旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向用?114.3 mm 有線隨鉆測(cè)量鉆桿設(shè)計(jì)及應(yīng)用

董萌萌

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下定向鉆孔是瓦斯抽采治理、水害防治、地質(zhì)構(gòu)造探查等工程施工的重要途徑和安全保障措施[1-4]。瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約著煤炭行業(yè)的安全可持續(xù)發(fā)展，近年來(lái)，利用定向鉆孔軌跡精確可控、可沿目標(biāo)地層長(zhǎng)距離延伸的優(yōu)勢(shì)，在煤礦井下大區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)施“中硬煤層大盤(pán)區(qū)瓦斯抽采、碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采、頂板巖層以孔代巷抽采”全區(qū)域精準(zhǔn)覆蓋、“采前－采中－采后”全時(shí)段連續(xù)抽采，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下瓦斯全域化、精準(zhǔn)、快速抽采，為煤礦安全綠色開(kāi)采提供地質(zhì)保障[5-8]。

隨鉆測(cè)量鉆桿是定向鉆探施工中必備的配套鉆具，包括有線隨鉆測(cè)量鉆桿和無(wú)線隨鉆測(cè)量鉆桿2 大類(lèi)[9-11]。由于煤礦井下條件限制，定向鉆進(jìn)施工通常以有線隨鉆測(cè)量鉆桿為主，即通纜裝置與鉆桿構(gòu)成同軸電纜結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)孔口與孔底電力和信號(hào)的雙向?qū)崟r(shí)穩(wěn)定傳輸[12-13]。定向鉆孔施工工藝總體分為定向造斜鉆進(jìn)和保直鉆進(jìn)2 種，前者主要目的是以最短的進(jìn)尺使鉆孔軌跡進(jìn)入目標(biāo)地層，施工時(shí)采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝；進(jìn)入目標(biāo)層后，采用復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝，使鉆孔盡可能在煤層中延伸，即“滑動(dòng)糾偏、復(fù)合保直”[14]。

現(xiàn)有定向鉆進(jìn)施工在滑動(dòng)定向時(shí)，鉆桿柱摩阻沿鉆桿軸向，容易造成“托壓”現(xiàn)象，同時(shí)井眼軌跡不光滑，影響排粉效果，長(zhǎng)距離鉆進(jìn)容易引發(fā)卡鉆事故[15-16]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)施工井下單元在鉆柱旋轉(zhuǎn)過(guò)程中以推靠或指向的方式實(shí)現(xiàn)軌跡控制，定向過(guò)程中鉆桿柱始終保持旋轉(zhuǎn)，因而井眼軌跡光滑，排粉能力好，有利于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離定向鉆孔[17-19]。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)要求孔口控制單元與孔內(nèi)測(cè)量單元之間具有信號(hào)實(shí)時(shí)雙向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，而有線隨鉆測(cè)量鉆桿由于“數(shù)據(jù)傳輸效率高，滿足孔口與孔內(nèi)測(cè)量單元之間電力和信號(hào)的雙向?qū)崟r(shí)傳輸”等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于煤礦井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)施工中[20-21]。

因此亟須研制適用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)工藝的?114.3 mm 大直徑有線隨鉆測(cè)量鉆桿。

1 鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)施工配套ZDY25000LDK 大功率定向鉆機(jī)，鉆孔直徑增大，對(duì)鉆桿的強(qiáng)度、過(guò)流通道、信號(hào)傳輸可靠性等方面提出了更高的要求，因而現(xiàn)有的有線隨鉆測(cè)量鉆桿無(wú)法滿足安全高效鉆進(jìn)需求。根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工工藝及配套設(shè)備，有線隨鉆測(cè)量鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循以下4 條原則：①?gòu)?qiáng)度滿足大功率鉆機(jī)施工要求，鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)矩25 kN·m，給進(jìn)起拔力300 kN；②鉆桿接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足額定泵量800 L/min 的過(guò)流要求；③內(nèi)部中心通纜裝置密封性能好，信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠；④適用于孔底旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具施工工藝和復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝，鉆桿彎曲強(qiáng)度能夠滿足鉆孔全彎曲強(qiáng)度≤1°/3 m 的造斜要求。

