井下定向钻进用小直径通缆水力振荡器的研制_王力.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract Aiming at the problems of large drilling pressure, low drilling efficiency and limited hole depth caused by the backing effect of drill string during deep hole directional drilling in underground coal mine, the technical idea of using hydraulic agitator was proposed. The 89 mm small diameter hydriculic agitator was designed based on valve principle, the exciting force, excitation frequency were identified, and the cabled sub was developed. The perance parameters of hydraulic agitator with disc spring and cylindrical spring were tested. The results show that when the flow rate of 300 L/min the disc spring hydraulic agitator has the maximum pressure drop of 1.9 MPa, the exciting force of 8.11 kN, the frequency of 13 Hz, can be installed near the bit for friction reduction partly. The maximum deation of drill string is 2.86 mm, the reset force is 7.98 kN, the frequency is 11 Hz with cylindrical spring with 150 m cabled drill string under the flow rate of 300 L/min. The agitator was used when the baking pressure was obviously generated during drilling No.10 hole in –600 m drainage lane, in Zhangji coal mine of Huainan. The average drilling pressure was re- duced by 33 and the average drilling efficiency was increased by 126. The friction of drilling was significantly re- duced and the efficiency of directional drilling was improved. The developed small-diameter 89 mm cabled hydraulic agitator provides a solution for the backing pressure problem in horizontal directional drilling in coal mines. Keywords underground coal mine; directional drilling; small diameter; hydraulic agitator; cabled; Zhangji coal mine in Huainan ChaoXing 第 2 期 王力等 井下定向钻进用小直径通缆水力振荡器的研制 31 目前煤矿硬岩定向钻孔滑动钻进时，当孔深达 到一定程度后， 钻柱弯曲引起的累积摩阻问题突出， 使钻压不能有效传递，产生托压[1-3]，导致滑动定向 钻进效率大幅降低，增加了钻进风险[4]。石油钻井 领域研究结果表明钻柱振动能够有效降低钻柱摩 阻，实现定向钻井轨迹的长距离延伸[5-12]。对于硬 岩层钻进可在钻柱的合适位置安装水力振荡器， 水力振荡器施加的轴向激振力一部分通过钻柱传 递至钻头，能够在一定程度上提高硬岩层的钻进 效率[13-14]。 石油钻井用水力振荡器工作流量为 270 420 L/min、工作压降 35 MPa；而煤矿井下常规近 水平定向钻进用泥浆泵额定压力一般不大于 12 MPa， 当孔深大于 600 m 后钻具压降和沿程水力损失之和 一般大于 7 MPa，再加上水力振荡器压降消耗，总 水压已接近泥浆泵额定压力，对于深孔钻进以及孔 内事故处理都极为不利，且石油钻井用水力振荡器 直径大，结构上难以布置通信电缆，无法直接应用 于煤矿井下有缆传输随钻测量定向钻进。