魏宏超,姚寧平,豆旭謙,張金寶
(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
隨著大功率定向鉆探設(shè)備的推廣,特別是煤礦井下近水平定向鉆孔3 353 m 世界紀(jì)錄的產(chǎn)生,煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)已逐漸成為煤礦瓦斯抽采、水害治理和地質(zhì)勘探的主要鉆探方法[1-4],且應(yīng)用范圍越來越廣。隨著鉆遇地層復(fù)雜程度的增加,伴隨而來的是定向鉆孔孔內(nèi)事故發(fā)生率的增加[5-6]。套銑打撈技術(shù)作為一種方法簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠、成功率高的孔內(nèi)卡/埋鉆具處理方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。在套銑打撈過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)套銑鉆具被卡、埋的二次事故情況,采用內(nèi)切割工具處理套銑打撈二次事故是一種行之有效的方法[9-10]。目前鉆孔內(nèi)切割器主要有機(jī)械式、水力式、化學(xué)式和磨料射流式等4類,其中:機(jī)械式內(nèi)切割器[11]是最早應(yīng)用的方法,其主要是利用摩擦塊與管壁的摩擦力固定推塊,使切削刀在重力作用下沿推塊斜面滑出后旋轉(zhuǎn)切割,存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、切割刀易崩齒、摩擦塊坐封成功率較低等問題;水力式內(nèi)切割器[12]是利用液壓推動(dòng)活塞桿將切削刀頂出后旋轉(zhuǎn)切割,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但因其無法確定切割效果,容易誤判而導(dǎo)致重復(fù)下鉆和多次切割;化學(xué)式切割器[13]是采用電流激發(fā)混合劑的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫對(duì)套管熔斷切割的方法,適合小尺寸連續(xù)管的事故處理;磨料射流式內(nèi)切割器[14-15]是在高壓水中摻入磨料顆粒,經(jīng)由噴嘴噴出后形成切削刀進(jìn)行切割,但隨著噴距的增加,射流能量的衰減會(huì)造成切割不完全。在現(xiàn)有內(nèi)切割到中,水力式割刀因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制造且成本低而被普遍采納[16]。但現(xiàn)有水力式內(nèi)切割器在施工時(shí)存在對(duì)司鉆操作要求高、刀具容易磨損、容易發(fā)生偏心等問題[16],且針對(duì)煤礦井下小口徑近水平鉆孔套銑鉆桿內(nèi)切割器的研制與應(yīng)用較少。
鑒于此,在現(xiàn)有機(jī)械式內(nèi)切割器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種用于煤礦井下近水平定向鉆孔套銑鉆桿切割的棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器,該切割器利用流體壓力壓縮彈簧蓄能,采用二級(jí)棘輪定位切割作業(yè),蓄能彈簧起到蓄能緩沖作用,能夠降低刀具因瞬變力而導(dǎo)致的損壞,操作簡(jiǎn)單,安全高效。
現(xiàn)有的水力式內(nèi)切割多采用水力擠壓式結(jié)構(gòu),該類裝置內(nèi)置活塞和壓縮彈簧,其中活塞在水壓作用下產(chǎn)生位移進(jìn)行推動(dòng)連接刀具或伸縮刀具張開,完成套管切割動(dòng)作。水力擠壓式內(nèi)切割器原理示意圖如圖1。
圖1 水力擠壓式內(nèi)切割器原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic extrusion internal cutter
棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器以水力擠壓式結(jié)構(gòu)為原型,對(duì)推送機(jī)構(gòu)和刀具伸出機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化。其工作流程為:將棘輪式二級(jí)定位套銑鉆桿內(nèi)切割器安設(shè)到位后,采用高壓清水推動(dòng)活塞式推送器,帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)棘輪軸向運(yùn)動(dòng),壓縮復(fù)位彈簧和推送彈簧,推動(dòng)錐形推送桿剪斷銷釘,錐形推送桿將切削刀推出;停止高壓水,旋轉(zhuǎn)棘輪卡在二級(jí)棘輪定位外管的二級(jí)齒條上;打開低壓水,旋轉(zhuǎn)內(nèi)切割器,錐形推送桿在推送彈簧的作用下,推動(dòng)切削刀切割套銑鉆桿;切成完成后,打開高壓水,旋轉(zhuǎn)棘輪越過一級(jí)齒條復(fù)位,并帶動(dòng)T 型連接桿和錐形推送桿復(fù)位,切削刀在復(fù)位彈簧作用下收回外管內(nèi)。
棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器性能特點(diǎn):①采用全機(jī)械設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,易加工制造且成本低;②以活塞棘輪裝置實(shí)現(xiàn)蓄能功能,較少對(duì)持續(xù)水壓的依賴,作業(yè)過程中不受水壓波動(dòng)影響,切割平穩(wěn),避免刀片切割油管時(shí)的切削量發(fā)生較大波動(dòng),從而盡可能的消除打刀現(xiàn)象;③兩級(jí)齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了切割到位報(bào)信功能,且切削刀能夠自動(dòng)復(fù)位,便于使用與操作。
棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器技術(shù)參數(shù):①外徑:89 mm;②長(zhǎng)度:1 100 mm;③切割刀最大外徑:119 mm;④扶正器外徑:94 mm;⑤流量300 L/min時(shí)的啟動(dòng)壓差:4 MPa;⑥流量300 L/min 時(shí)的完成壓差:4 MPa。
棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器結(jié)構(gòu)如圖2。由二級(jí)棘輪定位外管、節(jié)流針、活塞密封圈、活塞式推送器、旋轉(zhuǎn)棘輪、復(fù)位彈簧、推送彈簧、中外管、T型連接桿、定位套、銷釘、錐形推送桿、下外管、切削刀復(fù)位彈簧、切削刀、扶正套等組成。
圖2 棘輪式二級(jí)定位小口徑鉆具內(nèi)切割器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the ratchet two-stage positioning small-diameter internal cutter
錐形推送桿與切削刀刀尖的幾何模型如圖3,以軸線方向?yàn)閤 軸,以垂直軸線方向且通過銷軸中心為y 軸,N1點(diǎn)為錐形推送桿與切削刀的初始接觸點(diǎn),N2為錐形推送桿與切削刀位移后的接觸點(diǎn)。
圖3 錐形推送桿與切削刀刀尖的幾何模型Fig.3 Geometric model of conical push rod and cutting tool tip
在切割過程中,假設(shè)h 為錐形推送桿的移動(dòng)距離,θ 為此過程切削刀的轉(zhuǎn)角,T 為切削刀伸出的距離,則:
式中:x1為N1點(diǎn)到y(tǒng) 軸的距離;y1為N1點(diǎn)到O點(diǎn)的垂直距離;α 為OP 和ON1的夾角;T1為OP 的距離。
棘輪式二級(jí)定位機(jī)構(gòu)由4 部分組成:二級(jí)棘輪定位外管、活塞式推送器、旋轉(zhuǎn)棘輪和復(fù)位彈簧。二級(jí)棘輪定位外管起到將旋轉(zhuǎn)棘輪二級(jí)定位的功能,活塞式推送器與旋轉(zhuǎn)棘輪端面接觸,起到推動(dòng)旋轉(zhuǎn)棘輪軸向和周向運(yùn)動(dòng)的作用。二級(jí)棘輪定位外管剖面圖如圖4,活塞式推送器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5,旋轉(zhuǎn)棘輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖6。
圖4 二級(jí)棘輪定位外管剖面圖Fig.4 Section graph of the secondary ratchet positioning outer tube
圖5 活塞式推送器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of the piston pusher
圖6 旋轉(zhuǎn)棘輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of the rotating ratchet
二級(jí)棘輪定位外管與鉆桿連接,內(nèi)設(shè)有凹槽,凹槽間設(shè)有6 組兩級(jí)環(huán)形排列的齒條,一級(jí)齒條寬度為二級(jí)齒條寬度的2 倍,二級(jí)齒條高于一級(jí)齒條,其中一級(jí)齒條用于定位旋轉(zhuǎn)棘輪,起到鎖定推送彈簧蓄能的作用。
1)切割扭矩計(jì)算。在套管切割作業(yè)時(shí),孔口扭矩由2 部分組成[17]:刀具的切割扭矩和鉆柱產(chǎn)生的慣性扭矩。
式中:M 為孔口切割扭矩,N·m;M1為切割器切削套管產(chǎn)生的扭矩,N·m;M2為鉆桿柱的慣性扭矩,N·m;n 為切削刀個(gè)數(shù);f 為切割摩阻系數(shù),mm,f值與管壁粗糙度,刀尖是否碎裂、磨損,切割時(shí)的吃刀深度等許多因素都有關(guān)[18];F 為套管作用于切削刀上的等效力,kN;B 為切削寬度,mm;S 為每齒進(jìn)尺量,可取0.12~0.20 mm;Z 為硬質(zhì)合金切削刃個(gè)數(shù);?為鉆柱角加速度,rad/s2;qm為鉆柱線質(zhì)量,kg/m;l 為鉆柱總長(zhǎng)度,m;de為鉆桿內(nèi)徑,mm;d 為鉆桿外徑,mm。
