顶驱车载钻机空气潜孔锤钻进用低压防喷装置的研制

赵江鹏，王四一，张 晶，刘 祺

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077)

0 引言

顶驱车载钻机的主机、操控系统、动力泵站和冷却系统集成于车载底盘上，具有事故响应速度快、施工占地面积小等突出优势，近年来，在矿山地面应急救援孔、煤层气井、水井施工中得到较为广泛的应用。

空气潜孔锤钻进具有高效的钻进速度，为矿山地面应急救援孔、煤层气井和水井等施工中重点考虑的工艺方法。在空气潜孔锤钻进过程中，压缩空气作为循环介质携带孔底随钻头钻进产生的大量岩屑、粉尘(钻遇地层水时，固液两相混合成糊状物)经钻杆柱与孔壁间的环状间隙高速上返至孔口，如果任其自由喷出，则会严重污染钻场环境，对现场施工人员身体健康构成威胁，同时给施工作业带来不利影响。孔口防喷装置是实现孔口密封净化并将返出的粉尘或水泥浆导向远离孔口方向的关键装置。

1 空气钻进用低压防喷装置

目前，国内空气钻进时，由于所选用钻机类型的差异性，孔口防喷装置结构存在较大的差别，对其称呼也不统一。采用小型立轴式钻机在浅孔进行空气钻进时，通常是由箍套在钻柱上的橡胶密封和柔韧性护罩来阻止环空岩屑冲向钻台［1－2］;史兵言等(2009)设计的旋转式孔口密封导流装置密封部分可随钻杆一起转动以减少对橡胶密封件的磨损，该装置设计用于密封六方主动钻杆［3］;范黎明等(2011)研制的隔板式和流线型2种空气潜孔锤用孔口密封装置设置了双层橡胶密封，设计用于密封89 mm外平式钻杆［4］。上述装置其密封件补偿量小，对于外径变化大的斜坡钻杆则密封性较差。魏晓东等(2010)研制的用于煤层气欠平衡钻井专用的低压旋转控制头，主要由旋转控制头本体和润滑冷却系统组成，密封件采用锥形胶芯，设计用于88.9 mm斜坡钻杆，现场试验时，锥形胶芯平均寿命达 80 h［5－8］;石油钻井采用的孔口旋转防喷器结构复杂，压力级别高，整体高度大、质量大，不易搬迁运输［8］。

2 顶驱车载钻机空气潜孔锤钻进用低压防喷装置设计

ZMK5530TZJ60型钻机为一款全液压动力头车载钻机，针对该钻机空气潜孔钻进用低压防喷装置的设计，应综合考虑其孔口工作台结构、空气潜孔锤钻进工艺、所配套127 mm斜坡钻杆外形特征以及装卸操作环境条件等多方面因素。

2．1 密封件的选型

锥形胶芯材料为丁腈橡胶和氯丁橡胶，都属于一种超弹性材料，具有一定的流动性，受力后变形大，能充填并阻塞介质泄漏的通道，并与密封面形成接触压力实现密封。锥形胶芯利用橡胶这种显著特性，通过变形区的挤压和回弹密封不同直径的钻杆［9］。图1为锥形胶芯结构示意及实物外观图，其变形区内径尺寸105 mm。

2．2 密封形式的确定

目前，防喷装置设计有2种思路，一种是密封件固定于外壳上，钻进时密封件不会随着钻杆转动［1－2，4］;另一种是钻进时密封件随钻杆一起转动，以减少两者之间的相对转动摩擦损伤［3，5］。前者结构简单，成本低，后者增加了旋转总成和轴承润滑冷却系统，在现场应用中获得了较好的效果，然而密封件与钻杆相对转动现象经常发生，还需进一步改进［7－8］。

空气潜孔锤钻进方法是以高频冲击和慢回转方式碎岩，其回转速度与机械钻速有关，回转速度确定推荐的经验公式为:1.6×机械钻速(m/h)，与常规回转钻进方法相比，其回转速度较低，因此，该防喷装置可不设计旋转总成，即在空气潜孔锤钻进时，钻杆与锥形胶芯变形区内表面直接产生回转摩擦和轴向摩擦，由于锥形胶芯具有较大的补偿功能，可确保可靠的密封性和较长的使用寿命。

