王四一

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

在石油鉆井領(lǐng)域，專家認為黏滑振動發(fā)生在約50%的鉆井作業(yè)中[1]，鉆井研究人員對鉆井過程中的黏滑振動進行研究已有30 多年的歷史，這是一種鉆柱在鉆孔內(nèi)轉(zhuǎn)動極不均勻的運動形式，鉆柱處在或?；蜣D(zhuǎn)的狀態(tài)，扭矩波動很大，黏滑的存在會導(dǎo)致鉆井系統(tǒng)部件過早失效，降低鉆進效率，導(dǎo)致成本大幅增加[2-6]。

在煤礦井下定向鉆進領(lǐng)域，這一現(xiàn)象沒有得到足夠重視，主要是由于煤礦井下鉆孔深度相比石油鉆井小得多。目前，在煤礦鉆進領(lǐng)域為解決上述問題，主要采取的措施包括：①改進鉆頭的結(jié)構(gòu)和材料，使其更加堅固、耐沖擊[8-12]；②優(yōu)化鉆桿結(jié)構(gòu)和材料，改善其抗疲勞破壞性能[8,13-22]。這些措施均是比較被動的方式，不能從根本上改善黏滑振動現(xiàn)象帶來的影響。

近幾年，煤礦井下鉆探工藝及裝備快速發(fā)展，以中煤科工集團西安研究院有限公司為例，先后創(chuàng)造了鉆進1 881 m 超深定向孔[23]、2 570 m 超深定向孔[24]和3 353 m 超深定向孔[25]的世界紀錄，定向鉆進技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛（從本煤層瓦斯抽放延伸至防治水、隱蔽致災(zāi)體探查等領(lǐng)域），適用地層也從本煤層延伸至砂巖層、灰?guī)r層。隨著鉆孔深度進一步延伸（鉆柱等效扭轉(zhuǎn)剛度降低）、鉆進巖層硬度增加（鉆頭碎巖扭矩增加），黏滑振動產(chǎn)生的幾率以及對鉆進施工的影響將越來越大，不可忽視。為此，通過借鑒石油領(lǐng)域相關(guān)研究成果，并結(jié)合煤礦井下實際工況，分析煤礦井下定向鉆進工藝黏滑振動的產(chǎn)生機理及抑制方法十分緊迫且必要。

1 煤礦井下黏滑振動產(chǎn)生的原因及影響因素

1.1 黏滑振動產(chǎn)生原理及危害

黏滑振動是指鉆頭在切削目標巖層過程中，鉆頭黏滯與滑脫交替出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

研究發(fā)現(xiàn)，在鉆頭旋轉(zhuǎn)進行破巖的前進過程中，鉆頭與巖層之間的相互作用以及鉆頭需要破碎的地層中的巖石的性質(zhì)，直接決定了鉆頭的運動狀態(tài)。對相關(guān)巖石力學(xué)知識進行分析可以得到：鉆進時，鉆頭要使得巖石破壞，鉆頭對巖石所加的破碎力的大小必須能夠足以克服巖石本身的固有剪切強度，并且還要足夠平衡剪切面上的巖石之間的摩擦阻力，才能導(dǎo)致巖石的破壞，關(guān)系式為[26]：

式中：τ 為剪應(yīng)力；C0為黏聚力；μ 為巖石內(nèi)摩擦因數(shù)；σy為法向正應(yīng)力。

由式（1）可知，當鉆頭對巖石所施加的作用力不能平衡巖石對鉆頭的阻力的時候，巖石不會發(fā)生破壞，巖石對鉆頭產(chǎn)生1 個反扭矩，反扭矩最終由整個鉆柱承擔，隨著鉆柱長度的延伸，鉆柱變形累積，即隨著孔深的增加，鉆柱變長以后，鉆柱扭轉(zhuǎn)剛度變小。將1 根鉆桿看作是1 個扭轉(zhuǎn)彈簧，其扭轉(zhuǎn)剛度為定值K，當n 根鉆桿連接在一起時，其等效扭轉(zhuǎn)剛度則為K/n；假設(shè)鉆頭受到巖層的反作用力矩為M，則n 根鉆桿在力矩M 的作用下，扭轉(zhuǎn)變形φ 為：

