松软煤层压风钻进及下筛管地面模拟实验

秦金辉

(山西焦煤霍州煤电集团 李雅庄煤矿,山西 霍州 031400)

瓦斯作为一种高效清洁能源,国家鼓励抽采和利用瓦斯,鼓励企业“以用促抽、以抽保安全”[1-3],保证煤炭资源安全、高效开采。高浓度瓦斯松软煤层中施工顺煤层钻孔时,在钻进、退钻过程中及退钻后,钻孔在地应力、瓦斯压力和钻扰动力的综合作用下易出现塌孔,一方面会严重影响钻进深度,另一方面会堵塞抽采通道,影响瓦斯抽采效果[4-10]。采用压风钻进和孔内下筛管的方法能够提高钻孔的钻进深度和成孔率,煤层预抽效果将显著提高[11-16]。压空气钻进在松软煤层中施工瓦斯抽采钻孔时，以矿井压风作为风源,供风压力低,且风量不稳定,钻孔施工至一定深度后排粉困难。有关研究以现场实践和理论分析为主,而孔内风压沿程损失规律、孔底风压变化规律等没有直观观测,限制了其成孔深度。此外,松软煤层中瓦斯抽采钻孔成孔提钻后易出现坍塌堵孔现象,影响瓦斯抽采效果。

霍州煤电集团李雅庄矿主采2#煤层,煤层埋深565～610 m,煤层平均厚度2.75 m,煤层倾角6°左右,煤坚固性系数一般在0.46～0.80之间,部分区域小于0.5。预抽钻孔钻进困难,钻孔长度难以突破150 m,需要在工作面两巷施工钻孔,且塌孔严重,成孔率不足30%,预抽效果较差。如何实现本煤层长距离钻进及成孔成为保障本煤层预抽效果的当务之急。本文针对李雅庄煤矿压风钻进过程中存在的问题,开展了松软煤层风力排渣钻进地面模拟实验和工程实践,实现了松软煤层长距离钻进和护孔。

1 实验目的及内容

为初步掌握风力排粉过程中风压在钻孔环状间隙内的变化规律和煤屑运动方式,验证钻杆内下放瓦斯抽采筛管护孔技术的工艺可行性,在此与中煤科工集团重庆研究院合作研制了模拟实验装置。地面模拟实验主要包括以下几个方面的内容。

1)根据松软煤层特点选择具有代表性的煤屑作为模拟煤层填充材料,根据工艺要求选择套管和有机玻璃管的尺寸,设计制作模拟施钻煤层。

2)根据实验目的与工艺要求连接实验设备与器材,在适当位置安装传感器及相应线路,建立数据采集系统。

3)模拟实际钻进过程,改变风量、风压等钻进工艺参数,利用可移动高清摄像机在有机玻璃管处观察钻头破碎孔底煤层情况和煤屑在钻孔环状间隙内的运移情况。

4)利用压力变送器采集各测点风压数据,对数据进行汇总处理,总结不同工况下孔内风压变化规律。

5)护孔筛管下放到位后与内芯可脱式钻头配合进行钻头自脱,检验内芯可脱式钻头结构的合理性与可靠性。

2 实验方案

为了使模拟实验结果与现场施工情况相符,同时能够获得相关技术资料,在此除了使用与工业性试验相同的设备与器材外,还应该建立与松软煤层较为相似的模拟煤层和完善的数据采集系统。本次模拟实验方案如下。

1)设计制作模拟煤层。模拟实验与实际钻进过程的相似度主要取决于模拟煤层与松软煤层的相似程度。实验所建立的模拟煤层应具有松软煤层的显著特点,并具有良好的成孔性。为了达到该目的,选择与实验用钻头成孔孔径相似的套管和有机玻璃管,在内部填充源自松软煤层的煤屑,长度为100～200 m。

