中心通缆钻杆及其在煤矿井下定向钻进中的应用.pdf

探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 3年第 4 0卷第 5期 中心通缆钻杆及其在煤矿井下定向钻进中的应用 刘睿全 ( 中国煤炭科工集 团西安研究院， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 ) 摘要 ： 针对煤矿井下定向钻技术对钻杆的随钻测量通讯和强度要求， 钻杆采用中心通缆方式， 可实时传输钻孑 L 随 钻测量信号。采用高强度管材 、 特种螺纹丝扣结构、 摩擦焊技术 ， 可提高钻杆抗拉、 压、 弯、 扭强度。并根据现场使 用 中存 在的问题 给出了解决方法 。大佛寺煤矿随钻测量应用实例说明中心通缆钻杆满 足最大孔深 1 2 0 0 m 的随钻 测量通讯和钻杆强度要求 ， 朱仙庄梳状孔应用实例说明中心通缆钻杆满足最小弯曲半径 5 4 m定向孔施工， 哈沙图 煤矿定 向钻孔应用实例说明中心通 缆钻 杆满 足急倾斜 5 8 。 煤层定 向孔施工 。 关键词： 中心通缆钻杆 ； 随钻测量； 信号传输； 钻杆强度 中图分类号 ： P 6 3 4 4 文献标识码 ： B 文章 编号 ： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 4 4 0 4 Ap p l ica t io n o f t h e Ce n t e r Ca b l e P i p e f o r Di r e ct i o n a l Dr il l in g in Co a l M i n e L I U Ru i q u a n ( Xi a n Re s e a r ch I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l T e ch n o l o g y E n g i n e e r i n g G r o u p C o r p ，Xi a n S h a a n x i 7 1 0 0 7 7 1 ，C h in a ) Ab s t r a ct：Acco r d ing t o t he r e qu ir e me nt s o f t h e s t r e n g t h a n d MW D co mmu nica t io n t o t he d r il l p ip e f o r t h e d ir e ct io n a l d r il l in g t e ch n o l o g y，ce nt e r ca b l e d r il l pip e is us e d t o r e a l iz e r e a l t ime MW D s ig n a l t r a ns mis s io n；a n d t h e hig h s t r e n g t h p ip e， s pe cia l s cr e w t h r e a d s t r uct u r e，f r ict io n we l d in g t e ch n o l og y a r e a d o p t e d t o impr o v e t he t e ns il e，co mp r e s s io n，b en ding a n d t o r s io n a l s t r e n g t h o f p ipe Th e n e ce s s a r y s o l u t io n s a r e in t r o du ce d ba s e d o n t he e x is t ing p r o b l e ms in fi e l d o p e r a t io n MW D e x a mp l e s in Da fos i min e，co mb h o l e e x a mp l e s in Zh ux ia n z h u a ng min e a n d d ir e ct io n a l dr il l ing e x a mp l e s in Ha s h a t u mine r e s pe ct iv e l y p r