滕東方

定向鉆進技術的應用與研究

滕東方

對大同煤礦集團公司地質(zhì)處和澳大利亞威力朗沃公司首次使用定向鉆進技術在軒崗焦家寨施工高位瓦斯抽放試驗鉆孔進行了介紹。

定向鉆進技術；DGS導向系統(tǒng)；鉆孔軌跡；鉆孔質(zhì)量；高位瓦斯鉆孔；瓦斯抽放參數(shù)數(shù)據(jù)分析

定向鉆進技術是目前世界上最先進的鉆進方法之一，它具有DGS導向系統(tǒng)，通過孔外計算機監(jiān)測，可以按照預先設計的鉆進軌跡鉆進至指定位置。這對瓦斯抽放、煤層氣開發(fā)、緊急救援、探測排放采空區(qū)積水及地質(zhì)構(gòu)造等，有無可比擬的優(yōu)越性。2005年集團公司決定購置定向鉆進設備，通過對亞美大寧、北京萬德公司、澳大利亞威力朗沃公司的調(diào)研、考察并結(jié)合同煤本部的實際情況，2007年7月購置了澳大利亞威力朗沃公司生產(chǎn)的VLD-1000型分體式定向鉆機。2009年5月澳大利亞威力朗沃公司和同煤地質(zhì)處首次在軒崗焦家寨51109工作面施工高位瓦斯抽放試驗鉆孔，于2009年10月試驗成功。

1 設備特點

1.1 設備規(guī)格

1000 系列鉆機技術參數(shù)：動力單元尺寸及重量，總長3 000 mm，總寬1 300 mm，總高1 330 mm，總重4 200 kg；給進單元尺寸及重量，總長3 000 mm，總寬1 530 mm，總高1 166 mm，總重4 000 kg；控制臺尺寸及重量，總長2 015 mm，總寬1 300 mm，總高1 600 mm，總重1 500 kg；驅(qū)動單元，電機90 kW×1 140 V、1 450 r/min，主泵Q=189 L/min、P=31.5 kPa，液壓驅(qū)動的水泵 Q=91 L/min、P= 25 kPa，輔助泵Q=40 L/min、P=24 kPa；驅(qū)動力，最大拉力160 kN，最大推力160 kN；推進速度，空鉆桿，進0 m/min～20 m/min、退0 m/min～20 m/min，打鉆，進0 m/min～5 m/min、退0 m/min～5 m/min；旋轉(zhuǎn)力矩及速度，高速檔3∶10到1 200 r/min 2 286 Nm、低速檔4∶10到600 r/min 3 048 Nm；前后夾持器，夾持力160 kN，彈簧加載，液壓打開，液壓10 kPa；泵，流量200 L/min、1 270 r/min(出口壓力0 kPa時)，壓力8 273 kPa；支撐，水平支撐力175 kN、壓力10 kPa，垂直支撐力700 kN、壓力10 kPa。

1.2 設備組合及工作原理

1.2.1 設備組合

動力單元、給進單元、控制臺、攪拌機、絞車、液壓管、MECCA鉆桿、DGS、導向系統(tǒng)、孔底馬達、PCD鉆頭。見圖1。

圖1 設備組合

1.2.2 工作原理

該系統(tǒng)使用660 V或1 140 V交流電，液壓傳動。由90 kW電動機驅(qū)動液壓泵組——主泵、液壓驅(qū)動水泵、輔助泵工作，由液壓閥控制動力輸出、鉆進鎖定、水泵、鉆桿夾持、旋轉(zhuǎn)卡盤、微調(diào)給進、緊松鉆桿、旋轉(zhuǎn)制動、向前向后旋轉(zhuǎn)、向前向后快速給進，并通過控制臺儀表壓力的變化觀測鉆進情況。孔底測量的數(shù)據(jù)通過MECCA ROD導入孔外計算機并顯示鉆進軌跡，根據(jù)上下、左右位移偏差調(diào)整鉆進軌跡以使其按設計軌跡到達目標位置。

1.3 DGS導向系統(tǒng)及軟件功能

1.3.1 孔底單元

孔底單元由孔外計算機、信號數(shù)據(jù)線、MECCA鉆桿、無磁鉆桿、孔內(nèi)儀器、孔底馬達、PCD鉆頭組成。它是定向鉆進的關鍵也是其核心。見第28頁圖2。

1.3.2 孔外計算機及軟件功能

圖2 DGS導向系統(tǒng)

