復(fù)雜破碎地層孔底驅(qū)動(dòng)快速跟管鉆進(jìn)技術(shù)研究

趙 凱，侯 紅，趙大偉，丁榮飛

（1.河南能源焦煤公司趙固二礦，河南 新鄉(xiāng) 453634；2.西安大星起節(jié)能科技有限公司，陜西 西安 710076）

0 引言

目前，在地質(zhì)鉆探和油氣鉆井領(lǐng)域跟管鉆進(jìn)技術(shù)得到了較快發(fā)展，以氣動(dòng)潛孔錘和基于旋轉(zhuǎn)開(kāi)合的偏心鉆頭組合為主，施工過(guò)程中偏心鉆頭在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下實(shí)現(xiàn)隨鉆偏心擴(kuò)孔部分的張開(kāi)，從而對(duì)先導(dǎo)孔進(jìn)行隨鉆擴(kuò)孔，通過(guò)內(nèi)部鉆具帶動(dòng)套管靴和套管隨鉆跟進(jìn)，跟管過(guò)程中套管不能旋轉(zhuǎn)。該技術(shù)能有效地將鉆進(jìn)和下套管同時(shí)作業(yè)，及時(shí)進(jìn)行護(hù)壁，保障返渣通道，提高鉆孔深度，有效地解決因塌孔返渣不暢等導(dǎo)致成孔難、效率低等難題［1-5］。在煤礦井下鉆探領(lǐng)域，探放水孔、底板加固注漿鉆孔、穿煤鉆孔等需要下入套管進(jìn)行完孔的鉆孔，對(duì)跟管鉆進(jìn)技術(shù)也提出了較大需求，但是，由于煤礦井下地層條件的復(fù)雜性，以及井下空間和現(xiàn)有鉆機(jī)設(shè)備限制，不能直接將地面鉆探領(lǐng)域的跟管鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下，需要根據(jù)井下現(xiàn)實(shí)條件，開(kāi)發(fā)出一種新的跟管鉆進(jìn)技術(shù)［6-11］。筆者以趙固二礦復(fù)雜破碎地層鉆孔施工為研究對(duì)象，借鑒地面鉆探領(lǐng)域跟管鉆進(jìn)技術(shù)，研究通過(guò)孔底鉆桿驅(qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)套管可靠、快速下入鉆孔內(nèi)。

1 復(fù)雜破碎地層套管作業(yè)困難原因分析

煤礦井下廣泛存在著復(fù)雜破碎地層，在這類(lèi)地層中施工鉆孔往往需要進(jìn)行下套管作業(yè)，現(xiàn)有技術(shù)條件下，下套管作業(yè)遇到2 個(gè)難題：一是套管下不到目標(biāo)孔深；二是下套管作業(yè)效率低下。造成下套管作業(yè)困難的原因較多，主要有地層情況、鉆探設(shè)備、下管工藝及機(jī)具、沖洗介質(zhì)、鉆孔傾角等。

1.1 地層因素

復(fù)雜破碎地層一般膠結(jié)不良，強(qiáng)度不高，煤巖體內(nèi)裂隙、空隙發(fā)育，另一方面，孔壁周?chē)簬r體由于鉆孔的形成，其承受的原始應(yīng)力遭到毀壞，喪失了原有的平衡狀態(tài)。因此，在鉆進(jìn)過(guò)程中和鉆進(jìn)成孔后，出現(xiàn)孔壁掉塊、縮徑、坍塌、涌水等現(xiàn)象，導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)，套管難以下至預(yù)定孔深。

1.2 鉆探設(shè)備因素

現(xiàn)有鉆探設(shè)備中，只有雙動(dòng)力頭雙管鉆機(jī)具備下套管功能，但是，在煤礦鉆探領(lǐng)域，該設(shè)備目前處于研發(fā)試驗(yàn)階段，性能尚未成熟，加之雙動(dòng)力頭雙管鉆機(jī)尺寸龐大，一般的礦井巷道條件無(wú)法滿(mǎn)足其正常使用，故想通過(guò)鉆機(jī)設(shè)備解決下套管困難問(wèn)題現(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)。

