聶 超，王 毅，姚亞峰,，洪建俊

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤層賦存地質條件復雜，碎軟煤層占比50%以上，隨著煤炭開采向更深部發(fā)展，這一比例將會越來越大[1-2]。這類煤層存在煤體破碎、滲透性低、瓦斯壓力大等特性，鉆進過程中容易出現(xiàn)噴孔、塌孔和卡鉆等孔內事故，導致鉆孔成孔率低、成孔深度淺[3-5]。目前，碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔主要采用中風壓空氣鉆進技術、空氣套管鉆進技術和高速螺旋鉆進技術等進行施工，但因以上技術均無法精確控制鉆孔軌跡，導致鉆孔易穿出煤層進入頂?shù)装?，難以達到設計孔深[6-8]。在碎軟煤層分布的兩淮礦區(qū)，抽采鉆孔多數(shù)采用對穿鉆孔來實現(xiàn)貫穿工作面，條件更復雜成孔困難的煤層只能施工專用底抽巷道，并在底抽巷內向上部煤層鉆進大量底板穿層鉆孔來抽采瓦斯，大幅增加了鉆孔的工作量和抽采成本，降低了抽采效率，嚴重影響碎軟煤層礦區(qū)瓦斯抽采效果[9-12]。針對目前碎軟煤層鉆孔難、鉆孔深度淺等問題，筆者借鑒套管護孔原理，結合中風壓空氣定向鉆進技術，研究雙動力雙管定向鉆進裝備與技術，以實現(xiàn)碎軟煤層長鉆孔鉆進。碎軟煤層鉆孔煤粉量大、煤粉排出困難是制約碎軟煤層成孔效率、成孔深度的重要因素[13-15]。因此，研究煤粉在環(huán)空通道內的分布與運移規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。

雙管定向鉆進技術采用雙通道排粉，其煤粉運移屬于氣固兩相流氣力輸送問題，關于煤粉的輸送特性，國內外學者已經(jīng)做了大量研究。楊洪雷等[16]對煤粉在不同輸送管徑內的輸送過程進行了實驗研究和數(shù)值模擬；王巍等[17]采用電容成像技術研究了氣速、煤粉流量等因素對管道內煤粉流動形態(tài)的影響；方薪暉等[18]對煤粉氣力輸送管道壓降進行了實驗和數(shù)值模擬研究，獲取了相應的最小壓降、經(jīng)濟氣速以及壓降變化規(guī)律。目前煤粉在單通道內的輸送特性已有較深入的研究，但對于煤粉在雙通道環(huán)空內的輸送過程鮮有研究。煤粉在雙通道環(huán)空內的排出受孔深、孔徑、鉆具結構尺寸、套管轉速、風量、鉆屑粒徑及形狀等多參數(shù)耦合影響[19-23]，其中套管、套管鉆頭尺寸和套管轉速的改變將直接引起排渣通道面積及氣體流場分布的變化，進而影響煤粉的排出效率。為此，筆者通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，研究套管、套管鉆頭尺寸及套管轉速對煤粉在雙管環(huán)空通道內分布和運移規(guī)律的影響，為現(xiàn)場鉆具的選配和套管轉速的選擇提供依據(jù)。

1 雙管定向鉆進技術與裝備

雙管定向鉆進技術綜合了空氣定向鉆進和雙管鉆進的技術特點，依托雙動力頭雙管定向鉆機可以分別驅動套管和定向鉆具，復合夾持器可分別夾持套管和鉆桿，且具備卸扣功能，采用中間自動加桿方式，可以自動同時加裝套管和鉆桿。該鉆進技術分為定向鉆進和復合鉆進兩個工藝過程。定向鉆進時，鉆桿動力頭帶動鉆桿、無磁鉆具、螺桿馬達、底擴式鉆頭等鉆具，以螺桿馬達為碎巖動力進行滑動定向鉆進，同時套管動力頭旋轉帶動套管以較低轉速回轉鉆進。復合鉆進時，鉆桿動力頭帶動鉆具組合正向復合鉆進，此時套管動力頭帶動套管以較低轉速反向回轉跟管鉆進，鉆機及鉆具連接示意如圖1 所示。交替采用定向鉆進和復合鉆進，以實現(xiàn)跟管護孔和連續(xù)定向鉆進。終孔后，先將鉆桿從套管內提出，套管暫時留在孔內，然后從套管內通孔下入篩管，完成后將套管提出，篩管留在孔內終孔。