鉴于此， 研制了煤矿井下用小直径通缆水力振荡器，并在淮 南张集煤矿底板灰岩探放水定向孔钻进中进行了现 场应用试验。 1 水力振荡器结构设计 水力振荡器主要结构分为通信部分、振荡器主 体部分，通信部分分为上通信部分和下通信部分。 振荡器主体包括上接头、外管、活塞、复位部件碟 簧或圆柱弹簧是常用复位原件，通过振动测试确定 复位部件、挡圈、下接头等。上接头的作用是连接 外管、上通信部分以及对活塞起到限位作用；外管 起到活塞缸套作用，同时连接下接头，通过四方孔 将来自上部钻柱的扭矩传递给下接头的四方柱；活 塞上面加工电缆孔、节流孔、泄压孔，电缆孔为通 信电缆的通过提供空间，节流孔使活塞上下两腔产 生压力差进而推动活塞下行；泄压孔在活塞下行至 一定位移后打开，活塞上腔泄压，在复位部件和钻 柱自身压缩势能的共同作用下开始复位。通信部位 包括过度短节和通缆短接，过度短节靠近振荡器主 体一侧通过挡圈限制通缆接头向振荡器主体方向运 动，外端通过通缆短接进行限位。通缆短接及过度 短节内通缆结构采用现有煤矿井下用 89 mm 通缆 钻杆结构图 1。 振动功能具体实现原理为振荡器初始状态时 活塞处于最左边位置，此时泄压孔处于完全或绝大 部分关闭状态，来自上部钻柱的冲洗液全部或绝大 部分通过节流孔流向下部钻柱，此时活塞左右两腔 图 1 煤矿井下水力振荡器结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of hydraulic agitator for underground coal mine 会产生一定的压力差，活塞在压力差的作用下向前 运动，其初始状态如图 2 所示。当活塞向前运动一 定位移后，活塞上的泄压孔打开，此时来自上部钻 柱的冲洗液分成两路进入下接头内孔，一路仍是沿 着节流孔进入，另一路通过泄压孔、外管腔体、流 体返回孔进入下接头内孔， 此时活塞节流压力变小， 活塞在复位部件的作用下复位，如图 3 所示。 图 2 振荡器主体部分初始状态 Fig.2 Initial state of agitator body 图 3 振荡器主体部分泄压状态 Fig.3 Partial pressure relief state of the agitator body 2 水力振荡器参数设计 2.1 强度确定 煤矿井下用 89 mm 钻柱的抗扭能力大于 等于 12 000 Nm，抗拉力大于等于 1 000 kN，由 于水力振荡器安装在 89 mm 钻柱上，和钻柱的强 度保持一致，设计的水力振荡器强度参数为89 mm 水力振荡器设计抗扭能力大于等于 20 000 Nm、 抗拉力大于等于 1 000 kN。 2.2 激振力确定 根据激振力与反激振力的大小决定应力波传播 的距离，为了使钻孔深度高效延伸 200300 m，根 据作用力与反作用力关系，需要解决振荡器安装点 下部 150 m 钻柱的摩阻。取钻柱与孔壁之间的摩擦 因数为 0.3，钻柱自重产生的摩擦力为 6.75 kN，考 虑到钻柱沉渣对摩擦因数的影响，设计最大激振力 8 kN。 激振力的大小取决于活塞的面积和节流压力， 计算公式为 Fp SD ⋅ 1 式中F 为激振力，N；Δp 为活塞压降，Pa；S 为 活塞面积，m2。 将活塞面积代入式1即可得出所需压降，根据 ChaoXing 32 煤田地质与勘探 第 48 卷 压降选择节流水眼的大小。 2.3 激振频率确定 一定激振力下，减阻效率随激振频率的增大而 增加，当激振频率大于 6 Hz 后减阻效率趋于稳定。 如果外部激振频率与前部钻柱轴向振动的固有频率 相同，会引起共振导致钻柱疲劳失效，因此，振荡 器的激振频率应尽量避开钻柱固有频率。 根据动力学理论，将前部钻柱假设为等截面直 杆、底部约束、周围不受钻孔环空约束，忽略冲洗 液、温度等对钻柱固有频率的影响[15-19]，纵向振动 第 i 阶固有频率[20]为 21 2 i iE ω Lr -  i1,2, 2 式中ωi为角速度，rad/s；i 为阶次；L 为钻柱长度， m；ρ 为密度，kg/m3。 将角频率 ωi转化为频率 i f，并将已知参数代 入，可得 11 21212.13 1021 1302 2π447850 i i ωiEii f LLLr --- 3 根据表1结果，综合考虑减阻效率和钻柱轴向 振动固有频率，振荡器频率设计为1020 Hz。 表 1 150 m 水平钻柱的固有频率 Table 1 Inherent frequency of 150 m drill string 阶次 1 2 3 4 5 频率/Hz 8.68 26.40 43.40 60.76 78.12 2.4 流场分析 对水力振荡器进行流体动力学分析，得出节流 压力与位移的关系，以便指导安装间隙从而得到理 想的节流压力效果。由图4可知，当泄压孔被活塞 腔体完全密封，且流量为300 L/min时，4个节流孔 的节流压力数值模拟结果为3.5 MPa，节流压力大 于设计值。当泄压孔伸出活塞缸体2 mm后，整个 活塞的节流压力迅速下降至1.1 MPa；当泄压孔伸 出活塞缸体3 mm后，整个活塞的节流压力已下降 至0.76 MPa；当泄压孔完全打开后，整个活塞的节 流压力降至0.46 MPa。