示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic pressure screw drilling tool
沖洗液壓降產(chǎn)生的軸向推力可由下式計算:
F=[AR+(N+1)AG]△p
式中:F為軸向推力,N;AR為轉(zhuǎn)子的截面積,m2;AG為過流面積,m2;N為轉(zhuǎn)子的頭數(shù);△p為流體的壓差,Pa。
經(jīng)計算,準(zhǔn)89mm水力加壓螺桿鉆具正常鉆進(jìn)時輸出的軸向推力可達(dá)到6kN以上,可以滿足準(zhǔn)120 mm鉆頭在中硬煤系地層鉆進(jìn)中對鉆壓的要求。
煤層超長定向孔鉆進(jìn)過程中,復(fù)合鉆進(jìn)推進(jìn)壓力隨孔深呈線性變化,變化幅度很小。因此,與滑動鉆進(jìn)相比,復(fù)合鉆進(jìn)在超長鉆孔施工中減阻效果顯著。復(fù)合鉆進(jìn)減阻機(jī)理是在鉆進(jìn)過程中,鉆具在軸向滑動與回轉(zhuǎn)的復(fù)合運動下,鉆具總摩擦阻力分解為軸向摩擦阻力和切向摩擦阻力,鉆機(jī)推進(jìn)力克服軸向摩擦阻力推動鉆具軸向運動,鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)扭矩克服切向摩擦力帶動鉆具轉(zhuǎn)動。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,軸向摩擦阻力隨復(fù)合轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4。
由圖4得知,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;轉(zhuǎn)速在20~30r/min區(qū)間內(nèi),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。
圖4 軸向摩擦阻力隨復(fù)合轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 Variation curves of axial friction resistance with compound speed
基于復(fù)合鉆進(jìn)減阻機(jī)理,結(jié)合深孔條件下滑動鉆進(jìn)時鉆具在復(fù)雜受力下產(chǎn)生彈性變形、孔口鉆桿少量正反轉(zhuǎn)動不會傳遞至孔底的特點,在滑動定向鉆進(jìn)時利用鉆機(jī)帶動鉆具進(jìn)行小幅度正反往復(fù)扭轉(zhuǎn),扭轉(zhuǎn)運動將沿鉆具傳遞至孔內(nèi)一定深度,在該深度處扭轉(zhuǎn)力與鉆具運動阻力相平衡,稱該深度位置為平衡點,以平衡點將孔內(nèi)鉆具劃分為2個典型區(qū)域:扭轉(zhuǎn)運動區(qū)和滑動運行區(qū)。扭轉(zhuǎn)運動區(qū)內(nèi)鉆具做正反扭轉(zhuǎn)與滑動的復(fù)合運動,其運行特點與復(fù)合鉆進(jìn)相似,該區(qū)域鉆進(jìn)阻力大幅度減??;滑動運行區(qū)為扭轉(zhuǎn)運動未影響到的區(qū)域,該區(qū)域鉆具做滑動運動,保證了螺桿鉆具工具面向角不變。扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝既可有效減小滑動鉆進(jìn)阻力,又保證了定向鉆進(jìn)軌跡控制精度。正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)示意圖如圖5。
圖5 正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of forward and reverse torsional drilling
經(jīng)計算,得出正反扭轉(zhuǎn)角度與其扭轉(zhuǎn)運動區(qū)長度關(guān)系為:
式中:l為扭轉(zhuǎn)運動區(qū)長度,m;G為鉆具材料切變模量,Pa;Ip為鉆具慣性矩,m;φ為扭轉(zhuǎn)角度,(°);r為鉆具半徑,m;μ為鉆具與孔壁間的摩擦系數(shù);q為單位長度鉆具質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m2/s。
基于上述研究結(jié)果得出:一定旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時,扭轉(zhuǎn)頻率越高,扭轉(zhuǎn)運動區(qū)內(nèi)鉆具運動時轉(zhuǎn)速越高,減阻效果越好;在不改變螺桿鉆具工具面和不致使鉆具卸扣條件下,扭轉(zhuǎn)運動幅度越大,扭轉(zhuǎn)運動區(qū)范圍越大,鉆進(jìn)減阻效果越好。
1)工程概況。保德煤礦是神東煤炭集團(tuán)下屬的高瓦斯礦井,其規(guī)劃的二、三盤區(qū)工作面走向長度普遍超過3300m,為了開展大盤區(qū)煤層瓦斯超前治理,前期在保德煤礦二盤區(qū)81210工作面和81209工作面分別完成了主孔深度2311m和2570m的順煤層定向長鉆孔,取得了良好的瓦斯抽采效果。本次在保德煤礦二盤區(qū)81210工作面開展3000m以上順煤層超長定向鉆孔工程實踐,以期實現(xiàn)利用順煤層超長定向鉆孔一次性沿走向貫穿工作面,進(jìn)一步擴(kuò)大礦井瓦斯抽采區(qū)域。81210工作面走向長度約3340m,傾向長度240m,煤層平均厚度6.8m,煤層中上部及中下部分別分布有厚0.4m和0.6m夾矸層,煤層和夾矸f系數(shù)平均分別為1.7 和2.0 。