o v e t h a t t he ce n t e r ca b l e d r il l pip e ca n me e t t he r e q uir e me n t s o f me a s u r in g co mmu nica t io n a n d s t r e n g t h wit h t h e ma x imum h o l e d e p t h o f 1 20 0m ，t h e d ir e ct io n a l dr il l ing wit h minimum b e n din g r a d ius o f 5 4m a n d dir e ct io na l d r il l in g in co a l s e a m wit h in cl in e d a n g l e o f 5 8 Ke y wo r ds：ce n t e r ca bl e pip e；MW D ；s ig na l t r a ns mis s io n；s t r e ng t h o f d r il l p ipe 0前 言 2 0世纪 7 0年代 ， 以美 国、 德 国、 澳大利 亚为首 的工业发达 国家开始 了水平定向钻孔技术的研究 ， 经过近 4 0年的发展 ， 以随钻测量为主要定 向手段 、 孔底动力为主要钻进方法的定向钻孔工艺成为了 目 前井下水平定 向钻进技术的主要方法。9 0年代初 ， 国内松藻 、 铁法 、 淮南等煤炭企业先后引进了美国和 澳大利亚的水平定 向钻机进行施工钻孔 ， 但 由于各 矿地质条件复杂 ， 煤层松软等因素影响， 施工效果不 佳 ， 最大深度不足 4 0 0 m， 最小深度仅几十米 ， 远未 达到钻机的额定钻进深 度； 而且在钻孔施工过程 中 多次出现钻杆折断 、 螺杆钻具脱落等问题。进入 2 1 世纪 ， 国内定向钻进技术突飞猛进 ， 作为国内煤矿安 全装备 的龙 头企业 ， 中煤 科工 集 团西 安研究 院 于 2 0 0 8年成功研制出井下水平定 向钻机及其 配套 钻 具 ， 其研制的 Z D Y 6 0 0 0 L D系列定 向钻机在宁夏 、 陕 西 、 山西 、 内蒙古 、 河南 、 安徽等地 区的多家煤矿企业 已推广使用 1 0 0多台 ， 2 0 1 0年 1 1月在 山西晋城寺 河矿完成最大 主孑 L 深度 1 0 5 9 m定 向孔 ， 2 0 1 1年 8 月在陕西彬长公司大佛寺煤矿完成最 大主孔深度 1 2 1 2 m定向孔 ， 持续保持国内煤矿井下定 向孔最深 纪录， 此外于 2 0 1 1年 1 1 月在淮北矿业集 团朱仙庄 煤矿实现钻孔最小弯曲半径 5 4 m定向钻孔施工 。 1 随钻测量技术 煤矿井下随钻测量定向钻进技术主要应用于井 下岩层和较稳定煤层的瓦斯抽放长定 向钻孑 L 和地质 勘探定向孔施工。该随钻测量系统主要配套设备有 定向钻机 、 中心通缆钻杆 、 上无磁钻杆 、 测量探管 、 下 无磁钻杆 、 孔底螺杆 马达 、 定 向钻头 、 孔 口监视 器。 其系统组装如图 1 所示 。 煤矿井下定 向钻进技术工作原理 ： 采用弯接头 孔底螺杆马达 ， 泥浆泵产生的高压水从钻杆 内流经 螺杆马达 ， 驱动孑 L 底马达带动钻头回转 ； 有线随钻测 量技术传输孔底信息 ， 利用孔 口监 视器实时监测钻 孔轨迹 ， 并通过调节螺杆马达工具面向角， 改变钻孑 L 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 20 8 ；修回 日期 ： 2 0 1 3 0 33 1 作者简介 ： 刘睿全 ( 1 9 8 6一) ， 男 ( 汉族 ) ， 山西人 ， 中国煤炭科： I ： 集团西 安研究院 ， 机械设计专业 ， 从 事钻探机具装 备的技术开 发 推J 、 T 作 陕两省西安市高新 区锦业一路 8 2号 ， l i u r u i q a a n x a 1 6 3 co i n 。 2 0 1 3年第 4 0卷第 5期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 4 5 下无磁钻杆 测量探管 高压送 水胶管 口监视器 图 1 煤 矿 井下 随钻 测 量 系统 装 备 连 接 示 恿 图 倾角 、 方位角的变化 ， 进而控制钻孔轨迹变化 ， 实现 钻孑 L 轨迹准确钻进至靶点。 