活塞泄压孔与活塞腔体之间 3 mm的位移内对节流压力的影响最大， 可以通过加 垫片来调整泄压孔与活塞腔体之间的位置，得到设 计节流压力，如图5所示。 3 室内测试 3.1 振动测试方案 碟簧复位和圆柱弹簧复位是水力振荡器常 图 4 不同位置的压力场 Fig.4 The pressure field at different position 用的复位方式。水力振荡器安装在近钻头位置时， 由于钻柱刚度大、圆柱弹簧复位能力小易采用碟簧 复位方式；当水力振荡器安装在钻头后面一定位置 时，钻柱可视为弹性体具备复位能力，圆柱弹簧起 到辅助复位和限位作用，从而缓解托压问题。根据 煤矿井下定向钻进配套泥浆泵能力、钻柱特性以及 钻进工艺，对两种复位方式进行测试。 ChaoXing 第2期 王力等 井下定向钻进用小直径通缆水力振荡器的研制 33 图 5 活塞压降与泄压位移关系 Fig.5 The relationship between piston pressure drop and pressure relief displacement a. 碟簧式水力振荡器测试 承受轴向负荷的 碟状弹簧，可以单个使用，也可多片碟簧组合使 用，承受静负荷或变负荷。如果单片碟簧不能达 到行程要求时，采用由单片碟簧组成的对合组合 碟簧组。如果安装空间有限，而要达到较高的承 载能力时，采用单片碟簧组成的叠合组合碟簧组。 通过不同安装方式可以调节碟簧组合的刚度和力 学性能。不同碟簧组合，对应的总力值和总变形 量的关系 ① 单片应用总力值单片受力，总变形单 片变形； ② 2片叠合应用总力值单片受力2，总变 形单片变形； ③ 2片对合应用总力值单片受力，总变形 单片变形2； ④ 4片对、叠合组合总力值单片受力2， 总变形单片变形2。 振动频率和碟簧刚度系数有关，通过不同结构 形式的安装与调试获得预期的频率输出。如图6所 示，三片叠合方式图6a比两片叠合方式图6b刚 度系数大，频率高。 图 6 碟簧不同组合方式 Fig.6 Different combination modes of disc spring b. 圆柱弹簧式水力振荡器测试 圆柱弹簧式 水力振荡器安装在钻柱某一位置，靠前部钻柱作为 复位部件。如图7所示，取振荡器前端与其距离为 L的钻柱微元dL进行分析，忽略微元摩擦力，则微 元应变dε的表达式为 dd Fμ gAL εL EA r- 4 式中E为弹性模量，Pa；L为距离振荡器长度，m； ρ为密度，kg/m3；μ为摩擦因数；A为钻柱截面积， m2。 对式4两边积分，总变形ε的表达式为 2 0 /2 d LFgALFLμ gAL εL EAEA mrr   5 由式5计算，取激振力8 kN、摩擦因数0.2， 对于150 m的89 mm通缆定向管柱，其最大压缩 变形量为2.78 mm。圆柱弹簧式振荡器测试安装如 图8所示， 最大变形量2.86 mm， 最大复位力7.98 kN， 与150 m的89 mm通缆定向管柱理论计算输出特 性基本吻合。 图 7 钻柱微元分析 Fig.7 Microelement analysis of drill string 图 8 圆柱弹簧测试安装示意图 Fig.8 Schematic installation and test of cylinderic spring 3.2 振动测试系统 为了得到水力振荡器压降和频率，对水力振荡器 进行振动性能测试。通过泥浆泵压力表测量振荡器压 降，通过压力变送器采集振荡器频率。水力振荡器室 内测试系统如图9所示。水力振荡器通过夹持器固定 在测试台上， 在振荡器水力入口位置安装压力变送器， 将水压变化转化成电阻的变化，电阻值的变化引起数 据采集卡电路电流的振荡，电流的振荡通过示波器显 示，就可以得到水力振荡器的振动频率。 图 9 水力振荡器测试系统 Fig.9 Test system layout of hydraulic agitator 3.3 测试结果分析 对于2片碟簧对合式组合，测试频率为4 Hz， ChaoXing 34 煤田地质与勘探 第48卷 达不到设计频率要求。对于3片碟簧对合式组合测 试表明300 L/min流量时最大压降1.9 MPa，激振 力8.11 kN，频率13 Hz；400 L/min流量时最大压降 3.1 MPa，激振力13.2 kN，频率13 Hz，如图10所 示。由于碟簧刚度系数大，适合安装在近钻头位置，起 到减阻为辅的作用。对于圆柱弹簧水力振荡器，模拟安 装在距钻头150 m钻柱位置，此时钻柱最大变形量 2.86 mm，最大复位力7.98 kN，频率为11 Hz，适合安 装在钻柱中间，起到减阻为主的作用，如图11所示。 