井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺研究

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。