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钻孔是进行瓦斯抽采、水害防治和地质异常体探查的重要技术手段[1]。依据轨迹特点，钻孔一般可分为套管孔段、过渡孔段与目标地层孔段3部分。其中套管孔段位于钻孔孔口端，需要下入套管进行封孔，是确保钻孔轨迹大位移调整、高压含水体和气体控制、破碎地层防护的基础，套管应按设计规格和尺寸下放到位。
不同目的的钻孔，套管结构各不相同，其中用于瓦斯抽采的钻孔，套管一般设计为一级，封固孔口不稳定地层即可[2-3]；用于探放水和地质构造的钻孔，套管一般设计为一级，长度应能承受可能的涌水和瓦斯压力[4]；用于高压水害防治和注浆的钻孔，套管应至少设计两级，并确保套管承压能力满足出水控制和注浆需要[5]。套管孔段空间上以近水平、小角度上仰和小角度下斜为主。套管的规格应结合工程目的和水文地质条件确定，煤矿井下常用ø178 mm、ø146 mm和ø127 mm三种规格；套管下放深度一般为9～30 m，特殊情况下可达到100 m以上[6]。
大直径套管通过能力、套管孔段轨迹偏斜控制和近水平大直径钻孔排渣效果是影响套管下放的关键因素。其中套管通过能力分析方面，以往主要研究孔壁摩擦阻力等对套管下放的影响，较少考虑套管柱的变形影响，且未见煤矿井下常见套管通过能力的研究。同时，目前煤矿区钻探技术与装备主要侧重于过渡孔段和目标地层孔段钻进工艺研究[7-9]，套管孔段仍主要采用常规回转钻进工艺施工[10]，存在钻孔轨迹易偏斜、近水平排渣困难、钻进效率低、事故频发等问题，严重影响了大直径套管下放成功率和套管孔段施工效率[11-14]。笔者针对大直径套管下放需要，在分析大直径套管通过能力基础上，利用大直径螺旋钻杆和内凹钻头组成的保直钻具，实现了大直径保直钻进和高效排渣，确保了套管孔段安全施工和套管顺利下放。
大直径套管下放时，必须考虑其对弯曲孔段的通过能力，当钻孔轨迹弯曲曲率大于套管通过能力时，将导致套管弯曲应力大、下放困难、产生变形破坏等问题，分别基于刚性模型和弹性模型对套管柱的可通过性进行分析研究。
假设套管为刚性，在钻孔中不发生变形。如图1所示，可得出套管长度和可通过的钻孔曲率半径、曲率的关系如下：
(1)
(2)
(3)
式中：D为钻孔直径，m；d为套管外径，m；L为套管长度，m；R为钻孔弯曲曲率半径，m；i为钻孔弯曲曲率，(°)/m。
图1 套管通过弯曲钻孔的刚性模型
Fig.1 Rigid model of casing in bending borehole
由式(1)可知，套管下放对钻孔弯曲曲率的要求与钻孔直径、套管直径和套管长度等密切相关，钻孔直径越大、套管直径越小、套管长度越短，钻孔允许弯曲曲率越大[15]。图2给出了煤矿井下常见套管对钻孔弯曲曲率的要求，由图2可知，当套管长度达到30 m以上时，钻孔允许曲率均小于0.01°/m，对钻孔的保直性要求非常高，很难实现。
图2 不同规格套管对钻孔弯曲曲率的要求
Fig.2 Bending curvature requirement of drilling for different specification casings
考虑套管实际下放过程中会存在一定的弯曲变形，建立了弹性模型[16]，如图3所示，则套管长度和曲率半径的相互关系为
图3 套管通过弯曲钻孔的弹性模型
Fig.3 Elastic model of casing in bending borehole
(4)
(5)
式中，Y为套管变形量，m。
套管在弯曲钻孔中的受力与变形如图4所示。图中θ为钻孔倾角，q为载荷集度，N为套管与孔壁之间的接触力，P为两端轴力，M为套管两端所受之力矩。
图4 套管通过弯曲钻孔的弹性变形与受力
Fig.4 Elastic deformation and stress of casing in bending borehole
由套管因钻孔弯曲而变形的条件，可得：
(6)
由于qcos θ产生的变形量与M产生的变形量相比是相对微量，因此主要考虑M对套管产生的变形量，计算公式如下：
(7)
将式(7)代入式(5)，可得：
(8)
当已知套管相关参数时，可根据式(8)计算出钻孔最大允许弯曲曲率半径和弯曲曲率。
以上计算公式只考虑套管在弯曲钻孔内的几何变形条件，未考虑套管的弯曲变形能力。根据材料力学可知，若套管弯曲曲率为ic，则套管体上的最大应力为
(9)
