碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术研究

碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术研究

碎渣和使节突出，具有较高的煤炭结构断裂、高气体含量、高压力和通风性。它在中国的许多矿区广泛分布。砖瓦泵技术效率低，管理难度大，瓦尔登事故频发，严重影响了矿山的安全高效生产。碎软煤层空气定向钻进技术是近几年快速发展和推广应用的一种钻进技术，适用于碎软煤层瓦斯抽采定向钻孔的施工泡沫钻进技术以稳定泡沫为冲洗介质，泡沫携渣能力较强，适用于煤层出水工况；同时，泡沫可以对螺杆钻具降温和润滑，降低孔口煤尘，可为解决碎软煤层空气定向钻进技术存在的上述问题提供技术借鉴。冀前辉等为此，在现有碎软煤层空气定向钻进技术的基础上，通过泡沫定向钻进工艺技术研究，开发了碎软煤层泡沫定向钻进技术，配套了相关装备，可以解决碎软煤层空气定向钻进存在的上述问题。1碎渣层空气定向开挖和空渣运移特性碎软煤层空气定向钻进过程中，煤层未出水和出水2种情况下，钻渣具有不同的运移特性。1.1孔口压风监控装置设计碎软煤层空气定向钻进以矿用移动式防爆空压机输出压风为钻进动力源和冲洗介质，驱动空气螺杆马达回转碎岩钻进，对空气螺杆马达进行降温，并将钻进产生的煤尘带出钻孔；钻进过程中随钻测量系统测量钻孔倾角、方位角和空气螺杆马达工具面向角等参数，通过定向钻机回转动力调整空气螺杆马达结构弯角朝向控制钻进方向以调整钻孔轨迹；孔口压风监控装置实时监测压风压力、流量，并具备孔内复杂工况应急处置功能；孔口除尘装置用于孔内返出煤尘的降尘处理。碎软煤层空气定向钻进具有压风流量大、钻进速度快、成孔深度大和瓦斯抽采效果好等特征。1.2渣、污水处理运移煤层未出水时，在压风冲洗介质作用下钻渣时而悬浮、时而沉降，以跳跃方式沿着钻柱和钻孔环空间隙向孔口运移，运移形式属于气固两相流中的颗粒和颗粒群运动1.3引起钻渣团聚性机理煤层出水时，在压风作用下煤层水被吹散形成细小的雾状液滴，钻渣暴露在雾状液滴中并吸收其水分，钻渣颗粒变得潮湿。当出水量较大使气体湿度达到饱和时，钻渣颗粒之间的间隙由水分充填，形成钻渣颗粒的“液桥”，引起钻渣的团聚钻渣团聚性C式中：C由式(1)可以看出，钻渣颗粒越细小，质量越轻，团聚性越强；钻渣颗粒间的作用力越大，团聚性越强。煤层出水量不同时钻渣颗粒间呈现不同的团聚状态。出水量较小时，钻渣颗粒不形成团聚状态，表现为孔口返出的钻渣较为潮湿，钻渣的运移不受影响；出水量逐步增加时，钻渣颗粒间逐渐形成团聚状态，钻渣运移阻力增加，孔口返风量降低，采取回转钻杆扫孔加强孔内排渣，少部分钻渣可以返出孔口；出水量较大时，孔内空气湿度达到饱和或过饱和状态，钻渣颗粒相互团聚黏结形成糊状，钻渣运移阻力显著增加，压风冲洗介质已无法正常携渣，此时空气螺杆马达停止回转，孔口无返风，钻渣无法从孔口正常返出。2碎渣层泡沫定向开挖技术2.1泡沫分散体系泡沫是指由气体(分散相)和泡沫液(分散介质)组成的分散体系。气体由井下静压风管路或移动式防爆空压机提供，泡沫液一般由发泡剂、稳泡剂和水等组成。气体以冲击射流的形式和泡沫液混合，形成稳定、连续的泡沫分散体系。泡沫携渣能力的评价指标主要包括悬浮能力和携渣能力，悬浮能力是指泡沫处于静止状态时对钻渣的悬浮性，由泡沫的静切力决定；携渣能力是指泡沫将钻渣携带至孔口的能力，由泡沫的动切力和黏度决定。泡沫的体积一般要比钻渣颗粒的体积大许多倍，钻渣由泡沫承托着，只有在泡沫发生较大变形或发生破裂时钻渣的悬浮性才会明显降低，而钻渣的重量一般小于泡沫和气体之间的表面张力，泡沫变形量较小，因此，泡沫的携渣能力较强，可达到水携渣能力的7～8倍。2.2空气螺杆马达结构优化碎软煤层泡沫定向钻进技术以泡沫为动力源和冲洗介质，驱动空气螺杆马达带动钻头回转碎岩钻进，携带钻进过程中产生的煤渣，以及煤层中可能出现的水，同时泡沫起到对空气螺杆马达润滑和降温的作用。