【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擇差異較大， 鉆進(jìn)硬度小的巖石時(shí)，鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)主要滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)切 削碎石的要求；鉆進(jìn)堅(jiān)硬但膠結(jié)不好的巖石時(shí)，鉆 進(jìn)參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足沖擊碎石的需要，以形成體積破碎； 鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密的巖石時(shí)，鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足沖擊和回轉(zhuǎn)兩種碎巖作用。 潛孔錘鉆進(jìn)用的鉆頭承受較大的動(dòng)荷載及摩擦作用，因此要求鉆頭體具有較高的表面硬度和較好的耐磨性及足夠的沖擊韌性[13]。目前用的鉆頭基本上有兩種：刃片鉆頭和柱齒鉆頭，刃片鉆頭用于軟巖，柱齒鉆頭用于硬巖。因此，本工程在煤層氣空氣鉆進(jìn)時(shí)采用柱齒鉆頭。柱齒鉆頭是用機(jī)械方法將一定規(guī)格的硬質(zhì)合金柱壓入到鉆頭體孔內(nèi)形成的。 空壓機(jī)是氣源裝置中的主體，它是將原動(dòng)機(jī)（通常是電動(dòng)機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置?？諝鈮嚎s機(jī)的種類(lèi)很多，按工作原理可分為容積式壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)，離心式壓縮機(jī)，容積式壓縮機(jī)的工作原理是壓縮氣體的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；離心式壓縮機(jī)的工作原理是提高氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度，使氣體分子具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。往復(fù)式壓縮機(jī)(也稱(chēng)活塞式壓縮機(jī))的工作原理是直接壓縮氣體，當(dāng)氣體達(dá)到一定壓力后排出。 現(xiàn)在常用的空氣壓縮機(jī)有活塞式空氣壓縮機(jī)，螺桿式空氣壓縮機(jī)，(螺桿空氣壓縮機(jī)又分為雙螺桿空氣壓縮機(jī)和單螺桿空氣壓縮機(jī))，離心式壓縮機(jī)以及滑片式空氣壓縮機(jī)，渦旋式空氣壓縮機(jī)。 本設(shè)計(jì)選用螺桿空壓機(jī)，必要時(shí)可以選擇兩臺(tái)并聯(lián)，現(xiàn)將其簡(jiǎn)述如下。 螺桿式空氣壓縮機(jī)采用預(yù)成套配置，只需單一的電源連接及壓縮空氣連接，并內(nèi)置冷卻系統(tǒng)，令安裝工作大為簡(jiǎn)化。螺桿式空氣壓縮機(jī)以其高效能、高效率、免維護(hù)、高度可靠等優(yōu)點(diǎn)始終如一的為各行各業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的壓縮空氣。 如固相注入器、滌氣器、空氣分離器、空氣管匯、空氣集流管等[8]。固相注入器的功能是往井眼中注入干粉添加劑，以便干燥滲水帶或用以降低深井的摩擦扭矩。滌氣器的作用是除掉即將進(jìn)入增壓機(jī)進(jìn)氣閥的空氣中的過(guò)量水分，起到保護(hù)增壓機(jī)的作用。特別是在氣候潮濕的地區(qū)和季節(jié)更應(yīng)當(dāng)配備。空氣分離器為一組碗形的容器，設(shè)置在振動(dòng)篩上部，與排屑管的一端相連?？諝夥蛛x器可使大部分空氣從水中分離而排出。空氣管匯是指從壓縮機(jī)到立管之間的管匯。這段管線(xiàn)的特點(diǎn)是管徑足夠大(通常為φ102)以便把摩擦壓力降低到最低程度。