1.2 鉆桿體結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向配套的有線隨鉆測(cè)量鉆桿設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)有2 方面：①要求鉆桿具有足夠的強(qiáng)度和抗彎能力：為了保證鉆桿具有足夠的強(qiáng)度和韌性，需要對(duì)鉆桿接頭及螺紋進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保鉆桿在鉆進(jìn)施工時(shí)的安全性；②要考慮接頭螺紋錐度與內(nèi)通孔匹配性：通過(guò)增大螺紋錐度滿足鉆桿自動(dòng)化上卸扣，但在根圓直徑不變時(shí)，錐度越大，公接頭小端直徑變小，影響過(guò)流面積，因此，在鉆桿滿足強(qiáng)度要求前提下，需平衡鉆桿接頭通孔直徑與錐度。

鉆桿整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1。有線隨鉆測(cè)量鉆桿主要包括鉆桿體和中心通纜裝置：鉆桿外管主要傳遞鉆機(jī)輸出的扭矩、給進(jìn)、起拔力；內(nèi)部中心通纜裝置主要實(shí)現(xiàn)孔底與孔口設(shè)備之間電力和信號(hào)的雙向傳遞。

圖1 鉆桿結(jié)構(gòu)Fig.1 Drill pipe structure

鉆桿外徑為?114.3 mm，單根長(zhǎng)度1～2 m，桿體壁厚7～9 mm；滿足鉆桿承載能力的情況下，考慮排粉需求，接頭內(nèi)孔采用內(nèi)部平滑流線設(shè)計(jì)，降低循環(huán)壓耗，既能滿足鉆進(jìn)時(shí)的泥漿泵循環(huán)要求，又能滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具工作小流量要求，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定鉆桿內(nèi)孔直徑為?60 mm；煤礦井下用鉆桿，其公母接頭螺紋配合采用負(fù)緊密距，便于鉆桿上卸。有線隨鉆測(cè)量鉆桿通纜裝置采用剛性金屬結(jié)構(gòu)固定支撐，支撐環(huán)采用大環(huán)空過(guò)流結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、質(zhì)量輕、過(guò)流面積大，實(shí)現(xiàn)了大環(huán)空過(guò)流通道設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠?qū)⒅行男盘?hào)傳輸裝置穩(wěn)定可靠固定于鉆桿體內(nèi)部，避免旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生相對(duì)竄動(dòng)。采用新型塑料接頭插接方式，具有較好的強(qiáng)度、韌性和抗高溫蠕變性；內(nèi)芯插接端部設(shè)置有組合密封結(jié)構(gòu)，能夠有效隔離高壓水，實(shí)現(xiàn)任意鉆桿連接后在高壓工況下接頭的可靠密封。根據(jù)大直徑定向鉆孔施工工藝要求，鉆桿接頭采用V150 鋼級(jí)材料，熱處理后，屈服強(qiáng)度大于1 000 MPa，抗拉強(qiáng)度大于1 200 MPa，延伸率大于18%，接頭抗彎能力強(qiáng)，韌性高，螺紋抗粘扣性能好。鉆桿管體選用G105 鋼級(jí)材料，確保管體具備良好的綜合機(jī)械性能。結(jié)合煤礦井下用有線隨鉆測(cè)量鉆桿設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)兼顧鉆機(jī)上卸扣方便，鉆桿接頭螺紋牙型選用三角牙型[22]，鉆桿接頭螺紋錐度設(shè)計(jì)為1:6，螺距6.35 mm，具有良好的密封能力和抗彎能力，便于大功率定向鉆機(jī)上卸鉆桿。

1.3 通纜結(jié)構(gòu)