式中：E为套管材料弹性模量，Pa；ic为套管弯曲曲率，(°)/m。
在连接螺纹处存在应力集中，因此式(9)应乘以应力集中系数K，则套管上的最大应力为
(10)
若套管材料的屈服极限为es，则套管的工作安全系数为
n=es/emax
(11)
若套管的设计安全系数为ns，则套管的抗弯强度条件为
n≥ns
(12)
根据以上公式可得套管最大允许弯曲曲率为
(13)
取K=3，ns=2，E=206 000 MPa，es=390 MPa，则ø178、ø146、ø127 mm套管最大允许弯曲曲率分别为0.203、0.248、0.285 (°)/m。
套管孔段轨迹偏斜和孔内沉渣是导致套管下放成功率偏低的重要原因。
根据套管通过能力分析结果可知，大直径套管下放时对钻孔弯曲曲率的要求极为严苛。尤其是采用多级套管结构时，套管与孔壁之间的间隙小，套管孔段轨迹偏斜应控制在套管变形能力范围内。
但近水平大直径套管孔段钻进时轨迹易发生偏斜，其主要原因为：①近水平钻孔，钻具重力与钻进方向不一致，受钻具重力影响产生的倾倒力矩和造斜力是钻孔弯曲的力学条件；②井下常规钻杆外径一般小于89 mm，而套管孔段直径一般大于ø130 mm，钻杆与孔壁之间的间隙大，成为钻具倾斜的空间条件；③钻具受压可产生弯曲变形，其弯曲变形能力是钻孔轨迹偏斜大小的重要影响因素。
煤矿井下钻进时，主要采用高压清水作为冲洗液，以携带、排出岩屑。由于钻孔近水平，岩屑悬浮方向与钻杆运行方向不一致，冲洗液对岩屑的携带力与钻孔水平，无向上运动的流速分量或者分量很小，无法克服岩屑的重力沉降，导致岩屑易下沉，产生上疏下密的分布，在钻杆底部易形成岩屑床。尤其是大直径钻孔，钻杆与孔壁间的环状间隙较大。而钻探用泥浆泵额定压力低、额定流量小，导致环状间隙内冲洗液流动速度慢，携渣能力差，加剧了钻孔沉渣现象。
考虑套管孔段保直钻进和高效排渣需要，提出采用大直径螺旋钻杆与内凹式PDC钻头结合进行施工的技术方案。如图5所示，大直径螺旋钻杆长度为1 m，在芯管外焊接有螺旋钢带，螺旋钢带高度可根据套管规格和钻孔直径设计，钻杆之间采用六方插接式连接；内凹式PDC钻头采用中间内凹的特殊结构，外台阶和内凹处均布置有PDC切削齿，可产生阶梯破碎，并实现保直钻进。
图5 大直径螺旋钻杆和内凹式PDC钻头
Fig.5 Large diameter spiral pipe and concave PDC bit
下入套管规格不同，采用的钻具级配也不同。不同规格套管孔段钻进时，宜选用的钻具组合如下：
1)ø178 mm套管孔段钻进钻具组合：先采用ø153 mm四翼内凹PDC钻头+ø130 mm插接式螺旋钻杆钻具组合钻进；然后扩孔至ø193 mm。
2)ø146 mm套管孔段钻进钻具组合：钻孔成孔直径至少应达到ø153 mm，采用ø153 mm四翼内凹PDC钻头+ø130 mm插接式螺旋钻杆钻具组合钻进。
3)ø127 mm套管孔段钻进钻具组合：钻孔成孔直径至少应达到ø133 mm，采用ø133 mm四翼内凹PDC钻头+ø120 mm插接式螺旋钻杆钻具组合钻进。
采用大直径螺旋钻杆钻进，既可减少钻杆与孔壁之间的间隙，又可提高钻具刚度，从而降低钻孔弯曲曲率。根据里马洛夫推导公式可知，在一定条件下，钻孔弯曲曲率与孔壁间隙成正比，与粗径钻具长度的平方成反比，即
(14)
图6给出了开发的2种钻具组合理论钻孔弯曲曲率，可以满足不同规格大直径套管下放要求。
图6 不同钻具组合的理论钻孔弯曲曲率
Fig.6 Theory bending curvature of drilling by different assembly
由于孔壁扩径、钻进旋转离心力等原因，钻头旋转中心与钻孔中心不重合，导致钻头旋转偏摆，是造成钻孔轨迹偏斜的主要原因之一[17]。偏摆使钻头处于受力不均状态，与孔壁接触的一侧受横向力较大，而另一侧不受横向力作用，尤其是近水平钻孔，在钻具重力作用下，将加大钻孔轨迹偏斜。
采用内凹式PDC钻头钻进时，其内凹部分会环抱住一段岩柱而对钻具有一定导向作用，降低钻头偏摆和横向振动，有利于保直钻进；同时，内凹结构可对岩石进行两级切削，增大了切削自由面，而且由于水口较大，钻进排渣效果好，避免了重复破碎，提高了钻进效率。
采用大直径螺旋钻杆钻进时，产生的岩屑在冲洗液向外携带的同时，和螺旋叶片一起旋转，由螺旋叶片以推移方式向孔口输送至排出钻孔[18]。