圖1 雙管定向鉆進系統(tǒng)Fig.1 Double pipe directional drilling system

煤粉的輸送過程如圖2 所示，空壓機產(chǎn)生的壓縮氣體作為動力和攜粉介質通過進氣通道在定向鉆頭處釋放，在鉆桿與套管及套管與孔壁構成的環(huán)空間隙內形成高速風流，將鉆進過程中產(chǎn)生的煤粉輸送至孔外。

圖2 雙管定向鉆進排渣過程Fig.2 Slag removal process of double pipe directional drilling

2 雙管定向鉆進煤粉運移規(guī)律數(shù)值模擬

歐拉?歐拉多相流模型將顆粒相看作是和氣相互相滲透的連續(xù)介質，且兩相有各自的處理方式，計算精度高，對于描述氣體?煤粉非均勻氣固兩相流能夠達到良好的模擬結果。筆者采用此模型對通道環(huán)空內的流場特征進行分析，研究煤粉在雙通道內的運移規(guī)律。

2.1 幾何模型建立

雙管定向鉆進時，煤粉由套管的內外雙通道排出，過程十分復雜，而進氣通道對壓縮氣體的摩擦阻力較小，也不攜帶煤粉，從實用性和成本出發(fā)，將流場入口設定在套管鉆頭位置、流場出口設置在鉆孔孔口，煤粉輸送模型如圖3 所示。

圖3 煤粉輸送模型Fig.3 Pulverized coal conveying model

2.2 數(shù)學模型

氣動雙管鉆進攜粉屬于氣固兩相流的氣力輸送問題，在此過程中，湍流及旋流運動非常常見。Realizablek-ε湍流模型中考慮到了湍流漩渦、圓柱擾流，尤其適用于包含了旋流、強逆壓梯度的邊界層流動以及二次流等問題方面的模擬[24-25]。筆者采用旋流修正的Realizablek-ε模型對鉆進的流場進行模擬。

式中：k為湍流動能，J；ε為湍流耗散率；ρ為流體密度，kg/m3；ui、uj分別為流速分量(i，j分別為坐標方向)，m/s；μ為分子黏度，Pa·s；μt為湍流黏性系數(shù)；xi、xj為坐標分量(i，j分別為坐標方向)；v為運動黏性系數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項；Gb為浮力引起的湍流動能產(chǎn)生項；YM為湍流脈動膨脹對總耗散率影響；Sk和Sε為自定義源相；C1為模型系數(shù)；η為平均應變率張量模量；Eij為時均應變率；C1ε、C2、C3ε、σε、σk為模型常數(shù)，其默認值分別為C1ε=1.44，C2=1.9，C3ε=0.8，σε=1.2，σk=1.0。

2.3 模擬參數(shù)選定

1)煤粉參數(shù)的選擇

選取祁南煤礦井下碎軟煤層鉆進施工現(xiàn)場返出煤粉作為試樣，測得煤粉顆粒密度為1 350 kg/m3，流場內煤粉體積分數(shù)為0.04%，并對孔口返出的煤粉進行粒徑分析，由于仿真需要設定固定的粒徑值，加權平均后作為煤粉粒徑仿真選擇依據(jù)，見表1。

表1 煤粉試樣粒徑分布加權值Table 1 Weighted values of particle size distribution of sampled pulverized coal

2)邊界條件的設置

結合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，氣體風量為600 m3/h；煤粉顆粒流速為0.6 m/s。煤粉顆粒在進口和出口位置采用Escape 邊界條件，固體壁面位置采用Reflect 邊界條件，徑向速度反彈系數(shù)為0.5，切向速度反彈系數(shù)為0.9。

