应急救援新型反循环钻头钻进性能工程实践研究_白元.pdf

第 44 卷 第 3 期安全Vol44 No32023 年 3 月Safety SecurityMar 2023引用格式:白元应急救援新型反循环钻头钻进性能工程实践研究 J 安全，2023，44(3):2023作者简介:白元(1986)，男，新疆吉木萨尔县人，高级工程师，主要从事安全生产技术研究工作。Email:472362673qqcomDOI:1019737/jcnkiissn10023631202303004应急救援新型反循环钻头钻进性能工程实践研究白元高级工程师(新疆维吾尔自治区安全科学技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830001)【摘要】为验证应急救援新型反循环钻头的钻进性能，本文采用应急救援新型强力抽吸反循环钻头，在新疆某矿区进行工作量为 10360m 的新型反循环钻头钻进现场试验，对钻进效益、钻进质量和钻进效益进行分析和总结。结果显示:新型反循环钻头钻进效率为 818655m/h，钻进效率是常规泥浆钻进的 3352 倍，井斜角的变化在 2范围内，现场试验验证了新型反循环钻头的可行性，为进一步应用提供了实践经验。【关键词】新型钻头;空气反循环;应急救援;钻进性能;现场试验中图分类号:X9244;TD77+4文献标识码:A文章编号:10023631(2023)03002004基金资助:自治区科技支疆专项(2013911033)esearch on Engineering Practice of Drilling Performance ofNew Type everse Circulation Bit for Emergency escueBAI Yuan(Safety Science and Technology Academy of Xinjiang Uygur Autonomous egion，Urumqi Xinjiang 830001，China)Abstract:In order to verify the drilling performance of a new type reverse circulation bit for the emergencyrescue，in this paper，a onsite test was carried out with the new type reverse circulation bit for the emergencyrescue that designed and developed in this program at the 1036m long workload of a mine area in Xinjiang，in which the drilling efficiency and drilling quality were analyzed and summarized The results show that thedrilling efficiency of the new type reverse circulation bit is 818655m/h，which is 3352 times of that ofthe conventional mud drilling，and the deviation angle changes within 2 The feasibility of the new type re-verse circulation bit is verified by the onsite test，which provides practical experiences for the further applicationKeywords:new type bit;air reverse circulation;emergency rescue;drilling performance;onsite test0引言随着矿山开采深度的增加，开采过程中出现矿井透水、瓦斯突出、冲击地压、顶板灾害等事故灾害风险越来越大，如 2021 年 4 月 10 日 18 时 11 分，新疆昌吉州呼图壁县白杨沟丰源煤矿发生重大透水事故，造成 21 人死亡12。以往的矿山救援过程，大多采用直接透巷或者新掘绕巷的方法，实施起来时间较长，意外因素多34。矿山快速钻孔救援技术采用从地面钻孔直接与避险地点快速贯通的方022023 年第 3 期应急应急救授新型反循环钻头钻进性能工程实践研究式进行快速透巷、抢险救援，是应急救援的一项新技术56，在矿山事故灾害救援中有过成功的应用78。矿山快速钻孔救援技术是一个复杂的技术体系，对技术装备的稳定性、可靠性要求较高。国内学者从钻进工艺、轨迹控制和钻进设备等关键技术方面开展了深入研究910。杨涛等11 对山东平邑石膏矿矿难大口径救援钻孔施工技术进行研究;周兢12 针对笏山金矿救援 3 号生命保障孔出现的偏斜问题，创新性地提出超短距离螺旋纠偏技术;王劲松13 针对矿区复杂破碎地层条件，设计了适用于矿区复杂地层的新型环状喷射强力抽吸式潜孔锤反循环钻头。