1.3 下管工藝及機(jī)具因素

當(dāng)前煤礦井下下套管工藝主要是鉆孔成孔后，人工從孔口推入鉆孔內(nèi)或借助鉆機(jī)頂入孔內(nèi)，套管不旋轉(zhuǎn)，該方法在地層條件較好不塌孔時(shí)可以應(yīng)用，但在地層復(fù)雜破碎時(shí)，由于下套管作業(yè)的滯后性以及套管不旋轉(zhuǎn)，造成套管難以下至目標(biāo)孔深，或者需反復(fù)進(jìn)行掃孔，下管作業(yè)效率很低。下管機(jī)具方面尚未見(jiàn)有成熟的應(yīng)用。

1.4 沖洗介質(zhì)因素

對(duì)于復(fù)雜破碎地層，地面鉆探通常會(huì)采用一定配比的泥漿進(jìn)行保壓鉆進(jìn)，泥漿攜渣能力好，也有利于孔壁穩(wěn)定和跟管作業(yè)，地面配有泥漿池，泥漿可循環(huán)利用，而在煤礦井下鉆探，受空間和鉆孔施工周期短限制，設(shè)置泥漿池不合適，只能采用清水鉆進(jìn)，亦無(wú)法保壓，而清水比泥漿對(duì)孔壁沖刷大，攜渣能力差，造成塌孔卡鉆頻發(fā)，下套管作業(yè)也受到不利影響［12-16］。

1.5 鉆孔傾角因素

在相同的地層條件下，鉆孔斜角從90°變化到0°時(shí)，亦即鉆孔由直孔變化為緩角度孔甚至水平孔時(shí)，孔壁的穩(wěn)定性受重力影響變差，套管下入難度變大。

綜上，地層情況為客觀條件，難以改變，可實(shí)現(xiàn)下套管作業(yè)的雙動(dòng)力頭雙管鉆機(jī)現(xiàn)在尚未成熟應(yīng)用，清水作為沖洗介質(zhì)一時(shí)亦無(wú)法用其它介質(zhì)取代（趙固二礦地層含水，壓風(fēng)作為沖洗介質(zhì)遇水不返渣），鉆孔的設(shè)計(jì)傾角可變化范圍小，那么，從下管工藝及機(jī)具入手尋找解決方法是可行的思路。

2 孔底驅(qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)

2.1 工藝方法

孔底驅(qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)是指在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿通過(guò)孔底傳扭機(jī)構(gòu)將來(lái)自鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩和鉆壓傳動(dòng)給套管和套管鉆頭，鉆桿與套管同步回轉(zhuǎn)，即邊鉆進(jìn)邊下套管，完鉆后鉆桿和小口徑鉆頭提出，套管和套管鉆頭留在孔內(nèi)完孔。其主要特點(diǎn)為：（1）驅(qū)動(dòng)套管回轉(zhuǎn)和前進(jìn)的動(dòng)力來(lái)自孔底傳扭機(jī)構(gòu)；（2）套管與鉆桿同步回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，有利于克服前進(jìn)過(guò)程中的阻力［17-20］。

2.2 鉆具組合

如圖1 所示，該方案采用內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，外層：套管鉆頭+傳扭殼體+套管+套管頂進(jìn)裝置。內(nèi)層：前置鉆頭+傳扭軸+鉆桿?？缮炜s式花鍵將傳扭軸與傳扭殼體連接起來(lái)進(jìn)行傳扭，在傳扭殼體前方加上套管鉆頭，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)功能。套管下入至設(shè)計(jì)孔深后，反轉(zhuǎn)約1/3 圈，提拉鉆桿，傳扭軸從傳扭殼體L 形槽中分離，退出小鉆頭，在孔內(nèi)保留套管與套管鉆頭，完成跟管。采用清水排渣方案，鉆屑可從套管與孔壁間隙排出。

圖1 跟管鉆進(jìn)原理示意Fig.1 Principle diagram of drilling with casing

2.3 螺旋套管的研制

工藝設(shè)計(jì)中?108 mm 套管需要穿越L8 灰?guī)r段，根據(jù)以前的工程實(shí)踐，預(yù)計(jì)塌孔嚴(yán)重，?108 mm套管排渣不暢，易發(fā)生卡鉆問(wèn)題，造成無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了?116 mm/108 mm 螺旋套管（見(jiàn)圖2），在跟管鉆進(jìn)前30 m 管柱使用螺旋套管，提高排渣能力。