孔外計算機及孔底單元構(gòu)成DGS導向系統(tǒng)，孔內(nèi)測量的數(shù)據(jù)傳入計算機，計算機通過紅外傳入ODA盤，然后通過地面計算機DGS軟件轉(zhuǎn)換成excel格式文本。其具有鉆進與顯示同步之功能，可以在平面、剖面圖上觀察鉆孔軌跡并對孔底測量工具進行電池分析、MECCA線形分析、DGS診斷等。它有4種文件格式、時間、電池、信號、數(shù)據(jù) (“.dgs”,“.bty”,“.gam”and“.mla”)，只有轉(zhuǎn)換為CSV格式才能和excel文件兼容并通過設計軟件和CAD軟件兼容。

1.3.3 DGS校驗磁偏角

由于孔底測量儀器在更換電池時存在系統(tǒng)誤差，所以每次更換電池時都需要在野外重新校驗當?shù)卮牌恰Ｊ褂肈ISK圓盤做25個測試點，然后用DGS軟件計算出當?shù)卮牌且赃m應當?shù)刈鴺讼怠?/p>

1.3.4 設計及精度

使用CAD-excel兼容的特殊軟件設計鉆進軌跡，通常根據(jù)地層的硬度、強度、煤巖完整性確定偏移角度，通常偏移角度1.5°/6 m。

儀器精度：傾角±0.1°；方位±0.5°；水平有效傾角精度±60°。

1.3.5 MECCA ROD

MECCA ROD是一種帶電纜導線的空心鉆桿，它具有傳導孔內(nèi)數(shù)據(jù)信號、連接鉆具、調(diào)整彎頭方向、傳送沖洗液的功能，它是定向鉆進的重要部件。

1.4 設備功能

該設備可以用做定向無巖芯鉆進、定向取芯、繩索取巖芯鉆進、伽瑪射線探測煤層走向等，具有傳統(tǒng)鉆機無可比擬的優(yōu)越性。

2 地質(zhì)概況

焦家寨礦地處寧武煤田，屬高瓦斯礦井。51109工作面位于焦家寨礦綜采下山西翼，上界為51107采空區(qū)，下界為實體煤層，上覆2#煤層2219采空區(qū)，下覆6#煤層為實體煤，工作面走向長670 m，傾斜長為130 m。51109工作面所采5#煤層為該礦主要可采煤層之一，位于石炭系太原組下部，工作面煤層厚度約11.0 m～13.9 m，平均12.3 m，受構(gòu)造應力影響，煤體松軟、破碎。51109工作面基本為一單斜構(gòu)造，平均傾角12°，掘進揭露51109進風順槽距切眼157 m處，回風順槽距切眼100 m處分別發(fā)育一條落差2.5 m的斷層。

3 鉆孔設計

3.1 鉆場布置情況

（1）經(jīng)研究分析鉆場布置在5號煤層頂部注氮硐室內(nèi)，利用定向鉆進技術施工高位鉆孔。ZK-1、ZK-2均開孔于該硐室，傾角5°，方位180°和182°。硐室底邊平行巷道，長4.5 m，寬5.0 m，高3.5 m。

（2）鉆機設備擺放位置依次為動力單元、給進部分、操作臺、鉆桿箱、工具箱、電纜膠管。

（3）頂板采用錨桿、錨索維護，用地錨、單體液壓支柱固定鉆機。鉆機按設計位置擺放，要求周正、水平。

3.2 軌跡設計

3.2.1 設計要求

（1）沿停采線至工作面推進方向，平行回風巷道巷幫。

（2）ZK-1、ZK-2號鉆孔主孔軌跡距巷道巷幫分別為7 m、12 m。

（3）垂直方向沿5號煤層頂15 m軌跡鉆進（見圖3鉆孔設計）。

圖3 ZK-1、ZK-2鉆孔軌跡平面

（4）鉆孔軌跡弧度每6 m方位、傾角改變1°。

（5）51109工作面上隅角存在大量瓦斯氣體（最高達到2.0），給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴重隱患，經(jīng)研究決定采用高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯，具體方案：

①鉆場布置在5號煤層頂部注氮硐室內(nèi)，利用定向鉆進技術施工2個Φ96 mm鉆孔。ZK－1、ZK－2孔均開孔于該硐室，傾角5°，方位180°和182°。ZK－1鉆孔進入煤層頂板，終孔于4#煤層底板中砂巖k1-1下部。

