煤矿井下近水平定向钻进黏滑振动产生机理及应对措施

2022-06-22王四一

煤矿安全 2022年6期

王四一

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

在石油钻井领域，专家认为黏滑振动发生在约50%的钻井作业中[1]，钻井研究人员对钻井过程中的黏滑振动进行研究已有30 多年的历史，这是一种钻柱在钻孔内转动极不均匀的运动形式，钻柱处在或停或转的状态，扭矩波动很大，黏滑的存在会导致钻井系统部件过早失效，降低钻进效率，导致成本大幅增加[2-6]。

在煤矿井下定向钻进领域，这一现象没有得到足够重视，主要是由于煤矿井下钻孔深度相比石油钻井小得多。目前，在煤矿钻进领域为解决上述问题，主要采取的措施包括：①改进钻头的结构和材料，使其更加坚固、耐冲击[8-12]；②优化钻杆结构和材料，改善其抗疲劳破坏性能[8,13-22]。这些措施均是比较被动的方式，不能从根本上改善黏滑振动现象带来的影响。

近几年，煤矿井下钻探工艺及装备快速发展，以中煤科工集团西安研究院有限公司为例，先后创造了钻进1 881 m 超深定向孔[23]、2 570 m 超深定向孔[24]和3 353 m 超深定向孔[25]的世界纪录，定向钻进技术应用领域越来越广泛（从本煤层瓦斯抽放延伸至防治水、隐蔽致灾体探查等领域），适用地层也从本煤层延伸至砂岩层、灰岩层。随着钻孔深度进一步延伸（钻柱等效扭转刚度降低）、钻进岩层硬度增加（钻头碎岩扭矩增加），黏滑振动产生的几率以及对钻进施工的影响将越来越大，不可忽视。为此，通过借鉴石油领域相关研究成果，并结合煤矿井下实际工况，分析煤矿井下定向钻进工艺黏滑振动的产生机理及抑制方法十分紧迫且必要。

1 煤矿井下黏滑振动产生的原因及影响因素

1.1 黏滑振动产生原理及危害

黏滑振动是指钻头在切削目标岩层过程中，钻头黏滞与滑脱交替出现的一种现象。

研究发现，在钻头旋转进行破岩的前进过程中，钻头与岩层之间的相互作用以及钻头需要破碎的地层中的岩石的性质，直接决定了钻头的运动状态。对相关岩石力学知识进行分析可以得到：钻进时，钻头要使得岩石破坏，钻头对岩石所加的破碎力的大小必须能够足以克服岩石本身的固有剪切强度，并且还要足够平衡剪切面上的岩石之间的摩擦阻力，才能导致岩石的破坏，关系式为[26]：

式中：τ 为剪应力；C0为黏聚力；μ 为岩石内摩擦因数；σy为法向正应力。

由式（1）可知，当钻头对岩石所施加的作用力不能平衡岩石对钻头的阻力的时候，岩石不会发生破坏，岩石对钻头产生1 个反扭矩，反扭矩最终由整个钻柱承担，随着钻柱长度的延伸，钻柱变形累积，即随着孔深的增加，钻柱变长以后，钻柱扭转刚度变小。将1 根钻杆看作是1 个扭转弹簧，其扭转刚度为定值K，当n 根钻杆连接在一起时，其等效扭转刚度则为K/n；假设钻头受到岩层的反作用力矩为M，则n 根钻杆在力矩M 的作用下，扭转变形φ 为：

从式（2）中可以看出，扭转变形与钻头所受扭矩、钻杆数量成正比、与钻杆扭转刚度成反比。

在实际钻进过程中，钻头所受扭矩仅在一定范围内波动，钻杆扭转刚度为定值，可通过钻杆内径、外径、长度和材料弹性模量计算得来，变化最大的只有钻杆的根数。随着钻孔深度延伸，钻杆数量增加，钻柱扭转变形量越来越大，形成1 个弹性吸能装置——当孔底动力钻具驱动钻头切削目标岩层时，钻头由于岩层反扭矩作用静止不动，钻柱产生扭转变形（相当于1 个扭转弹簧），吸收动力钻具产生的扭矩，当扭矩增加到足够大时，钻柱带动孔底动力钻具和钻头高速回转，释放积聚的能量，从而形成黏滑振动现象。