杜家臺分洪工程由漢江進洪閘（杜家臺分洪閘）、行洪道、蓄洪區(qū)（漢南泛區(qū)）和長江泄洪閘（黃陵磯閘）等部分組成，是漢江中下游唯一的分洪控制工程，同時又被國務院確立為長江中游12個重點分蓄洪區(qū)之一。該工程自1956年4月建成至今已運用21次（分洪運用19次，分流運用2次），累計分泄?jié)h江超額洪水196.68億m3，有效地改善了漢江下游的防汛緊張局面。該工程在歷次運用中，按實測洪峰水位與推算洪峰水位比較，降低仙桃站洪峰水位0.6～3.0 m，為保障漢江下游和武漢市的防洪安全發(fā)揮了巨大作用，防洪效益十分顯著。

2.4 數(shù)值模擬過程與結果分析

2.4.1 套管及套管鉆頭尺寸對煤粉運移的影響

根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗和現(xiàn)有裝備，選擇?73/36 mm鉆桿為內鉆桿，分別設計了3 種不同尺寸的套管及套管鉆頭，套管尺寸分別為?114/90、?120/96、?127/102 mm，套管鉆頭尺寸分別為?133、?140、?148 mm。套管轉速為40 r/min 時，模擬不同的套管鉆頭與套管組合對雙通道內煤粉輸送規(guī)律的影響，其工況見表2。

表2 套管鉆頭與套管組合方案Table 2 Casing bit and casing combination scheme 單位：mm

雙管定向鉆進技術采用雙通道排渣，煤粉在雙螺旋鉆桿內的排出過程十分復雜，內外鉆桿旋轉方向不同，煤粉在通道內的輸送軌跡如圖4 所示，部分煤粉顆粒(紅色)沿逆時針方向從內外鉆桿環(huán)空形成的內通道排出,部分煤粉顆粒(藍色)沿順時針方向從外鉆桿和孔壁形成的外環(huán)空通道排出。不同尺寸的鉆具配合會形成不同的環(huán)空通道，進而影響通道內環(huán)空流場的分布和煤粉的輸送效率。

圖4 雙通道煤粉軌跡Fig.4 Dual-channel pulverized coal trajectory

雙管鉆進時煤粉的排出率是指出口處煤粉顆粒數(shù)與進口處顆粒數(shù)比值，它是檢驗鉆桿攜粉能力的重要指標，對不同套管鉆頭和套管9 種組合工況下煤粉顆粒排出效果進行數(shù)值模擬，煤粉顆粒從孔口排出率如圖5 所示。不同鉆具組合下煤粉的排出率差距較大，最低42.8%，最高可達98.4%，工況3 和工況7 的煤粉排出率都低于50%，工況3 外環(huán)空通道面積太小，紊流大，煤粉容易沉積堵塞；工況7 外環(huán)空通道面積較大，引起氣體流場速度較小。工況2、5、9 的煤粉排出率均可達到80%以上，其中?120/96 mm 套管與不同套管鉆頭配合均有較高的煤粉排出率。

圖5 煤粉排出率Fig.5 Pulverized coal discharge rate

不同鉆具配合工況下，兩通道環(huán)空截面面積也不同，這也將影響通道內煤粉顆粒的輸送速度。出口截面處煤粉顆粒的輸送速度監(jiān)測結果如圖6 所示。對于同一套管，內環(huán)空通道截面積不變，隨著套管鉆頭尺寸的增加，其顆粒速度逐漸降低；對于同一套管鉆頭，隨著套管尺寸的增加，內環(huán)空通道截面積增大，外環(huán)空通道減小，顆粒的輸送速度逐漸增大。由此可知，煤粉主要由內環(huán)空通道排出。