2)建立数据采集系统。现场采用风力排粉钻进时,无论使用矿井系统压风还是由空压机提供压缩空气,对风压和风量的控制概念均较为淡化,没有充分利用这两个参数进行优化钻进。本次实验将建立完善的数据采集系统,在模拟煤层的不同位置安装压力变送器,记录不同孔深处的压力;同时在有机玻璃管处安装摄像机,记录煤粉在压缩空气的携带下在钻孔环状间隙内的运动状态。

3)模拟钻进过程。模拟钻进过程与实际钻进过程一样,在孔口由全液压坑道钻机提供的扭矩与钻压通过钻杆传递到钻头,钻头在孔底切削破碎煤层,由空气压缩机提供的压缩空气经水辫、钻杆内通孔、钻头进入孔底冷却钻头,并将钻头切削下的钻屑经环状间隙携带至孔外,通过孔口集尘装置进入除尘装置进行气体与钻屑的分离,钻进至预定孔深后通过钻杆内通孔下放护孔筛管,筛管到位后向可脱式钻头内芯施加推力,使其脱离钻头体,然后提钻使护孔筛管留在孔内。

3 数据采集系统

数据采集系统包括风力参数采集系统和运动状态观察系统。数据采集系统连接示意图，如图1所示。

图1 数据采集系统连接示意图Fig.1 Connection diagram of data collection system

风力参数采集系统包括流量计、压力变送器和无纸记录仪。流量计用于测量空气压缩机提供的压缩空气的压力、流量等参数,安装于空气压缩机与变头之间。压力变送器用于采集不同孔深处环状间隙内的风压数据,在模拟煤层管道上等间距布置,压力变送器测量的数据通过电缆传输到无纸记录仪进行记录与显示,必要时可将数据传输到电脑,用电子表格进行处理与分析。

运动状态观察系统包括高清摄像机、固定摄像机和录像机解码器。高清摄像机为可移动式,实验过程中用于跟随钻头拍摄钻头在孔底的碎岩状态和钻屑在冲洗介质的带动下在钻孔环状间隙内的运动状态。固定摄像机用于拍摄固定位置钻屑的运动状态。录像机解码器连接在摄像机和计算机之间,对传输图像进行解码,并将解码数据传输到计算机进行显示。

4 地面模拟实验

4.1 实验准备工作

1)建立模拟煤层。根据实验设计方案,将套管和有机玻璃管采用法兰交替连接,连接过程中每6 m预留一个压力变送器接口。

2)连接实验设备。实验模拟煤层放置在地面上,为了保证钻杆与套管的同心度,安装钻机时将钻机放置在凹坑内。实验设备与仪器的连接,如图2所示。

图2 实验设备与仪器连接示意图Fig.2 Experiment equipment and instruments connection diagram

3)安装数据记录系统。在模拟煤层套管上预留的位置安装压力变送器,以便在实验过程中实时记录各测点压力变化情况,用电缆将各变送器与无纸记录仪连接,最后连接到电脑上。在空气压缩机和水辫之间安装流量计,记录供风参数。在预设地点安装摄像机以拍摄煤屑在环状间隙内的运移情况,并安装可移动高清摄像机,实验时全程拍摄实验情况,将各摄像机连接到录像机解码器进行图象显示。

4.2 实验过程

1)钻进过程。本次实验钻进过程是一项辅助工作,主要为其他各步骤提供实验条件。采用普通回转钻进工艺,通过控制进给速度来控制钻屑量,通过控制风量、风压来控制钻屑在环状间隙的运移方式。

2)数据采集过程。在钻进过程中,用流量计测量由空气压缩机提供的压缩空气的流量与压力,各测点的压力变送器对不同工况下的风压进行观测与记录,并存储到数据记录系统,在有机玻璃管处用摄像机拍摄煤屑的运移状态,用移动摄像机跟随钻头拍摄钻头破碎煤层的状态和钻头处钻屑的运动状态。地面模拟实验照片,如图3所示。为了便于观察钻头自脱过程,钻进到预定位置后,将套管在钻头处卸开,露出钻杆与内芯可脱式钻头,在孔口处通过钻杆内通孔向孔内下放筛管,到位后筛管将向内芯可脱式钻头的内芯施加轴向推力,使其与钻头体分离,钻头自脱后提钻,筛管留在孔内。