2)施工情況。鉆孔施工選配了ZDY15000LD大功率定向鉆機(jī)、BLY460/13高壓泥漿泵車、YHD3-3000泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)、1.5 °彎角的 準(zhǔn)89 mm水力加壓螺桿鉆具、準(zhǔn)89mm高強(qiáng)度大通孔定向鉆具、準(zhǔn)120mm定向鉆頭。自2019年8月19日,鉆進(jìn)用時21d,成功鉆成主孔深度3353m的順煤層超長貫通定向鉆孔,創(chuàng)造了井下順煤層定向鉆孔深度紀(jì)錄,鉆孔貫穿81210工作面并與相鄰三盤區(qū)二號回風(fēng)巷精準(zhǔn)貫通。主孔煤層鉆遇率100%,鉆孔總進(jìn)尺4428m。3353m順煤層定向鉆孔實鉆軌跡圖如圖6。
圖63353 m順煤層定向鉆孔實鉆軌跡圖Fig.6 The actual drilling trajectory of in-seam borehole with3353m
1)螺桿鉆具水力加壓減阻效果。本次試驗采用水力加壓螺桿鉆具與以往采用常規(guī)螺桿鉆具在相同地質(zhì)條件下順煤層定向長鉆孔鉆進(jìn)過程中滑動鉆進(jìn)推進(jìn)壓力隨孔深對比的方法,滑動鉆進(jìn)推進(jìn)壓力對比圖如圖7。由圖7可看出,在孔深0~1000m孔段,常規(guī)螺桿鉆具推進(jìn)壓力隨孔深增加近似線性緩慢增長,而水力加壓螺桿鉆具可將推進(jìn)力隨孔深的這種變化趨勢延長至1500m;同樣,水力加壓螺桿鉆具鉆進(jìn)推進(jìn)力的加速增長和急劇增長階段孔深均大于常規(guī)螺桿鉆具,滑動鉆進(jìn)深度更大,鉆進(jìn)速度平穩(wěn)性也更高。采用水力加壓螺桿鉆具時推進(jìn)壓力明顯小于常規(guī)螺桿鉆具。
圖7 滑動鉆進(jìn)推進(jìn)壓力對比圖Fig.7 Comparison of feed pressure of sliding drilling
2)鉆具正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)減阻效果。在孔深2000 m后孔段實施滑動定向鉆進(jìn)時,采取先滑動鉆進(jìn)一定距離后再按扭轉(zhuǎn)幅度0.4 ~1圈、扭轉(zhuǎn)頻率1圈/6s實施正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn),并分別記錄相同深度位置2種鉆進(jìn)工藝的推進(jìn)壓力。鉆進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)壓力對比圖如圖8。由圖8可看出,在孔深2010~2226m孔段,采用正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動鉆進(jìn)對比試驗6次,扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)推進(jìn)壓力10~13MPa,較純滑動推進(jìn)壓力降低2~4MPa;采用純滑動定向鉆進(jìn)時,預(yù)測在孔深2500 m左右推進(jìn)壓力將接近系統(tǒng)極限值,而采用扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)推進(jìn)壓力僅為15~16MPa。采用扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時推進(jìn)壓力較滑動鉆進(jìn)明顯降低。
圖8 鉆進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)壓力對比圖Fig.8 Comparison of feed pressure of drilling system
螺桿鉆具水力加壓鉆進(jìn)及正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝有效降低了滑動鉆進(jìn)摩阻,順煤層超長孔滑動定向鉆進(jìn)深度達(dá)到了2700m。
1)近水平超長定向鉆孔條件下,滑動定向鉆進(jìn)過程中,鉆具與孔壁之間摩擦阻力隨孔深增加加速上升,造成鉆機(jī)系統(tǒng)壓力快速接近臨界值,是制約鉆進(jìn)深度的根本原因。水力加壓鉆進(jìn)技術(shù),通過水壓為鉆頭施加推力,從而改善孔底鉆具受力狀態(tài)和鉆具彎曲變形程度,滑動鉆進(jìn)軸向推力明顯低于常規(guī)螺桿鉆具,減阻效果良好,滑動鉆進(jìn)深度更大。
2)基于復(fù)合鉆進(jìn)減阻規(guī)律,開發(fā)的正反扭轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)工藝在相同孔深條件下,較純滑動鉆進(jìn)推進(jìn)力顯著降低,滑動鉆進(jìn)深度明顯提高。
3)基于水力加壓鉆進(jìn)和正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的滑動減阻鉆進(jìn)技術(shù)顯著降低了超長定向鉆孔鉆進(jìn)過程中的鉆具軸向摩阻力,對于超長定向鉆孔軌跡糾偏控制具有重要意義,順煤層超長孔滑動定向鉆機(jī)深度提升至2700m,在該項工藝技術(shù)的支撐下,完成了3 353m順煤層高精度超長貫通定向鉆孔施工。