井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺研究

2022-08-09 06:51
煤田地质与勘探 2022年7期
关键词:钻具煤粉螺杆

王 力

(1.煤炭科学研究总院 北京 100013;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077)

我国含碎软煤层赋存层位多、分布广,这类煤层透气性差、瓦斯含量高、煤体力学强度低[1]。煤矿井下碎软煤层钻进是开式循环、欠平衡钻进,没有静液柱压力平衡地层压力来维持孔壁的稳定性,孔壁易失稳,钻进时更易发生喷孔、塌孔,导致钻进困难、成孔深度浅、孔内事故频发、钻孔堵塞等问题[2],严重影响瓦斯治理。采用中风压空气钻进、高转速螺旋钻进等技术有效提高了碎软煤层的钻孔深度[3-6],上述研究主要是通过提高排渣效率、减少冲刷和软化孔壁等措施来提高成孔深度和成孔率的钻进方法,钻孔深度、成孔率等仍然受喷孔、塌孔的影响[7-8]。

借鉴石油钻井领域的套管钻进方法,集成中风压空气钻进的和套管钻进护孔的优势,“十二五”期间,中煤科工集团西安研究院提出了碎软煤层空气套管钻进技术,对套管钻进孔底组合钻具、钻进供风参数以及钻进施工流程进行了深入研究,把碎软煤层孔深提高到250 m、成孔率80%以上,取得了良好的应用效果[9],但该技术采用双管单动方法,内管为回转钻进钻具,无法实现定向钻进,且内管钻进时无法活动外管钻具,会造成沉渣卡钻。随着煤矿碎软煤层“以孔代巷”、递进式抽采等区域瓦斯治理需求的提出,对钻孔深度和精度有了更高的要求,在空气套管钻进技术的基础上,“十三五”期间中煤科工集团西安研究院开展了集随钻护孔、空气螺杆精确定向、筛管完孔等功能于一体的双管双动空气定向钻进技术研究[10-12],提高了碎软煤层钻孔深度,并且实现了钻孔轨迹精确控制。

笔者从双管双动空气定向钻进工艺方法出发,研究双管钻具级配与结构、供风参数、空气钻进排粉规律等关键工艺,以期为碎软煤层随钻护孔精确钻进提供新工艺方法,为双管双动定向钻进技术的开发提供理论基础。

1 双管双动空气定向钻进工艺方法

双管双动空气定向钻进钻具组合包括套管、套管钻头、空气螺杆钻具、扩眼器和领眼钻头等,钻具组合如图1 所示。

图1 双管双动定向钻进工艺方法Fig.1 Schematic diagram of techniques of double-pipe and double-acting directional drilling

以随钻护孔套管钻具和以空气螺杆钻具(弯角β=1.25°)为核心的定向钻具,由钻机双动力头分别驱动(双管双动力头定向钻机如图2 所示),实现双管双动钻进,还可以根据排渣、定向效果等情况,实现内管定向钻具和外管套管钻具在一定超前距 ΔL范围内差动。该方法的优势在于内管为空气螺杆钻具,可以进行碎软煤层随钻测量定向钻进;外管为螺旋套管钻具,可以随定向钻进轨迹跟进随钻护孔,双管在各自动力头驱动下可以相互独立地进行旋转钻进护孔、定向钻进。

图2 双管双动力头空气定向钻机Fig.2 Schematic diagram of the double-pipe and double drill head air directional drilling rig

双管双动空气定向钻进分为定向钻进和复合钻进两个工艺过程。定向钻进时,钻杆动力头带动螺杆钻具滑动定向钻进,同时套管动力头带动套管以较低转速回转跟管钻进,实现套管随钻护孔,钻屑从内外环空排出孔外,实现连续钻进。复合钻进时,钻杆动力头带动螺杆钻具复合钻进,同时套管动力头带动套管以较低转速回转跟管钻进,并随钻护孔,钻屑主要从内环空排出孔外,实现连续钻进,这两个钻进过程中套管是反丝连接、反向旋转的,防止双管旋向一致导致套管松扣。钻进结束后,先将内管定向钻具从套管内提出,套管暂时留在孔内,然后从套管内通孔下入大直径筛管,完成后将套管提出,把筛管留在孔内终孔,钻进过程示意如图3 所示。