供氣管匯上應(yīng)設(shè)有壓力釋放閥以防止壓縮機(jī)和其它設(shè)備的壓力過(guò)高；還應(yīng)設(shè)置單向閥以防止空氣或流體向壓縮機(jī)回流?？諝饧鞴苌蠎?yīng)安裝壓力表，還應(yīng)有分支管線(xiàn)與套管頭相連接以便在必要時(shí)進(jìn)行反循環(huán)。空氣鉆井廣泛應(yīng)用的同時(shí)也出現(xiàn)了許多使生產(chǎn)無(wú)法順利進(jìn)行的情況，包括氣體攜屑困難、井眼堵塞、井壁失穩(wěn)、井下爆炸等。解決這些問(wèn)題的有效途徑就是對(duì)空氣鉆井參數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算[9]。在空氣鉆井井壁內(nèi)，巖屑顆粒在環(huán)空中上返時(shí)受到兩個(gè)力的作用：自身重力G，空氣向上流動(dòng)對(duì)巖屑的舉升力F。其中舉升力隨著空氣流速的增大而增大。顯然：當(dāng)FG時(shí)，顆粒有向下的加速度，即顆粒有向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；當(dāng)F=G時(shí)，巖屑顆粒處于懸浮狀態(tài)；當(dāng)FG時(shí)，巖屑顆粒具有向上的加速度，即有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)全井FG時(shí)，巖屑顆粒被帶到地面[10]。根據(jù)一維定常流體力學(xué)理論，可建立井筒環(huán)空內(nèi)任意計(jì)算井深處的空氣壓力計(jì)算微分方程[9] ： (1)為了使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，用井眼環(huán)空的實(shí)際溫度代替Angel模型中的平均溫度，同時(shí)考慮空氣鉆井的實(shí)際情況，用粗糙裸眼井段流體流動(dòng)的摩阻系數(shù)(f)代替Angel模型中的光滑管流動(dòng)摩阻系數(shù) ： (2)其中e由下式?jīng)Q定： (3)將（2）、（3）帶如(1)式積分得： (4) 式4中： (5) (6) 式(4)即計(jì)算環(huán)空壓力的公式。其中:dP是計(jì)算點(diǎn)壓力的微分，Pa；ρmix是計(jì)算點(diǎn)混合氣體的密度，kg/m3；V是計(jì)算點(diǎn)流體速度，m/s；f是摩阻系數(shù)；Dh是井眼直徑，m；Dp是鉆桿外徑，m；dH計(jì)算點(diǎn)井身的微分；e為井壁絕對(duì)粗糙度，m；ep為鉆柱和套管的絕對(duì)粗糙度，m；eb 為裸眼井段的絕對(duì)粗糙，m；Hs套管斜井身，m；Ps為環(huán)空出口處的地面壓力，Pa；Ts為環(huán)空出口處的地面溫度，K；β為地溫梯度，K/s；M為空氣的相對(duì)分子質(zhì)量，；R為摩爾氣體常數(shù)，；Kt為機(jī)械鉆速，m/s；ρs為巖屑密度，kg/m3；Qw為地層出水量，m3/s；ρw為地層水密度，kg/m3；ρ0為實(shí)際作業(yè)井口的壓力，Pa；T0 為實(shí)際作業(yè)井口的溫度，K；Qg0為井口注氣量，m3/s。在空氣鉆井中，當(dāng)環(huán)空內(nèi)的氣體攜帶巖屑上返時(shí)，在鉆鋌頂部、鉆桿與鉆鋌結(jié)合處，會(huì)出現(xiàn)環(huán)空面積突然擴(kuò)大的現(xiàn)象。由于空氣具有較強(qiáng)的可壓縮性，氣體上返到達(dá)該處將發(fā)生較大的膨脹，氣流的壓力、密度及上升速度都有一個(gè)突然降低，在此氣體速度突然降低處將出現(xiàn)氣體最小舉升力，于是就把這一部分的環(huán)空稱(chēng)為“關(guān)鍵點(diǎn)”。在“關(guān)鍵點(diǎn)”處，如果氣體上升速度不夠 (空氣排量不足)，則氣體將無(wú)法完成攜帶巖屑的任務(wù)；巖屑顆粒將在此點(diǎn)附近滑落、沉降直至堵塞流道，造成空氣鉆井的失敗。