图3 地面模拟实验Fig.3 Simulation experiment on the ground

4.3 实验分析与总结

风压是空气钻进技术关键的工艺参数之一,分析风力排粉过程中孔内风压的变化规律,对深入了解空气钻进原理、完善操作工艺有积极的理论指导意义。此次实验通过安装于套管内壁的压力变送器监测风力排粉时的压力变化情况;通过拍摄有机玻璃管内钻屑的运动情况,了解钻屑运动机理。

4.3.1不同钻孔深度沿程压力损失

随着孔深的增加,相同深度处压力损失会有所变化,为量化这一变化规律,对所得实验数据进行分析,得出几组不同孔深的压力损失规律,如图4所示。从图4可以得出如下结论:

图4 不同钻孔深度沿程压力示意图Fig.4 Pressure at the different drilling depths

1)在环状间隙内,孔底至孔口的压力差随着钻孔深度的增加而增大,其主要原因是钻孔轨迹为空间曲线且钻孔内壁凹凸不平,随着钻孔深度的增加,压缩空气与钻屑组成的气固两相流的沿程压力损失增加,同时空气将钻屑携带至孔口所做的功也增加,这些都需要由空气的压力损失来补偿。

2)在环状间隙内,临近孔底段的压力损失明显大于相同距离其他各段的压力损失。当钻头钻进至压力变送器附近时,临近孔底的两个压力变送器间的压力损失明显大于其他相邻压力变送器间的压力损失。该段压力损失约为钻屑与气体相对稳定状态下相邻两压力变送器间压力损失的3～5倍。

3)对于一定深度的钻孔,当钻屑在压缩空气带动下开始运动并进入相对稳定的状态后,在环状间隙内单位长度下的压力损失基本为定值,即可认为气固两相流进入稳定运动状态直至孔口,在该范围内,两相流的沿程压力损失与长度呈正比。

4)孔口处两相流的压力损失明显高于其在稳定运动状态下的压力损失,主要原因是在孔口集尘装置内两相流的运动方向由平行于钻杆方向变为垂直于钻杆方向,在这一过程中,钻屑发生聚集、碰撞等现象,将产生局部压力损失。

4.3.2不同钻孔深度下孔底风压变化规律

孔底风压随孔深增加的变化情况,如图5所示。

图5 孔底风压随钻孔延伸的变化Fig.5 Wind pressure variation at the bottom with the drilling extension

从图5可以看出,孔底风压随孔深增加而增大,但其增加的幅度随着孔深的变化有所不同。在孔深80 m以内,空压机输出风压保持在0.3 MPa左右,孔底风压随孔深的增加而增大的幅度较小,在该孔段钻进过程中,排粉正常；当孔深达到85 m以后,为提高孔内排粉效率,改变钻屑运动状态,空压机输出风压提高到0.5 MPa左右,此时孔底压力增大趋势明显。这说明在风力钻进成孔过程中,孔底风压的变化随孔深增加而增大的同时,与输入风压密切相关。在实际钻进过程中,在满足排粉要求的前提下应尽量避免频繁调整空压机的供风参数,要采取必要的工艺措施保持较为均匀的钻进速度,使孔底压力损失保持均匀变化,避免出现压力突变而影响正常排粉。

4.3.3一定孔深处的风压随孔深增加的变化规律

不同孔深位置处随钻孔延伸的风压变化情况，如图6所示。

图6 30 m，50 m，70 m孔深处随钻孔延伸的风压变化Fig.6 Wind pressure variation at the drilling depths of 30 m, 50 m, and 70 m