以采用φ73 mm 单弯螺杆马达和φ73 mm 通缆钻杆为例，当钻孔深度达到500 m 时，如果不考虑孔壁摩擦等其他因素影响，则其扭转角度计算如下：通缆钻杆外径φ73 mm，内径为φ59 mm，钻杆管材采用42CrMo，其切变模量为80 GPa，将钻杆近似看作是等壁厚钢管，不考虑接头影响，则钻柱扭转角度φ为134.3°。

式中：M 为目标岩层反扭矩，N·m；l 为钻柱长度（钻孔深度），m；G 为钢材切变模量，80 GPa；IP为转动贯量。

式中：D 为钻杆外径，mm；d 为钻杆内径，mm。

由以上分析可知，如果不采取合理的措施，当深度达到500 m 时，假设目标岩层碎岩扭矩为600 N·m，不考虑其他影响因素的情况下，反扭角达到134.3°。即从钻头开始切削碎岩后，钻柱扭转134.3°后，岩层破碎，钻头快速回转134.3°后在钻压和目标岩层的约束下静止，钻柱扭转134.3°，如此，周而复始。

黏滑振动导致钻头在滞动和快速回转2 种状态下交替工作，由此造成的钻具损耗主要表现在：①钻头切削齿崩刃、PDC 切削齿金刚石层脱落，导致钻进效率降低[7]；②钻杆螺纹接头疲劳断裂，造成掉钻事故[8]。

1.2 2 种钻进工艺产生的黏滑振动表现形式

石油领域的黏滑模型建模建立在动力头回转，或者转盘回转的基础之上，煤矿井下存在特殊的施工工艺和工况，即以单弯螺杆马达为核心的近水平定向钻进工艺。

从直观的表现来看，孔口转盘驱动黏滑振动的显性表现为：孔口转盘驱动主动钻杆回转，钻头在钻压作用下切入目标岩层，孔底钻头滞动，钻柱系统发生扭转积聚能量，然后突破目标岩层阻力，能量释放，钻柱以数倍于转盘的速度回转，能量释放完后，钻头滞动，如此循环。

而以螺杆马达为动力钻具的钻柱系统，其黏滑振动的表现形式为：孔口动力头固定不动，钻头在钻压作用下切入目标岩层，螺杆马达在泥浆泵驱动下，转子与定子产生相对运动，转子与钻头相连，定子与钻柱相连，钻头滞动，导致转子静止，定子和钻柱系统产生反向的扭转，积聚能量（弹性势能），然后突破目标岩层阻力，释放能量，钻柱以数倍于螺杆马达的速度回转，能量释放完后，钻头滞动，如此循环。

两者的过程有相同之处，都是迫使钻柱扭转积聚能量，然后能量释放，钻柱高速回转后再次进入黏滞状态。以单弯螺杆马达为核心的近水平定向钻进工艺，煤矿井下近水平定向钻进工艺黏滑振动模型与石油钻井领域的转盘回转钻进工艺黏滑振动模型主要区别是：①回转动力由单弯螺杆马达提供，钻杆柱不回转，动力头提供反扭矩和给进力；②钻进轨迹为近水平螺旋曲线，大部分钻具在重力作用下紧贴在钻孔下侧。

1.3 黏滑振动影响因素

煤矿井下黏滑振动的影响因素与石油领域转盘钻机回转钻进有着相通的地方，比如钻压和转速的影响，同时也有着不同的地方，比如重力对钻柱回转的影响。

1.3.1 钻压对黏滑振动的影响

根据式（1）可知，钻压越大钻头受到的反扭矩越大，根据式（2）可知，反扭角与钻头所受扭矩成正相关，反扭角的存在是产生黏滑振动的必要条件，反扭角越大，“黏”的时间越长，积聚的反扭矩也越大，最终能量释放的时候引起的振动也越大。

当黏滑振动比较严重时，可通过减小钻压来缓解黏滑振动。而与此相矛盾的是，钻压减小，也会降低机械钻速。因此，存在一个最优钻压的范围，钻进施工过程中，钻进压力应在最优钻压范围内选取。