?114.3 mm 中心通纜式有線隨鉆測(cè)量鉆桿，由鉆桿體及中心通纜裝置組成，中心通纜裝置主要由絕緣公（母）接頭、導(dǎo)線、橡膠穩(wěn)定器和支撐環(huán)組成。公、母接頭及導(dǎo)線是提供信號(hào)的傳輸通道；橡膠穩(wěn)定器為導(dǎo)線在鉆桿體中提供支撐緩沖作用，防止導(dǎo)線在管內(nèi)介質(zhì)的作用下擺動(dòng)造成斷裂；支撐環(huán)用于實(shí)現(xiàn)鉆桿連接時(shí)絕緣公（母）接頭的中心定位以及提供介質(zhì)通道。

根據(jù)對(duì)普通中心式有線隨鉆測(cè)量鉆桿的流場(chǎng)分析可得，提高鉆桿接頭 2 支撐環(huán)距離，提高支撐環(huán)結(jié)構(gòu)的截面積，提高鉆桿接頭各部位的過(guò)流面積是減小鉆桿接頭部位流阻的有效途徑。以此為指導(dǎo)，對(duì)鉆桿支撐環(huán)結(jié)構(gòu)、中心通纜方式等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了?114.3 mm 中心通纜有線隨鉆測(cè)量鉆桿，通纜結(jié)構(gòu)和鉆桿接頭結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 通纜結(jié)構(gòu)和鉆桿接頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Cable structure and drill pipe joint structure

采用更高鋼級(jí)的材料，減小接頭部位厚度，增加內(nèi)孔直徑；管體中心改為外管支撐，管體內(nèi)通纜方式改為外繞式，增加桿體過(guò)流面積，減小通纜接頭尺寸，提高2 個(gè)支撐環(huán)間過(guò)流面積；增加支撐環(huán)孔隙面積，將支撐環(huán)結(jié)構(gòu)由平面式改為立體式，減緩截面積的突變，提高 2 個(gè)支撐環(huán)之間的距離。

2 數(shù)值模擬與接頭強(qiáng)度分析

采用數(shù)值模擬方法對(duì)螺紋牙型強(qiáng)度進(jìn)行分析，以?xún)?yōu)選鉆桿接頭螺紋參數(shù)。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上施加25 kN·m 的扭矩，通過(guò)Abaqus 有限元仿真計(jì)算，得到的公母接頭螺紋的應(yīng)力云圖如圖3。

圖3 公母接頭螺紋的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud images of male and female joint threads

分析圖3，采用三角螺紋牙型的鉆桿公接頭的最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在錐扣大端螺紋處，母接頭的最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在錐扣小端的螺紋處。公接頭最大等效應(yīng)力為376.7 MPa，母接頭最大等效應(yīng)力為212.6 MPa，均滿足接頭材料強(qiáng)度要求。

在煤礦井下近水平鉆孔施工過(guò)程中，由于鉆桿柱自重以及自身的偏心等因素產(chǎn)生彎曲，回轉(zhuǎn)時(shí)造成鉆桿柱有一定的質(zhì)量偏離回轉(zhuǎn)中心而產(chǎn)生離心力，在拉力、壓力、離心力、轉(zhuǎn)矩等各種力的作用下，鉆桿軸線在鉆孔內(nèi)呈變節(jié)距的空間螺旋曲線形狀[23]。根據(jù)鉆桿實(shí)際使用工況建立三維模型，施加扭矩25 kN·m，軸向力300 kN，采用Abaqus 對(duì)鉆桿接頭在孔內(nèi)的受力情況進(jìn)行仿真。鉆桿接頭的應(yīng)力分布云圖如圖4。

圖4 鉆桿接頭的應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress cloud images of drill pipe joint

