定向鉆進套銑打撈鉆桿的設(shè)計

牟培英，董萌萌，許翠華，莫海濤

(中煤科工集團西安研究院，陜西 西安710077)

近水平定向鉆進瓦斯抽采技術(shù)是基于隨鉆測量技術(shù)發(fā)展的瓦斯抽采技術(shù)，因其具有抽采量大、衰減期長、控制區(qū)域大等優(yōu)點，成為提高煤礦井下瓦斯抽采率的重要技術(shù)方法。然而鉆孔施工過程中，由于人為因素或自然因素可能導(dǎo)致孔內(nèi)事故，影響定向鉆進效率，造成經(jīng)濟損失。

為高效地處理近水平定向鉆進發(fā)生的鉆孔事故，促進定向鉆進瓦斯抽采技術(shù)的推廣，相關(guān)科研院所展開了近水平定向鉆進系統(tǒng)配套的打撈工藝的研究和打撈鉆具的研制，并取得了成效。

1 定向鉆進打撈工藝分析

圖1 隨鉆測量系統(tǒng)鉆具連接示意

煤礦井下定向鉆進配套鉆具一般由通纜送水器、通纜鉆桿、測量探管、無磁鉆桿及螺桿鉆具等組成，如圖1所示。

根據(jù)定向鉆進配套鉆具結(jié)構(gòu)特點，借鑒石油鉆井經(jīng)驗，研究確定適用于近水平定向鉆進打撈的工藝主要有公錐、母錐和套銑打撈3種。

公、母錐打撈是較為常見的打撈工藝，它主要是打撈掉入鉆孔內(nèi)的鉆具，或先將孔內(nèi)鉆具從某處解扣，將解扣處至孔口段鉆具提出，再根據(jù)孔內(nèi)鉆具情況選用反絲公錐或反絲母錐進行打撈，但是在近水平定向鉆進過程中，由于配套鉆具自重作用和鉆孔軌跡存在彎曲，公、母錐打撈工藝方法現(xiàn)場施工有一定難度，對于機臺人員的操作技術(shù)要求較高。

采用套銑式工藝進行打撈施工時，要求整套鉆具仍全部在鉆孔內(nèi)，不需要將未發(fā)生事故的鉆桿起鉆，而是將打撈鉆桿套在鉆桿外端，直接將打撈鉆桿下至孔內(nèi)事故處，利用打撈鉆頭將事故處的鉆屑等鉆出，以減少鉆屑對事故鉆桿的包覆力和摩擦力，使其轉(zhuǎn)動后，或?qū)⑹鹿抒@桿起鉆，或使用事故鉆桿繼續(xù)鉆進，隨后將打撈鉆桿提鉆取出(如圖2所示)。但是套銑式打撈工藝不適于斷鉆事故處理。

圖2 撈鉆桿工作示意

對比發(fā)現(xiàn)，套銑式打撈工藝對于煤礦井下近水平定向鉆孔施工中在較淺部位出現(xiàn)的塌孔引起的卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故處理可行性較強。

2 鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計及選材

由套銑打撈工藝原理可知，套銑式打撈鉆桿的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則:

(1)確保套銑環(huán)狀間隙。綜合考慮套銑工藝對沖洗液量的要求和套銑安全要求，合理設(shè)計套銑鉆桿內(nèi)徑與事故鉆桿外徑之間的環(huán)狀間隙;

(2)保證套銑鉆桿內(nèi)壁光滑，減小摩擦阻力，降低對事故鉆桿的磨損。

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足打撈工藝，套銑式打撈鉆桿設(shè)計為大通孔結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。母接頭和公接頭采用螺紋連接，且外徑較中間桿體外徑大。根據(jù)我院定向鉆進系統(tǒng)配套的隨鉆測量鉆桿(事故鉆桿)、鉆頭(直徑96 mm)、鉆機能力(最大額定扭矩6000 N·m)等參數(shù)設(shè)計打撈鉆桿外形尺寸參數(shù)見表1，這些參數(shù)的選取可以在保證打撈鉆桿接頭強度的前提下，為套銑事故鉆桿提供更大的環(huán)狀間隙。

圖3 鉆桿主體結(jié)構(gòu)

表1 套銑鉆桿與事故鉆桿外形參數(shù) /mm

2.2 選材

在套銑過程中，鉆桿受到拉、壓、彎、扭等多種復(fù)合力的周期性作用，在鉆桿連接接頭部位容易發(fā)生疲勞失效，如變形、斷裂等情況，因此，鉆桿的選材主要是對鉆桿接頭的選材。

地質(zhì)鉆桿常用的機械性能較好的接頭材料有40Cr、42CrMo(如表2所示)。40Cr材料，鋼材價格適中，加工容易，經(jīng)適當?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的強度和耐磨性。但是該材料韌性不足，鉆桿使用過程中，接頭容易出現(xiàn)粘扣等現(xiàn)象;42CrMo材料相對于材料40Cr，其強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，更加適合鉆桿的使用工況，且價格也比較適中。