從式（2）中可以看出，扭轉(zhuǎn)變形與鉆頭所受扭矩、鉆桿數(shù)量成正比、與鉆桿扭轉(zhuǎn)剛度成反比。

在實際鉆進過程中，鉆頭所受扭矩僅在一定范圍內(nèi)波動，鉆桿扭轉(zhuǎn)剛度為定值，可通過鉆桿內(nèi)徑、外徑、長度和材料彈性模量計算得來，變化最大的只有鉆桿的根數(shù)。隨著鉆孔深度延伸，鉆桿數(shù)量增加，鉆柱扭轉(zhuǎn)變形量越來越大，形成1 個彈性吸能裝置——當孔底動力鉆具驅(qū)動鉆頭切削目標巖層時，鉆頭由于巖層反扭矩作用靜止不動，鉆柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形（相當于1 個扭轉(zhuǎn)彈簧），吸收動力鉆具產(chǎn)生的扭矩，當扭矩增加到足夠大時，鉆柱帶動孔底動力鉆具和鉆頭高速回轉(zhuǎn)，釋放積聚的能量，從而形成黏滑振動現(xiàn)象。

以采用φ73 mm 單彎螺桿馬達和φ73 mm 通纜鉆桿為例，當鉆孔深度達到500 m 時，如果不考慮孔壁摩擦等其他因素影響，則其扭轉(zhuǎn)角度計算如下：通纜鉆桿外徑φ73 mm，內(nèi)徑為φ59 mm，鉆桿管材采用42CrMo，其切變模量為80 GPa，將鉆桿近似看作是等壁厚鋼管，不考慮接頭影響，則鉆柱扭轉(zhuǎn)角度φ為134.3°。

式中：M 為目標巖層反扭矩，N·m；l 為鉆柱長度（鉆孔深度），m；G 為鋼材切變模量，80 GPa；IP為轉(zhuǎn)動貫量。

式中：D 為鉆桿外徑，mm；d 為鉆桿內(nèi)徑，mm。

由以上分析可知，如果不采取合理的措施，當深度達到500 m 時，假設(shè)目標巖層碎巖扭矩為600 N·m，不考慮其他影響因素的情況下，反扭角達到134.3°。即從鉆頭開始切削碎巖后，鉆柱扭轉(zhuǎn)134.3°后，巖層破碎，鉆頭快速回轉(zhuǎn)134.3°后在鉆壓和目標巖層的約束下靜止，鉆柱扭轉(zhuǎn)134.3°，如此，周而復(fù)始。

黏滑振動導(dǎo)致鉆頭在滯動和快速回轉(zhuǎn)2 種狀態(tài)下交替工作，由此造成的鉆具損耗主要表現(xiàn)在：①鉆頭切削齒崩刃、PDC 切削齒金剛石層脫落，導(dǎo)致鉆進效率降低[7]；②鉆桿螺紋接頭疲勞斷裂，造成掉鉆事故[8]。

1.2 2 種鉆進工藝產(chǎn)生的黏滑振動表現(xiàn)形式

石油領(lǐng)域的黏滑模型建模建立在動力頭回轉(zhuǎn)，或者轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)之上，煤礦井下存在特殊的施工工藝和工況，即以單彎螺桿馬達為核心的近水平定向鉆進工藝。

從直觀的表現(xiàn)來看，孔口轉(zhuǎn)盤驅(qū)動黏滑振動的顯性表現(xiàn)為：孔口轉(zhuǎn)盤驅(qū)動主動鉆桿回轉(zhuǎn)，鉆頭在鉆壓作用下切入目標巖層，孔底鉆頭滯動，鉆柱系統(tǒng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)積聚能量，然后突破目標巖層阻力，能量釋放，鉆柱以數(shù)倍于轉(zhuǎn)盤的速度回轉(zhuǎn)，能量釋放完后，鉆頭滯動，如此循環(huán)。

