許超

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱“定向鉆進(jìn)技術(shù)”)及裝備得到飛速發(fā)展，且已廣泛應(yīng)用于煤礦井下本煤層瓦斯抽采，并取得了顯著成效。隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備不斷改進(jìn)和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，目前，該項(xiàng)技術(shù)已逐漸應(yīng)用于煤層頂板高位鉆孔、頂?shù)装迨釥钔咚钩椴摄@孔、地質(zhì)勘探鉆孔、長(zhǎng)距離探放水鉆孔以及煤層頂?shù)装遄{加固鉆孔等其他煤礦井下鉆孔工程，鉆進(jìn)地層由原來(lái)純粹的煤層拓展到煤、巖層。在這種情況下，現(xiàn)有煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)逐漸暴露出一些問(wèn)題和不足，諸如:①巖層鉆進(jìn)效率偏低;②大傾角下斜鉆孔排粉不暢以及局部孔壁坍塌，易發(fā)生埋鉆、卡鉆等鉆孔事故;③鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力高，不利于實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn)。

復(fù)合鉆進(jìn)工藝最早應(yīng)用于石油鉆井工程，具有鉆進(jìn)效率高、井(孔)壁光滑、鉆壓低等優(yōu)勢(shì)［1-2］。將煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合有利于實(shí)現(xiàn)安全、高效和深孔鉆進(jìn)。

1 煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)

1.1 煤礦井下定向鉆進(jìn)系統(tǒng)及鉆進(jìn)工藝

煤礦井下定向鉆進(jìn)系統(tǒng)由定向鉆機(jī)、泥漿泵、通訊鉆桿、測(cè)量探管、單彎螺桿鉆具、定向鉆頭、孔口監(jiān)視器、通纜送水器等組成［3］，鉆進(jìn)系統(tǒng)連接如圖1所示。

圖1 煤礦井下定向鉆進(jìn)系統(tǒng)連接示意Fig.1 Directional drilling system connection diagram in underground coalm ine

煤礦井下定向鉆進(jìn)工藝最顯著的特點(diǎn)就是鉆孔軌跡的人為可控，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可根據(jù)孔口監(jiān)視器顯示的鉆孔軌跡狀態(tài)信息，通過(guò)調(diào)整螺桿鉆具彎頭朝向和繼續(xù)鉆進(jìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡定向控制［4］。煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)方式劃分為孔底電機(jī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)和復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)。

1.2 孔底電機(jī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)

鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)需要將工具面向角調(diào)整后，通過(guò)泥漿泵向孔底泵入高壓沖洗液驅(qū)動(dòng)孔底電機(jī)轉(zhuǎn)子和鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆機(jī)只向鉆具施加軸向力(鉆壓)，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭碎巖的鉆進(jìn)技術(shù)就是孔底電機(jī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)。該定向鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)有:①鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖動(dòng)力僅由泥漿泵提供;②鉆進(jìn)過(guò)程中只由鉆頭和孔底電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆具其他部分只產(chǎn)生軸向滑動(dòng)?？椎纂姍C(jī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 孔底電機(jī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝原理Fig.2 The sliding directional drilling technology princip le diagram

由上述可知，孔底電機(jī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)中，孔底電機(jī)工具面可保持一個(gè)穩(wěn)定的方向，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡連續(xù)人工控制［5］。

1.3 復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)

鉆進(jìn)過(guò)程中，泥漿泵向孔底泵送高壓水驅(qū)動(dòng)孔底電機(jī)帶動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)并向鉆具施加鉆壓，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合碎巖的鉆進(jìn)方法為復(fù)合鉆進(jìn)［6］。復(fù)合鉆進(jìn)工藝技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 復(fù)合鉆進(jìn)工藝原理Fig.3 The compound drilling technology principle diagram

復(fù)合鉆進(jìn)中，螺桿鉆具的工具面向角隨著其定子不斷旋轉(zhuǎn)在不斷變化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的連續(xù)人工控制。

然而，復(fù)合鉆進(jìn)中鉆孔軌跡的變化是有一定的規(guī)律的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得知，采用1.25°單彎螺桿電機(jī)進(jìn)行近水平復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔軌跡傾角呈下降趨勢(shì)，方位角呈上升趨勢(shì)，但是鉆孔軌跡彎曲曲率明顯小于滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，鉆孔軌跡平滑。

