小口径水力双循环双壁钻具设计与应用

吴晶晶^{1, 2}，张绍和^{1, 2}，施莉³

(1. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083;

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083;

3. 江西有色工程有限公司，江西 南昌，330025)

摘要：针对矿山坑道钻探中遇到松散、裂隙、节理发育的岩层或溶洞以及不含水的砂砾、卵石、漂石层时冲洗液大量漏失的问题，设计一套适用于坑道钻探的小口径水力双循环双壁钻具，拟解决坑道钻探中冲洗液漏失等问题。钻具中冲洗液从弯管进入内外管之间的环状通道到达孔底钻头处，20%冲洗液进入外管与孔壁之间的环状通道，起润滑孔壁、冷却钻头的作用；80%冲洗液进入内管，携带岩心返出孔外，减少冲洗液与地层接触量，从而改善冲洗液漏失问题。现场试验结果显示：岩心正常返出孔外，从钻具内管返出的冲洗液量约占泵送的总冲洗液量的80%。该套水力双循环双壁钻具能够解决坑道钻探中冲洗液漏失的问题，保证连续取芯的顺利进行。

关键词：坑道钻探；双循环钻进；双壁钻具；冲洗液漏失

中图分类号：TD41              文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)01-0186-07

Design and application of small diameter of drill tools with dual hydraulic circulation in double tube

WU Jingjing^{1, 2}, ZHANG Shaohe^{1, 2}, SHI Li³

(1. Key Laboratory of Non-Ferrous Metal Ore Forecast, Ministry of Education, Changsha 410083, China;

2. School of Geology and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

3. Jiangxi Nonferrous Geological Exploration Engineering Institute, Nanchang 330025, China)

Abstract: For the problems of drilling fluid leakage in the loosed, fissure-developing rock or karst cave and moisture-free gravel, pebble, boulder layer, which appear in tunnel drilling of mines, a set of small-bore hydraulic dual circulation double-wall drill tools which was suitable for tunnel exploration were designed. The flushing fluid in drilling tool flows into the annular channel between the inner and external tubes from the bend and reaches the bottom of the bit. 20% of flushing fluid, which has the function to lubricate hole wall and cool bit cutters, flows into the annular channel between the external tubes and hole wall. 80% of flushing fluid flows into the inner tube to carry the core out of the hole, which reduces the interface between the flushing fluid and stratum, consequently remedying the flushing fluid leakage problems. The field test results show that the core can be carried to hole-outside successfully, and the flushing fluid returning to hole-outside accounts for about 80%. The set of double-wall drill tools can solve the problem of drilling fluid leakage in tunnel exploration.

Key words: tunnel exploration; dual circulation drilling; double-wall drill tools; drilling fluid leakage

反循环连续取心钻进技术包括空气反循环连续取心钻进技术、气液反循环连续取心钻进技术和水力反循环连续取心钻进技术^[1]。反循环连续取心钻进由于具有钻进效率高、取心质量好、钻探成本低、劳动强度小、适用于复杂地层特别是漏失地层和缺水地区钻进，在国内外受到广泛关注。在矿山的坑道钻探中，经常会遇到硬、脆、碎、漏、坍等复杂地层^[2]。当采用常规的绳索取心钻具、双管钻具或单管钻具等钻进方法钻进这类地层时，往往存在钻进效率低、岩矿心采取率低、钻孔质量差、钻头寿命低、孔底事故多、钻探成本高等问题，多年来一直是国内外钻进领域需要解决的难题。许多研究表明^[3-5]：采用双壁钻具反循环连续钻进技术应是比较理想的解决途径。坑道钻探中，钻孔一般设计为水平孔或倾斜孔，孔深一般在200 m以内。由于采矿爆破过程的影响，钻孔一般漏失比较严重。因此在坑道钻探中选择用水力反循环连续取心钻进比较理想。而要在坑道钻探中充分发挥水力反循环连续取心钻进的优势，设计和选用合理的双壁水力反循环连续取心钻具是关键。由于坑道钻探中钻孔直径小，双壁水力反循环连续取心钻具设计和制造一直是业界的一个难题，针对这种适用于坑道钻探的双壁钻具水力反循环连续取心技术，本文作者以此为立足点，提出一种水力双循环双壁钻具设计。