面对救援的紧迫性和环境的复杂性，矿山快速钻孔救援技术及装备研究还需要进一步实践，特别是对复杂的事故灾难环境14。新疆维吾尔自治区矿山地质条件复杂，构造形态多样，矿产资源赋存及开采地质具有显著的时空差异性，矿山应急救援钻孔过程中空气反循环钻进效果不好，钻取的岩心不能被及时地排出容易出现堵塞钻头等问题1516，赖小林等17 根据反循环钻头的结构特点及反循环形成机理，在内喷射孔式反循环钻头的基础上优化钻头流体通道结构的设计，采用柯恩达效应研制了新型反循环钻头，利用计算流体动力学软件对反循环钻头内部流场进行模拟实验分析，结果显示提高了反循环抽吸能力。本研究以新疆维吾尔自治区某县作为试验区，对新型反循环钻头钻进效果进行现场试验，分析评估钻进工程过程中的相关数据，验证新型反循环钻头在真实环境的钻进性能，为矿山快速钻孔救援应用提供支撑。1工程试验1 1试验设计现场试验是对自治区科技支疆专项:应急救援快速钻孔关键技术开发项目(NO2013911033)设计出的新型反循环钻头17 进行工程实践研究，按照设计模型分别生产加工出 127mm 和 115mm 的钻头，如图 1。现场试验钻孔采用多级成孔结构方式，开始采用开孔钻具组合:101 6mm 双壁钻杆+SPMF355 潜孔锤+157mm 压风罩+160mm 潜孔钻头钻进，从地表覆盖层钻进至基岩层，下入146mm 套管隔离松散地层;然后采用正常钻进钻具组合:1016mm 双壁钻杆+SPMF345 潜孔锤+124mm 压风罩+127mm(115)新型钻头钻进。图 1现场试验反循环钻头实物Fig1The actual reverse circulation bit used in the onsite test1 2钻进方法现场试验钻孔采用空气反循环中心取样钻进方法，钻进设备和器具主要包括:C5 型空气反循环取样钻机、1070XHH 空压机、岩样缩分装置、双壁钻杆及气动潜孔锤和新型反循环钻头等。空气反循环钻进是用空压机将压缩空气通过双壁钻杆环状间隙送入孔底钻具，气动潜孔锤以压缩空气为动力，推动潜孔锤工作，利用潜孔锤对钻头的往复冲击作用，进而破碎岩层，冲击碎岩之后的废气携带岩屑经反循环钻头从双壁钻杆中心通道连续返出，钻进原理，如图 2。图 2现场试验钻进原理示意图Fig2The diagram of the drilling principle in the onsite test1 3试验过程现场试验选择在新疆某县，如图 3，试验区主要12应急2023 年第 3 期应急救授新型反循环钻头钻进性能工程实践研究的岩石为火山岩，岩性多为酸性和中基性，强度较大，硬度多为硬、坚硬等级，研磨性较强，除辉长岩和凝灰岩外，其余岩石的可钻性均在 7 级以上，其中微晶质花岗斑岩、闪长岩、正长斑岩可钻性等级在 810 级，石英斑岩可钻性等级达到了 1012 级，属较高等级。图 3现场工程试验Fig3Onsite engineering test根据试验设计，现场试验开始采用开孔钻具组合钻进覆盖层 3 80m，之后下入 146mm 套管380m;钻孔下完套管后使用正常钻具组合(1016mm双壁钻杆+SPMF345 潜孔锤+124mm 压风罩+127mm 新型钻头)钻进至 3380m，在该段孔深钻进过程中，纯钻时间 196min;从 33 80m 施工至4280m，纯钻时间共 118min。第 1 个试验钻孔钻进至 4280m 后钻进效率较慢，停止钻进，重新开展第2 个试验钻孔。第 2 个试验钻孔开始同样采用开孔钻具组合钻进覆盖层 440m，下入 146mm 套管440m，然后直接使用正常钻具组合(1016mm 双壁钻 杆+SPMF345 潜 孔 锤+124mm 压 风 罩+115mm 新型钻头)钻进至 6080m。现场试验 2 个钻孔，试验工作量为 10360m。2试验结果与分析2 1钻进效率评估应急救援钻孔要求钻进速度快，钻进效率是实施垂直救援的关键要素，第 1 个试验钻孔开孔后反循环形成良好，03380m 效率为 1037m/h，33804280m 效率为 457m/h，钻进至 428m 后钻进效率较慢，这个试验钻孔工作时间约 10h，纯钻进时间为523h，平 均 效 率 为 818m/h，钻 进 最 快 速 度 为038m/s。第 2 个试验钻孔开孔后反循环形成稳定，03380m 效率为 566m/h，33806080m 效率为814m/h，这个试验钻孔工作时间约为 13h，纯钻进时间为 928h，平均小时效率为 655m/h。在现场试验过程中，潜孔锤工作正常，且钻进效果均良好，新型反循环钻头钻进效率为 818655m/h。根据本试验区以往采用常规泥浆钻进平均小时效率为158198m/h，本次现场试验反循环钻进效率是常规泥浆钻进的 3352 倍，验证了新型反循环钻头的实际使用效果。现场钻进数据表明，钻进单根钻杆(300m)最快使用约 10min，但由于受地质条件限制，钻进单根钻杆(300m)最慢使用约 42min。根据相关研究，实际钻进中钻速与风压、风量成正比，供风量增大、风压升高，潜孔锤的冲击能量增高，钻进效率随之提高，钻进参数需要根据实钻情况优选。本次现场试验钻机无法量化显示风量大小，针对风量控制问题，还有待进一步优化，提高钻进效率。