旋转导向用ϕ114.3 mm 有线随钻测量钻杆设计及应用

2023-11-29董萌萌

煤矿安全 2023年11期

董萌萌

（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安 710077）

煤矿井下定向钻孔是瓦斯抽采治理、水害防治、地质构造探查等工程施工的重要途径和安全保障措施[1-4]。瓦斯灾害严重制约着煤炭行业的安全可持续发展，近年来，利用定向钻孔轨迹精确可控、可沿目标地层长距离延伸的优势，在煤矿井下大区域范围内实施“中硬煤层大盘区瓦斯抽采、碎软煤层瓦斯区域抽采、顶板岩层以孔代巷抽采”全区域精准覆盖、“采前－采中－采后”全时段连续抽采，实现了煤矿井下瓦斯全域化、精准、快速抽采，为煤矿安全绿色开采提供地质保障[5-8]。

随钻测量钻杆是定向钻探施工中必备的配套钻具，包括有线随钻测量钻杆和无线随钻测量钻杆2 大类[9-11]。由于煤矿井下条件限制，定向钻进施工通常以有线随钻测量钻杆为主，即通缆装置与钻杆构成同轴电缆结构，可实现孔口与孔底电力和信号的双向实时稳定传输[12-13]。定向钻孔施工工艺总体分为定向造斜钻进和保直钻进2 种，前者主要目的是以最短的进尺使钻孔轨迹进入目标地层，施工时采用滑动定向钻进工艺；进入目标层后，采用复合定向钻进工艺，使钻孔尽可能在煤层中延伸，即“滑动纠偏、复合保直”[14]。

现有定向钻进施工在滑动定向时，钻杆柱摩阻沿钻杆轴向，容易造成“托压”现象，同时井眼轨迹不光滑，影响排粉效果，长距离钻进容易引发卡钻事故[15-16]。旋转导向钻进施工井下单元在钻柱旋转过程中以推靠或指向的方式实现轨迹控制，定向过程中钻杆柱始终保持旋转，因而井眼轨迹光滑，排粉能力好，有利于实现长距离定向钻孔[17-19]。

旋转导向系统要求孔口控制单元与孔内测量单元之间具有信号实时双向传输的特点，而有线随钻测量钻杆由于“数据传输效率高，满足孔口与孔内测量单元之间电力和信号的双向实时传输”等优点而应用于煤矿井下旋转导向钻进施工中[20-21]。

因此亟须研制适用于旋转导向钻进工艺的ϕ114.3 mm 大直径有线随钻测量钻杆。

1 钻杆结构设计

1.1 设计需求

旋转导向钻进施工配套ZDY25000LDK 大功率定向钻机，钻孔直径增大，对钻杆的强度、过流通道、信号传输可靠性等方面提出了更高的要求，因而现有的有线随钻测量钻杆无法满足安全高效钻进需求。根据旋转导向施工工艺及配套设备，有线随钻测量钻杆结构设计遵循以下4 条原则：①强度满足大功率钻机施工要求，钻机额定转矩25 kN·m，给进起拔力300 kN；②钻杆接头结构设计合理，满足额定泵量800 L/min 的过流要求；③内部中心通缆装置密封性能好，信号传输稳定可靠；④适用于孔底旋转导向钻具施工工艺和复合定向钻进工艺，钻杆弯曲强度能够满足钻孔全弯曲强度≤1°/3 m 的造斜要求。

1.2 钻杆体结构

旋转导向配套的有线随钻测量钻杆设计的重点和难点有2 方面：①要求钻杆具有足够的强度和抗弯能力：为了保证钻杆具有足够的强度和韧性，需要对钻杆接头及螺纹进行合理设计，确保钻杆在钻进施工时的安全性；②要考虑接头螺纹锥度与内通孔匹配性：通过增大螺纹锥度满足钻杆自动化上卸扣，但在根圆直径不变时，锥度越大，公接头小端直径变小，影响过流面积，因此，在钻杆满足强度要求前提下，需平衡钻杆接头通孔直径与锥度。

钻杆整体设计结构如图1。有线随钻测量钻杆主要包括钻杆体和中心通缆装置：钻杆外管主要传递钻机输出的扭矩、给进、起拔力；内部中心通缆装置主要实现孔底与孔口设备之间电力和信号的双向传递。

图1 钻杆结构Fig.1 Drill pipe structure

钻杆外径为ϕ114.3 mm，单根长度1～2 m，杆体壁厚7～9 mm；满足钻杆承载能力的情况下，考虑排粉需求，接头内孔采用内部平滑流线设计，降低循环压耗，既能满足钻进时的泥浆泵循环要求，又能满足旋转导向钻具工作小流量要求，结合生产实际及设计经验，确定钻杆内孔直径为ϕ60 mm；煤矿井下用钻杆，其公母接头螺纹配合采用负紧密距，便于钻杆上卸。有线随钻测量钻杆通缆装置采用刚性金属结构固定支撑，支撑环采用大环空过流结构，结构稳定、质量轻、过流面积大，实现了大环空过流通道设计，同时能够将中心信号传输装置稳定可靠固定于钻杆体内部，避免旋转过程中发生相对窜动。采用新型塑料接头插接方式，具有较好的强度、韧性和抗高温蠕变性；内芯插接端部设置有组合密封结构，能够有效隔离高压水，实现任意钻杆连接后在高压工况下接头的可靠密封。根据大直径定向钻孔施工工艺要求，钻杆接头采用V150 钢级材料，热处理后，屈服强度大于1 000 MPa，抗拉强度大于1 200 MPa，延伸率大于18%，接头抗弯能力强，韧性高，螺纹抗粘扣性能好。钻杆管体选用G105 钢级材料，确保管体具备良好的综合机械性能。结合煤矿井下用有线随钻测量钻杆设计经验，同时兼顾钻机上卸扣方便，钻杆接头螺纹牙型选用三角牙型[22]，钻杆接头螺纹锥度设计为1:6，螺距6.35 mm，具有良好的密封能力和抗弯能力，便于大功率定向钻机上卸钻杆。