岩屑的受力情况如图7所示，旋转螺旋面O点处作用在岩屑上的力为P，由于岩屑与叶片的摩擦关系，P力方向与螺旋面的法线方向偏离β 角。β角的大小由岩屑对螺旋面的摩擦角及螺旋面的表面粗糙程度决定，对于钢制螺旋面，β 等于岩屑对螺旋面的摩擦角。P力可分解为法向分力P1 和径向分力P2 。
图7 岩屑受力分析
Fig.7 Force analysis of cutting
岩屑在P力作用下，在螺旋叶片上进行复合运动，其运动速度为V，方向与法线偏转摩擦角为β，如图8所示。对V进行分解，可得到岩屑的轴向速度V1和圆周速度V2。V1就是岩屑的输出速度，而V2的方向垂直钻杆，使岩屑产生上下翻滚运动，对岩屑的输送有阻止和干扰。
图8 螺旋排渣岩屑运动速度分析
Fig.8 Velocity analysis of cutting by spiral discharge
根据岩屑运动速度图可得：
(15)
则岩屑的轴向速度和圆周速度为
(16)
式中：S为螺旋叶片的螺距，m；n为螺旋钻杆的转速，r/min；ψ为O点的螺旋升角，(°)；μ为岩屑与螺旋叶片间的摩擦因数，μ=tan β；β为岩屑煤对螺旋面的摩擦角，(°)。
从式(16)可知，螺旋钻杆回转搅动既加快了岩屑向孔外的清除速度，又增加了岩屑的周向活动，避免了沉渣形成岩屑床。岩屑的轴向速度受螺旋钻杆的螺距、转速及螺旋升角制约，决定着单位转速螺旋钻杆排渣的快慢。在煤层钻进时，岩屑多，可采用高转速；在岩层钻进时，岩屑少，转速适中即可满足钻进排渣需要。
现场试验在焦作赵固一矿11151工作面进行，工作面开采煤层为二1煤层，平均厚度为6 m左右，平均倾角为3.1°，煤层赋存稳定，结构较简单。
工作面水文地质条件较复杂。L8灰岩厚7.8～9.0 m，隔水层厚度为24～27 m，水压为4.8～5.4 MPa，突水系数为0.225 MPa/m，存在突水危险。
试验钻场位于11151工作面上巷掘进工作面。试验钻孔为底板注浆加固定向钻孔，设计钻孔5个，开孔倾角为-20°。为确保后期高压出水控制与钻进安全，试验钻孔设计了三级套管，其中第一级套管设计为至孔口以下垂距10 m，直径为ø178 mm，长度为29 m；第二级套管设计为从孔口至L9灰岩底面以下垂距3 m，直径为ø146 mm，长度为48 m左右；第三级套管设计为从孔口至进入L8灰岩1 m，直径为ø127 mm，长度为60 m左右。
现场试验共完成5个试验钻孔，其中1号钻孔和5号钻孔套管孔段采用常规钻具施工，1号钻孔用时110班次，5号钻孔用时63班次，因钻孔轨迹偏斜超出套管通过能力和孔内沉渣堵塞，导致了4次套管下放失败，3个规格套管未完全下放至设计位置，并产生了3起套管折断事故，下放成功率仅为33.3%，严重影响了钻孔整体施工效率。
2号、3号和4号钻孔套管孔段采用大直径螺旋钻杆与内凹式PDC钻头施工，其中2号钻孔用时34班次，4号钻孔用时27班次，3号钻孔用时21个班次，套管孔段轨迹参数见表1，施工时间明显缩短，并有效解决了近水平排渣和大直径钻进易偏斜问题，钻孔平均偏斜仅为0.042°/m，套管下放成功率达到100%。
表1 试验钻孔套管孔段施工参数
Table 1 Construction parameters of test casing borehole section
孔号2号3号4号开孔倾角/(°)-20.00-20.00-20.00开孔方位角/(°)139.30159.30174.30套管深度/m57.0060.0066.00终点倾角/(°)-17.60-19.00-17.00终点方位角/(°)138.19161.00175.30套管孔段偏斜/((°)·m-1)0.0460.0330.048
1)建立了大直径套管的刚性模型和弹性模型，对煤矿井下常见大直径套管的通过能力进行了分析，当套管长度达到30 m以上后，刚性模型要求套管孔段钻孔弯曲曲率小于0.01°/m，弹性模型要求钻孔弯曲曲率在0.2°/m左右，因此套管孔段应进行保直钻进，严格控制钻孔轨迹偏斜。
2)针对近水平大直径套管下放需要，研制了大直径螺旋钻杆与内凹式PDC钻头组成的保直钻具组合，分析了其保直钻进和高效排渣机理，提出了不同规格套管的套管孔段钻进方案。
3)在焦作赵固一矿进行了现场试验，验证了保直钻具的施工效果，与常规钻进技术相比，既缩短了套管孔段施工时间，降低了钻孔轨迹偏斜，又提高了钻屑清除效果，大直径套管下放顺利。
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