而以螺桿馬達為動力鉆具的鉆柱系統(tǒng)，其黏滑振動的表現(xiàn)形式為：孔口動力頭固定不動，鉆頭在鉆壓作用下切入目標巖層，螺桿馬達在泥漿泵驅(qū)動下，轉(zhuǎn)子與定子產(chǎn)生相對運動，轉(zhuǎn)子與鉆頭相連，定子與鉆柱相連，鉆頭滯動，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子靜止，定子和鉆柱系統(tǒng)產(chǎn)生反向的扭轉(zhuǎn)，積聚能量（彈性勢能），然后突破目標巖層阻力，釋放能量，鉆柱以數(shù)倍于螺桿馬達的速度回轉(zhuǎn)，能量釋放完后，鉆頭滯動，如此循環(huán)。

兩者的過程有相同之處，都是迫使鉆柱扭轉(zhuǎn)積聚能量，然后能量釋放，鉆柱高速回轉(zhuǎn)后再次進入黏滯狀態(tài)。以單彎螺桿馬達為核心的近水平定向鉆進工藝，煤礦井下近水平定向鉆進工藝黏滑振動模型與石油鉆井領(lǐng)域的轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)鉆進工藝黏滑振動模型主要區(qū)別是：①回轉(zhuǎn)動力由單彎螺桿馬達提供，鉆桿柱不回轉(zhuǎn)，動力頭提供反扭矩和給進力；②鉆進軌跡為近水平螺旋曲線，大部分鉆具在重力作用下緊貼在鉆孔下側(cè)。

1.3 黏滑振動影響因素

煤礦井下黏滑振動的影響因素與石油領(lǐng)域轉(zhuǎn)盤鉆機回轉(zhuǎn)鉆進有著相通的地方，比如鉆壓和轉(zhuǎn)速的影響，同時也有著不同的地方，比如重力對鉆柱回轉(zhuǎn)的影響。

1.3.1 鉆壓對黏滑振動的影響

根據(jù)式（1）可知，鉆壓越大鉆頭受到的反扭矩越大，根據(jù)式（2）可知，反扭角與鉆頭所受扭矩成正相關(guān)，反扭角的存在是產(chǎn)生黏滑振動的必要條件，反扭角越大，“黏”的時間越長，積聚的反扭矩也越大，最終能量釋放的時候引起的振動也越大。

當黏滑振動比較嚴重時，可通過減小鉆壓來緩解黏滑振動。而與此相矛盾的是，鉆壓減小，也會降低機械鉆速。因此，存在一個最優(yōu)鉆壓的范圍，鉆進施工過程中，鉆進壓力應(yīng)在最優(yōu)鉆壓范圍內(nèi)選取。

1.3.2 螺桿馬達轉(zhuǎn)速對黏滑振動的影響

根據(jù)黏滑振動特性分析可知，鉆頭存在“黏”和“滑”2 種狀態(tài)，當鉆頭處于“黏”的狀態(tài)時，鉆頭幾乎停止轉(zhuǎn)動，而此時螺桿馬達主軸仍繼續(xù)提供扭矩，使得整個鉆柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此鉆柱系統(tǒng)累積的能量達到突破孔底巖層的阻力的時候，鉆頭才能繼續(xù)回轉(zhuǎn)碎巖，而顯然螺桿馬達轉(zhuǎn)速越快，能量累積需要的時間越短，因此螺桿馬達轉(zhuǎn)速對鉆頭的工作狀態(tài)有直接影響。