表2 兩種接頭材料機械性能對比

2.3 接頭螺紋設(shè)計

為了確保套銑鉆桿的整體連接強度，保證鉆桿連接時的密封性，并滿足鉆桿大通孔的使用要求，鉆桿接頭采用螺紋連接。同時，考慮到在公接頭根部的螺紋尖底產(chǎn)生應(yīng)力集中，反復(fù)擰卸會磨損螺紋，因此選擇合理的螺紋類型和技術(shù)參數(shù)，對提高鉆桿螺紋連接強度十分重要。

鋸齒形螺紋兼有矩形螺紋傳動效率高、梯形螺紋牙根強度高的特點，因此將鉆桿的螺紋設(shè)計為鋸齒形錐螺紋，并在有限的空間內(nèi)確定牙高取最大值，不僅增加了螺紋強度，更降低了鉆桿脫扣的危險性。套銑鉆桿螺紋部分具體參數(shù)為:牙高2.5 mm，螺距8.467 mm，齒頂寬度3.414 mm，螺紋錐度1∶30，工作面的牙側(cè)角3°，非工作面的牙側(cè)角30°。同時對螺紋表面進行一定的熱處理，以提高螺紋的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性，防止螺紋出現(xiàn)粘扣等現(xiàn)象。

2.4 螺紋強度分析

采用PRO/E三維造型軟件建立鉆桿接頭模型，然后利用CAD－CAE間的雙向參數(shù)傳輸接口直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench進行螺紋強度分析。設(shè)定鉆桿接頭材料42CrMo的彈性模量E、泊松比μ、屈服強度為δs、切變模量G等相關(guān)參數(shù)，進行四面體單元網(wǎng)格劃分，并在母接頭非螺紋端的端面施加固定約束，在公接頭非螺紋端的端面施加6000 N·m的扭矩進行分析(如圖4、5所示)。

圖4 母接頭等效應(yīng)力場

圖5 公接頭等效應(yīng)力場

由圖4、5可知，母接頭最大等效應(yīng)力位于母接頭螺紋根部，值為472.8 MPa，且距離臺肩最近的螺紋應(yīng)力較大，應(yīng)力值在300～400 MPa之間，小于材料許用應(yīng)力;與母接頭類似，公接頭最大等效應(yīng)力位于公接頭螺紋根部，值為590.7 MPa，距離臺肩最近的螺紋應(yīng)力值為350～500 MPa，小于材料許用應(yīng)力?？梢姡撎足娿@桿接頭能夠滿足最大額定扭矩為6000 N·m鉆機的使用要求。

3 現(xiàn)場試驗

套銑打撈鉆桿在陽泉煤業(yè)集團、晉城煤業(yè)集團等公司下屬的多處礦區(qū)都取得了良好的應(yīng)用。本文以晉煤集團成莊礦的事故打撈施工狀況為案例進行闡述。

晉煤集團成莊礦4311工作面位于成莊礦四盤區(qū)，定向長鉆孔設(shè)計鉆孔深度500～600 m，終孔孔徑96 mm。在定向鉆孔施工過程中，由于煤層松軟，且具有一定破碎性，在施工6號鉆孔過程中，鉆進至180 m時出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，操作人員隨即起拔鉆具并相繼提出2根鉆桿，當鉆頭提至174 m時憋泵嚴重，沖洗液壓力達到8～10 MPa，鉆具起拔回轉(zhuǎn)不動，孔口返水逐漸減少?，F(xiàn)場人員由此判定，孔內(nèi)發(fā)生卡鉆事故，并及時采取套銑打撈工藝方法實施打撈，現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

通過分析，發(fā)生卡鉆事故的孔段在156～162 m，卡鉆原因是由于該孔段煤層過于松散破碎，原鉆孔鉆進時大量煤粉突然涌向鉆孔，導(dǎo)致鉆孔阻塞，鉆具被卡。套銑鉆進至該孔段后將阻塞打通，順利打撈出原鉆具。提鉆后，套銑鉆桿未發(fā)現(xiàn)彎曲、異常磨損等現(xiàn)象，表明其整體性能完全能夠滿足煤礦井下定向鉆進套銑打撈工藝施工的要求。

4 結(jié)語

近水平定向鉆進時發(fā)生塌孔、卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故在所難免，成莊礦的應(yīng)用表明，采用套銑打撈工藝處理此類孔內(nèi)事故的可行性較強，同時也驗證了研制的配套打撈鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能滿足定向鉆進配套鉆進套銑打撈工藝的使用要求。

隨著煤礦井下隨鉆測量技術(shù)和定向鉆進工藝技術(shù)的不斷推廣和發(fā)展，還需進一步研究定向鉆進打撈工藝及配套鉆具。并且，打撈鉆具及配套打撈工藝需根據(jù)鉆孔事故的實際情況進行選擇，通過權(quán)衡各種打撈工藝所消耗的時間及經(jīng)濟，可單獨使用也可考慮配合使用，為煤礦井下安全鉆采提供技術(shù)保障。

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