分析圖4，鉆桿公接頭螺紋第1 牙處應(yīng)力值高，螺紋整體應(yīng)力值分布均勻，其應(yīng)力最大發(fā)生在公接頭螺紋第1 牙處，最大應(yīng)力值為580.4 MPa；母接頭受力主要集中在接觸臺(tái)肩、螺紋、根部螺紋位置處，最大應(yīng)力在大端和公接頭接觸面上，應(yīng)力最大值為394 MPa，螺紋牙位置應(yīng)力分布均勻。通過(guò)有限元分析，驗(yàn)證了鉆桿接頭螺紋強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3 室內(nèi)性能測(cè)試

1）密封性和導(dǎo)電性測(cè)試。根據(jù)NB/T 10175—2019《煤礦井下有線隨鉆測(cè)量測(cè)量鉆桿》標(biāo)準(zhǔn)要求，鉆桿在20 MPa 水壓下保壓持續(xù)8 h 后：壓力≥8 MPa，信號(hào)傳輸裝置與鉆桿外壁絕緣電阻大于10 MΩ?？紤]現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)際工況，按照試驗(yàn)要求，利用打壓試驗(yàn)平臺(tái)鉆桿進(jìn)行打壓試驗(yàn)，調(diào)節(jié)增壓裝置加壓至 20 MPa，保壓8 h 后，對(duì)鉆桿進(jìn)行密封性試驗(yàn)。打壓至20 MPa，保壓8 h 后，壓力為19.8 MPa，基本保持穩(wěn)定，測(cè)量中心電阻0.3 Ω，絕緣電阻阻值為∞。鉆桿密封性試驗(yàn)結(jié)果表明：研制的?114.3 mm 有線隨鉆測(cè)量鉆桿密封性能，滿足20 MPa 鉆進(jìn)工況施工要求。

2）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。采用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)鉆桿進(jìn)行抗扭試驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明：?114.3 mm 有線隨鉆測(cè)量鉆桿抗扭能力達(dá)到54 kN·m 未出現(xiàn)漲扣，能夠滿足使用要求。

3）拉伸試驗(yàn)。采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)?114.3 mm有線隨鉆測(cè)量鉆桿進(jìn)行抗拉性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：?114.3 mm 有線隨鉆測(cè)量鉆桿承受拉力高達(dá)2 750 kN 后才發(fā)生斷裂失效，因此滿足ZDY25000LDK大功率定向鉆機(jī)起拔能力要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2021 年1 月11 日至2021 年10 月26 日，采用ZDY25000LDK 定向鉆機(jī)、泵車(chē)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等配套設(shè)備在內(nèi)蒙古鄂爾多斯唐家會(huì)煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)試驗(yàn)。在6 煤南2 巷施工3 個(gè)鉆孔，在61 303 回風(fēng)巷鉆場(chǎng)施工1 個(gè)鉆孔。唐家會(huì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向現(xiàn)場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。1 號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖如圖5。

表1 唐家會(huì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向現(xiàn)場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)Table 1 Rotary steerable field drilling design in Tangjiahui Coal Mine

圖5 1 號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖Fig.5 Drill path cross-section diagram of No.1 hole

采用研制的?114.3 mm 有線隨鉆測(cè)量鉆桿施工，累計(jì)進(jìn)尺2 421 m，其中3 號(hào)鉆孔因地層原因，鉆至151 m 處停鉆，鉆孔報(bào)廢，1 號(hào)鉆孔最大造斜強(qiáng)度1°/3 m?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了大直徑有線隨鉆測(cè)量鉆桿力學(xué)性能穩(wěn)定、能夠滿足造斜強(qiáng)度和信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

5 結(jié) 語(yǔ)

?114.3 mm 大直徑中心通纜有線隨鉆測(cè)量鉆桿整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，有效提高了過(guò)流面積，減小孔底循環(huán)壓力損失；配套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置對(duì)唐家會(huì)頂板砂巖水進(jìn)行疏放，現(xiàn)場(chǎng)使用證明通纜裝置滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)對(duì)信號(hào)傳輸性能的需求；建議進(jìn)一步對(duì)鉆桿使用壽命進(jìn)行跟蹤，對(duì)通纜裝置絕緣接頭材料進(jìn)行改進(jìn)，提高使用壽命。