1  双壁双循环钻具的工作机理

双壁双循环钻具的结构^[6]如图1所示，双壁水龙头1下端接双壁钻杆2，每两节双壁钻杆2之间接一个扩孔扶正封堵器3，最末的一个扩孔扶正封堵器3下端接一个分水器4，分水器4下端再接一个金刚石钻头5。双壁钻杆2的外管之间采用丝扣连接，双壁钻杆2的内管之间采用插接，用O形橡胶密封圈密封，双壁钻杆2的内外管之间用点焊连接固定。

双壁双循环钻具按如下方式工作：在进行坑道取心钻探时，坑道钻机夹持钻杆外管施加压力和扭矩，金刚石钻头5、分水器4、扩孔扶正封堵器3、双壁钻杆2和双壁水龙头1的中轴、内管一起转动，双壁水龙头1的其他部件固定不动。冲洗液从弯管进入内外管之间的间隙到达孔底分水器4，约20%^[7]冲洗液进入外管与孔壁之间的环状通道，起到润滑孔壁、冷却金刚石钻头5的作用，约80%冲洗液进入内管，携带岩心返出孔外，从而实现连续取心。

2  双壁双循环钻具的结构设计

2.1  关键部位设计

双壁水龙头设计如下。

图1  水力双循环双壁钻具结构示意图

Fig. 1  Structure chart of hydraulic dual circulation double-wall drill tools

(1) 双壁水龙头结构。针对用于坑道钻探的水力双循环双壁钻具，设计了配合双壁钻具使用的双壁水龙头。双壁水龙头^[8]由以下零件组成：顶部塞、上壳体、弯管、弹簧、下壳体、中轴、水龙头内管、61906深沟球轴承、51111推力球轴承、61810深沟球轴承、51106推力球轴承2个、陶瓷密封圈、油封毡圈、O形橡胶密封圈、锁帽2个以及不同垫圈4个，如图2所示。

双壁水龙头的中轴通过外管接头与双壁钻杆的外管连接；双壁水龙头的内管通过内管接头与钻杆内管连接；双壁水龙头的中轴与内管在D处通过点焊固定连接。在进行坑道取心钻探时，双壁水龙头的中轴和内管随钻杆的转动一起转动，双壁水龙头的其他部件固定不动。冲洗液从双壁水龙头的弯管进入双壁水龙头的中轴和内管之间的环状通道，再进入到钻杆外管和钻杆内管之间的环状通道。

(2) 水龙头各部件的相对转动。① 转动部分。双壁水龙头的中轴上端与水龙头内管在D处采用点焊方式固定，中轴下端与双壁钻杆的外管连接。当进行坑道钻进时，双壁水龙头的中轴与水龙头内管一同随着钻杆外管转动。② 固定部分。除了双壁水龙头的中轴与水龙头内管转动外，水龙头的其他部件均不转动。双壁水龙头的上壳体下端与下壳体通过螺纹连接，上壳体上端与顶部塞也通过螺纹连接，形成一个整体。上壳体与水龙头内管之间安装深沟球轴承和推力球轴承，下壳体与中轴之间安装深沟球轴承和推力球轴承。当双壁水龙头的中轴与水龙头内管一同随着钻杆外管转动时，这些部件相对固定。

图2  双壁水龙头设计图

Fig. 2  Design chart of double-wall swivel

2.2  其他部位设计

2.2.1 双壁钻杆及接头设计

结合坑道钻探的特殊性，本文着重设计小口径的坑道钻探双壁钻具，所以选用了两种尺寸的无缝钢管来加工双壁钻杆的内管和外管，分别是外径31 mm、内径27 mm和外径45 mm、内径38 mm，即双壁钻杆内管尺寸为外径31 mm，内径27 mm，外管尺寸为外径45 mm，内径38 mm。为适应坑道中钻杆的拧卸与安装，设计每节钻杆长度为1.5 m。接头内、外管尺寸配合钻杆内外管尺寸设计。