1.3.2 螺杆马达转速对黏滑振动的影响

根据黏滑振动特性分析可知，钻头存在“黏”和“滑”2 种状态，当钻头处于“黏”的状态时，钻头几乎停止转动，而此时螺杆马达主轴仍继续提供扭矩，使得整个钻柱发生扭转，因此钻柱系统累积的能量达到突破孔底岩层的阻力的时候，钻头才能继续回转碎岩，而显然螺杆马达转速越快，能量累积需要的时间越短，因此螺杆马达转速对钻头的工作状态有直接影响。

过小的回转速度会导致黏滑振动的发生，并且系统存在临界回转速度使得回转速度小于该临界值时黏滑振动产生，而回转速度大于该临界值时黏滑振动并不产生。在回转速度增大到黏滑振动失效之前，随着回转速度的增大，钻头黏滞阶段时间减小，但钻头在发生滑脱过程中所能达到的最大角速度在不断增大，且可达到转盘角速度的2～3 倍，钻头的振动加剧，因此可以通过提高转盘转速来抑制黏滑振动，但通过现场试验数据分析表明，随着转盘转速的增加，机械钻速会出现先增加后降低的趋势。尤其是在遇到可钻性较差的地层时，钻速过高会导致钻头齿与井底接触时间变短，从而出现钻速降低，钻井效率降低的现象。因此在实际钻井过程中不可一味的提高螺杆马达转速来抑制黏滑振动的发生。

1.3.3 重力及孔壁摩擦力对黏滑振动的影响

煤矿井下近水平定向钻进，钻柱受重力作用和孔壁摩擦力影响与垂直井完全不同，孔底动力对钻杆柱的作用方式也不同于孔口动力头或转盘回转。

煤矿井下定向钻进，由于孔口动力头不回转，产生黏滑振动时，处于“黏”的状态时，钻杆柱紧贴钻孔孔壁下侧，处于“滑”的状态时，由于钻杆柱本身处于偏心位置，钻杆高速回转时，离心力FL与重力G 产生叠加，形成1 个交变力F，其计算公式为：

式中：ω 为钻杆柱回转角速度；R 为钻孔直径；r为钻杆直径；m 为单位长度钻杆质量；g 为重力加速度，9.80 m/s2；α 为离心力与重力夹角。

同时，孔壁对其产生1 个大小相等，方向相反的反作用力，则钻杆柱在“滑”的过程中，受到孔壁周期性变化的撞击力，其大小按式（5）计算。同时，设孔壁与钻杆摩擦系数为μ，则钻杆与孔壁还存在1 个周期性变化的摩擦力f，其大小为：

由此可见，煤矿井下近水平状态，钻杆柱受力非常复杂，孔壁对钻杆柱产生的周期性变化的碰撞力势必造成钻柱的横向振动；孔壁的周期变化的摩擦力则使得钻杆柱的周向振动变得更加无序。

2 黏滑振动抑制措施

目前，在石油领域针对黏滑振动，减振途径和措施主要有：①增大顶部转速；②增大系统等效扭转刚度；③顶部钻压、扭矩负反馈；④使用轴向和周向冲击工具。在煤矿井下，由于受限于空间限制，以及客观存在的“人扛肩抬”的工作方式，钻杆的强度提升有限，因此增大系统等效扭转刚度不容易实现，但是其他抑制措施均可以借鉴。

2.1 钻压和转速控制对黏滑的抑制

石油领域主要依靠比例积分和动态钻压、转速控制相结合的方法，针对钻机的各种非线性系统将一些优良控制算法与传统PID 进行结合，来抑制系统所产生的各种振动问题，一方面通过比例积分调节转盘转速，使之接近目标转速，另一方面通过动态钻压调节，使波动的钻压可以稳定在1 个目标钻压上。比如说模糊PID 调节器、自适应滑模控制器、自适应鲁棒控制器等，通过控制电机变频器、给进机构电机来控制动力头回转速度、扭矩和给进压力。

而目前煤矿井下钻机钻压、转速控制仍然依靠司钻操作比例控制阀实现，钻压和转速的调节遵循钻探工艺学相关理论指导，对黏滑振动的抑制认识不够。随着钻进深度延伸，黏滑振动发生的可能性增大，在钻机仪表盘上的主要体现为回转压力表和给进压力表宽幅振荡。采用螺杆钻具时，其额定转速有1 个固定的范围，尽管理论上增加转速有助于减少“黏”的时间，即通过增加泥浆泵泵量，提高螺杆钻具转速可以在一定程度上缓解黏滑振动，但是其可调节范围小，作用有限。实钻过程中，通过降低钻压，可减小钻头与目标岩层相互作用力，减轻黏滑振动。

