CN109472101B - 深井软煤岩流体排渣钻进方法 - Google Patents

深井软煤岩流体排渣钻进方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深井软煤岩流体排渣钻进方法，属于钻探工程领域。本发明是为了解决软煤岩钻孔深度浅、钻进效率低、钻孔事故多的技术问题。软煤岩钻进过程中，钻屑量的变化能够表征施工地点煤岩地质条件的变化特征，基于钻屑量确定钻进速度、供风风量或供水流量、钻孔水力直径等流体排渣钻进的重要工艺参数，有利于提高排渣效率，预防钻孔堵塞；根据钻头直径、钻孔变形特征确定前端钻杆和后端钻杆的结构，使“钻头‑钻杆‑排渣动力”得到了合理匹配。本发明建立了科学的深井软煤岩流体排渣钻进工艺体系，可有效改善流体排渣钻进工艺应用于软煤岩的钻探效果。

Description

深井软煤岩流体排渣钻进方法
技术领域
本发明属于钻探工程技术领域，具体涉及一种深井软煤岩流体排渣钻进方法。
背景技术
软弱煤岩层（煤岩坚固性系数f <1）钻进，钻孔变形量大且易失稳破坏，造成钻进阻力大、排渣空间易堵塞、排渣困难，致使钻孔深度浅、钻进效率低，同时卡钻、断钻等钻孔事故频发。在钻探工程技术领域，软弱煤岩层钻孔施工，流体排渣钻进工艺应用最为广泛，由于缺少与煤岩地质条件相适应的钻进工艺设计方法，工程人员通常基于经验确定钻头、钻杆、及排渣动力等参数，常常造成“钻头、钻杆、排渣动力”匹配不合理，排渣空间容易堵塞，严重影响钻探效果。可见，流体排渣应用于软弱煤岩层钻进缺乏科学的工艺设计方法，难以发挥其最优使用效果。本发明建立了科学的深井软煤岩流体排渣钻进工艺体系，可有效改善流体排渣钻进工艺应用于软煤岩的钻探效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种深井软煤岩流体排渣钻进方法，解决流体排渣钻进工艺因缺乏科学的方法指导而导致钻孔深度浅、排渣效率低、钻进事故多的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
深井软煤岩流体排渣钻进方法，包括以下步骤：
⑴.根据钻头直径d 0、煤密度ρ确定钻进过程中理想钻屑量S D；
⑵.基于钻屑法确定施工地点钻屑量S T；
⑶.依据步骤⑴～⑵，计算钻屑量附加系数k D；
⑷.基于钻屑量附加系数k D设计钻进速度νd；
⑸.基于钻屑量附加系数k D设计供风风量Q a或供水流量Q w；
⑹.根据钻头直径d 0确定钻孔前段钻孔长度L 0；
⑺.根据前段钻孔长度L 0，确定前端钻杆结构和长度L 1；
⑻.基于钻屑量附加系数k D设计后段钻孔水力直径d H；
⑼.基于后段钻孔平均变形量s和后段钻孔水力直径d H确定后端钻杆当量外径d1；
⑽.基于后段钻孔平均变形量s和后端钻杆当量外径d 1确定后端钻杆旋转外径d2；
⑾.依据步骤⑹～⑼，确定前端钻杆和后端钻杆的结构；
⑿.钻具连接方式依次为钻头、前端钻杆和后端钻杆，将钻具安装在钻机上，启动钻机钻进。
所述的步骤⑴中理想钻屑量是指不考虑钻杆扰动、钻孔变形因素造成的钻屑量增多情况，依据钻头直径d 0、煤密度ρ计算的每米钻孔长度的破煤量，理想钻屑量S D的计算公式为：
Figure 930705DEST_PATH_IMAGE001
。
所述的步骤⑶中钻屑量附加系数k D是实际钻屑量S T与理想钻屑量S D的比值，钻屑量附加系数k D的计算公式为：
Figure 191922DEST_PATH_IMAGE002
。
所述的步骤⑷基于钻屑量附加系数k D钻进速度ν d设计方法为：
当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，钻进速度ν d设计为0.65 m/min～ 0.8 m/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，钻进速度ν d设计为0.5 m/min～0.65 m/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，钻进速度ν d设计为0.35 m/min～ 0.5 m/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，钻进速度ν d设计为0.2 m/min～ 0.35 m/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，钻进速度ν d设计为0.05 m/min～ 0.2 m/min。
所述的步骤⑸基于钻屑量附加系数k D供风风量Q a或供水流量Q w的设计方法为：
空气动力排渣时，当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，供风风量Q a设计为5 m3/min～12 m3/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，供风风量Q a设计为10 m3/min～14 m3/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，供风风量Q a设计为12 m3/min～16 m3/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，供风风量Q a设计为14 m3/min～18 m3/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，供风风量Q a设计为16 m3/min～20 m3/min；