2.2.2  扩孔器设计

扩孔器配合钻头使用，连接在钻头之上，起到修正孔径和导正钻头的作用^[9]。本套双壁钻具设计的扩孔器为双管扩孔器，胎体为条带状，采用金刚石聚晶作为切削材料。本套双壁钻具中，扩孔器除了起到修正孔径和导正钻头的作用，还起到封堵冲洗液的作用。部分冲洗液由钻具内管和外管之间的环状通道流入外管与孔壁之间的环状通道后，高速转动的扩孔器起到一定的封堵作用，使部分冲洗液流经钻孔底部，起到冷却钻头的作用。

2.2.3  金刚石钻头设计

金刚石钻头由胎体和钢体组成，胎体又分为工作层和非工作层，本套钻具金刚石钻头的高度设计为80 mm，非工作层高度为5 mm，工作层高度为7 mm；钻头外径为47 mm，内径为25 mm。在金刚石钻头设计中，配方参数的确定,直接影响到钻头的质量^[10]，且钻头效率和寿命的好坏主要取决于钻头的金刚石参数、胎体参数等^[11]，而钻头参数的确定又是建立在研究成果和实践经验基础上的^[12]。经分析，钻头胎体配方选用FJT-A1、FJT-A2和FJT-07粉料，各粉料的重量比例分别是：FJT-A1占30%，FJT-A2占20%，FJT-07占50%，金刚石选用粒度为0.297~0.595 mm的MBD12等级金刚石。

3  钻具工作状态水力学计算

3.1  管道分流

设计分流的作用是当内外管之间间隙流入的高压冲洗液到达钻头底部时，要求保证大部分冲洗液从双壁钻杆内管中返回，以利于携带岩心和岩屑返出孔口；同时还要保证有一小部分冲洗液流入外管与孔壁之间的环状通道中，以保证冷却钻头、润滑双壁钻杆和冷却扩孔器等。

在恒定总流中，任取一元流，设进口过流断面微元面积dA_a，流速u_a；出口过流断面微元面积dA_b，流速u_b。由于恒定条件下，元流的形状位置不随时间改变，元流中流体只能沿元流运动，流体是连续介质，所以根据质量守恒定律，单位时间流入和流出的流体质量必定相等。则会有和相等且均为常数。

对于不可压缩流体，，则有：

            (1)

为了便于计算，设过流断面流速均匀分布，同时运用积分中值定理，可得：

          (2)

式中：v_a和v_b为总流断面平均流速，m/s；Q_a为进口断面总流量，m³/s或L/min；Q_b为出口断面总流量，m³/s或L/min。

设进入双壁钻具内外管环状通道的冲洗液量为Q₁，流入钻具内管的冲洗液量为Q₂，流入钻具外管与孔壁间环状通道的冲洗液量为Q₃，则需要满足：

             (3)

设冲洗液从水龙头进入内外管环状通道时平均速度为v₁，冲洗液到达钻头底部流经内管过水孔时速度v₂，流经外管过水孔时速度v₃。流体力学中规定^[13]，液体为不可压缩流体，所以将双壁钻具钻进使用的冲洗液看做不可压缩流体，根据式(2)，可将式(3)化为：

             (4)

由于内外管分水孔位置都在钻头底部，冲洗液以速度v₁从水龙头到达钻头底部分流时，沿程水头损失和局部水头损失相同，所以速度变化相同，即有v₂=v₃。所以有：

        (5)

式中：n₂为内管过水孔数量，个；n₃为外管过水孔数量，个；d₂为内管过水孔直径，mm；d₃为外管过水孔直径，mm。

根据式(5)设计分流结构，在钻头底部钢体外侧加工3个直径为5 mm的过水孔，内侧加工8个直径为6 mm的过水孔。则有：

       (6)