从图6曲线可知,孔深较浅处的风压随钻孔延伸的变化幅度较大,其变化不确定性也较大。孔深较浅处在钻孔延伸过程中所堆积的钻屑会越来越多,在钻杆回转给进过程中对钻屑的扰动直接影响了该处风压。此时,随着钻孔的延伸,孔口附近孔段堆积钻屑的及时排除就显得尤为重要。

30 m、50 m和70 m孔深处在钻进过程中风压相差值均为10 kPa左右,并且随着孔深增加，差值略有增大,当钻孔深度接近100 m时,风压差值为15 kPa以上。结合图6,得到如下结论:

1)当钻孔深度在50～85 m之间时,空压机输出风压为0.3 MPa,30 m、50 m和70 m孔深处的风压相差值均为10 kPa左右。这表明,在保持正常钻进、孔内排粉顺畅的情况下,实验钻孔内部从深至浅每20 m的风压损失为10 kPa左右。

2)当孔深达到85～98 m时,空压机输出风压为0.5 MPa,30 m、50 m和70 m孔深处的风压相差值上升为20 kPa左右,由于孔深观测范围有限,其差值并没有表现出相对稳定的规律性。

3)经数据分析可知,风力钻进过程中,空气输送钻屑的沿程压力损失主要分为3个部分:钻屑加速段、相对稳定段和孔口段。在实验条件下,供风流量一定,给进速度一定,单位长度的压力损失基本为一恒定值,随着钻进深度的增加,压力损失不断累加。

4)筛管护孔工艺适应性。钻进过程中,钻头工作条件恶劣,钻头与煤壁的相互作用较为复杂。内芯可脱式钻头既要保证正常钻进需要,也要保证内芯在受到筛管的推力时能够灵活脱落。因此,钻进过程中需要考察分析内芯可脱式钻头钻进时的工作稳定性和内芯脱落时的灵活性。钻进完毕后,将末端套管法兰卸掉,露出钻头,进行内芯耐压实验。实验证明,当钻头静止,空压机输出压力0.8 MPa、风量796.4 m3/h的情况下,压缩空气的推力不会使内芯从钻头体脱落,二者配合稳定可靠。钻进成孔后,从大通孔风压密封钻杆内输送筛管,待筛管输送至孔底并顶脱钻头的内芯后,再提出钻具。下放筛管工艺可以解决松软煤层中提出钻具后塌孔、成孔难的问题,以保证瓦斯抽采效果。钻进成孔后,进行筛管输送实验。实验时孔内钻杆总长度104 m,分别输送整体式筛管和插接式筛管。输送前在筛管顶端安装圆锥型导向头,确保筛管在钻杆内部顺利输送,如图7所示。

通过此次模拟实验,对松软煤层空气钻进有了更加深入的认识,初步了解了压缩空气与煤屑两相流在环状间隙内的运动状态和压力损失规律,验证了内芯可脱式钻头的工作性能和在钻杆内通孔下放筛管的可行性。

5 结论

1)在环状间隙内,临近孔底段的压力损失约为钻屑与气体相对稳定状态下相邻两压力变送器间压力损失的3～5倍。

2)模拟实验过程中供风流量一定,给进速度一定的情况下,单位长度的压力损失基本为一恒定值,随着钻进深度的增加,压力损失不断累加。钻进深度达到85 m后,空压机输出风压提高到0.5 MPa左右。在工业性试验和实际钻进过程中,钻进深度达到96 m后,应逐步提高供风压力。

3)压缩空气自空压机输出至第一根钻杆间的压力损失较大,约占总损失的55%左右,在设计从空压机出口至钻杆的管道时应该尽量增大过流截面,并尽量保证过流截面不变,以减少局部压力损失。

4)整体式筛管盘在一起给运输和下放带来一定困难,插接式筛管单节体积小,插接方便,便于现场操作,实际应用过程中应优先选择插接式筛管。