圖2 ?116 mm/108 mm 螺旋套管Fig.2 Screw casing of diameter 116/108mm

2.4 技術(shù)適應(yīng)性分析

技術(shù)的適應(yīng)性對(duì)跟管鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和推廣尤為重要。在地層方面，對(duì)于塌孔程度中等的地層，應(yīng)用外平套管即可，而對(duì)塌孔嚴(yán)重的地層，則需要提高套管自身攜渣能力，應(yīng)用螺旋套管較為合適。在鉆具口徑方面，考慮到鉆具級(jí)配和排渣的通暢性，? 108 mm 套管匹配?73 mm 鉆桿、?133 mm 套管鉆頭和?89 mm 前置鉆頭。

3 傳扭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)鍵部件數(shù)值模擬

采用ANSYS、FLUNT 等有限元數(shù)值模擬軟件，對(duì)傳扭部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，與理論計(jì)算相結(jié)合，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)；根據(jù)實(shí)際工況，約束傳扭殼體螺紋面自由度DOF＝0，約束傳扭軸桿體外表面節(jié)點(diǎn)徑向自由度為0，對(duì)傳扭軸端面施加扭矩，忽略重力的影響。

從圖3 和圖4 數(shù)值模擬云圖可以得出，傳扭軸3個(gè)花鍵可以承受現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)最大扭矩4000 N·m，且有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備和安全系數(shù)；為保證傳扭部件的使用壽命，應(yīng)防止傳扭部件發(fā)生屈服變形，并設(shè)定安全系數(shù)為4，即扭矩傳遞小于1000 N·m 為宜，換算為ZDY4000S 型鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)泵壓約為7 MPa，最大回轉(zhuǎn)泵壓≯10 MPa 為宜。

圖3 傳扭軸應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of torsion shaft

圖4 傳扭殼體塑性變形云圖Fig.4 Plastic deformation nephogram of torsion shell

3.2 傳扭臺(tái)肩尺寸計(jì)算

傳扭機(jī)構(gòu)所能傳遞的最大扭矩由傳扭殼體內(nèi)部傳扭臺(tái)肩的尺寸決定，而該機(jī)構(gòu)配套ZDY4000S 型鉆機(jī)使用，該鉆機(jī)的最大扭矩為4000 N·m，鉆進(jìn)能力為350 m，只要設(shè)計(jì)的傳扭臺(tái)肩抗扭強(qiáng)度＞4000 N·m，就能滿(mǎn)足強(qiáng)度和孔深要求。

傳扭銷(xiāo)材質(zhì)為42CrMo，熱處理后許用切應(yīng)力為：

剪切面上切應(yīng)力均勻分布，不考慮應(yīng)力集中、裝配應(yīng)力和軸向切應(yīng)力，設(shè)計(jì)3 個(gè)傳扭臺(tái)肩，輸入最大扭矩M=4000 N·m 情況下，由平衡方程∑MO=0，得：

因鉆孔孔徑所限，留管時(shí)要回退前置鉆頭，傳扭臺(tái)肩的高度h不宜過(guò)高，h取2.5 mm，則有：

所以，考慮保有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，傳扭臺(tái)肩長(zhǎng)度L設(shè)計(jì)為60 mm 為宜。

3.3 傳扭機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 傳扭殼體和傳扭軸設(shè)計(jì)

傳扭殼體內(nèi)置L 形凹槽（見(jiàn)圖5），將殼體與傳扭軸并連起來(lái)，把動(dòng)力傳遞給傳扭軸，實(shí)現(xiàn)孔底傳扭。傳扭軸外設(shè)有花鍵（見(jiàn)圖6），與L 形凹槽配合，前端接前置鉆頭。

圖5 傳扭殼體Fig.5 Transmitting torque shell

圖6 傳扭軸Fig.6 Transmitting torque shaft

3.3.2 前置鉆頭和套管鉆頭設(shè)計(jì)

前置鉆頭引導(dǎo)套管鉆頭使其沿原孔擴(kuò)孔，清除前進(jìn)障礙，防止套管堵塞。套管鉆頭隨鉆擴(kuò)孔，鉆進(jìn)到位后隨套管留置在孔底，為返漿提供通道。

3.3.3 密封設(shè)計(jì)

跟管鉆進(jìn)工藝設(shè)計(jì)為內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外層之間需要密封，以阻止沖洗液和鉆屑進(jìn)入鉆桿柱與套管柱組成的環(huán)狀空間。由于正常跟管鉆進(jìn)時(shí)內(nèi)、外層結(jié)構(gòu)不相對(duì)滑動(dòng)，故設(shè)計(jì)了雙道靜密封（如圖7所示）。