過小的回轉(zhuǎn)速度會導(dǎo)致黏滑振動的發(fā)生，并且系統(tǒng)存在臨界回轉(zhuǎn)速度使得回轉(zhuǎn)速度小于該臨界值時黏滑振動產(chǎn)生，而回轉(zhuǎn)速度大于該臨界值時黏滑振動并不產(chǎn)生。在回轉(zhuǎn)速度增大到黏滑振動失效之前，隨著回轉(zhuǎn)速度的增大，鉆頭黏滯階段時間減小，但鉆頭在發(fā)生滑脫過程中所能達到的最大角速度在不斷增大，且可達到轉(zhuǎn)盤角速度的2～3 倍，鉆頭的振動加劇，因此可以通過提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速來抑制黏滑振動，但通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析表明，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的增加，機械鉆速會出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。尤其是在遇到可鉆性較差的地層時，鉆速過高會導(dǎo)致鉆頭齒與井底接觸時間變短，從而出現(xiàn)鉆速降低，鉆井效率降低的現(xiàn)象。因此在實際鉆井過程中不可一味的提高螺桿馬達轉(zhuǎn)速來抑制黏滑振動的發(fā)生。

1.3.3 重力及孔壁摩擦力對黏滑振動的影響

煤礦井下近水平定向鉆進，鉆柱受重力作用和孔壁摩擦力影響與垂直井完全不同，孔底動力對鉆桿柱的作用方式也不同于孔口動力頭或轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)。

煤礦井下定向鉆進，由于孔口動力頭不回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生黏滑振動時，處于“黏”的狀態(tài)時，鉆桿柱緊貼鉆孔孔壁下側(cè)，處于“滑”的狀態(tài)時，由于鉆桿柱本身處于偏心位置，鉆桿高速回轉(zhuǎn)時，離心力FL與重力G 產(chǎn)生疊加，形成1 個交變力F，其計算公式為：

式中：ω 為鉆桿柱回轉(zhuǎn)角速度；R 為鉆孔直徑；r為鉆桿直徑；m 為單位長度鉆桿質(zhì)量；g 為重力加速度，9.80 m/s2；α 為離心力與重力夾角。

同時，孔壁對其產(chǎn)生1 個大小相等，方向相反的反作用力，則鉆桿柱在“滑”的過程中，受到孔壁周期性變化的撞擊力，其大小按式（5）計算。同時，設(shè)孔壁與鉆桿摩擦系數(shù)為μ，則鉆桿與孔壁還存在1 個周期性變化的摩擦力f，其大小為：

由此可見，煤礦井下近水平狀態(tài)，鉆桿柱受力非常復(fù)雜，孔壁對鉆桿柱產(chǎn)生的周期性變化的碰撞力勢必造成鉆柱的橫向振動；孔壁的周期變化的摩擦力則使得鉆桿柱的周向振動變得更加無序。

2 黏滑振動抑制措施

目前，在石油領(lǐng)域針對黏滑振動，減振途徑和措施主要有：①增大頂部轉(zhuǎn)速；②增大系統(tǒng)等效扭轉(zhuǎn)剛度；③頂部鉆壓、扭矩負反饋；④使用軸向和周向沖擊工具。在煤礦井下，由于受限于空間限制，以及客觀存在的“人扛肩抬”的工作方式，鉆桿的強度提升有限，因此增大系統(tǒng)等效扭轉(zhuǎn)剛度不容易實現(xiàn)，但是其他抑制措施均可以借鑒。

2.1 鉆壓和轉(zhuǎn)速控制對黏滑的抑制

石油領(lǐng)域主要依靠比例積分和動態(tài)鉆壓、轉(zhuǎn)速控制相結(jié)合的方法，針對鉆機的各種非線性系統(tǒng)將一些優(yōu)良控制算法與傳統(tǒng)PID 進行結(jié)合，來抑制系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種振動問題，一方面通過比例積分調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，使之接近目標轉(zhuǎn)速，另一方面通過動態(tài)鉆壓調(diào)節(jié)，使波動的鉆壓可以穩(wěn)定在1 個目標鉆壓上。比如說模糊PID 調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)滑?？刂破?、自適應(yīng)魯棒控制器等，通過控制電機變頻器、給進機構(gòu)電機來控制動力頭回轉(zhuǎn)速度、扭矩和給進壓力。