3.2  水头损失与流速计算

不同的流动状态、不同的边界及其变化对水头损失都有影响。设计的双循环连续取芯双壁钻具的沿程水头损失主要来自管道壁对流体的黏性作用；局部水头阻力损失主要是由于流动断面大小的突变带来的，而设计的双循环连续取芯双壁钻具内外管环状通道连接处尺寸大小基本一样，没有流动断面大小的突变，因而其局部水头阻力损失可以忽略不计。这里仅讨论沿程水头损失。

冲洗液在管道中的流动状态影响到其水头损失的计算，所以首先要判断冲洗液在管道中的流动状态。

双壁钻具内外管环状通道的过流断面面积为：

               (7)

式中：D为钻杆外管内径，设计为38 mm；d为钻杆内管外径，设计为31 mm。

过流断面上冲洗液与管道壁接触周界χ为：

               (8)

所以水力半径为：

    (9)

式中：R为水力半径，m。

设计的水力双循环钻具用清水作为冲洗液，取常温t=25 ℃，此时水的运动黏度^[14]为μ=0.897×10^{-6 m2}/s。

金刚石岩心钻探中，冲洗液要保证能够顺利将岩心返出孔外，流速一般不能低于2.5 m/s^[14]，这里取v=2.5 m/s为过流断面平均速度来计算。计算雷诺数为：

    (10)

所以，冲洗液在钻具管道中的流动状态为紊流^[15]。式中：μ为流体运动黏度，m²/s；d为管径，m；Re_c为临界雷诺常数，其值为2 300。

内管中冲洗液的最小速度为v_min=2.5 m/s，则内管中某一过水断面流量：

         (11)

式中：d₄为双壁钻具内管的内径，设计尺寸为27 mm；Q₄为经过内管过水孔进入钻具内管的冲洗液流量，所以Q₄=1.43 L/s。

对于不可压缩流体，密度不变，由质量守恒定律可知Q₂=Q₄=1.43 L/s。所以有：

Q₃=Q₂/3.84=0.38 L/s。         (12)

所以从水龙头流入的冲洗液流量

Q₁=Q₂+Q₃=1.81 L/s。          (13)

从而可以计算内外管环状通道冲洗液的流速v₁=Q₁/A₁=4.8 m/s。

设工作中钻具总长为L，冲洗液从水龙头经过内外管之间环状通道到达孔底时的水头损失为：

      (14)

冲洗液从孔底经过钻具内管返回孔口的沿程水头损失为：

      (15)

所以，总的沿程水头损失为：

          (16)

综上所述，经过水力学计算和分析，设计双壁钻具外管分流水孔为3个对称分布的直径为5 mm的过水孔，内管分流水孔为8个直径为6 mm的过水孔；冲洗液在双壁钻具管道内的流动状态为紊流；冲洗液从水龙头进入双壁钻具内外管之间环状通道到达孔底，再经过内管返出孔外，水头损失与钻具长度呈线性关系，为22.89L；为保证冲洗液能够顺利携带岩心和岩屑返出孔外，经水龙头泵入双壁钻具的冲洗液流速应不低于4.8 m/s，流量不低于1.81 L/s，即泵量不低于108.6 L/min。

所以，通过流体力学对钻具管道中冲洗液流动状态的分析和水头损失的计算都从理论上表明，使用设计的水力双循环双壁钻具能够实现对坑道中漏失地层的正常钻进，满足连续取心的要求。

4  现场试验

本次现场钻进试验在广东韶关某钻井的坑道内进行。

4.1  试验条件

4.1.1  地层情况

试验地层节理发育、裂隙较多，钻孔主要地层情况依次为：中细粒花岗结构的坚硬花岗岩；中细粒花岗结构的较硬、较破碎花岗岩；晶屑凝灰结构，较硬、较破碎凝灰岩；致密，见裂缝面，裂缝被方解石全充填的泥灰岩；裂隙较发育的粉砂岩与角砾岩互层。