随钻测量系统的信号传输方式分为有线和无线 2种 ， 无线 式随钻测量典 型代表有泥浆 脉冲 、 电磁 波 。由于煤矿井下特殊环境 ， 目前煤矿井下定向钻 采用有线方式进行信号传输。有线方式的优点是可 直接向孔底传感器供 电， 实现孔底与孔 口设备之 间 的双向通讯 ， 实时性好 ， 数据传输率高。目前煤矿井 下随钻测量系统常采用 中心通缆钻杆实现有线随钻 测量 。 2 中心通缆钻杆 中心通缆钻杆采用高强度管材 、 特种螺纹丝扣 结构 、 摩擦焊技术 ， 可提高钻杆抗拉 、 压 、 弯 、 扭强度 ， 实现将动力头的载荷有效传输到孔底钻 头， 并保障 钻杆具有高强度便于处理各种孑 L 内事故能力。在煤 矿井下定 向钻施工 中， 钻杆主要作用 ： ( 1 ) 将动力头的回转扭矩和压力载荷传输到孑 L 底钻头 ， 促使钻头碎岩 ； ( 2 ) 中心通缆可联通孑 L 底随钻测量探管 、 孔 口 监视器 ， 实现随钻测量信号实时有效传输 ； ( 3 ) 钻杆内作 为高压水传输通道 ， 将 高压水传 输至螺杆钻具 ， 驱动螺杆钻具下钻头 回转碎岩。 2 1 钻杆的结构设计 为 了满足钻杆对不 同施工工艺 的需求 ， 其主体 结构与普通地质钻杆结构并无大 的差异 。为了减少 钻杆 的连接点 ， 同时满足煤矿井下狭小空间使用要 求 ， 钻杆长度为 3 m； 同时为 了减少钻杆质量而又不 影响钻杆强度 ， 钻杆杆体壁厚较普通钻杆薄 ， 为 7 3 mm 5 6 m m， 接头直径尺寸略大于钻杆杆体直径 ， 为 7 5 mm， 其结构见 图 2 。这样可 以提高接头螺 纹 部位的强度 ； 钻杆内孔的焊接区通过机加工来保证 接头与杆体的平稳光滑过渡 ； 采用 内径较大的杆体 可以加大钻杆的整体 内径 ， 减少液体动能在传递过 程中的管路损耗 ， 同时可以减轻钻杆整体质量。 线管 稳定器 巾问导线 塑料母接 、上 坶接头 图2 中心通缆式高强度大通 孔钻杆 结构 图 2 2 螺纹及通缆装置 2 2 1 螺纹结构 钻进过程中， 钻杆受力 比较复杂 ， 在拉 、 压 、 扭 、 弯等多种载荷的作用下 ， 极 易发生疲劳失效或疲劳 断裂 。现场使用中， 这种疲劳断裂经常发生在钻杆 的螺纹连接处 ， 这是钻杆最薄弱的环节 ， 选择合理的 螺纹类型和螺纹技术参数 ， 对提高钻杆螺纹联接强 度 十分重要。中心通缆式钻杆螺纹整体结构采用双 锥度设计 ， 接头螺纹锥度与绳索取心钻杆螺纹锥度 一 致 ， 为 1 ：3 0 ， 而在母接头螺尾处与公接头螺顶处 锥度为 1 ：2 0 。螺纹锥度变化对螺纹的强度直接影 响不大且 1 ：2 0的小端锥度能够进一步增大螺纹根 部断面积 ， 增加了螺纹联接强度。该钻杆在 1 0组静 扭试验和抗拉试验 中， 接头抗拉最小值为 I 1 0 0 k N， 最小许可抗扭 1 1 2 3 1 N m。高 于实际应用 中其许 可最大抗拉为 9 5 0 k N、 最大抗扭 6 0 0 0 N m。相对 于 0 7 1 I l l T I 重型绳索取心钻杆 的接头最大抗拉 7 5 0 k N、 最大抗扭 4 0 0 0 N m， 双锥度的螺纹连 接强度 均有较大幅度增加。 2 2 2 中心通缆装置 目前煤矿井下随钻测量系统常采用中心通缆钻 杆实现有线随钻测量 ， 可克服 以往有线方式 的电缆 与钻杆之 间的联接安装存在的问题 ， 电缆往往影响 正常钻进过程 ， 并且在钻探过程 中电缆之 间也无法 安全可靠 的联接。钻杆采用中心通缆方式 ， 通过在 钻杆内两端的定位挡固与孔用弹性挡圈固定于钻杆 体内的轴线位置， 为孔底测量探管与孔 口监视器的 信号传输装置。 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 3年第 4 0卷第 5期 中心通缆装置与钻杆构成的一体式钻杆 ， 是在 外平钻杆的基础上 ， 内部采用专有 的中心支撑式结 构将金属导线固定并密封在钻杆 中部 ， 通过插接式 对接结构在钻杆丝扣连接的同时实现内部导线的连 通。通缆部分是 由橡胶稳定器、 塑料线管 、 铜导线 、 塑料公母接头 、 不锈钢头 、 卡簧和定位挡圈等部件组 成 。 