2.2 冲击工具抑制黏滑

降低钻压可以缓解黏滑振动，但是对钻进效率的影响是显而易见的，特别是钻进较硬的岩层，给进压力减小，钻头齿吃入岩层的深度浅，机械钻速将大幅降低。因此在工程实践中，常通过在钻头与螺杆马达之间增加轴向和周向冲击工具来缓解黏滑振动。

1）轴向冲击工具抑制黏滑振动原理。一般针对硬岩层，增加轴向冲击，有利于目标岩层破碎，降低了碎岩扭矩，会让钻头的扭矩振动幅度变小，频率提高，整体状态平稳化；另一方面，轴向冲击引起的钻具振动，使钻具与孔壁之间的摩擦由静摩擦转变为动摩擦，有助于钻压和扭矩的传递。2 方面原因改善了钻杆柱的受力条件，使得扭转角减小，抑制了黏滑振动的发生。

2）扭转冲击工具抑制黏滑振动原理。在扭转冲击作用下，钻头所受到的扭矩是螺杆马达扭矩与扭转冲击扭矩的叠加，钻头的黏滞状态时间大幅缩短，即钻柱系统可以在不需要扭转积累到常规钻进时的扭转程度，便可提前打破钻头黏滞状态[27]；另一方面，与轴向冲击工具类似，钻头处承受的是持续冲击的扭矩，在冲击载荷作用下，目标岩层屈服强度变低，钻头承受的反扭矩进一步减小，也在一定程度缓解了黏滑振动效应。

3 工程应用实例

1）螺杆马达与液动冲击器复合钻具试验。为了改善煤矿井下螺杆马达定向钻进钻头受力情况，消除黏滑振动对钻具带来的不利影响，尝试采用螺杆马达与液动冲击器复合钻具，进行了现场试验。2017年，结合中煤科工集团西安研究院有限公司在内蒙古鄂尔多斯唐家会煤矿探放水施工，在62103 工作面回风巷9#钻场AH1 和AH1-1 钻孔进行了螺杆马达与液动冲击器复合钻具现场试验，利用螺杆马达＋液动锤组合钻具完成试验钻孔2 个，钻进岩层为砂岩层，普氏硬度系数达到7 级以上，深度分别为546 m 和564 m，开孔段采用单弯螺杆马达，进入砂岩段后采用螺杆马达与液动冲击器复合钻具，进尺分别为411 m 和429 m，平均机械钻速3 m/h，较常规定向钻进提高了50%以上。

2）冲击螺杆马达抑制黏滑振动试验。2018 年11月，中煤科工集团西安研究院有限公司在晋煤集团寺河矿，采用冲击螺杆马达，结合随钻测量定向钻进技术施工完成4 个φ120 mm 定向钻孔，均为高位孔，目标岩层主要为普氏硬度系数5 级以上的砂岩层。使用冲击螺杆马达钻进的进尺累计1 743 m，累计用时约200 h，4 个孔平均机械钻速8.34 m/h，较常规螺杆马达提高20%～30%。试验过程中，通过冲击声音及泥浆泵泵压对冲击螺杆的冲击进行了监测，冲击功能工作正常，钻压因冲击产生的振动，较常规单弯螺杆马达有所降低。冲击减少钻头黏滑，改善钻头工况明显，延长钻头使用寿命。

3）螺杆马达与扭力冲击器复合钻具试验。中煤科工集团西安研究院有限公司开展了基于“单弯螺杆马达＋小直径扭力冲击器”的多动力定向钻进地面试验，试验点位于陕西省渭南市白水县林皋镇白石河村1 处废弃采石场。开采石材岩性以中粒砂岩、细粒砂岩为主，并夹杂少量泥质砂岩，目标岩层普氏硬度系数5～8 级，完成地面试验钻孔4个，最大试验钻孔深度54 m，综合机械钻进效率达到10 m/h 以上。在相同的钻进工艺参数条件下，螺杆马达定向钻具组合中增加φ95 mm 小直径扭力冲击器后，平均机械钻进效率提升约28%。表明小直径扭力冲击器在硬岩定向钻孔施工中具有明显的提速效果。