4.1.2  钻进设备

(1) 钻机。采用赤峰市某钻机有限责任公司制造的KY-200型全液压坑道钻机，其主要技术性能如表1所示。

(2) 泥浆泵。采用BW150型三缸单作用活塞泵，其技术性能如表2所示。

(3) 钻具。采用本套水力双循环双壁钻具。

4.1.3  工艺参数

钻进试验的主要钻进参数如表3所示。

4.2  试验效果

采用双壁水力双循环连续取心钻具钻进时，钻完设计孔深80 m的水平孔，平均钻进效率为5 m/h。整个钻进过程中，双壁水龙头、双壁钻杆、扩孔器和金刚石钻头工作正常，没有出现影响钻进的不良情况，岩心和岩屑能通过内管实现顺利返出。

图3所示为钻探过程中收集到的岩心和岩屑。

水力双循环双壁钻具进行坑道钻探结果表明：该套钻具能够实现坑道中漏失地层的正常钻进，满足连续取心的使用要求，钻进效果良好。

泵入和返出的冲洗液量如表4所示。

表1  KY-200钻机主要性能参数

Table 1  Main performance parameters of drilling rig KY-200

表2  BW150泥浆泵主要性能参数

Table 2  Main performance parameters of mud pump

表3  主要钻进参数

Table 3  Main drilling parameter

图3  试验现场钻进返出的岩心和岩屑

Fig. 3  Returned core and cuttings from testing field drilling

表4  泵入和返出的冲洗液量

Table 4  Pumped and returned volume of flushing fluid

从表4可以看出：携带岩心返出孔外的冲洗液量占泵送冲洗液总量的比例为：

        (17)

由式(17)可见：设计的双壁钻具能够实现泵入的冲洗液总量有约80%进入钻具内管携带岩心和岩屑，钻进效果良好。

5  结论

(1) 结合硬、脆、碎、漏、坍等复杂地层中钻进时冲洗液容易漏失的问题，将正循环与反循环技术结合起来，研究了一种水力双循环连续取心技术，解决坑道钻探中冲洗液漏失严重的问题，并实现连续取心。

(2) 针对水力双循环连续取心技术，设计一套双壁钻具，实现坑道中水力双循环钻进。确定了双壁钻杆外管尺寸为外径45 mm，内径38 mm，双壁钻杆内管尺寸为外径31 mm，内径27 mm，内外管通过内管接头上的键导正；双壁水龙头的密封选用耐高温、耐磨损、寿命长且具有自润滑作用的陶瓷密封圈；分水钻头外侧设计有3个直径为5 mm的过水孔，内侧设计有8个直径为6 mm的过水孔。

(3) 对钻具在钻进过程中的冲洗液进行了水力学分析，从而得出该套双壁钻具工作中能够正常实现钻头的冷却和岩心的采取。

(4) 现场试验结果表明：在坑道钻探中，岩心能够正常返出孔外，从钻具内管返出的冲洗液量约占泵送的总冲洗液量的80%。该套水力双循环双壁钻具能够解决坑道钻探中冲洗液漏失的问题，保证连续取心的顺利进行。

参考文献：

[1] 杨振山, 王明翠. 小口径水力反循环双壁钻杆钻具设计[J]. 建材地质, 1995, 79(3): 28-33.

YANG Zhenshan, WANG Mingcui. Design on small caliber hydraulic reverse circulation double-wall drill tools[J]. Nonmetallic Geology, 1995, 79(3): 28-33.

[2] 胡郁乐, 张绍和. 钻探事故预防与处理知识问答[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2010: 69-75.

HU Yule, ZHANG Shaohe. Knowledge quiz of prevention and treatment for drilling accident[M]. Changsha: Central South University Press, 2010: 69-75.