而目前煤礦井下鉆機鉆壓、轉(zhuǎn)速控制仍然依靠司鉆操作比例控制閥實現(xiàn)，鉆壓和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)遵循鉆探工藝學(xué)相關(guān)理論指導(dǎo)，對黏滑振動的抑制認識不夠。隨著鉆進深度延伸，黏滑振動發(fā)生的可能性增大，在鉆機儀表盤上的主要體現(xiàn)為回轉(zhuǎn)壓力表和給進壓力表寬幅振蕩。采用螺桿鉆具時，其額定轉(zhuǎn)速有1 個固定的范圍，盡管理論上增加轉(zhuǎn)速有助于減少“黏”的時間，即通過增加泥漿泵泵量，提高螺桿鉆具轉(zhuǎn)速可以在一定程度上緩解黏滑振動，但是其可調(diào)節(jié)范圍小，作用有限。實鉆過程中，通過降低鉆壓，可減小鉆頭與目標巖層相互作用力，減輕黏滑振動。

2.2 沖擊工具抑制黏滑

降低鉆壓可以緩解黏滑振動，但是對鉆進效率的影響是顯而易見的，特別是鉆進較硬的巖層，給進壓力減小，鉆頭齒吃入巖層的深度淺，機械鉆速將大幅降低。因此在工程實踐中，常通過在鉆頭與螺桿馬達之間增加軸向和周向沖擊工具來緩解黏滑振動。

1）軸向沖擊工具抑制黏滑振動原理。一般針對硬巖層，增加軸向沖擊，有利于目標巖層破碎，降低了碎巖扭矩，會讓鉆頭的扭矩振動幅度變小，頻率提高，整體狀態(tài)平穩(wěn)化；另一方面，軸向沖擊引起的鉆具振動，使鉆具與孔壁之間的摩擦由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?，有助于鉆壓和扭矩的傳遞。2 方面原因改善了鉆桿柱的受力條件，使得扭轉(zhuǎn)角減小，抑制了黏滑振動的發(fā)生。

2）扭轉(zhuǎn)沖擊工具抑制黏滑振動原理。在扭轉(zhuǎn)沖擊作用下，鉆頭所受到的扭矩是螺桿馬達扭矩與扭轉(zhuǎn)沖擊扭矩的疊加，鉆頭的黏滯狀態(tài)時間大幅縮短，即鉆柱系統(tǒng)可以在不需要扭轉(zhuǎn)積累到常規(guī)鉆進時的扭轉(zhuǎn)程度，便可提前打破鉆頭黏滯狀態(tài)[27]；另一方面，與軸向沖擊工具類似，鉆頭處承受的是持續(xù)沖擊的扭矩，在沖擊載荷作用下，目標巖層屈服強度變低，鉆頭承受的反扭矩進一步減小，也在一定程度緩解了黏滑振動效應(yīng)。

3 工程應(yīng)用實例

1）螺桿馬達與液動沖擊器復(fù)合鉆具試驗。為了改善煤礦井下螺桿馬達定向鉆進鉆頭受力情況，消除黏滑振動對鉆具帶來的不利影響，嘗試采用螺桿馬達與液動沖擊器復(fù)合鉆具，進行了現(xiàn)場試驗。2017年，結(jié)合中煤科工集團西安研究院有限公司在內(nèi)蒙古鄂爾多斯唐家會煤礦探放水施工，在62103 工作面回風(fēng)巷9#鉆場AH1 和AH1-1 鉆孔進行了螺桿馬達與液動沖擊器復(fù)合鉆具現(xiàn)場試驗，利用螺桿馬達＋液動錘組合鉆具完成試驗鉆孔2 個，鉆進巖層為砂巖層，普氏硬度系數(shù)達到7 級以上，深度分別為546 m 和564 m，開孔段采用單彎螺桿馬達，進入砂巖段后采用螺桿馬達與液動沖擊器復(fù)合鉆具，進尺分別為411 m 和429 m，平均機械鉆速3 m/h，較常規(guī)定向鉆進提高了50%以上。