图 10 3 片碟簧对合式振动频率测试300 L/min Fig.10 Vibration frequency test of hydraulic agitator with three parallel disc spring300 L/min 图 11 圆柱弹簧式振动频率测试300 L/min Fig.11 Vibration frequency test of hydraulic agitator with cylindrical spring300 L/min 3.4 通缆密封性能检测 密封性是通缆水力振荡器随钻测量时信号传输 的关键性能，根据井下钻进实际工况一般泵压不超 过10 MPa，如图12所示，采用堵头将水力振荡器 一端密封，从另一端进行打水，水压升至10 MPa 后稳定5 min，测试结果表明打水前电阻值1.1 Ω， 打水后电阻值1.15 Ω，测量通信接头与外管之间电 阻值10.2 MΩ，密封结构未失效。 图 12 水力振荡器耐水密封性试验 Fig.12 Water tightness pressure test of hydraulic agitator 4 现场试验 4.1 地质概况 试验地点位于安徽省淮南矿业集团张集煤矿北 区-600 m疏水巷和胶带机巷，主要目标层为A1煤 底板C3/3下灰岩层，该层位含水量较大、水压高。 经过岩心强度测试，该层岩石坚固性系数f78， 属于硬岩层，定向钻进时易产生托压现象。 4.2 钻进情况 10号孔开孔位置位于一灰上部，开孔倾角 –11.7、开孔磁方位角353.3，孔深70 m左右进入 C3/3下灰岩层目标层位，钻孔轨迹顺目标层位延伸。 浅孔段钻效34 m/h，给进表压平缓上升，孔深 380 m时给进表压升至5 MPa，钻进效率下降至 2 m/h。孔深425 m时给进表压升至6.06.5 MPa， 钻进效率下降至1.5 m/h，产生了较严重的托压现 象。提钻后在螺杆马达后100 m钻柱位置安装水力 振荡器下钻至孔底进行钻进，终孔位置上下位移 20.7 m、左右位移245 m，钻孔轨迹如图13所示。 图 13 -600 m 疏水巷 10 号孔轨迹 Fig.13 Trajectory of No.10 hole in -600 m water drainage tunnel 4.3 效果分析 10号钻孔在孔深350 m之前给进表压由0.5 MPa 缓慢增加至3 MPa，平均上升幅度0.36 MPa/50 m，起 拔表压由0 MPa缓慢增加至2 MPa，平均上升幅度 0.29 MPa/50 m。为了减弱钻柱托压程度，水力振荡 器安装在钻头后面100 m位置，选择圆柱弹簧作为 辅助复位部件。由图14可见，孔深350425 m给进 表压由3 MPa缓慢增加至6.5 MPa，平均上升速率 2.3 MPa/50 m，起拔表压由2 MPa缓慢增加至3 MPa， 平均上升速率0.66 MPa/50 m， 起拔表压上升幅度处 于正常范围内，而给进表压较之前上升速率大幅度 增加，托压现象明显。安装水力振荡器后给进压力 由6.5 MPa降至3.54.0 MPa。 未安装水力振荡器之前，孔深350425 m纯钻 进效率由3 m/h逐渐降低至1.5 m/h，钻进时泥浆泵压 力为56 MPa，不钻进时泥浆泵压力为4.55.0 MPa， ChaoXing 第2期 王力等 井下定向钻进用小直径通缆水力振荡器的研制 35 图 14 –600 m 疏水巷 10 号孔定向钻进给进表压统计 Fig.14 Directional drilling pressure of No.10 hole in -600 m water drainage tunnel 钻头破碎岩石消耗泵压0.51.0 MPa 图15。综 合图14和图15进行对比分析，取孔深400 m后， 未安装水力振荡器之前，孔深400425 m的平均给 进表压6 MPa、平均钻效1.9 m/h；安装水力振荡器 后的平均给进表压降低了33、平均钻效提高了 126，泥浆泵压力升高1.72.5 MPa。 图 15 –600 m 疏水巷 10 号孔钻效与泥浆泵泵压统计 Fig.15 Drilling efficiency and pump pressure of No.10 hole in -600 m water drainage tunnel 5 结 论 a. 研制的89 mm水力振荡器通过使钻柱振动 将钻柱与孔壁的静摩擦转换为动摩擦，减小了钻进 过程中的摩阻，有效解决了煤矿井下近水平定向钻 进中的托压问题，提高了钻进效率和钻进孔深。 b. 该水力振荡器为阀式结构，可中心通缆，水 力参数利用率高，消耗压降在2 MPa左右，适合目 前煤矿井下定向钻进系统泥浆泵压力富余量小、 有缆 传输随钻测量定向钻进岩层中深孔钻进的减阻需要。 c. 煤矿井下定向钻进时，水力振荡器的安装位 置要根据钻柱的结构和材料参数进行确定，安装位 置与水力振荡器的性能参数、定向钻进工艺的耦合 关系仍需近一步研究。 d. 随着煤矿井下定向钻进技术在顶板高位孔、 底板防治水钻孔的大规模应用，以及更高压力和更 大流量泥浆泵的研制，应继续进行更高减阻能力的 水力振荡器研制，以满足煤矿井下深孔定向钻进安 全、高效施工的要求。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 李维均. 定向钻井摩阻分析及防托压新技术研究[D]. 成都 西南石油大学，2017. 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