2)推送彈簧推送力[19]。
式中:Ft為推送彈簧的推動(dòng)力,kN;L1為切削刀刃P 點(diǎn)至切削刀旋轉(zhuǎn)中心O 點(diǎn)的距離,mm;β 為ON1與鉆具周平面的夾角。
山西某礦施工底板梳狀壓裂定向鉆孔補(bǔ)1 號(hào)孔1-5 號(hào)分支孔時(shí),鉆進(jìn)至孔深462 m 見煤層底板泥巖,施工至498 m 時(shí)出現(xiàn)塌孔憋泵現(xiàn)象,提鉆至486 m 進(jìn)行掃孔時(shí)發(fā)生卡鉆事故,事故鉆具組合為:φ120 mm 定向鉆頭+φ89 mm 螺桿馬達(dá)+φ89 mm 泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)+φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆桿+水便。定向鉆孔軌跡平面圖如圖7,定向鉆孔軌跡剖面圖如圖8。
圖7 定向鉆孔軌跡平面圖Fig.7 Plane graph of directional drilling track
圖8 定向鉆孔軌跡剖面圖Fig.8 Section graph of directional drilling track
在采用“強(qiáng)力回轉(zhuǎn)起拔”工藝處理時(shí),φ89 mm整體銑削式螺旋鉆桿在147.9 m 處摩擦焊接位置斷裂,隨后采用“φ127 mm 套銑鉆頭+φ114 mm 套銑鉆桿”鉆具組合套銑施工至473 m 時(shí),套銑鉆具卡鉆,且在距離孔口2.7 m 處脫扣,鉆孔與鉆具結(jié)構(gòu)如圖9。
圖9 鉆孔與鉆具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of borehole and drilling tools
因該鉆孔為壓裂鉆孔,須將鉆孔內(nèi)333 m 之前的φ114 mm 套銑鉆桿取出后才能進(jìn)行裸孔壓裂。確定了:“反絲公錐+反絲鉆桿”處理φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆具,結(jié)合內(nèi)切割器處理φ114 mm 套銑鉆具的組合方案,力爭(zhēng)將孔深≥351 m 以內(nèi)的鉆具全部取出。
φ89mm 整體銑削式螺旋鉆具反絲處理。采用“φ73-95/95-F 型反絲公錐+φ89 mm 反絲鉆桿”將φ114 mm 套銑鉆桿內(nèi)φ89 mm 整體銑削式螺旋鉆桿反絲處理至465 m。
采用“棘輪式二級(jí)定位內(nèi)切割器+φ89 mm 鉆桿”組合,將棘輪式二級(jí)定位內(nèi)切割器下入φ114 mm 套銑鉆桿至孔深446.5 m 處(鉆桿與內(nèi)切割器接頭位置),內(nèi)切割器扶正套位于φ114 mm 套銑鉆桿接頭處,打開泥漿泵后,緩慢增加清水流量,泵壓升至6.4 MPa 時(shí),活塞式推送器壓縮推送彈簧蓄能,切削刀開始打開且與φ114 mm 套銑鉆桿內(nèi)壁接觸;減小流量,旋轉(zhuǎn)棘輪卡在二級(jí)棘輪定位外管的二級(jí)齒條上,將流量調(diào)整至100 L/min,泵壓穩(wěn)定在2.2 MPa,用于冷卻切削刀;緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具,轉(zhuǎn)速控制在40 r/min 左右;每間隔5~8 min 增加流量,觀察泵壓是否出現(xiàn)下降情況;切割至21 min 時(shí)增加泵量至300 L/min,泵壓由6.4 MPa 降至3.5 MPa,活塞式推送器與節(jié)流針脫開,切削刀完全打開,旋轉(zhuǎn)棘輪越過一級(jí)齒條復(fù)位,切割完成。
采用“φ108/57 公錐+φ89 mm 鉆桿”組合,將孔深2.7 m 至446.5 m 共計(jì)443.8 m 的φ114 mm 套銑鉆桿提出鉆孔。
從煤礦井下近水平定向孔套銑鉆具卡/埋鉆事故處理出發(fā),將棘輪式二級(jí)定位機(jī)構(gòu)應(yīng)用到水力擠壓式內(nèi)切割器中,采用推送彈簧蓄能為切削刀提供切削壓力的方式,設(shè)計(jì)的新型棘輪式二級(jí)定位小口徑內(nèi)切割器,滿足φ114 mm 套銑鉆具切割的需求。結(jié)果表明:該新型內(nèi)切割器通過一級(jí)齒條為推送彈簧定位蓄能,位置穩(wěn)定可靠,消除了切割過程中對(duì)水壓的高精控制要求,且為切削刀提供了柔性的推送力,減少了因水壓不穩(wěn)造成的切削刀沖擊崩齒現(xiàn)象;該裝置在發(fā)揮水力擠壓式機(jī)械內(nèi)切割器優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,利用活塞式推送器和節(jié)流針組合,實(shí)現(xiàn)了切削刀完全張開報(bào)信功能,使用操作簡(jiǎn)便、控制簡(jiǎn)單,降低了對(duì)操作人員的使用技術(shù)要求,且應(yīng)用效果較好;對(duì)內(nèi)切割器的設(shè)計(jì)提供一種新的思路,但在設(shè)計(jì)中未考慮切削刀具的簡(jiǎn)便更換以及其使用壽命等問題,且對(duì)棘輪式二級(jí)定位機(jī)構(gòu)與刀具受力運(yùn)動(dòng)的綜合分析尚有待完善。