图3 双管双动钻进过程Fig.3 Schematic diagram of double-pipe and double-acting directional drilling process

2 关键钻具及钻进工艺参数研究

2.1 钻具级配及结构

双管钻具级配和结构是实现双管双动定向钻进工艺方法的核心,关系到钻进工艺参数的选择,根据排粉环空最大、供风损失以及钻孔孔径最小原则,确定了钻具结构和级配。

1)钻具级配

双管钻具既要考虑套管与套管钻头的级配、还要考虑带弯角的气动螺杆钻具在套管内的通过性,钻具通过性试验如图4 所示。以ø73 mm、弯角1.25°空气螺杆钻具为基准,结合现有钻探管材标准,确定领眼钻头直径为90 mm,底扩式扩眼器直径120 mm,套管心杆采用ø114 mm 标准管材,公接头处最小内通孔直径96 mm、焊接螺旋叶片后外径 120 mm,套管钻头直径140 mm。

图4 空气螺杆螺杆钻具通过性试验Fig.4 Test of air motor running though the casing

2)螺旋套管结构

钻进时,套管钻头切削的部分煤粉需要从外环空排出孔外,因此将套管设计为宽叶片螺旋套管,螺旋叶片可以输送和搅动煤粉,辅助空气进行双动力复合排粉,提高排粉效率,螺旋叶片的头数、升角、螺距等都会影响钻进排粉效率,螺旋叶片作用下煤粉运动分析如图5 所示。

图5 螺旋钻进煤粉颗粒运动分析Fig.5 Motion analysis diagram of coal particles in auger drilling

以螺旋叶片上O点的煤粉颗粒M 作为研究对象,vR是沿O点法线方向煤粉颗粒的绝对运动速度,由于煤粉与螺旋叶片存在摩擦,vN是煤粉颗粒与法线偏转一定摩擦角β方向的实际运动速度。对vN进行分解,可得到煤颗粒的轴向速度vA和圆周速度vC。vA即是煤粉轴向输出速度,而vC沿螺旋钻杆径向使煤粉产生上下翻滚,起到了搅动煤粉的作用[13-14],有利于空气携带排粉,这正是采用宽叶片螺旋钻杆空气钻进提高排粉效率的工艺原理。

由图5 分析可得到如下公式:

根据螺旋钻杆结构理论可知:

式中:L为螺旋叶片螺距,m;n为套管或钻杆转速,r/min;P为螺旋叶片导程,m;D1为套管直径,mm;s为螺旋叶片头数,可取1、2、3;α为螺旋升角,(°);β为煤与螺旋叶片摩擦角,(°);μ为煤与螺旋叶片摩擦因数,常取0.46。

由式(1)可知,煤粉轴向运动速度与螺距、钻具转速成正比。由于套管的主要作用是护孔,套管钻头的切削量较小,且大部分煤粉从内环空排出孔外,套管转速最高70 r/min,叶片主要起搅动、研磨煤粉的作用。因此,煤粉轴向运动速度可以近似看做与螺旋叶片螺距成正比。当螺距较大时,煤粉轴向输送速度vA增大,但会出现煤粉圆周速度vC过小,搅动煤粉作用减弱;当螺距较小时,圆周速度分量增大,搅动煤粉作用增强。在确定最优螺距时,套管在较低转速的情况下,螺旋设计尽量使煤粉颗粒输送速度vC≥vA,这样才能满足搅动煤粉、辅助排粉的要求。多头螺旋相当于有多条螺旋线在输送和搅动煤粉,相同条件下的排粉效果要优于单头螺旋,但此时每个螺旋叶片都会参与搅动、研磨钻屑,就会增大排粉阻力,反而不利于排粉。一般螺旋叶片设计为1~3 头,孔径较大、煤层较硬时选择3 头,综合碎软煤层性质、增大导程等因素,确定套管螺旋叶片为2 头设计。