②主孔軌跡水平投影距回風順槽7 m處，在距切眼240 m處主孔終孔（隨著工作面的推進情況確定終孔位置）；ZK-2鉆孔進入煤層頂，終孔于4#煤層底板中砂巖k1-1下部；主孔軌跡水平距回風順槽12 m處終孔（深度同ZK-1），分支ZK2-1終孔距回風順槽12 m 5號煤層頂部（見第28頁圖3鉆孔設計）。

3.2.2 鉆進技術參數(shù)

根據(jù)巖石強度、硬度、煤巖完整性及ZK-1、ZK-2兩孔的情況確定給進壓力、流量（見表1）。

表1 巖層鉆進技術參數(shù)

4 鉆孔施工情況

ZK-2瓦斯抽放鉆孔于2009年9月11日開孔，10月1日主孔完工，進尺651 m（GDS記錄648 m）；10月2日開始施工分支孔，10月4日分支孔結(jié)束，進尺96 m。ZK-2瓦斯抽放鉆孔進尺共計747 m。

ZK-1瓦斯抽放鉆孔于2009年10月17日開孔，11月9日主孔完工，進尺585 m。

5 鉆孔質(zhì)量

5.1 設計要求

（1）沿停采線至工作面推進方向，平行回風巷道巷幫。

（2） ZK-1、ZK-2號鉆孔距巷道巷幫分別為7 m、12 m。

（3）垂直方向沿5號煤層頂15 m軌跡鉆進。5.2實際軌跡

5.2.1 水平位移

由于鉆孔實際開孔硐室位置受限，故開孔實際坐標有所改變；ZK-1、ZK-2號水平位置分別為8.02 m、14.05 m；ZK-1號孔最大水平偏移0.5 m、最小偏移0.1 m，ZK-2號孔停采線位置最大水平偏移2.50 m、最小偏移0.50 m，2號分支孔偏移量為1.00 m。見第28頁圖3。

5.2.2 垂直位移

從起點至終點需要避開8條巷道，同時要避開坍塌煤層，故在實際鉆進過程中根據(jù)實際情況對傾角進行了部分調(diào)整。ZK-1號孔最大偏移量4.50 m，最小偏移0.30 m；ZK-2號孔最大偏移量1.00 m，最小偏移0.30 m，分支孔最大偏移量0.50 m。

6 工作面瓦斯抽放

ZK-2鉆孔施工完畢后，通風區(qū)立即安裝ZWY40/75型抽放泵 (抽放泵極限真空度81 kPa，最大抽氣量40 m3/min)和直徑152.4 mm鋼管 (正壓管260 m，負壓管36 m)并進行了抽放。

6.1 抽放情況

（1）10月12日抽放系統(tǒng)安裝完畢，10月12日中班進行抽放試運轉(zhuǎn)。

（2）10月13日早班正式開始抽放ZK-2鉆孔。

（3）12月2日早班，將ZK-1鉆孔與抽放系統(tǒng)連接，抽放ZK-1和ZK-2鉆孔。

6.2 系統(tǒng)抽放技術參數(shù)

抽放瓦斯技術參數(shù)見表2。

表2 抽放瓦斯技術參數(shù)

表2 （續(xù)） 抽放瓦斯技術參數(shù)

6.3 瓦斯抽放率

（1）從10月13日至12月1日51109工作面為3套抽放系統(tǒng)同時抽放（上隅角抽放、回風斜交高位鉆孔抽放、ZK-2鉆孔抽放），ZK-2鉆孔抽放率為15%～33%，平均值約為22%。

（2） 從12月2日起，51109工作面停止其余2套抽放系統(tǒng)，僅使用ZK-1、ZK-2鉆孔抽放系統(tǒng)，瓦斯抽放率為48%～58%，平均值約為53%，目前工作面上隅角瓦斯為0.2%～0.4%，達到預期目的。

（3）通過抽放統(tǒng)計得出，隨著工作面的推進，地應力增大導致裂隙增多，瓦斯抽放率增大。

6.4 瓦斯抽放參數(shù)數(shù)據(jù)分析

（1） 僅抽放 ZK-2時，抽放壓差為 100 Pa～800 Pa，平均約為450 Pa，并且抽放流量不太穩(wěn)定；抽放濃度8%～23%之間。

（2）同時抽放ZK-1、ZK-2鉆孔，抽放壓差為600 Pa～1 300 Pa，流量呈逐漸減小趨勢，并穩(wěn)定在600 Pa～800 Pa之間；抽放濃度為15%～18%之間，呈逐漸減小趨勢。見圖4。