圖7 密封設(shè)計(jì)示意Fig.7 Diagram of sealing design

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)位于焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦三盤(pán)區(qū)運(yùn)輸大巷迎頭，主采煤層為二1煤層，煤層厚度4.73～6.77 m，平均6.16 m。二1煤層底板的太原組灰?guī)r含水層和奧灰含水層對(duì)煤層安全開(kāi)采威脅巨大，在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下，采用工作面底板超前注漿加固技術(shù)，以降低工作面突水危險(xiǎn)，但是，趙固二礦地質(zhì)條件復(fù)雜，地層破碎，注漿鉆孔在施工過(guò)程中往往出現(xiàn)孔壁掉塊、縮徑、坍塌、涌水等現(xiàn)象，造成套管下不進(jìn)去，注漿效果差，嚴(yán)重影響到工作面底板注漿加固效果，進(jìn)而影響到礦井的生產(chǎn)接續(xù)。

4.2 鉆孔施工情況

試驗(yàn)共施工6 個(gè)鉆孔，孔徑133 mm，采用了? 112 mm 跟管鉆具最長(zhǎng)跟管距離65 m，平均工效15 m/班，最高效率30 m/班，具體施工情況見(jiàn)表1。

表1 跟管鉆進(jìn)鉆孔施工記錄Table 1 Drilling operation records of drilling with casing

4.3 效果對(duì)比分析

從下管成功率、下管效率、鉆進(jìn)參數(shù)3 個(gè)方面對(duì)孔底驅(qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)與常規(guī)套管下入方法進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）下管成功率。趙固二礦在復(fù)雜破碎地層應(yīng)用常規(guī)套管下入方法下套管時(shí)，一次下套管成功率非常低，只有30%，有些鉆孔多次反復(fù)嘗試套管仍然下不到位。使用孔底驅(qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)后，一次下套管成功率達(dá)到了67%，經(jīng)2～3 次嘗試后可以全部下到位。

（2）下管效率。單純從鉆進(jìn)效率考慮，跟管鉆進(jìn)效率低于常規(guī)鉆進(jìn)效率，但常規(guī)下套管需要鉆進(jìn)下管分步進(jìn)行，從鉆進(jìn)和下管綜合效率考慮，常規(guī)套管下入方法的平均下套管工效為8 m/班，跟管鉆進(jìn)的平均下套管工效為15 m/班，下管效率提高將近1 倍。

（3）鉆進(jìn)參數(shù)?？椎昨?qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)相當(dāng)于雙管鉆進(jìn)，孔徑大，負(fù)荷重，鉆進(jìn)的回轉(zhuǎn)壓力和給進(jìn)壓力較常規(guī)套管下入方法高，一般回轉(zhuǎn)壓力可達(dá)8～10 MPa，給進(jìn)壓力可達(dá)4～5 MPa，而常規(guī)鉆進(jìn)方法的回轉(zhuǎn)壓力通常為7～8 MPa，給進(jìn)壓力為2～3 MPa。

5 結(jié)論及建議

為將跟管鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下復(fù)雜破碎地層下套管作業(yè)，本文在分析復(fù)雜破碎地層套管作業(yè)困難原因的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了孔底驅(qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)的工藝方法、鉆具組合、傳扭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、工業(yè)性試驗(yàn)等技術(shù)難點(diǎn)，確保了套管可靠、快速下入鉆孔內(nèi)。

（1）結(jié)合復(fù)雜破碎地層特性，通過(guò)關(guān)鍵部件數(shù)值模擬和理論計(jì)算，研制出了孔底傳扭機(jī)構(gòu)、套管鉆頭及前置鉆頭，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

（2）通過(guò)試驗(yàn)研究提出了孔底驅(qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)解決了常規(guī)下套管工藝套管不轉(zhuǎn)動(dòng)、不排渣、易被卡死的問(wèn)題，提高了復(fù)雜破碎地層下套管施工效率，在復(fù)雜破碎地層中應(yīng)用具有較大優(yōu)勢(shì)。

（3）趙固二礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層破碎，應(yīng)用孔底驅(qū)動(dòng)跟管鉆進(jìn)技術(shù)時(shí)需注意2 點(diǎn)：①針對(duì)性地設(shè)計(jì)孔底傳扭機(jī)構(gòu)，確保傳扭機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，從而保證跟管鉆進(jìn)順利實(shí)施；②?108 mm 套管易發(fā)生套管從公扣根部斷裂事故，造成無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，需要將套管絲扣部位壁厚加厚并設(shè)計(jì)特制扣型，提高套管絲扣部位強(qiáng)度。