水动力排渣时，当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，供水流量Q w设计为0.05 m3/min～0.2 m3/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，供水流量Q w设计为0.1 m3/min～0.3 m3/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，供水流量Q w设计为0.2 m3/min～0.4 m3/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，供水流量Q w设计为0.3 m3/min～0.5 m3/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，供水流量Q w设计为0.4 m3/min～0.6 m3/min。
所述的步骤⑹前段钻孔长度L 0为3d 0～5d 0。
所述的步骤⑺确定前端钻杆结构和长度L 1的具体方法为：前端钻杆旋转外径由钻头端向外呈逐渐减小趋势，前端钻杆与钻头连接端的大端外径与钻头直径相同，前端钻杆与后端钻杆连接端的小端外径与后端钻杆外径相同；前端钻杆的长度L 1设计为5d 0~15d 0。
所述的步骤⑻基于钻屑量附加系数k D设计钻孔水力直径d H的具体方法为：
当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，钻孔水力直径d H设计为15 mm～30 mm；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，钻孔水力直径d H设计为25 mm～40 mm；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，钻孔水力直径d H设计为35 mm～50 mm；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，钻孔水力直径d H设计为45 mm～60 mm；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，钻孔水力直径d H设计为55mm～80 mm。
所述的步骤⑼确定后端钻杆当量外径d 1的具体方法为：d 1=d 0－2s－d H。
所述的步骤⑽后端钻杆旋转外径d 2设计范围为d 1≤d 2＜d 0－2s。
由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：
⑴.钻屑量能够表征施工地点煤岩地质条件的变化特征，基于钻屑量附加系数k D确定钻进速度νd、供风风量Q a或供水流量Q w、钻孔水力直径d H等流体排渣钻进的重要工艺参数，能够保证及时将钻头破煤产生的钻屑及时排出孔外，减少在钻孔内堆积堵塞的概率；
⑵.基于岩体力学弹塑性理论，能够判断钻孔的变形情况。结合钻孔施工使用的钻头型号，可以掌握前段钻孔长度L 0、后段钻孔变形量s，进而确定前端钻杆结构和长度L 1、后端钻杆外径d 1，使“钻头-钻杆-排渣动力”得到了合理匹配，形成了科学的深井软煤岩流体排渣钻进工艺体系，可有效改善流体排渣钻进工艺应用于软煤岩的钻探效果。
本发明针对软煤岩钻进困难的技术难题，结合施工地点地质条件，基于岩石力学理论，发明了深井软煤岩流体排渣钻进方法，钻进方法指导钻具结构设计和钻孔施工工程，有利于克服常规钻进工艺在使用中存的技术问题，改善流体排渣钻进工艺的应用效果，值得在矿业工程、岩土工程专业领域推广应用。
附图说明
图1是本发明示意图；
图2是前端钻杆前视图；
图3是前端钻杆A-A剖面图；
图4是前端钻杆B-B剖面图；
图5是前端钻杆C-C剖面图；
图6是前端钻杆三维视图；
图7是本发明钻具连接三维示意图；
图8是常规圆钻杆外径设计过大挤压钻孔孔壁示意图；
图9是常规圆钻杆外径设计过小孔底钻屑堆积示意图。
具体实施方式
本发明适应于采用流体排渣工艺的钻探工程，钻进方法、钻具结构设计及钻具连接方式可以采用本发明的钻进方法。
以圆钻杆为案例说明本发明的具体实施方式，如图1~7所示，深井软煤岩流体排渣钻进方法，包括以下步骤：
⑴.根据钻头直径d 0、煤密度ρ确定钻进过程中理想钻屑量S D。理想钻屑量是指不考虑钻杆扰动、钻孔变形因素造成的钻屑量增多情况，依据钻头直径d 0、煤密度ρ计算的每米钻孔长度的破煤量，理想钻屑量S D的计算公式为：
Figure 860800DEST_PATH_IMAGE003
。
⑵.基于钻屑法确定施工地点钻屑量S T；
⑶.依据步骤⑴～⑵，计算钻屑量附加系数k D。钻屑量附加系数k D是实际钻屑量S T与理想钻屑量S D的比值，钻屑量附加系数k D的计算公式为：
Figure 854164DEST_PATH_IMAGE002
。
⑷.基于钻屑量附加系数k D设计钻进速度νd。基于钻屑量附加系数k D钻进速度ν d设计方法为：
当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，钻进速度ν d设计为0.65 m/min～ 0.8 m/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，钻进速度ν d设计为0.5 m/min～0.65 m/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，钻进速度ν d设计为0.35 m/min～ 0.5 m/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，钻进速度ν d设计为0.2 m/min～ 0.35 m/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，钻进速度ν d设计为0.05 m/min～ 0.2 m/min。
⑸.基于钻屑量附加系数k D设计供风风量Q a或供水流量Q w。基于钻屑量附加系数k D供风风量Q a或供水流量Q w的设计方法为：
