0 引 言
煤矿井下定向钻进技术具有钻进效率高、钻孔轨迹可控、可施工分支孔等诸多优点[1-3]。目前，井下定向长钻孔已成为实现煤矿瓦斯高效抽采的重要技术手段[4-5]。随着井下定向钻进技术及配套装备的逐渐完善，已成功在煤矿水害防治和隐蔽致灾地质异常体探查等领域进行推广应用[6-7]。但是在钻遇坚硬地层时仍然具有其局限性，主要针对的是井下高位瓦斯抽采定向长钻孔、顶底板水和老空区水害探放定向钻孔、地质异常体探查钻孔等的施工，由于其钻孔轨迹主要在岩层中延伸，当钻遇硬度较大的岩层时，尚存在钻进效率低、成孔速度慢、施工周期长、钻具寿命低等问题，限制了定向钻进技术在井下重大事故防治中的应用和推广，制约了井下定向长钻孔在硬岩钻进领域的发展[8-10]。
辅助碎岩工具是针对硬岩钻进的有效技术手段，常用的辅助碎岩工具主要包括扭力冲击器、气动潜孔锤、液动潜孔锤等。将辅助碎岩工具引入到煤矿井下硬岩钻进过程中，充分发挥其在硬岩钻进中的优势，解决煤矿井下硬岩钻进效率低、周期长等问题[11-12]。但是在实际应用过程中也存在很多技术难点需要克服，诸多操作事项需要注意，包括钻进参数的调整、钻进工艺的选择、钻井液固体颗粒含量的调控等，只有当这些条件相互匹配且均处于一个较优值的时候，才能最大限度地发挥其作用。虽然这些工具在地面上的应用已经相对成熟，但当其被引入一个新的领域却不完全适应，需要不断的借鉴和吸收先进的技术，加大创新和投入，形成一套适合煤矿井下硬岩钻进的工艺方法及配套装备，为煤矿的安全健康发展提供技术支撑。
1 阀式低压液动潜孔锤
1.1 技术原理
阀式低压液动潜孔锤结构如图1所示，液流从上接头进入冲击器内部建立压力，在压力差的作用下阀体与冲锤同时上行，阀体先到上死点，而冲锤紧随其后接触阀体减速到达上死点，堵住泄流口导致上部压力积聚迫使阀体与冲锤下行，到达下死点阀体与冲锤分离，再次建立压差使阀体与冲锤上行，从而实现液动锤的往复冲击。
图1 阀式低压液动潜孔锤结构
Fig.1 Low pressure valve hydraulic hammer structure
1.2 技术发展历程
20世纪60年代后，随着油气钻井沿着更快、更深、更廉价的趋势发展，迫切需要一种新的技术来解决硬岩钻进效率低的技术难题，因而潜孔锤钻进技术得到了的新的发展，并且成为全球硬岩钻进效率最高的技术方法[13-14]。阀式双作用液动锤作为其中的一条主力军得到了良好的发展和应用，由于采用容积式工作原理且没有常规双作用冲击器的节流环结构，因此，该液动锤具有较高的能量利用效率，可达10%以上，并且可以很好地应用于深孔与超深孔钻进[15-16]。随着煤炭开发向着深部探索，地层变得越加复杂，尤其当钻遇较硬岩层时会出现进尺缓慢、钻具磨损严重等诸多问题，所以逐渐将低压阀式液动锤引入煤矿井下硬岩定向钻进中，目前取得了良好的应用效果。
1.3 技术难点
低压阀式液动锤主要应用于煤矿井下硬岩层定向钻进中，通过将液动潜孔锤与螺杆马达结合在一起并配合随钻测量系统来实现。液动潜孔锤定向钻具连接方式如图2所示。综合考虑其技术难点主要有以下3点：
1)液动潜孔锤与螺杆马达的正常工作分别需要特定的流量和泵压，需要对2种装置的钻进参数进行协调来保证两者都能达到良好的工作效果。
2)由于螺杆马达前端连接液动潜孔锤，在一定的造斜弯角下，导致螺杆马达弯点到钻头的距离加长，造斜率不能根据常规螺杆马达的规律进行计算，需要对该钻具组合的造斜规律进行研究。
3)弯曲段的加长也会使整套组合钻具的机械性能受到限制，需要提升整体的强度。同时还需要考虑液动锤的高频振动对随钻测量系统的干扰和影响。
图2 液动潜孔锤定向钻具组合
Fig.2 Hydraulic hammer directional drilling assembly
1.4 应用情况及现场问题