2）沖擊螺桿馬達抑制黏滑振動試驗。2018 年11月，中煤科工集團西安研究院有限公司在晉煤集團寺河礦，采用沖擊螺桿馬達，結(jié)合隨鉆測量定向鉆進技術(shù)施工完成4 個φ120 mm 定向鉆孔，均為高位孔，目標巖層主要為普氏硬度系數(shù)5 級以上的砂巖層。使用沖擊螺桿馬達鉆進的進尺累計1 743 m，累計用時約200 h，4 個孔平均機械鉆速8.34 m/h，較常規(guī)螺桿馬達提高20%～30%。試驗過程中，通過沖擊聲音及泥漿泵泵壓對沖擊螺桿的沖擊進行了監(jiān)測，沖擊功能工作正常，鉆壓因沖擊產(chǎn)生的振動，較常規(guī)單彎螺桿馬達有所降低。沖擊減少鉆頭黏滑，改善鉆頭工況明顯，延長鉆頭使用壽命。

3）螺桿馬達與扭力沖擊器復(fù)合鉆具試驗。中煤科工集團西安研究院有限公司開展了基于“單彎螺桿馬達＋小直徑扭力沖擊器”的多動力定向鉆進地面試驗，試驗點位于陜西省渭南市白水縣林皋鎮(zhèn)白石河村1 處廢棄采石場。開采石材巖性以中粒砂巖、細粒砂巖為主，并夾雜少量泥質(zhì)砂巖，目標巖層普氏硬度系數(shù)5～8 級，完成地面試驗鉆孔4個，最大試驗鉆孔深度54 m，綜合機械鉆進效率達到10 m/h 以上。在相同的鉆進工藝參數(shù)條件下，螺桿馬達定向鉆具組合中增加φ95 mm 小直徑扭力沖擊器后，平均機械鉆進效率提升約28%。表明小直徑扭力沖擊器在硬巖定向鉆孔施工中具有明顯的提速效果。

4 結(jié) 語

1）煤礦井下近水平定向鉆進同樣存在著“黏滑振動”，黏滑振動是由于鉆頭與目標巖層相互作用力，造成鉆桿柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)吸收了能量（轉(zhuǎn)化為彈性勢能），能量足夠大以后，彈性勢能驅(qū)動鉆頭高速回轉(zhuǎn)而造成的，由此可見，黏滑振動在深孔鉆進中更易出現(xiàn)（鉆桿柱長度長，等效扭轉(zhuǎn)剛度低），并且隨著孔深的延伸而加劇。

2）黏滑振動會造成鉆柱處于或?；蚋咚傩D(zhuǎn)的工作狀態(tài)，對鉆頭、鉆桿接頭等薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生周期性的沖擊，對鉆桿、螺桿馬達和鉆頭均會造成不同程度的疲勞破壞，導(dǎo)致增加起下鉆次數(shù)以及孔內(nèi)事故發(fā)生幾率，并最終降低綜合鉆進效率。

3）通過降低鉆壓可降低鉆頭切削扭矩，增加轉(zhuǎn)速可降低黏滑過程中扭矩累積時間，均可在一定程度上緩解黏滑振動。

4）通過軸向、周向沖擊工具有利于目標巖層破碎，降低了碎巖扭矩；使鉆具與孔壁之間的摩擦由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?，有助于鉆壓和扭矩的傳遞。2 方面原因改善了鉆桿柱的受力條件，可有效抑制黏滑振動。工程應(yīng)用實例證實了軸向、周向沖擊鉆具緩解黏滑振動的作用。