复合定向钻进过程中，在随钻获取钻孔轨迹参数(倾角、方位角)和空气螺杆马达工具面向角参数的基础上，通过稳定螺杆马达结构弯角至特定方向以调整钻孔轨迹。利用压风监控系统实时监测供风压力、流量，并具备孔内复杂工况的应急处置功能2.3孔底排渣“机械+泡沫”复合排渣技术1)稳定高效发泡技术泡沫是气体分散于液体中的分散体系，气体是分散相(不连续相)，液体是分散介质(连续相)，而要形成满足泡沫钻进用的稳定泡沫必须使用泡沫剂，它通常由发泡剂和稳泡剂组成在优选泡沫配制方案的基础上，依据冲击射流原理，开发了一体式冲击射流发泡方案，如图3所示。即按泡沫配制方案调配好泡沫液，向泡沫发生装置中分别定量输入泡沫液和压风，泡沫液和压风输入方向相反，压风经冲击导流板后分散为多股压风，以加强泡沫液和压风的混合效果。两者在一次发泡区初步混合后进行初期发泡，之后进入二次发泡区进行充分发泡，以保证泡沫液受到压风冲击后形成稳定连续的泡沫。2)“机械+泡沫”复合排渣技术碎软煤层泡沫定向钻进成孔深度大，煤渣产生量大且运移距离长，煤渣易沉积在孔底，使钻头重复破碎，降低钻进效率；同时煤层出水时，孔内煤渣变得潮湿，相互团聚甚至形成糊状，排渣阻力明显增加，孔内沉渣量增多，卡钻、埋钻等复杂工况发生的风险显著提高。“机械+泡沫”复合排渣技术原理：该技术结合泡沫排渣和异形钻具机械搅渣的技术优势，利用泡沫悬浮性好、携渣能力强的特点，可以减少孔底钻渣的沉积量，同时泡沫可以带出孔底积水，降低钻渣运移阻力，提高排渣效率；在泡沫排渣的基础上，利用空气螺杆马达和钻杆外部的异形结构(螺旋、三棱)搅动孔内钻渣，减小孔底钻渣的沉积量，增强钻渣运移能力“机械+泡沫”复合排渣工艺流程：碎软煤层定向钻孔开始施工时，钻孔深度浅且煤层未出水时，钻渣运移阻力较小，采用“机械+空气”复合排渣可以满足钻进要求；钻孔深度加大出现排渣不畅情况，但煤层未出水时，采用“机械+空气”为主，“机械+泡沫”为辅的复合排渣方式强化排渣；钻孔深度较深且煤层出水时，钻渣排出较困难，采用“机械+泡沫”为主，“机械+空气”为辅的复合排渣方式，排出含水的钻渣，如图4所示。3)“空气+泡沫”复合钻进技术单独应用空气定向钻进技术时无法实现空气螺杆马达高效降温和润滑，以及处置孔内出水等工况；单独应用泡沫定向钻进技术存在孔口返出大量泡沫的高效消泡难题。为此，开发了“空气+泡沫”复合钻进技术，即在钻进过程使用空气和泡沫两种冲洗介质，首先使用空气作为冲洗介质进行空气定向钻进，钻进一定时间或进尺后煤层未出水时，向孔内间歇性注入泡沫，以达到降温和润滑空气螺杆马达目的；当孔内煤层出水、孔口返渣量较小时，连续使用泡沫作为冲洗介质，以达到降温、润滑和排水的目的，待孔口返渣正常时，以空气为冲洗介质，继续向孔内间歇性注入泡沫间歇性向孔内注入泡沫冲洗介质的“空气+泡沫”复合钻进技术，可以发挥2种钻进技术的优势，与泡沫钻进技术相比，泡沫使用量降低50%～60%(按1h消耗量600L计算，可节约泡沫液300～360L)，减少了泡沫剂用量，降低了钻进成本，减小了井下水污染。中风压泡沫钻进技术、碎软煤层空气定向钻进技术和碎软煤层泡沫定向钻进技术3种碎软煤层钻进技术对比见表1。2.4定向钻机安装方案碎软煤层泡沫定向钻进配套装备组成如图5所示，主要包括定向钻机、泡沫发生灌注系统、空气螺杆马达、异形钻杆和随钻测量系统。1)定向钻机定向钻机用于提供给进、起拔和回转动力、夹持和拧卸孔内钻具、克服螺杆马达钻进反扭矩等，目前已形成系列化产品。与液动钻进技术相比，泡沫定向钻进技术对定向钻机存在以下特殊要求：(1)泡沫定向钻进时不使用水作为冲洗介质，不需要配套泥浆泵或泥浆泵车；(2)碎软煤层所在巷道空间尺寸较小，在考虑成孔深度要求的基础上，定向钻孔成孔深度相对较浅，应尽量选择窄体小型化定向钻机。可选定向钻机型号包括ZDY4000LD(C)、ZDY6000LD(B)和ZDY6000LD(F)等。