将式(2)、式(4)代入式(1)可得式(5):

因此,式(5)中煤粉轴向运动速率vA是一个关于螺距的函数,在不同转速下,煤粉轴向运动速度vA随螺距的增大出现先增加后减小的趋势,在螺旋叶片合理参数取值范围内存在最佳螺距,如图6 所示。复合钻进时尽量在钻机的能力范围内提高转速,以提高搅动煤粉效果。

图6 不同转速下vA 与螺距关系Fig.6 The relationship of vA and pitch under different rotation rate

根据钻探工艺要求,由式(3)得到的周向搅动煤粉速度也较大以及加工方便等因素,螺距为100 mm,则导程为200 mm,叶片高度为3 mm,宽度20 mm,反螺旋套管如图7 所示。

图7 ø120/96 mm 反螺旋套管Fig.7 ø120/96 mm reverse spiral casing

2.2 供风参数

1)供风量

双管双动定向钻进工艺的供风量要满足ø140 mm钻孔排粉、空气螺杆正常运行时耗气量。根据空气钻进理论与实践经验。要获得较高钻进排粉效率,必须保证钻杆与孔壁之间环状间隙的返风速度。实践表明,返风速度最小应达到15.2 m/s,最佳风速23 m/s 左右[15]。排粉所需风量按下列经验公式估算。

式中:Q为供风量,m3/min;D2和d分别为钻孔、钻具直径,mm;v为返风速度,一般取v≥15 m/s;K为系数,一般取1.3 左右;λ为扩孔系数(实钻孔径与理论孔径的比值)取1.0~1.1;当0.2≤f<0.5 时,取1.05~1.10;当0.5≤f<0.9 时,取1.00~1.05。

另外,供风量直接关系到空气螺杆钻具转速,供风达到螺杆设计排量时可有效发挥螺杆钻具的性能,供风量5~8 m3/min 时[15],螺杆钻具转速可达到165 r/min,按照双管双动定向钻进钻具级配、典型碎软煤层扩孔参数代入式(6)计算,供风量大于10 m3/min 即可满足钻进排粉、空气螺杆钻进的用风需要。

2)供风压力

为达到上述排粉风速,就要克服风流的各种阻力。供风压力损失主要包括管道压损、螺杆钻具压降、加速压损、摩擦压损等,供风压力大于上述各压力损失之和即可满足钻进压力需求。

式中:p为供风压力,Pa;Δp为总压力损失,Pa;Δppd为管路、钻杆压力损失,Pa;Δpam为螺杆钻具压降,Pa;Δpma为空气与钻屑加速压损,Pa;Δpmf为空气与钻屑摩擦压损,Pa。

供风管路长度取决于空压机安装位置,对于目前井下常用的17 m3/min,风压1.25 MPa 空压机来说,供风管路到钻场的长度应小于1 000 m,管路内通孔直径80 mm 以上,钻杆通孔孔径35 mm 以上,此时,在整个管路上压损0.3 MPa 左右,空气螺杆钻具压降0.5 MPa[16],此时可满足钻进需要,随着煤矿井下空压机的发展,可选择排气量20 m3/min、排气压力1.6 MPa以上空压机或制氮机作为供风风源,供风能力富余量更大,孔内复杂情况处理能力大,钻进效果更佳。

2.3 排粉规律

通过螺旋套管、螺旋钻杆空气钻进仿真分析,研究不同钻进工艺参数下煤粉运移量、分布状态规律,为钻进试验参数调整和优化提供理论依据。收集典型碎软煤层矿区空气钻进煤粉,通过筛分进行粒径分析,煤样粒径分布和数值模拟加权粒径分布见表1。

表1 煤粉样品粒径分布和加权粒径分布Table 1 Particle size distribution of coal sample and weighted particle size distribution