空气动力排渣时，当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，供风风量Q a设计为5 m3/min～12 m3/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，供风风量Q a设计为10 m3/min～14 m3/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，供风风量Q a设计为12 m3/min～16 m3/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，供风风量Q a设计为14 m3/min～18 m3/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，供风风量Q a设计为16 m3/min～20 m3/min；
水动力排渣时，当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，供水流量Q w设计为0.05 m3/min～0.2 m3/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，供水流量Q w设计为0.1 m3/min～0.3 m3/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，供水流量Q w设计为0.2 m3/min～0.4 m3/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，供水流量Q w设计为0.3 m3/min～0.5 m3/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，供水流量Q w设计为0.4 m3/min～0.6 m3/min。
⑹.根据钻头直径d 0确定钻孔前段钻孔长度L 0。前段钻孔长度L 0为3d 0～5d 0。
⑺.根据前段钻孔长度L 0，确定前端钻杆2结构和长度L 1。确定前端钻杆2结构和长度L 1的具体方法为：前端钻杆2旋转外径由钻头端向外呈逐渐减小趋势，前端钻杆与钻头连接端的大端外径与钻头直径相同，前端钻杆与后端钻杆连接端的小端外径与后端钻杆外径相同；前端钻杆的长度L 1设计为5d 0~15d 0。如图2、图3、图4、图5所示，前端钻杆2的结构是在前段钻孔长度L0范围内，沿钻孔孔底向外方向钻杆外径逐渐变小；前段钻孔长度L0以外部分，前端钻杆2的外径与后端钻杆3外径d1相同。
⑻.基于钻屑量附加系数k D设计后段钻孔水力直径d H。基于钻屑量附加系数k D设计钻孔水力直径d H的具体方法为：
当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，钻孔水力直径d H设计为15 mm～30 mm；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，钻孔水力直径d H设计为25 mm～40 mm；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，钻孔水力直径d H设计为35 mm～50 mm；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，钻孔水力直径d H设计为45 mm～60 mm；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，钻孔水力直径d H设计为55mm～80 mm。
⑼.如图1所示，基于后段钻孔平均变形量s和后段钻孔水力直径d H确定后端钻杆当量外径d1。确定后端钻杆3当量外径d 1的具体方法为：d 1=d 0－2s－d H。
⑽.基于后段钻孔平均变形量s和后端钻杆3当量外径d 1确定后端钻杆3旋转外径d2。后端钻杆3旋转外径d 2设计范围为d 1≤d 2＜d 0－2s。由于本案例采用的是圆钻杆，因此，后端钻杆旋转外径d 2与当量外径d 1相同。当钻杆的截面为不规则几何形状时，后端钻杆3旋转外径d 2设计范围为d 1≤d 2＜d 0－2s。
⑾.依据步骤⑹～⑼，确定前端钻杆2和后端钻杆3的结构。
⑿.钻具连接方式依次为钻头1、前端钻杆2和后端钻杆3，将钻具安装在钻机上，启动钻机钻进。
下面介绍一下本发明实施钻进原理：
如图8所示，深井软煤岩钻孔，钻孔变形量大，前段钻孔由钻孔前端面6向外呈锥形变形趋势，当常规圆钻杆3外径设计过大时，圆钻杆与钻孔孔壁之间处于挤压状态，钻孔无排渣空间，无法进行钻孔施工；如图9所示，当常规圆钻杆3外径设计过小时，圆钻杆与钻孔孔壁之间空隙较大，当钻屑量增加或流体排渣动力不稳定时，钻屑容易在钻孔前端的锥形空间内形成底部堆积7，钻孔发生堵塞的概念将升高。如图1所示，由于采用本发明钻进方法，结合深井软煤岩地质条件，充分考虑钻屑量的增量特征，基于钻屑量附加系数k D确定钻进速度νd、供风风量Q a或供水流量Q w、钻孔水力直径d H等流体排渣钻进的重要工艺参数，能够保证及时将钻头破煤产生的钻屑及时排出孔外，减少在钻孔内堆积堵塞的概率。此外，结合钻孔施工使用的钻头型号，本发明的钻进方法能够掌握前段钻孔长度L 0、后段钻孔变形量s，进而确定前端钻杆2结构和长度L 1、后端钻杆3外径d 1，形成了“钻头-钻杆-排渣动力”合理匹配的流体排渣钻进工艺体系。

Claims (10)

1.深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴.根据钻头直径d 0、煤密度ρ确定钻进过程中理想钻屑量S D；
⑵.基于钻屑法确定施工地点钻屑量S T；
⑶.依据步骤⑴～⑵，计算钻屑量附加系数k D；
⑷.基于钻屑量附加系数k D设计钻进速度νd；
⑸.基于钻屑量附加系数k D设计供风风量Q a或供水流量Q w；
⑹.根据钻头直径d 0确定钻孔前段钻孔长度L 0；
⑺.根据前段钻孔长度L 0，确定前端钻杆结构和长度L 1；
⑻.基于钻屑量附加系数k D设计后段钻孔水力直径d H；
⑼.基于后段钻孔平均变形量s和后段钻孔水力直径d H确定后端钻杆当量外径d1；
⑽.基于后段钻孔平均变形量s和后端钻杆当量外径d 1确定后端钻杆旋转外径d2；