2)泡沫发生灌注系统泡沫发生灌注系统主要包括井下移动式防爆空压机、泡沫泵、泡沫液箱、泡沫发生器、气体流量计、泡沫流量计和配套管路、阀门等部件，如图6所示，主要部件的规格和作用见表2。3)空气螺杆马达空气螺杆马达是一种容积式动力钻具，驱动介质为气体、泡沫等，对碎软煤层孔壁扰动小，适用于气动定向钻进。空气螺杆马达由马达总成、万向轴总成、传动轴总成组成，如图7所示，马达总成是空气螺杆马达的核心部件，决定着空气螺杆马达的输出扭矩和转速；万向轴总成由万向轴壳体和万向轴组成，用于将马达总成的星形运动转换为同心运动；传动轴总成主要由传动轴、推力轴承组、传动轴总成壳体等零件组成，用于将空气螺杆马达的动力传递给钻头。4)异形钻杆为了提高钻进排渣效果，可以选用外壁为螺旋或三棱结构的异形钻杆，钻杆中心可选择是否安装中心通缆组件，安装中心通缆组件的异形钻杆可配套有线随钻测量系统使用，未安装中心通缆组件的异形钻杆可配套电磁波无线随钻测量系统使用。5)随钻测量系统随钻测量系统用于在泡沫定向钻进过程中随钻测量钻孔倾角、方位角和空气螺杆马达工具面向角等参数，为钻孔轨迹调整提供依据。可选用的系统主要包括YHD2-1000(A)型有线随钻测量系统和YSDC矿用电磁波无线随钻测量系统。3现场试验3.1煤与瓦斯突出矿井试验矿井选取安徽省宿州市某矿，井田位于淮北煤田宿县矿区宿南向斜内，工作面采用走向条带方式开采，自然垮落法管理顶板，为煤与瓦斯突出矿井。试验钻场位于94采区63.2钻孔定向孔段1)试验钻孔设计试验钻孔包括1、2、3号孔，均自72)试验配套设备试验钻孔施工配套设备主要包括ZDY4000LD(C)型全液压定向钻机、泡沫发生灌注系统(表1)、RDJK1型压风监控系统、ZFP-1型孔口除尘装置、YSDC矿用电磁波无线随钻测量系统、ø73mm空气螺杆马达、大通孔送风器、ø73mm大通径三棱螺旋钻杆、ø73mm无磁钻杆、ø108mm定向钻头等。3)试验钻孔施工方案试验钻孔定向孔段施工钻具组合：ø108mm定向钻头+ø73mm空气螺杆马达+ø73mm下无磁+ø73mm探管外管(内部安装矿用电磁波随钻测量探管)+ø73mm绝缘短节+ø73mm上无磁+ø73mm大通径三棱螺旋钻杆+…+ø73mm大通径三棱螺旋钻杆+大通孔送风器。1、2号钻孔采用空气定向钻进技术施工，3号钻孔采用泡沫定向钻进技术施工。钻进煤层未出水孔段时，应用“空气+泡沫”复合钻进施工方案，即空气定向钻进过程中间隔采用泡沫定向钻进，间歇性向钻孔内注入泡沫冲洗液，以达到降温润滑空气螺杆马达，降低孔口返出煤尘的目的；钻进煤层出水孔段时，采用泡沫定向钻进施工方案，利用泡沫排出孔内积水，降低钻渣运移阻力，增强排渣效果，以提高成孔深度。3.3空气定向钻进在3号顺煤层定向钻孔中试验泡沫钻进工艺技术，0～106m煤层未出水孔段采用“空气+泡沫”复合钻进施工方案，钻进过程正常，孔口煤尘较少；106m孔深位置煤层开始出水，采用空气定向钻进时孔口返风少，无煤渣返出，无法正常钻进，此时切换为泡沫定向钻进，大量泡沫从孔口返出带出孔内积水，泡沫和水返出一定时间后钻渣逐渐被携带出，待钻进压力和回转压力恢复正常后继续钻进，顺利钻至146m;146m孔深位置孔口没有出现返水现象，判断煤层未出水，切换为“空气+泡沫”复合钻进施工方案，顺利施工至孔深232m。与未应用泡沫钻进施工方案的1、2号顺煤层定向钻孔相比(煤层均出水)，成孔深度分别提高97%、105%，如图9所示，显著提高了顺煤层定向钻孔的成孔深度，有助于增强碎软煤层瓦斯抽采效果。4顺煤层定向钻孔成孔深度a.基于泡沫高效携渣原理，开发了碎软煤层泡沫定向钻进技术，在淮北宿州某矿开展了碎软煤层泡沫定向钻进技术应用试验，顺利施工了主孔深度232m的顺煤层定向钻孔，与应用空气定向钻进技术的1、2号钻孔相比，成孔深度分别提高97%、105%，显著提高了顺煤层定向钻孔的成孔深度。b．利