2 3钻杆加工 中心通缆钻杆 主体的加工与常规钻杆基本一 致 ， 主要采用摩擦焊接 +热处理 +机加工 的方式进 行加工。其中接头热处理 、 摩擦焊接 、 焊后热处理以 及精车螺纹都是钻杆体加工过程中的重要工序。 中心通缆钻杆加工关键工序是摩擦焊。摩擦焊 是一种 固态的焊接方式 。通过机械摩擦运动使两摩 擦表面产生热量 ， 把焊件表面加热到塑性状态 ， 然后 施加轴 向压力将 同种金属或异种金属牢固的连接在 一 起。其特点是 ： 全截面焊接 ， 无气孔裂缝等缺陷 ， 焊接面不易氧化 ， 接 口组织细密 ， 可得到与母材相同 的强度 ， 参数重现性好 ， 焊接质量稳定 ， 加工效率高。 接头与杆体之间采用摩擦焊技术实现连接 ， 既保证 了接头强度 ， 又减轻了钻杆质量。该钻杆设计强度 既可满足孔底马达钻进要求 ， 又可满足孔 口动力 回 转钻进要求。 3 实例 应 用 我院 自2 0 0 8年煤矿井下定向钻装备研发 以来 ， 截止 2 0 1 2年初 已在我 国 5 0多个矿 井进 行推广应 用 ， 施工最大单孔孔深 1 2 1 2 m， 最大分支孔孔深 6 9 8 11 “1 ， 累计施工钻孔深 度 5 8 0万 m。中心通缆钻杆 成 功在大佛寺煤矿最大孔深钻孔 、 朱仙庄矿最小弯曲 半径的定 向孑 L 、 哈沙图煤矿急倾斜煤层定 向钻孔等 施 工 。 3 1 井下最长定向钻孔应用实例 2 0 1 1年 78月 ， 我 院在彬 长公司大佛寺煤矿 进行井下定向瓦斯抽放钻孔施工 ， 以实现工作面超 前本煤层瓦斯预抽 ， 增大瓦斯抽采量 ， 从源头上治理 瓦斯 ， 确保安全生产。施工过程中共完成钻孔 2个 ， 3号主孔深 9 3 3 m， 4号主孔深 1 2 1 2 m， 累计 总进尺 2 6 1 9 13 。其中 4号- L ： L 深 1 2 1 2 m， 创造 目前 国内井 下定向钻进最深记 录。在 4号钻孔 1 2 1 2 m孔段施 工过程中， 中心通缆钻杆保证随钻测 量信号通讯正 常， 并将钻机动力头载荷有效传输给孔底钻头。 3 2弯曲半径最小的定向钻孔应用实例 2 0 1 0年 1 01 1月 在 淮 北 矿 业 朱 仙 庄 煤 矿 1 0 7 1 5工作面进行井下小 曲率梳状钻孔试验。本次 试验共施工断裂带梳状 钻孔 2个 、 1号梳状孔含分 支孔 8 个 ， 2号梳状孔含分 支孔 9个， 2主孔最大孔 深都达到 6 0 3 1T I ， 分支孑 L 最 大孔深达到 1 4 7 m， 试验 总进 尺 2 6 3 9 m。 两梳状孑 L 轨迹相对于孔 口垂深在 一 2 0+6 0 m 范围波动变化 ， 为实现钻孔轨迹在如此大幅度波动 ， 需使钻孔倾角在 一2 0 。3 0 。 变化 ， 这将使钻孔 弯曲 强度达到极 限 ， 试验中 2号孔 2 8分支孔弯曲半径 为 5 4 m， 对钻杆抗 弯强度进行极 限考验 ， 试验证明 中心通缆钻杆满足最小弯曲半径 5 4 1T I 的定 向钻孔 施工 。 3 3 急倾斜煤层定向钻孑 L 应用实例 2 0 1 0年 3月， 在 内蒙古太西煤集团哈沙图煤矿 进行定向钻孔施工。该煤层属 于急倾斜煤层 ， 煤层 倾角 5 8 。 。在钻孔施工中需对钻孑 L 左右位移准确控 制才能保证钻孔处于 目标煤层。由于煤层顶底板岩 层为坚硬砂岩及煤层急倾斜 ， 致使钻孔轨迹左右和 上下起伏波动较大 ， 试验证 明中心通缆钻杆满足急 倾斜 5 8 。 煤层的定向钻孔施工 。 4 存在 的问题与对策 在煤矿井下随钻测量技术应用 中， 也发现中心 通缆钻杆存在以下问题。 4 1 丝扣 磨损 问题 在钻杆反复装 卸过程中， 对钻杆丝扣的磨损作 用 。通缆钻杆丝扣壁 较薄且是钻杆强 度最薄弱部 位 ， 在钻进过程 中， 由于在弯 曲钻孔 内钻杆受力过 大 ， 易造成钻杆接头丝扣非正常损坏。可采用对钻 杆的接头进行渗氮处理 ， 加强钻杆丝扣抗磨性能 ， 以 进一步提高钻杆使用寿命 。 4 2 塑 料接 头压 变形断 裂 问题 钻杆受拉弯反复作用 ， 管 内密封塑料接头受 冲 洗液酸碱度等因素影响， 长时间使用接头会 因蠕变 造成几何尺寸改变 ， 导致密封性能降低 、 线管进水内 外导通 ， 使信号无法传输。针对此问题 ， 应完善塑料 接头的材质与成型工艺 ， 提高塑料接头抗 冲洗液腐 蚀能力 ， 减少其发生变形和断裂等现象 。 