環(huán)空中從“關(guān)鍵點(diǎn)”向下，越往井底，氣體密度和壓力越大，氣流無(wú)法攜帶上返的大塊巖屑會(huì)落人井底，被重新破碎成小顆粒，從而再次被氣流攜帶至環(huán)空井上返而在“關(guān)鍵點(diǎn)”以上，氣體的上返速度迅速增大，雖然巖屑下滑速度將因氣體密度的減小增大，但增大幅度低于氣流上升速度的增大幅度，且由于在上升過(guò)程中，鉆桿與井壁的碰撞和研磨，巖屑會(huì)被破碎得更小、更細(xì)，因此滿(mǎn)足“關(guān)鍵點(diǎn)”處攜帶巖屑的空氣排量要求也就意味著滿(mǎn)足了整個(gè)環(huán)空的空氣排量要求。最小注氣量是選擇空氣壓縮機(jī)的關(guān)鍵因素。這里討論的最小注氣量是指儲(chǔ)層流體涌入時(shí)空氣鉆井工程中最小空氣量。早期研究最小注氣量的有Angle，他的angle模型適用于光滑的管壁，采用了平均溫度等理想化情況，使得結(jié)果較實(shí)際有較大偏差。70年代有人根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)angle模型進(jìn)行了修正，使用修正的摩擦系數(shù)和實(shí)際溫度。（1） 最小動(dòng)能法 環(huán)空的氣體在關(guān)鍵點(diǎn)即鉆鋌頂部單位體積的動(dòng)能為最小，假設(shè)此處攜帶巖屑的能力等效于空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下攜帶巖屑的能力，就有： (7)氣體在關(guān)鍵點(diǎn)的密度為： (8)氣體在關(guān)鍵點(diǎn)的速度為： (9)將(8)、(9)帶入(7)得關(guān)鍵點(diǎn)的壓力： (10) 聯(lián)立式(4)和式(10)可用最小動(dòng)能法求得最小注氣量，其中：Tsl標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，K；Psl標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力，Pa；Vsl為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最小動(dòng)能的空氣速度，m/s；ρsl為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，kg/m3；Vsl為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的最小動(dòng)能的氣體速度，m/s；ρb為關(guān)鍵點(diǎn)的氣體密度，kg/m3；Vb為關(guān)鍵點(diǎn)的氣體速度，m/s；Pb為關(guān)鍵點(diǎn)處的壓力，Pa；L為鉆鋌長(zhǎng)度，m；f、e、a、b分別由式(2)、(3)、(5)、(6) 決定。（2）最小速度法 環(huán)空的氣體在關(guān)鍵點(diǎn)的上升速度最小，注氣的速度必須滿(mǎn)足該點(diǎn)的最小攜帶巖屑速度。Ikoku等人根據(jù)質(zhì)點(diǎn)在阻尼介質(zhì)中的自由下落問(wèn)題研究了氣體鉆井中攜帶巖屑的最小速度計(jì)算模型，該方法確定最小注入氣體體積流量 (Qgo)時(shí)需要計(jì)算巖屑在氣體中的終了沉降速度(Vs )和輸送速度(Vtr)。巖屑終了沉降速度是其幾何尺寸、形狀、密度與氣體密度、黏度及流動(dòng)形態(tài)的函數(shù)，下式即為球狀巖屑的終了沉降速度(Vs )： (11) 巖屑輸送速度(Vtr )取決于氣體鉆井中的機(jī)械鉆速和環(huán)空允許(安全)輸送的巖屑量。鉆頭產(chǎn)生的巖屑體積流量可以表示為： (12)環(huán)空過(guò)流斷面輸送巖屑的體積流量可以表示為： (13)根據(jù)固體顆粒的物質(zhì)平衡方程： (14)將式(12)和式(13)代人式(14)可得巖屑輸送速度： (15)攜帶固體顆粒所需的氣體速度等于終了沉降速度加上巖屑輸送速度： (16)根據(jù)氣體速度可求得最小注氣量井下的體積： 井口的最小注氣量為： (17) 聯(lián)立(4)、(8)、(16)、（17），通過(guò)試算法或計(jì)算機(jī)編程可以求出由最小速度法求出的最小注氣量。