圖6 煤粉顆粒輸送速度Fig.6 Conveying speed of pulverized coal particles

分析煤粉排出率和煤粉顆粒的輸送速度可知，盡管隨著內通道截面積的增加，顆粒的運輸速度增加，但外環(huán)空面積的減小，導致煤粉的排出率降低，因此，選擇合適的鉆具組合才能保證煤粉高效輸送至孔外。當套管為?120/96 mm、套管鉆頭為?133 mm 和?140 mm時，煤粉排出率和顆粒輸送速度較高，可以為后續(xù)模擬和現(xiàn)場試驗提供參考。

2.4.2 套管轉速對煤粉運移的影響

雙管定向鉆進過程中套管動力頭旋轉帶動套管以較低轉速回轉鉆進，套管轉速的變化將改變環(huán)空間隙內流場分布，引起紊流，且煤粉顆粒在螺旋鉆桿的回轉作用下將被揚起，從而提高了煤粉顆粒的懸浮程度，進而影響煤粉的排出效果。選擇?120/96 mm 套管和?133 mm、?140 mm 套管鉆頭組成2 種鉆具組合進行模擬，數(shù)值模擬工況見表3。

表3 套管鉆具與轉速組合方案Table 3 Casing drilling tool and rotational speed combination scheme

煤粉懸浮率是指煤粉在環(huán)空通道內被揚起顆粒數(shù)與總顆粒數(shù)的比值，對不同工況下煤粉顆粒懸浮數(shù)進行統(tǒng)計計算，結果如圖7 所示，轉速的變化對2 種鉆具組合下煤粉懸浮程度有相似的影響。對于?140 mm 套管鉆頭與?120/96 mm 套管組合，當轉速從20 r/min 變化到40 r/min 時煤粉懸浮率從68.2%提高至88.4%。繼續(xù)增加轉速時，煤粉懸浮率開始下降，當轉速增加至120 r/min 時，煤粉懸浮程度降低至18.6%。由此可知，在轉速較低時，增加轉速可以減少煤粉的沉積，但當轉速增加到一定值時，轉速的增加會減少煤粉的懸浮程度，對煤粉的排出起負面影響。當轉速較低時，內外螺旋鉆桿的螺旋槽能及時將煤粉揚起，減少煤粉的沉積，當套管轉速過快時，煤粉可能未能及時進入螺旋槽，在重力的作用下，一直向鉆孔底部沉積。

圖7 不同轉速下的煤粉懸浮率Fig.7 Pulverized coal suspension rate at different rotational speeds

套管轉速對不同煤粉顆粒軌跡的影響如圖8 所示，左側為孔口，煤粉顆粒隨壓縮氣體在孔底生成，一部分煤粉顆粒沿逆時針做螺旋運動從內通道輸送至孔口，一部分煤粉顆粒沿順時針做螺旋運動從外通道輸送至孔口。轉速在20～60 r/min 時，大部分煤粉顆粒能在螺旋鉆桿的帶動下被揚起，而當轉速增加至120 r/min 時，極少部分煤粉沿孔底被輸送至孔外。

圖8 不同轉速下煤粉顆粒的輸送軌跡Fig.8 Conveying trajectory of pulverized coal particles at different rotational speeds

通過研究套管轉速對煤粉懸浮程度和煤粉顆粒輸送軌跡的影響，在現(xiàn)場施工時，應盡量保證套管轉速維持在20～60 r/min，以減少煤粉的沉積，保證煤粉高效輸送至孔外。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 工程地質概況

祁南礦位于安徽省宿州市，井田位于淮北煤田東南緣，工作面采用走向條帶方式開采，自然垮落法管理頂板，為煤與瓦斯突出礦井。

試驗鉆場位于31采區(qū)313 風巷，鉆孔施工鉆遇地層為32煤。32煤堅固性系數(shù)f=0.30～0.46，平均厚度2.8 m，多含0～1 層泥巖夾矸，平均厚度0.27 m；瓦斯壓力0.62～2.15 MPa，瓦斯含量6.3～10.4 m3/t。32煤層頂板巖性為泥巖，深灰色，致密塊狀，性脆，含大量植物碎片，局部為粉砂巖，厚度為8.5～12.8 m。底板為灰黑色-灰色泥巖，裂隙發(fā)育，含長條狀植物化石碎片，局部夾一層厚約0.2 m 的炭質泥巖。