⑾.依据步骤⑹～⑼，确定前端钻杆和后端钻杆的结构；
⑿.钻具连接方式依次为钻头、前端钻杆和后端钻杆，将钻具安装在钻机上，启动钻机钻进。
2.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑴中理想钻屑量是指不考虑钻杆扰动、钻孔变形因素造成的钻屑量增多情况，依据钻头直径d 0、煤密度ρ计算的每米钻孔长度的破煤量，理想钻屑量S D的计算公式为：
Figure 372306DEST_PATH_IMAGE001
。
3.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑶中钻屑量附加系数k D是实际钻屑量S T与理想钻屑量S D的比值，钻屑量附加系数k D的计算公式为：
Figure 194769DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑷基于钻屑量附加系数k D钻进速度ν d设计方法为：
当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，钻进速度ν d设计为0.65 m/min～0.8 m/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，钻进速度ν d设计为0.5 m/min～0.65 m/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，钻进速度ν d设计为0.35 m/min～0.5 m/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，钻进速度ν d设计为0.2 m/min～0.35 m/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，钻进速度ν d设计为0.05 m/min～0.2 m/min。
5.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑸基于钻屑量附加系数k D供风风量Q a或供水流量Q w的设计方法为：
空气动力排渣时，当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，供风风量Q a设计为5 m3/min～12m3/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，供风风量Q a设计为10 m3/min～14 m3/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，供风风量Q a设计为12 m3/min～16 m3/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，供风风量Q a设计为14 m3/min～18 m3/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，供风风量Q a设计为16 m3/min～20 m3/min；
水动力排渣时，当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，供水流量Q w设计为0.05 m3/min～0.2m3/min；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，供水流量Q w设计为0.1 m3/min～0.3 m3/min；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，供水流量Q w设计为0.2 m3/min～0.4 m3/min；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，供水流量Q w设计为0.3 m3/min～0.5 m3/min；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，供水流量Q w设计为0.4 m3/min～0.6 m3/min。
6.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑹前段钻孔长度L 0为3d 0～5d 0。
7.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑺确定前端钻杆结构和长度L 1的具体方法为：前端钻杆旋转外径由钻头端向外呈逐渐减小趋势，前端钻杆与钻头连接端的大端外径与钻头直径相同，前端钻杆与后端钻杆连接端的小端外径与后端钻杆外径相同；前端钻杆的长度L 1设计为5d 0~15d 0。
8.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑻基于钻屑量附加系数k D设计钻孔水力直径d H的具体方法为：
当钻屑量附加系数1≤k D＜1.5时，钻孔水力直径d H设计为15 mm～30 mm；当钻屑量附加系数1.5≤k D＜2.5时，钻孔水力直径d H设计为25 mm～40 mm；当钻屑量附加系数2.5≤k D＜3.5时，钻孔水力直径d H设计为35 mm～50 mm；当钻屑量附加系数3.5≤k D＜4.5时，钻孔水力直径d H设计为45 mm～60 mm；当钻屑量附加系数4.5≤k D时，钻孔水力直径d H设计为55 mm～80 mm。
9.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑼确定后端钻杆当量外径d 1的具体方法为：d 1=d 0－2s－d H。
10.根据权利要求1所述的深井软煤岩流体排渣钻进方法，其特征在于：所述的步骤⑽后端钻杆旋转外径d 2设计范围为d 1≤d 2＜d 0－2s。
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