利用ø89 mm可调弯角螺杆马达与YZX89低压阀式液动锤钻具组合在唐家会煤矿进行现场试验，主要目的是对水害威胁较大的区域进行探查，岩层主要是砂岩层，现场共完成了2个定向试验钻孔，钻孔深度分别为546 m和564 m，使用该钻具组合施工进尺分别为411 m和429 m，用时分别为8 230 min和8 570 min，机械钻速约3 m/h，较相同地层常规定向钻进的0.83 m/h，提高了约260%。YZX98液动潜孔锤的钻进参数如下：额定泵压3 MPa；流量195 L/min；钻压4.0～4.5 MPa；平均钻速3 m/h。
在试验后期阶段出现无进尺的情况，起钻发现前端的液动锤脱落，通过ø110 mm母锥将孔内液动锤打捞出来，发现液动锤与螺杆马达的螺纹连接段断裂，如图3所示。经过分析，该液动锤虽然为低压驱动，冲击功较低，但由于井下工作时间较长且外管壁较薄，局部地层又出现软硬互层，钻具组合孔底受力情况复杂，使得液动锤螺纹连接段发生疲劳破坏而断裂，需要进一步提高外管的强度及该套组合钻具的整体强度。
图3 YZX98液动潜孔锤尾部断裂
Fig.3 Tail fracture of YZX98 hydraulic hammer
2 射流式高压液动潜孔锤
2.1 技术原理
图4 射流式液动潜孔锤结构
Fig.4 Jet fluidic hammer structure
高压流体通过上接头进入射流元件，射流元件如图4中A部分所示，由于流体的附壁效应使得高压、高速流体进入其中一条输出流道，进入缸体的前腔或后腔中。如果先进入的是缸体后腔，就会推动衬套内的活塞杆下行，从而携带冲锤下行，冲击一次钻头。此时活塞停止运动而导致后腔压力激增而产生压力反馈信号，这种压力信号通过信号道释放并推动高压流体换向至另外一条输出道，从而高压流体进入缸体前腔，推动活塞杆上行，直到活塞到达上死点而停止运动，高压液流继续换向从而实现冲锤对钻头的高频往复冲击。
2.2 技术发展历程
射流式液动锤是为我国自主创新研发的液动潜孔冲击钻具，具有独立知识产权，并于1982年获得国家科学技术三等奖。射流式液动锤是将射流技术应用到钻井工程上，用于冲击回转钻进系统的第一次尝试[17]。由于采用无运动件的射流元件作为控制件，与国内外常用的各类阀式液动锤相比，结构简单，工作可靠，可以适应各种工作环境，且工作性能不受钻孔深度与钻孔直径的限制，在常规液动锤中最具潜力应用于深孔硬岩钻进[18]。最近几年，射流式液动锤向着高压、高能的方向发展，并且取得了很好的成效。液动高压潜孔锤正逐步引入到煤矿井下坚硬顶底板快速成孔施工中，目前处于试验改良阶段。
2.3 技术难点
射流式高压液动锤具有冲击功大的工作特点，单次冲击功可以达到200 J以上。综合考虑其应用于煤矿井下的技术难点主要有以下3点：
1)由于冲击功较大、流体流速高、压力大，导致冲击器内部核心元件尤其是射流元件，在流体冲蚀和冲击振动的作用下易损坏，井下空间有限，更换相对较困难。
2)其正常工作需要较大的泵压与流量，泵压要达到12 MPa以上，流量要达到220～240 L/min才能最优的发挥其性能，煤矿上配备的泥浆泵一般不符合要求，需要配备大排量、高泵压泥浆泵，工作条件苛刻。
3)由于振动及冲击功均较大，目前不考虑将其与螺杆马达及随钻测量系统组合使用，需要设计减震短节来保证测量探管的正常信号传输及螺杆马达钻具的正常使用。
2.4 应用情况及存在的问题
在河南赵固一矿对SC-86H型高压高能射流式冲击器进行测试。硬岩层主要是8号灰岩层，灰岩层厚度约10 m。矿上采用PDC钻头进行常规回转进，转速控制在160 r/min，钻速为1.0～1.5 m/h，进尺缓慢。更换SC-86H型高压射流式冲击器测得最高钻速可达9.4 m/h，相较之前的施工方法钻速提高了5～6倍，有效加快了钻进效率。SC-86H液动潜孔锤的钻进参数如下：额定泵压14 MPa；转速56 r/min；流量200～220 L/min；钻压3.5 MPa；平均钻速9.0～9.4m/h。