[3] 汤凤林, 加里宁A.Γ., 段隆臣. 岩心钻探学[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 2009: 302-312.

TANG Fenglin, Galiny A Γ, DUAN Longchen. Core drilling science[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 2009: 302-312.

[4] 鄢泰宁. 岩土钻掘工程学[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 2001: 138-150.

YAN Taining. Rock and soil drilling and excavation engineering[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 2001: 138-150.

[5] 王茂林. 全孔反循环潜孔锤参数优化及其钻进工艺研究[D]. 长春: 吉林大学建设工程学院, 2007: 7-20.

WANG Maolin. Research on parameter optimization and drilling technology of the whole hole reverse circulation DTH hammer[D]. Changchun: Jilin University. College of Construction Engineering, 2007: 7-20.

[6] 张绍和, 施莉, 刘开兴, 等. 一种坑道钻探水力反循环双壁钻具: 中国, 201110052926.1[P]. 2011-03-04.

ZHANG Shaohe, SHI Li, LIU Kaixing, et al. Hydraulic reverse circulation double-wall drill tools in tunnel explore: China, 201110052926.1[P]. 2011-03-04.

[7] Berube S C. How to drill hard rock with percussion tools[J]. Drilling, 1973, 34: 9-10.

[8] 施莉. 坑道钻探水力双循环双壁钻具设计[D]. 长沙: 中南大学地球科学与信息物理学院, 2012: 14-16.

SHI Li. Design on hydraulic dual circulation double-wall drill tools in tunnel explore[D]. Changsha: Central South University. School of Geology and Environmental Engineering, 2012: 14-16.

[9] 武汉地质学院. 钻探工艺学[M]. 北京: 地质出版社, 1980: 82-93.

Wuhan Geological Institute. Drilling technology[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1980: 82-93.

[10] 张绍和, 赵显富, 鲁凡, 等. 钻头配方设计神经网络专家系统[J]. 煤田地质与勘探, 1998, 26(5): 69-70.

ZHANG Shaohe, ZHAN Xianfu, LU Fan, et al. Expert system of neural networks based on back-propagating algorithm for bit design[J]. Coal Geology and Exploration, 1998, 26(5): 69-70.

[11] 张绍和, 杨凯华, 鲁凡, 等. 钻头参数与其性能间的定量关系[J]. 地球科学—中国地质大学学报, 2000, 25(6): 647-648.

ZHANG Shaohe, YANG Kaihua, LU Fan, et al. Quantitative relation between diamond-bit parameter and performance[J]. Earth Science—Journal of China University of Geosciences, 2000, 25(6): 647-648.

[12] 张绍和, 鲁凡. 金刚石钻头参数设计规律[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2004, 35(2): 195-200.

ZHANG Shaohe, LU Fan. Designing method about parameters of impregnated diamond bit[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2004, 35(2): 195-200.

[13] 庄礼贤, 尹协远, 马晖扬, 等. 流体力学[M]. 合肥: 中国科学技术出版社, 2009: 124-132.

ZHUANG Lixian, YIN Xieyuan, MA Huiyang, et al. Fluid mechanics[M]. Hefei: China Science and Technology Press, 2009: 124-132.

[14] 张爱民, 王长永. 流体力学[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 83-170.

ZHANG Aiming, WANG Changyong. Fluid mechanics[M]. Beijing: Science Press, 2010: 83-170.

[15] 赵尔信, 徐省盘, 赵嘉树, 等. 反循环连续取芯钻头的设计[J]. 地下水, 1992, 14(2): 92-96.

ZHAO Erxin, XU Shengpan, ZHAO Jiashu, et al. Design on reverse circulation continuous core drill[J]. Ground Water, 1992, 14(2): 92-96.

(编辑  杨幼平)

收稿日期：2012-10-25；修回日期：2013-01-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074180)

通信作者：张绍和(1967-)，男，湖北鄂州人，博士，教授，博士生导师，从事地质工程等研究；电话：13975157151；E-mail: zhangshaohe@163.com