1.3 通缆结构

ϕ114.3 mm 中心通缆式有线随钻测量钻杆，由钻杆体及中心通缆装置组成，中心通缆装置主要由绝缘公（母）接头、导线、橡胶稳定器和支撑环组成。公、母接头及导线是提供信号的传输通道；橡胶稳定器为导线在钻杆体中提供支撑缓冲作用，防止导线在管内介质的作用下摆动造成断裂；支撑环用于实现钻杆连接时绝缘公（母）接头的中心定位以及提供介质通道。

根据对普通中心式有线随钻测量钻杆的流场分析可得，提高钻杆接头 2 支撑环距离，提高支撑环结构的截面积，提高钻杆接头各部位的过流面积是减小钻杆接头部位流阻的有效途径。以此为指导，对钻杆支撑环结构、中心通缆方式等进行结构优化，设计了ϕ114.3 mm 中心通缆有线随钻测量钻杆，通缆结构和钻杆接头结构如图2。

图2 通缆结构和钻杆接头结构Fig.2 Cable structure and drill pipe joint structure

采用更高钢级的材料，减小接头部位厚度，增加内孔直径；管体中心改为外管支撑，管体内通缆方式改为外绕式，增加杆体过流面积，减小通缆接头尺寸，提高2 个支撑环间过流面积；增加支撑环孔隙面积，将支撑环结构由平面式改为立体式，减缓截面积的突变，提高 2 个支撑环之间的距离。

2 数值模拟与接头强度分析

采用数值模拟方法对螺纹牙型强度进行分析，以优选钻杆接头螺纹参数。在母接头非螺纹端的端面施加固定约束，在公接头非螺纹端的端面上施加25 kN·m 的扭矩，通过Abaqus 有限元仿真计算，得到的公母接头螺纹的应力云图如图3。

图3 公母接头螺纹的应力云图Fig.3 Stress cloud images of male and female joint threads

分析图3，采用三角螺纹牙型的钻杆公接头的最大应力值均出现在锥扣大端螺纹处，母接头的最大应力值均出现在锥扣小端的螺纹处。公接头最大等效应力为376.7 MPa，母接头最大等效应力为212.6 MPa，均满足接头材料强度要求。

在煤矿井下近水平钻孔施工过程中，由于钻杆柱自重以及自身的偏心等因素产生弯曲，回转时造成钻杆柱有一定的质量偏离回转中心而产生离心力，在拉力、压力、离心力、转矩等各种力的作用下，钻杆轴线在钻孔内呈变节距的空间螺旋曲线形状[23]。根据钻杆实际使用工况建立三维模型，施加扭矩25 kN·m，轴向力300 kN，采用Abaqus 对钻杆接头在孔内的受力情况进行仿真。钻杆接头的应力分布云图如图4。

图4 钻杆接头的应力分布云图Fig.4 Stress cloud images of drill pipe joint

分析图4，钻杆公接头螺纹第1 牙处应力值高，螺纹整体应力值分布均匀，其应力最大发生在公接头螺纹第1 牙处，最大应力值为580.4 MPa；母接头受力主要集中在接触台肩、螺纹、根部螺纹位置处，最大应力在大端和公接头接触面上，应力最大值为394 MPa，螺纹牙位置应力分布均匀。通过有限元分析，验证了钻杆接头螺纹强度符合设计要求，满足现场施工要求。

3 室内性能测试

1）密封性和导电性测试。根据NB/T 10175—2019《煤矿井下有线随钻测量测量钻杆》标准要求，钻杆在20 MPa 水压下保压持续8 h 后：压力≥8 MPa，信号传输装置与钻杆外壁绝缘电阻大于10 MΩ。考虑现场使用实际工况，按照试验要求，利用打压试验平台钻杆进行打压试验，调节增压装置加压至 20 MPa，保压8 h 后，对钻杆进行密封性试验。打压至20 MPa，保压8 h 后，压力为19.8 MPa，基本保持稳定，测量中心电阻0.3 Ω，绝缘电阻阻值为∞。钻杆密封性试验结果表明：研制的ϕ114.3 mm 有线随钻测量钻杆密封性能，满足20 MPa 钻进工况施工要求。

2）扭转试验。采用扭转试验机对钻杆进行抗扭试验，扭转试验结果表明：ϕ114.3 mm 有线随钻测量钻杆抗扭能力达到54 kN·m 未出现涨扣，能够满足使用要求。

3）拉伸试验。采用万能拉伸试验机对ϕ114.3 mm有线随钻测量钻杆进行抗拉性能试验，结果表明：ϕ114.3 mm 有线随钻测量钻杆承受拉力高达2 750 kN 后才发生断裂失效，因此满足ZDY25000LDK大功率定向钻机起拔能力要求。

4 现场试验

2021 年1 月11 日至2021 年10 月26 日，采用ZDY25000LDK 定向钻机、泵车、旋转导向系统等配套设备在内蒙古鄂尔多斯唐家会煤矿进行现场旋转导向钻进试验。在6 煤南2 巷施工3 个钻孔，在61 303 回风巷钻场施工1 个钻孔。唐家会旋转导向现场钻孔设计见表1。1 号钻孔实钻轨迹剖面图如图5。