其中：Vs為終了沉降速度，m/s；DS為巖屑當(dāng)量直徑，m；Cd為巖屑滑脫系數(shù)，(；）；ψ為球形度；Db為鉆頭直徑,m；Qtr為流道中輸送巖屑的體積流量，m3/s；Vtr為巖屑傳輸速度，m/s；CP為環(huán)空巖屑的體積濃度；A為關(guān)鍵點(diǎn)流道橫截面積，m2；Qp為鉆頭產(chǎn)生巖屑的體積流量，m3/s； 由上述公式推導(dǎo)可知：壓力、最小注氣量等均與井深有關(guān)系?，F(xiàn)以8煤頂板處某點(diǎn)為例計(jì)算，此時(shí)H=737m。 各參數(shù)意義及取值如下ep為鉆柱和套管的絕對(duì)粗糙度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)；Dp為鉆桿外徑，；eb 為裸眼井段的絕對(duì)粗糙度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)；Dh為井眼直徑，略大于鉆頭直徑，；H為計(jì)算點(diǎn)井身，取值737m；Hs為套管鞋井身，略大于套管深度。計(jì)算點(diǎn)深度為737m，井身結(jié)構(gòu)示意圖中的二開(kāi)套管還沒(méi)有下，故取值Hs=271m；f為摩阻系數(shù)，中間參數(shù)，計(jì)算可得；Vtr為巖屑傳輸速度，m/s，中間參數(shù)，計(jì)算可得；為重力加速度， m/s2；π為圓周率，；Db為鉆頭直徑,；Cp環(huán)空巖屑的體積濃度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，；A為關(guān)鍵點(diǎn)流道橫截面積，由鉆鋌直徑d==；Kt為機(jī)械鉆速，103 m/s；將以上數(shù)據(jù)代入得到：e=103，f=102，Vtr=102 m/s。(1)最小動(dòng)能法因?yàn)椋?）式普遍適應(yīng)，所以在關(guān)鍵點(diǎn)處（4）式即為： （18） 又 （10） 其中 各參數(shù)意義及取值如下：Pb為氣體在關(guān)鍵點(diǎn)處的環(huán)空壓力，Pa，關(guān)于最小注氣量Qg0函數(shù)；Ps為環(huán)空出口處的地面壓力,由壓力表測(cè)量，105 Pa；P0為實(shí)際作業(yè)井口的壓力，由壓力表測(cè)量，105 Pa；Psl為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力，105 Pa；Ts為環(huán)空出口的地面溫度，；T0為實(shí)際作業(yè)井口的溫度，根據(jù)當(dāng)時(shí)溫度，；Tsl為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，取值273K；M為空氣的相對(duì)分子質(zhì)量,；R為摩爾氣體常數(shù)，；ρs為巖屑密度，此處為泥巖和砂巖混合物，103kg/m3；Qw為地層出水量，；ρw為地層水密度，此處為重碳酸氯化鈉鎂型，103kg/m3；Qg0為井口注氣量，m3/s；β為地溫梯度，；L為鉆鋌長(zhǎng)度，取值150m；Vsl為標(biāo)準(zhǔn)狀況下最小動(dòng)能的空氣速度，常數(shù)。；聯(lián)立(18)、（10）得到一個(gè)關(guān)于Qg0的方程： （19） 其中又是關(guān)于Qg0的多項(xiàng)式 將代入（19），得到： 解之得：Qg0= m3/s；2） 最小速度法 關(guān)鍵點(diǎn)處： (18) (8) (16) (17)各參數(shù)意義及取值如下： Pb氣體在關(guān)鍵點(diǎn)的壓力，關(guān)于最小注氣量Qg0函數(shù)； ρb為氣體在關(guān)鍵點(diǎn)處的密度, 關(guān)于最小注氣量Qg0函數(shù)；VS終了沉降速度，m/s，關(guān)于最小注氣量Qg0函數(shù)；Vg攜屑所需最小速度，關(guān)于最小注氣量Qg0函數(shù)；