4 3 塑料线管热胀冷缩 ， 伸缩量较大， 无法保证装 配精度 该问题应更换线管材料 ， 尽量控制伸缩量在一 定的范围内， 保证装配精度 。 4 4 定位挡圈容易生锈 ， 不利于售后维修 建议对定位挡圈进行 电镀处理 ， 延长使用周期 ， 2 0 1 3年第 4 0卷第 5期 探矿工程 ( 岩土钻掘工程) 4 7 利于维护与维修。 4 5 使用过程中违章操作 ， 造成对钻杆的人为损坏 针对此问题 ， 应完善中心通缆式钻杆 的使用说 明， 要求按章操作及时保养 ， 并派技术 人员进行培 训 。 4 6 不能及时的保养钻杆 ， 造成钻杆的腐蚀和破损 应规范对钻杆使用方法 ， 养成钻杆定期保养 的 好习惯 ， 能有效延长钻杆的使用寿命。 5 结 论 与展望 通过本文研究应用 ， 可做出以下结论与展望 ： ( 1 ) 中心通缆钻杆可实时传输钻孔随钻测量信 号， 并能有效地将动力头载荷传递到孔底钻头 ， 其最 大许可抗拉强度 9 5 0 k N、 最大许可抗扭强度 6 0 0 0 N I I 1。 ( 2 ) 大佛寺煤矿随钻测量应用实例说 明中心通 缆钻杆满足最大孔深 1 2 1 2 1 1 1 的随钻测量通讯和钻 杆强度要求 ； 朱仙庄梳状孔应用实例说明 中心通缆 钻杆满足最小弯曲半径 5 4 I 的定 向孔施工 ； 哈沙图 煤矿定向孔实例说明中心通缆钻杆满足急倾斜 5 8 。 煤层的定 向钻孔施工。 ( 3 ) 螺纹连接处是钻杆最薄弱 的环节 ， 建议 对 钻杆的接头进行渗氮处理 ， 提高丝扣抗磨性能， 提高 钻杆使用寿命。 ( 4 ) 钻杆受拉弯反复作用下 ， 塑料 接头常受挤 压变形断裂 ， 导致线管进水内外导通 ， 使信号无法传 输。今后应完善塑料接头的工艺 ， 选择密封性更好 的材料。 ( 5 ) 为提高钻 具受力强 度和处 理孔 内事故 能 力 。可研制 0 8 9 mm通缆钻杆。若无线随钻测量研 发成功 ， 可用厚壁的普通钻杆来提 高钻具受力强度 和钻杆 内高压水过流面积 。 参考文献 ： 1 姚 宁平 ， 张杰 ， 李泉新 ， 等 煤矿井下梳状定 向孔钻进技术研究 与实践 【 J 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 5 ) ： 3 0 3 4 姚 宁平 ， 张杰 ， 李乔乔 煤矿井 下近水平 定 向钻 技术研 究与 应 用 J 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 1 0 ) ： 5 3 5 7 李乔乔 ， 姚宁平 ， 张杰 煤矿井下水 平定 向钻孔轨迹设 计 J 煤矿安全 ， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 1 0 ) ： 5 1 5 4 姚宁平 我国煤矿井下 近水平定 向钻进技 术的发展 J 煤 田 地质与勘探 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 )： 7 88 0 姚宁平 ， 孙荣军 ， 叶根飞 我国煤 矿井下 瓦斯抽放 钻孔施 工装 备与技术 J 煤炭科学技术 ， 2 0 0 8， 3 6 ( 3 ) ： 1 21 6 石智军 ， 胡少韵 ， 姚 宁平 煤矿井下 瓦斯抽采 ( 放 ) 钻孔施 工新 技术 M 北京 ： 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 8 姚宁平 煤矿井 下煤层气 抽采小 曲率梳状 钻孔钻 进技术及 钻 具研究 D 湖北 武汉 ： 中国地质大学 ， 2 0 1 2 张杰 ， 蒋 玉玺， 姚宁平 ， 等 九里 山矿井下定 向钻孔卡钻 事故 处 理实践 J 煤矿安全 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 1 1 ) ： 1 2 51 2 7 S 也 n s 止 S S S 吐 舢 址 S 址 址 S I L S 止 址 s 止 址 S s 止 喜 l上 S S 喜 S 5 S 址 S S 喜 址 L 址 S 屯 喜 屯 址 5 止 止 s 也 S 屯 s 止 址 s 屯 L ( 上