对于小颗粒煤粉(0.1 mm),在风量400 m3/h、转速80 r/min 时,煤粉在钻孔左右两侧沉积较多,其沉积程度主要受风量影响(图8)。当转速大于40 r/min 时,通过提高转速的方法改善其沉积程度效果不明显。对于大颗粒煤粉(0.3 mm 以上),其沉积程度受风量和转速双重影响,风量较低时,通过提高钻杆转速改善其沉积程度效果明显;煤粉沉积规律如图8b 所示。当煤粉颗粒离开孔底后,大致随着叶片的螺旋轨迹向孔外运移,离钻杆体越远,煤粉运移速度越高。

图8 煤粉颗粒运移规律模拟Fig.8 Migration law of coal particles

风量300~400 m3/h、转速80 r/min 时有较多煤粉沉积;风量400 m3/h 时,转速达到120 r/min 以上,才没有煤粉沉积;风量为300 m3/h 时,转速达到200 r/min时,才没有煤粉沉积;当风量增加到500 m3/h,转速40 r/min 时即没有煤粉沉积,说明增加风量比增加转速的提高排粉效果更明显。

根据仿真分析结果,结合中风压钻进实践经验,回转钻进转速控制在80 r/min 左右,风量最好达到500 m3/h;采用滑动定向钻进方式时,由于转速为0,要求保证更大风量减少沉积,风量应达到500 m3/h 以上;钻进过程中,当风量低于400 m3/h 时,应当充分回转扫孔排渣,确保孔内顺畅和施工安全。

3 钻进工艺试验

采用上述优化钻具和推荐工艺参数,在淮北某矿1076 回风巷10 煤进行了钻进试验。试验煤层厚度1.5~4.2 m,平均厚度2.85 m,煤层结构单一,倾角变化范围2°~17°,平均9.5°,煤层坚固性系数f=0.54。

1)试验配套设备

试验设备主要参数见表2。

表2 试验设备主要性能参数Table 2 Main performance of test equipments

2)试验效果

累计施工4 个试验钻孔,总进尺1 170 m,最大孔深354 m(右2 号孔)。其中,0 号孔为地层探查孔,单管定向钻进,孔深162 m;右1 号、右2 号、右3 号孔为双管定向钻进,其中两个孔孔深达350 m 以上,套管随钻护孔深度170 m 以上,有效保护了前段钻孔,并实现了套管随定向钻进护孔,试验钻孔施工情况见表3,钻孔轨迹如图9 所示,其中右2 号钻孔轨迹剖面如图10 所示。

图9 试验钻孔轨迹平面图Fig.9 Plan of test borehole trajectory

图10 右2 号试验钻孔轨迹剖面Fig.10 No.2 test borehole profile

表3 试验钻孔施工情况Table 3 Construction of test boreholes

滑动钻进时,风量500 m3/h 时,仍有大颗粒煤粉沉积,定向造斜完成后,应立即进行稳斜复合钻进,旋转内管钻具以尽快清除孔内沉积煤粉,实钻试验表明,孔深400 m、孔径140 mm 时,推荐钻进工艺参数为:转速40、60、80、120 r/min 时,对应风量应最小达到500、400、400、300 m3/h。

4 结 论

a.双管双动空气定向钻进综合了随钻套管护孔和空气定向钻进的优势,有效解决了碎软煤层钻进的痛点,是碎软煤层瓦斯递进式区域治理的新技术。

b.ø90 mm 领眼钻头+ø120 mm 扩眼器+ø73 mm空气螺杆钻具+ø73/35 mm 宽叶片螺旋钻杆的内管钻具+ø140 mm 套管钻头+ø120/96 mm 反螺旋套管的外管钻具组合,级配和结构满足双管双动空气定向钻进工艺要求。

c.钻进转速40、60、80、120 r/min 时,对应风量应最小分别达到500、400、400、300 m3/h,增加风量比增加转速的提高排粉效果更明显,滑动定向造斜完成后,应尽快复合钻进,清除沉积煤粉。

d.双管双动钻进钻具采用中间加卸双管,操作复杂,应进一步进行双管钻具加卸自动化研究,提高施工效率和便利性。

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