3.2 試驗配套設備及施工方案

試驗鉆孔施工配套設備主要包括ZDY6000-3000LDK 型雙管定向鉆機、隨鉆測量系統(tǒng)、流量計、空氣壓縮機、?73 mm 空氣螺桿馬達、?73 mm 無磁鉆桿、?73 mm 整體式大通孔螺旋鉆桿、?90 mm 定向鉆頭、?105 mm 底孔鉆頭、?133 mm 套管鉆頭、?140 mm套管鉆頭、?120 mm 螺旋套管等。

雙管定向鉆進試驗鉆孔施工鉆具組合為：①內鉆具組合：?90 mm 定向鉆頭+?105 mm 底擴鉆頭+?73 mm風動螺桿馬達+?73 mm 配套鉆桿+大通孔送風器；② 外套管鉆具組合：?120/96 mm 套管+?133 mm 或?140 mm 套管鉆頭，套管與套管鉆頭如圖9 所示。

圖9 螺旋套管與套管鉆頭實物Fig.9 Physical drawing of spiral casing and casing bit

設計采用雙管定向鉆進技術施工4 個順煤層定向長鉆孔，終孔孔深250 m，各鉆孔鉆進參數(shù)見表4。

表4 鉆進參數(shù)Table 4 Drilling parameter table

3.3 試驗結果及分析

鉆進總進尺830 m，最大孔深252 m，套管最大跟進深度162 m，并記錄不同孔深時的返風量，見表5。在鉆進過程中隨著鉆進深度的增加，孔口返風量逐漸減小，施工至外通道孔口不返風時，采用單管定向鉆進。1 號鉆孔采用?133 mm 套管鉆頭施工，施工至78 m 處，外環(huán)空間隙未見壓縮氣體和煤粉返出，提鉆終孔，提出套管后發(fā)現(xiàn)套管外壁有大量煤泥，分析可能是煤層含水量大，且套管與孔壁環(huán)空間隙較小，未能及時將煤粉排出。2、3、4 號鉆孔利用?140 mm 套管鉆頭在不同的套管轉速下施工至外環(huán)空通道不返風不返煤粉，此時套管回轉壓力大，停止套管跟進，采用單管鉆進至終孔。與?133 mm 套管鉆頭相比，?140 mm 套管鉆頭鉆進距離大幅增加，利用?140 mm 套管鉆頭鉆進時，當套管轉速從20 r/min 增加至40 r/min 時，套管跟進距離明顯增加，繼續(xù)增加轉速時，套管跟進深度開始減小，與數(shù)值模擬工況基本吻合。

表5 鉆孔參數(shù)Table 5 Drilling parameters

4 結 論

a.不同尺寸的套管與套管鉆頭組合時，煤粉的排出率和運移速度差距較大，其中?120/96 mm 套管與不同套管鉆頭配合均有較高的煤粉排出率；出口處煤粉顆粒的輸送速度隨著環(huán)空截面積的增大而減小，但孔徑一定時，煤粉顆粒的輸送速度隨著內環(huán)空截面積的增大而增大。

b.螺旋套管轉速的變化將改變環(huán)空間隙內流場分布，引起紊流，并將煤粉揚起；轉速較低時，增加轉速可以減少煤粉的沉積，但當轉速增加到一定值時，轉速的增加會對煤粉的排出起負面影響，現(xiàn)場施工時應盡量保證套管轉速維持在20～60 r/min。

c.現(xiàn)場試驗表明，采用?140 mm 套管鉆頭鉆進時相比?133 mm 套管鉆頭，能大幅提升套管鉆進深度，更適用于雙管定向鉆進技術；利用?140 mm 套管鉆頭鉆進時，套管轉速對煤粉排出效果的影響與數(shù)值模擬結果較吻合，驗證了模擬的合理性與準確性。