6.5 ZK-1、ZK-2鉆孔抽放中存在的問題

6.5.1 鉆孔內(nèi)水、渣子的處理

圖4 瓦斯參數(shù)曲線

在ZK-2鉆孔抽放初期，由于鉆孔內(nèi)水、渣子的影響，造成壓差計顯示極為不穩(wěn)定，且出口濃度也受到影響。安裝自制的濾渣器后，從濾渣器內(nèi)可掏出大量的渣子，解決了渣子堵塞鉆孔的問題。今后必須研究如何避免鉆孔內(nèi)產(chǎn)生渣子的問題。

6.5.2 鉆孔布置方式與瓦斯?jié)舛鹊年P系

鉆孔如何布置以確保抽出高濃度的瓦斯是今后需要進一步研究的課題。

7 鉆進過程中存在的問題

7.1 自然因素

（1）在施工ZK-1、ZK-2孔期間，出現(xiàn)2次給進部分尾部漏油問題，檢查發(fā)現(xiàn)2次漏油問題都是油封損壞造成的，后更換新的油封解決了問題。

（2）出現(xiàn)一次鉆機動力單元頂電問題。經(jīng)排查頂電問題是鉆機動力單元開關電源插頭焊錫燒化接地造成的，后經(jīng)北京安創(chuàng)公司維修人員來礦更換新的電源插頭解決了問題。

（3）同時發(fā)現(xiàn)給進部分前后夾持器部分卡爪彈簧有松動現(xiàn)象，需要更換新的彈簧卡環(huán)。

（4）焦家寨地質(zhì)構(gòu)造特殊，屬于三軟地帶，在煤層中鉆進坍塌嚴重，無法正常鉆進。只有采用高位鉆孔從煤層頂板上先打一個巖石主鉆孔后，再根據(jù)實際情況開分支孔才能完成工程，達到抽放瓦斯的目的。焦家寨地質(zhì)情況復雜、斷層發(fā)育、地層起伏變化頻繁；煤、巖松散，局部巖石硬度大，所以鉆進風險較大。由于鉆孔控制密度低，礦方提供的剖面圖只是一個預想剖面圖，無法做出準確的鉆進軌跡剖面圖，所以在鉆進過程中會遇到鉆孔坍塌的問題。在ZK-1、ZK-2號鉆孔的施工過程中不同程度遇到4號煤層的坍塌（ZK-2號546 m處，ZK-1號300 m～318 m處），嚴重影響正常鉆進。因威力朗公司及同煤地質(zhì)處現(xiàn)有技術力量對于軒崗這樣的三軟地層沒有有效的護壁技術工藝，能做到的只是利用化學漿液最大程度地從坍塌的煤層中取出鉆具，故后續(xù)工程我們準備采用預留臺階的方法避開鉆孔坍塌以減少無效進尺，即每50 m做一個預留臺階。

7.2 人為因素

由于工作面在推進過程中，主孔、分支孔的位置隨時在改變，所以不能完全按照設計要求施工；另礦方出現(xiàn)停電、停水、占用鉆場等現(xiàn)象，給正常鉆進帶來嚴重困難。

8 建立風險評估體系

該設備昂貴，為避免施工過程中造成更大損失，施工前我們應該對水平鉆建立一套完整的風險評估體系，開工前要進行風險評估，以避免給生產(chǎn)帶來不利影響。我們前期沒有做這個工作，這是我們的失誤，后續(xù)工程應引以為戒。

9 鉆孔驗收情況及應用前景

經(jīng)澳大利亞威力朗沃公司、軒崗煤電公司、同煤集團地質(zhì)處專家及相關部門現(xiàn)場驗收，認定鉆孔達到設計要求。目前全世界很多先進的國家都在使用定向鉆進技術，如美國、英國、德國、澳大利亞、日本等；在中國的亞美大寧、白岌溝等地用于煤層氣開發(fā)、瓦斯抽放、瓦斯綜合利用等都取得了良好的經(jīng)濟效益。其應用前景廣闊，相信定向鉆進技術必將在同煤集團的發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。

Application and Research of Directional Drilling Technology

Teng Dongfang

This article introduced the first time application of high gas drilling technology in the Geology Department of Datong Coal Mine Group and Lawo Company in Australia.

directional drilling technology;DGS-oriented system;drilling trajectory;drilling quality;high gas drilling;gas drainage data analysis parameters

2010-05-11

P634

A

1000-4866（2010）03-0027-05

滕東方，男，44歲，現(xiàn)在大同煤礦集團公司地質(zhì)處工作，工程師。

修回日期：2010-06-23