趙江鵬，王四一，張 晶，劉 祺

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077)

0 引言

頂驅(qū)車載鉆機的主機、操控系統(tǒng)、動力泵站和冷卻系統(tǒng)集成于車載底盤上，具有事故響應(yīng)速度快、施工占地面積小等突出優(yōu)勢，近年來，在礦山地面應(yīng)急救援孔、煤層氣井、水井施工中得到較為廣泛的應(yīng)用。

空氣潛孔錘鉆進具有高效的鉆進速度，為礦山地面應(yīng)急救援孔、煤層氣井和水井等施工中重點考慮的工藝方法。在空氣潛孔錘鉆進過程中，壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)攜帶孔底隨鉆頭鉆進產(chǎn)生的大量巖屑、粉塵(鉆遇地層水時，固液兩相混合成糊狀物)經(jīng)鉆桿柱與孔壁間的環(huán)狀間隙高速上返至孔口，如果任其自由噴出，則會嚴(yán)重污染鉆場環(huán)境，對現(xiàn)場施工人員身體健康構(gòu)成威脅，同時給施工作業(yè)帶來不利影響。孔口防噴裝置是實現(xiàn)孔口密封凈化并將返出的粉塵或水泥漿導(dǎo)向遠離孔口方向的關(guān)鍵裝置。

1 空氣鉆進用低壓防噴裝置

目前，國內(nèi)空氣鉆進時，由于所選用鉆機類型的差異性，孔口防噴裝置結(jié)構(gòu)存在較大的差別，對其稱呼也不統(tǒng)一。采用小型立軸式鉆機在淺孔進行空氣鉆進時，通常是由箍套在鉆柱上的橡膠密封和柔韌性護罩來阻止環(huán)空巖屑沖向鉆臺［1－2］;史兵言等(2009)設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式孔口密封導(dǎo)流裝置密封部分可隨鉆桿一起轉(zhuǎn)動以減少對橡膠密封件的磨損，該裝置設(shè)計用于密封六方主動鉆桿［3］;范黎明等(2011)研制的隔板式和流線型2種空氣潛孔錘用孔口密封裝置設(shè)置了雙層橡膠密封，設(shè)計用于密封89 mm外平式鉆桿［4］。上述裝置其密封件補償量小，對于外徑變化大的斜坡鉆桿則密封性較差。魏曉東等(2010)研制的用于煤層氣欠平衡鉆井專用的低壓旋轉(zhuǎn)控制頭，主要由旋轉(zhuǎn)控制頭本體和潤滑冷卻系統(tǒng)組成，密封件采用錐形膠芯，設(shè)計用于88.9 mm斜坡鉆桿，現(xiàn)場試驗時，錐形膠芯平均壽命達 80 h［5－8］;石油鉆井采用的孔口旋轉(zhuǎn)防噴器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓力級別高，整體高度大、質(zhì)量大，不易搬遷運輸［8］。

2 頂驅(qū)車載鉆機空氣潛孔錘鉆進用低壓防噴裝置設(shè)計

ZMK5530TZJ60型鉆機為一款全液壓動力頭車載鉆機，針對該鉆機空氣潛孔鉆進用低壓防噴裝置的設(shè)計，應(yīng)綜合考慮其孔口工作臺結(jié)構(gòu)、空氣潛孔錘鉆進工藝、所配套127 mm斜坡鉆桿外形特征以及裝卸操作環(huán)境條件等多方面因素。

2．1 密封件的選型

錐形膠芯材料為丁腈橡膠和氯丁橡膠，都屬于一種超彈性材料，具有一定的流動性，受力后變形大，能充填并阻塞介質(zhì)泄漏的通道，并與密封面形成接觸壓力實現(xiàn)密封。錐形膠芯利用橡膠這種顯著特性，通過變形區(qū)的擠壓和回彈密封不同直徑的鉆桿［9］。圖1為錐形膠芯結(jié)構(gòu)示意及實物外觀圖，其變形區(qū)內(nèi)徑尺寸105 mm。

2．2 密封形式的確定

目前，防噴裝置設(shè)計有2種思路，一種是密封件固定于外殼上，鉆進時密封件不會隨著鉆桿轉(zhuǎn)動［1－2，4］;另一種是鉆進時密封件隨鉆桿一起轉(zhuǎn)動，以減少兩者之間的相對轉(zhuǎn)動摩擦損傷［3，5］。前者結(jié)構(gòu)簡單，成本低，后者增加了旋轉(zhuǎn)總成和軸承潤滑冷卻系統(tǒng)，在現(xiàn)場應(yīng)用中獲得了較好的效果，然而密封件與鉆桿相對轉(zhuǎn)動現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，還需進一步改進［7－8］。

空氣潛孔錘鉆進方法是以高頻沖擊和慢回轉(zhuǎn)方式碎巖，其回轉(zhuǎn)速度與機械鉆速有關(guān)，回轉(zhuǎn)速度確定推薦的經(jīng)驗公式為:1.6×機械鉆速(m/h)，與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進方法相比，其回轉(zhuǎn)速度較低，因此，該防噴裝置可不設(shè)計旋轉(zhuǎn)總成，即在空氣潛孔錘鉆進時，鉆桿與錐形膠芯變形區(qū)內(nèi)表面直接產(chǎn)生回轉(zhuǎn)摩擦和軸向摩擦，由于錐形膠芯具有較大的補償功能，可確?？煽康拿芊庑院洼^長的使用壽命。