2．3 防喷装置总高度和径向最大尺寸的确定

ZMK5530TZJ60型钻机的工作台高度一般将高度调至1.5 m左右，安放补心后，补心底端面距地面高度1.2 m，因此，防喷装置总高度受到此限制，且要考虑上、下端部法兰安装拧卸的操作空间。

防喷装置质量较大，需借助钻机绞车起吊从工作台孔口通过来安装。ZMK5530TZJ60型钻机工作台孔口可通过最大直径为711 mm钻具，通过油缸打开前推和后推板，亦可通过局部宽度≯820 mm的装置。因此，防喷装置径向结构尺寸需考虑该工作台孔口结构特点。

2．4 导流口的设计

防喷装置通过胶芯的弹性变形密封钻杆以迫使孔内上返压缩空气和携带的岩屑(岩粉)从侧部导流口流出，确保孔口和司钻台的干净、安全。通过计算和对比上返流体通道截面积与导流口截面积，为使两者面积较为接近，设置了2个导流口，当压气量大时，两导流口都接上管道排渣，以减小防喷装置密封胶芯根部压力;当压出气量较小时，可只接入一侧导流口排渣。

3 防喷装置的结构及其基本技术参数

防喷装置结构如图2所示，主要由锥形胶芯、上部管体、下部管体、快接夹等组成，法兰与法兰连接处用石棉垫密封。其实物照片见图3，其主要技术参数为:总高度735 mm，总质量452 kg，额定转速40 r/min，设计密封压力1.6 MPa，上部管体通径406 mm，下部管体通径331 mm，排渣口连接法兰外径345 mm，底部连接法兰外径520 mm，胶芯适合钻杆规格127 mm，过最大钻头规格311.14 mm。

图2 防喷装置结构示意

图3 防喷装置实物照片

4 现场试验

采用ZMK5530TZJ60型车载钻机施工完成的一口煤层气水平对接井，在直井岩石段的空气潜孔锤钻进过程中，对该防喷装置进行了现场试验。

4．1 钻孔概况与钻进工艺

在一开0～49.2 m土层段，采用泥浆正循环钻进完成后，下入351 mm×10 mm无缝钢管;在二开49.2～306.69 m岩石孔段，采用311 mm空气潜孔锤钻进。图4为防喷装置在孔口的安装与连接图，表1为311 mm空气潜孔锤钻进参数，表2为钻速统计。

图4 防喷装置的安装与连接

4．2 防喷装置使用效果

在干空气钻进时，孔口无岩粉灰尘弥散，环境良好，粉尘全部导向远离孔口处开始弥漫，见图5所示现场照片;在孔内出水后，孔口无泥浆喷出和渗漏;提钻后，检查锥形胶芯主密封面磨损较小、划痕较少。

现场试验证明该装置起到了孔口防喷、密封和导流的作用，锥形胶芯补偿量大、寿命较长，达到了设计的目标。该装置完全满足了ZMK5530TZJ60型钻机空气潜孔锤钻进的需要。

5 结语

由于不同类型钻机的结构差异，其空气钻进用防喷装置也具有不同的特征，最主要体现于密封件和密封形式的选取上。针对ZMK5530TZJ60型顶驱车载钻机特点，研制了一款用于空气潜孔锤钻进的低压防喷装置。

表1 311 mm空气潜孔锤钻进参数

表1 311 mm空气潜孔锤钻进参数

孔段/m 钻进工艺 供风量/(m3·min－1)供气压力/MPa注水量/(L·min－1)注水压力/MPa钻压/kN动力头转速/(r·min －1)49.2～65.53 干空气钻进65.53～117.73 分段注水除尘钻进117.73～163.69 纯空气钻进，注泡沫排渣163.69～306.69 纯空气钻进60～70 20～30 25～36钻进时:60～70;排渣时:80～90 1.6 — —1.7～1.9 30 1.8钻进时:1.9;注泡沫时:2.1 38 2钻进时:1.9;排渣时:1.4 — —

表2 空气潜孔锤钻进钻速统计

图5 干空气钻进时现场照片

现场试验表明，该防喷装置在干空气钻进时明显改善了孔口操作环境，满足空气潜孔锤钻进孔口密封、防喷、导流的需要，防喷器锥形胶芯补偿量大、寿命较长，结构设计简单、安装方便和经济实用，达到了设计的目标。

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