在该试验进行过程中，液动锤工作了一段时间之后发现冲击反馈消失且进尺缓慢，起钻取出液动潜孔锤并检查内部元件，发现活塞杆断裂，如图5所示。经过分析，由于活塞杆体较细，液动锤冲击功、振动频率较大导致活塞杆疲劳破坏，需要改良活塞杆等易损件的结构并选择强度较高、抗冲击的材料进行加工，来提高射流式高压液动锤的整体使用寿命。
图5 液动锤活塞杆中部断裂
Fig.5 Middle broken of hydraulic hammer piston
3 液动扭力冲击器
3.1 技术原理
液动扭力冲击器结构如图6所示，是一种基于PDC钻头剪切机理的高效辅助破岩工具。工作时，内部摆锤在钻井液驱动下，做往复敲击的运动，从而为PDC钻头提供高频的扭转冲击作用。扭冲工具可显著解决PDC钻头所固有的卡滑问题，提高旋转动力系统到 PDC 钻头的能量传递效率，提高机械钻速；缓解钻柱扭转震荡，稳定钻进过程，改善井下仪器及钻头等钻具的工况条件，延长钻具使用寿命，从而提高钻井时效。
图6 钻井液驱动扭力冲击钻具
Fig.6 Hydraulic torque impactor with drilling fluid driving
3.2 技术发展历程
扭力冲击器最早应用于油气钻井领域，主要用于减小或消除钻头黏滑振动现象。国内最早从 2006 年开始了扭力冲击器的研究，随后在国内各种类型的扭力冲击器不断被研制[19]。油气钻井扭力冲击器从动力端结构上可以分为涡轮驱动类型、高压钻井液直接驱动2大类，都取得了较好的使用效果[20]。由于油气领域钻采设备普遍过于庞大，不能直接引用于煤矿领域，为了解决煤矿井下坚硬岩层定向钻进过程中出现钻进效率低的问题，于是借鉴、改良油气钻井扭力冲击器，使其符合煤矿井下硬岩钻进的要求，目前该技术正逐渐深入煤矿领域。
3.3 技术特点
综合考虑，扭力冲击器具有以下4个技术特点。
1)内部结构合理，纯动力机械设计，钻井液流道通畅，内部无电子元件及橡胶件，寿命长，使用简便快捷。
2)工具长度短，直接安装在钻头上方，即使工具失效也不会影响正常钻进。扭力冲击器将部分水力能量转换成高频扭转冲击破岩能量，使机械钻速更高。
3)扭力冲击器集合了机械剪切、水力及扭转冲击3种破岩方式，适合中硬以上及高研磨性地层。
4)消除了PDC钻头的卡滑现象，使钻柱的转矩基本保持稳定，减少了钻柱扭转振荡，保护了钻头和钻具，防止了井下事故，同时使钻具工具面更容易控制。
3.4 应用情况及现场问题
现场采用ø121 mm钻井液驱动扭力冲击器进行顶板大直径定向钻孔扩孔施工试验，目的是为了解决现场硬岩钻进过程中钻杆弯曲过大导致的PDC钻头黏滑、钻进阻力大、钻杆疲劳破坏等问题。主设计层位岩性主要为砂岩层，先导钻孔实钻深度512 m，扭冲钻具的使用孔段为13～94 m，平均机械钻速达到9 m/h，该试验钻孔钻进参数如下：泵压1.5～1.8 MPa；转速30 r/min；泵量400 L/min；钻压5.5 MPa；平均钻速7～11 m/h。
在钻进的过程中，在54～94 m处出现明显卡顿，94 m之后完全失效。提出扭力冲击器进行检查发现内部存在固体颗粒，其主要来源是带有固体颗粒的冲洗介质，带有固体颗粒的冲洗介质回流是导致腔体卡顿的主要原因，需要考虑配备冲洗介质过滤装置，添加防止回流的单向阀钻杆，优化改良扭力冲击器的内部结构。
4 结论和建议
随着煤矿不断向深部探索和满足煤矿安全快速高效生产需求，煤矿井下坚硬岩层快速成孔技术在不断的发展和完善。辅助碎岩设备多应用于油气领域或地面工程领域，煤矿井下坚硬岩层钻进技术仍然处于初级阶段。钻具和钻头寿命受钻进规程参数的影响，所以煤矿井下硬岩钻进过程中，要保证钻进参数的合理匹配，以确保各个参数在最优使用区间。结合硬岩钻进的技术难点，应积极结合辅助碎岩工具出现的问题来改良辅助碎岩装置的结构，提高易损件强度，加大创新和投入，形成一套适合煤矿井下硬岩钻进的工艺方法及配套装备。
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