2．3 防噴裝置總高度和徑向最大尺寸的確定

ZMK5530TZJ60型鉆機的工作臺高度一般將高度調(diào)至1.5 m左右，安放補心后，補心底端面距地面高度1.2 m，因此，防噴裝置總高度受到此限制，且要考慮上、下端部法蘭安裝擰卸的操作空間。

防噴裝置質(zhì)量較大，需借助鉆機絞車起吊從工作臺孔口通過來安裝。ZMK5530TZJ60型鉆機工作臺孔口可通過最大直徑為711 mm鉆具，通過油缸打開前推和后推板，亦可通過局部寬度≯820 mm的裝置。因此，防噴裝置徑向結(jié)構(gòu)尺寸需考慮該工作臺孔口結(jié)構(gòu)特點。

2．4 導(dǎo)流口的設(shè)計

防噴裝置通過膠芯的彈性變形密封鉆桿以迫使孔內(nèi)上返壓縮空氣和攜帶的巖屑(巖粉)從側(cè)部導(dǎo)流口流出，確?？卓诤退俱@臺的干凈、安全。通過計算和對比上返流體通道截面積與導(dǎo)流口截面積，為使兩者面積較為接近，設(shè)置了2個導(dǎo)流口，當(dāng)壓氣量大時，兩導(dǎo)流口都接上管道排渣，以減小防噴裝置密封膠芯根部壓力;當(dāng)壓出氣量較小時，可只接入一側(cè)導(dǎo)流口排渣。

3 防噴裝置的結(jié)構(gòu)及其基本技術(shù)參數(shù)

防噴裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由錐形膠芯、上部管體、下部管體、快接夾等組成，法蘭與法蘭連接處用石棉墊密封。其實物照片見圖3，其主要技術(shù)參數(shù)為:總高度735 mm，總質(zhì)量452 kg，額定轉(zhuǎn)速40 r/min，設(shè)計密封壓力1.6 MPa，上部管體通徑406 mm，下部管體通徑331 mm，排渣口連接法蘭外徑345 mm，底部連接法蘭外徑520 mm，膠芯適合鉆桿規(guī)格127 mm，過最大鉆頭規(guī)格311.14 mm。

圖2 防噴裝置結(jié)構(gòu)示意

圖3 防噴裝置實物照片

4 現(xiàn)場試驗

采用ZMK5530TZJ60型車載鉆機施工完成的一口煤層氣水平對接井，在直井巖石段的空氣潛孔錘鉆進過程中，對該防噴裝置進行了現(xiàn)場試驗。

4．1 鉆孔概況與鉆進工藝

在一開0～49.2 m土層段，采用泥漿正循環(huán)鉆進完成后，下入351 mm×10 mm無縫鋼管;在二開49.2～306.69 m巖石孔段，采用311 mm空氣潛孔錘鉆進。圖4為防噴裝置在孔口的安裝與連接圖，表1為311 mm空氣潛孔錘鉆進參數(shù)，表2為鉆速統(tǒng)計。

圖4 防噴裝置的安裝與連接

4．2 防噴裝置使用效果

在干空氣鉆進時，孔口無巖粉灰塵彌散，環(huán)境良好，粉塵全部導(dǎo)向遠離孔口處開始彌漫，見圖5所示現(xiàn)場照片;在孔內(nèi)出水后，孔口無泥漿噴出和滲漏;提鉆后，檢查錐形膠芯主密封面磨損較小、劃痕較少。

現(xiàn)場試驗證明該裝置起到了孔口防噴、密封和導(dǎo)流的作用，錐形膠芯補償量大、壽命較長，達到了設(shè)計的目標(biāo)。該裝置完全滿足了ZMK5530TZJ60型鉆機空氣潛孔錘鉆進的需要。

5 結(jié)語

由于不同類型鉆機的結(jié)構(gòu)差異，其空氣鉆進用防噴裝置也具有不同的特征，最主要體現(xiàn)于密封件和密封形式的選取上。針對ZMK5530TZJ60型頂驅(qū)車載鉆機特點，研制了一款用于空氣潛孔錘鉆進的低壓防噴裝置。

表1 311 mm空氣潛孔錘鉆進參數(shù)

表1 311 mm空氣潛孔錘鉆進參數(shù)

孔段/m 鉆進工藝 供風(fēng)量/(m3·min－1)供氣壓力/MPa注水量/(L·min－1)注水壓力/MPa鉆壓/kN動力頭轉(zhuǎn)速/(r·min －1)49.2～65.53 干空氣鉆進65.53～117.73 分段注水除塵鉆進117.73～163.69 純空氣鉆進，注泡沫排渣163.69～306.69 純空氣鉆進60～70 20～30 25～36鉆進時:60～70;排渣時:80～90 1.6 — —1.7～1.9 30 1.8鉆進時:1.9;注泡沫時:2.1 38 2鉆進時:1.9;排渣時:1.4 — —

表2 空氣潛孔錘鉆進鉆速統(tǒng)計

圖5 干空氣鉆進時現(xiàn)場照片

現(xiàn)場試驗表明，該防噴裝置在干空氣鉆進時明顯改善了孔口操作環(huán)境，滿足空氣潛孔錘鉆進孔口密封、防噴、導(dǎo)流的需要，防噴器錐形膠芯補償量大、壽命較長，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、安裝方便和經(jīng)濟實用，達到了設(shè)計的目標(biāo)。

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