机械破岩模拟试验钻机洗井系统关键技术研究

陈云，余洋，涂伟

（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏银川 750001）

0 引言

随着近年来国家矿山开采技术快速发展，很多新装备、新材料、新技术、新工艺在地下矿山开采中得到应用，同时矿山开采向深部发展，其中硬岩约占1/4左右。近年来国内矿山深部开采井筒建设装备和施工工艺也得了快速发展，中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家实验室、北京中煤矿山工程有限公司煤矿深井建设技术国家工程实验室等在机械破岩方面做了大量的研究工作。为进一步研究钻井机械破岩过程中岩石内部变化机理等，研发全断面机械破岩模拟试验钻机，研究全断面模拟试验钻机洗井系统关键技术，模拟钻井实际工况环境，获取实验数据，为矿山深部开采建井提供数据支持[1-5]。

1 机械破岩模拟试验钻机洗井系统工作原理

如图1所示，反井钻机导孔过程中，泥浆泵将高压洗井液从反井钻机动力头主轴中心孔送入，沿钻杆中心孔向下输送至钻头，再将钻渣从钻杆和孔壁形成的环形腔排至地面，泥浆泵工作压力根据到孔深度确定，洗井液只有在高压状态下钻渣才能从钻杆和孔壁形成的环形腔排至地面，随着钻孔深度的增加，导向钻头处的水压也随着增加，当钻深达到1000 m时，孔深度形成水压超过10 MPa，泥浆泵提供较小的工作压力，钻渣就可以排到地面，泥浆泵工作压力一般在5 MPa以下，钻头的工作压力达到15 MPa左右，但反井钻机输出主轴内部的工作压力就是泥浆泵提供的压力，相对较低[6-8]。

图1 反井钻机洗井液循环原理示意图

全断面机械破岩模拟试验钻机洗井系统要真实模拟钻井环境，模拟钻头在实际高压环境下的破岩状态，获取破岩数据，研究破岩机理。因此试验钻机钻头所在的空间设计成高压腔体，模拟钻井深度只有1.6 m，钻井深度形成的压力很小，需洗井系统提供15 MPa左右的工作压力才能模拟实际钻井环境，钻杆与试验台之间形成高压动密封，如图2所示。由泥浆泵提供的高压洗井液从试验钻机动力头主轴中心孔与回液管形成的环形腔中送入，沿钻杆中心孔向下输送至钻头，再将钻渣从主轴中心孔中向上排出，经过滤系统过滤后进入泥浆泵水箱，实现洗井液的工作循环，整个洗井系统压力达到15 MPa左右。

图2 全断面试验钻机洗井液循环原理示意图

2 机械破岩模拟试验钻机洗井系统功能分析

2.1 排渣功能

机械破岩模拟试验钻机洗井排渣与反井钻机排渣方式不同，高压洗井液和钻渣混合液不能直接排放到地面，需要收集处理。全断面试验钻机模拟大直径一次钻井成型，钻井直径为1200 mm（也就是钻头直径），而且是模拟高压环境下机械破岩，钻杆和钻头钻成的孔形成的环形腔体截面过大，高压洗井液不能将钻渣直接从钻杆外侧排放，需经过钻杆和动力头主轴中心从试验钻机顶部排出，进入分离系统。

2.2 钻渣分离功能

机械破岩模拟试验钻机排出的高压洗井液和钻渣混合液直接进入专用泥浆分离机进行分离处理，处理后的洗井液接入泥浆泵水箱，高压洗井液工作过程形成循环闭环，实现工作液的循环再利用。

3 机械破岩模拟试验钻机洗井系统关键技术研究

机械破岩模拟试验钻机工作原理和特性决定了主机内部洗井系统与反井钻机结构和工作压力完全不同，其结构更加复杂，工作压力更高。如图3所示，反井钻机高压洗井液从动力头输出主轴上部安装在动力头上的液压管路经过输出主轴中心孔，沿钻杆中心孔到达钻头处，回液通过钻杆与导孔形成的环形孔排到地面，不经过主机内部[6-8]。旋转的输出主轴上端与固定在动力头上的液压管路直径通过带有高压密封的机构实现洗井液高压通道固定到旋转转换，工作压力不大于5 MPa。

图3 反井钻机动力头

机械破岩模拟试验钻机洗井系统与反井钻机的最大区别是高压洗井液进回口都在动力头上端，进回液都要经过主轴和钻杆中心孔，主轴和钻杆中心孔需设计成双层通道，而且工作压力高，达到15 MPa 左右。同时钻头所有实验数据监测的传感器电缆沿钻杆引出，钻杆不仅要传递钻井转矩，还要与试验台导向孔之间形成高压动密封，实现钻头在高压环境中工作模拟真实工况环境，机械破岩模拟试验钻机高压洗井液进回管路和钻杆结构如图4所示。

图4 机械破岩模拟试验钻机

为解决高压洗井液进回管路（静止）与动力头输出主轴（旋转）连接及进回液分离的难题，在动力头输出主轴中心孔设计了可更换的中心管，上端与动力头顶部固定的回液管路连接，下端升至钻头底部，动力头旋转过程中中心管始终静止。中心管外圆与动力头输出主轴中心孔形成的环形腔体为高压洗井系统在动力头内部的进液管路，高压洗井液经过输出主轴和钻杆从钻头侧面排出，钻头底部的钻渣冲进中心管，沿中心管向上排出。动力部上端进液口与回液口设计成一个整体，与动力头输出主轴之间通过可伸缩的高压动密封结构连接，实现洗井液安装在动力头静止不转的进出口管路与可旋转的动力头输出主轴的高压密封动连接。根据流量大小要求设计洗井液井回管路截面大小。

全断面机械破岩模拟试验钻机模拟钻井过程中，钻杆在旋转的同时向下低速移动，钻头在充满高压洗井液的腔体中工作，钻杆与工作台之间设计了高压动密封装置，使高压洗井系统和模拟试验钻机钻头工作空间形成高压密封环境，真实模拟反井钻机钻井工况，获取实验数据。钻杆设计成双层结构，内层钻杆与动力头输出主轴连接，传递钻头工作转矩，外层与钻头连接，钻井过程中起导向作用。两层之间布置监测实验数据的传感器电缆。

4 结语

通过研究全断面机械破岩模拟试验钻机高压洗井系统原理和功能，结合试验钻机动力头输出主轴和钻杆结构，设计了在实验室可以模拟反钻钻机实际工作环境的高压洗井液压回路和多功能钻杆结构，在试验钻机动力头输出主轴和钻杆中心孔中设计了高压洗井液进回通路，将进回液口设计在试验钻机动力头顶部，实现了洗井液和钻渣的回收，避免污染实验室工作环境。主要解决了全断面机械破岩模拟试验钻机高压洗井系统3个方面的关键技术：1）洗井液工业系统与主机和模拟钻井井孔形成的高压模拟试验系统；2）全断面机械破岩模拟试验钻机高压洗井系统与主机动力头输出主轴之间洗井液进回双层动静转化的高压密封结构；3）具有导向、传递转矩和进给力、输送洗井进回液等功能的多层钻杆。