2 2钻进质量评估本研究使用的新型反循环钻头主要应用于矿山快速救援中，不但要求钻进速度快，能够适应破碎、漏失等复杂地层条件，而且要求质量好，能够准确、快速打通生命保障通道。为保障良好地完成中靶要求，需要在钻进过程中对井眼轨迹进行控制，因此，选择井斜角来评估井眼轨迹的斜度。现场试验主要通过调整钻压、钻速和风量、风压对井眼轨迹进行控制，试验过程中使用水平仪和水平尺等工具调平钻机机台，并使用吊线等方法测试钻杆是否垂直，开孔阶段采用控制钻进速度等方法控制钻进轨迹，实现垂直、精准钻进。现场试验停止施工后对第 1 个试验钻孔进行物探测井，第 2 个试验钻孔未进行物探测井。根据第 1 个试验钻孔弯曲度计算数据，钻进深度在 1000、2000、3000、4000m 的方位角分别为 15360、31250、30510、29060，倾角分别为 8983、8900、8823、8912。根据矿山垂直救援技术的过程、特点及相关研究，生命保障孔垂直井型宜控制井眼全角变化率2/30m，如果钻进定向精度无法保证，会影响生命保障孔定位精度，将会丧失黄金救援时间。本研究的现场试验钻进轨迹控制良好，井斜角变化率2/30m，在设计范围内，但本次工程试验工作量为 10360m，随着钻进深度的增加，后期需要针对不同地层应急救援的222023 年第 3 期应急应急救授新型反循环钻头钻进性能工程实践研究不同要求，进一步验证钻进水平位移的变化。2 3钻进效益评估钻进效益评估主要计算空压机和钻机的油耗成本，本研究所用的进口美国寿力空压机，型号1070XHH，额定压力 345MPa，风量 308m3/min，耗油约为 80L/h，C5 钻机耗油约为 12L/h。第 1 个试验钻孔耗油约为 703L，第 2 个试验钻孔耗油约为652L，平均消耗油料约 1308L/m，根据本试验区以往采用普通金刚石绳索取心钻进消耗油料约为772L/m，本次空气反循环钻进每米消耗油量是普通反循环钻头钻进的 17 倍。潜孔锤反循环钻进需要将压缩空气通过双壁钻杆环状间隙送入孔底钻具，使潜孔锤钻具做功进而破碎岩层，产生的岩屑从双壁钻杆中心通道连续返出，因此，反循环钻进所需风量大，为保证潜孔锤正常工作和排屑(取样)上返，所需风速应尽可能达到 20m/s，一般情况下不小于 15m/s，否则孔内岩屑多，会严重影响钻进效率。本研究使用的新型反循环钻头在工程试验过程中，采用风量较高的空气压力提高潜孔锤的工作效率，相应地增加了钻进成本。3结论(1)通过新型反循环钻头的现场试验，实现了新型反循环钻头从模拟试验到工程实践，现场试验验证了新型反循环钻头应用的可行性，同时具备较好的反循环效果，为反循环钻头的改进、优化提供了可靠的实践经验。(2)在工程试验中，对新型反循环钻头钻进性能进行了现场测试，累计工作量 10360m，钻进效率为 818655m/h，是试验区以往采用常规泥浆钻进效率 158198m/h 的 3352 倍，且钻进轨迹控制符合设计要求，实现了快速、精准钻进的目的，提高了使用性能。(3)在工程试验过程中，发现钻进过程中会出现钻头反循环形成不彻底、钻头轻微磨损、井口正循环返渣较多，以及进入地下水位孔口不再返渣、钻进效率下降等现象，需要进一步结合现场的数据和情况做相对应的调整和全方位的分析，要大力加强应急救援钻进技术、工艺及装备的研究，为钻孔应急救援提供实践经验。参考文献 1 赵新达，朱焕然，刘德春煤矿井下安全避险六大系统示范化矿井建设实践 J 山东煤炭科技，2012(5):246247 2 新疆昌吉州呼图壁县白杨沟丰源煤矿“4.10”重大透水事故案例EB/OL(2022119)20220520 https:/wwwchinaminesafetygovcn/zfxxgk/fdzdgknr/sgcc/sgalks/202201/t20220119_406923shtml 3 赵新达，朱焕然，刘德春煤矿井下安全避险六大系统示范化矿井建设实践 J 山东煤炭科技，2012(5):246247 4 郝传波，张国华，胡刚，等煤矿井下灾后救援中垮塌巷道研究的展望 J 黑龙江科技学院学报，2012，22(6):549553 5 王志坚矿山钻孔救援技术的研究与务实思考 J 中国安全生产科学技术，2011，7(1):59 6 邵志勇，孙文华，褚文营救援钻孔装备选型及技术应用 J 安全、环境和健康，2016，16(7):1215 7 宋元明，刘志军，王万生，等快速钻孔技术在煤矿应急救援中的实践 J 中国安全科学学报，2004，14(6):6365 8 吴杨云垂直钻井可为救援赢得更多时间 N 中国安全生产报，20121227(7)9 许刘万，王艳丽，伍晓龙我国钻探技术与装备开发引进应用新格局 J 地质装备，2013(5):1115 10 石长岩对智利矿难若干问题的思考 J 现代职业安全，2011，123(11):3033 11 杨涛，杜兵建山东平邑石膏矿矿难大口径救援钻孔施工技术 J 钻探工程，2017，44(5):1923 12 周兢矿山灾害应急救援生命保障孔钻井工艺研究 J 钻探工程，2022，49(1):128134 13 王劲松快速钻孔用潜孔锤反循环钻头设计与试验研究 D 吉林:吉林大学，2015 14 李磊，霍中刚我国矿山应急救援技术研究现状与趋势 J 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