鉆進(jìn)過(guò)程中，可采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝與復(fù)合鉆進(jìn)工藝結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的人工控制的同時(shí)體現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本研究將這種組合式的鉆進(jìn)工藝稱為復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝。復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝在煤礦井下近水平定向鉆孔施工中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。復(fù)合定向鉆進(jìn)應(yīng)用實(shí)例如圖4所示，圖中實(shí)曲線代表滑動(dòng)定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡，虛曲線代表復(fù)合鉆進(jìn)鉆孔軌跡。

圖4 復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝應(yīng)用實(shí)例Fig.4 Com pound directional drilling technology app lications

2 復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

2.1 提高鉆進(jìn)效率

在復(fù)合鉆進(jìn)工藝條件下，孔底電機(jī)定、轉(zhuǎn)子分別以不同的速度同時(shí)、同向運(yùn)動(dòng)，鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)速明顯提高，本研究假設(shè)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，定子轉(zhuǎn)速為鉆機(jī)轉(zhuǎn)速(忽略鉆機(jī)轉(zhuǎn)速傳遞過(guò)程中的損失)，可得出鉆頭絕對(duì)轉(zhuǎn)速為［7］

式中，n為鉆頭絕對(duì)轉(zhuǎn)速，r/min;n1為螺桿鉆具轉(zhuǎn)子在液力驅(qū)動(dòng)下的轉(zhuǎn)速，r/min;n2為螺桿鉆具定子轉(zhuǎn)速(鉆機(jī)轉(zhuǎn)速)，r/min。

因此，復(fù)合鉆進(jìn)的鉆頭絕對(duì)轉(zhuǎn)速較滑動(dòng)定向鉆進(jìn)有明顯提高，機(jī)械鉆速也隨之顯著提高。

實(shí)踐證明，復(fù)合定向鉆進(jìn)較滑動(dòng)定向鉆進(jìn)可有效提高綜合鉆進(jìn)效率，尤其在煤層頂、底板巖層中鉆進(jìn)，復(fù)合鉆進(jìn)較滑動(dòng)定向鉆進(jìn)可提高機(jī)械鉆速2～3倍。

2.2 預(yù)防孔內(nèi)事故

滑動(dòng)定向鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆具只產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，鉆具在鉆孔中在某一時(shí)間段內(nèi)基本保持固定位置，不利于鉆具安全。

而復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具在軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鉆桿在軸向力(鉆壓)、鉆機(jī)扭矩、離心力的共同作用下在孔內(nèi)不斷地進(jìn)行著復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)。鉆具的這種運(yùn)動(dòng)對(duì)于鉆進(jìn)安全具有重要意義:①鉆具不斷地?cái)噭?dòng)鉆孔孔壁下緣堆積的鉆屑，使其便于被沖洗液攜出鉆孔，以預(yù)防埋鉆事故發(fā)生;②鉆具在運(yùn)動(dòng)中可碾碎孔壁掉塊，避免大塊碎屑堆積，預(yù)防卡鉆事故發(fā)生;③鉆具不斷地與孔壁碰撞、摩擦，使孔壁變得完整、光滑，有利于降低孔壁摩阻和預(yù)防卡鉆事故［8］。

2.3 實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn)

滑動(dòng)定向鉆進(jìn)采用螺桿鉆具工具面在某一定向孔段穩(wěn)定的朝向，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡連續(xù)控制;而復(fù)合定向鉆進(jìn)中的復(fù)合鉆進(jìn)孔段遵循鉆孔軌跡自然變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡控制。實(shí)踐證明，復(fù)合鉆進(jìn)鉆孔軌跡平均彎曲強(qiáng)度(曲率)明顯小于滑動(dòng)定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡，2種鉆進(jìn)工藝鉆孔軌跡彎曲強(qiáng)度對(duì)比如圖5所示。

由圖5可知，復(fù)合鉆進(jìn)較滑動(dòng)定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡更加平滑，因此，復(fù)合鉆進(jìn)中鉆具摩阻要小于滑動(dòng)定向鉆進(jìn)。

滑動(dòng)定向鉆進(jìn)鉆孔孔壁粗糙、孔壁沉渣多、鉆孔曲率大。鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆進(jìn)系統(tǒng)正常給進(jìn)、起拔、回轉(zhuǎn)、泥漿泵壓等系統(tǒng)壓力隨鉆孔深度的不斷加深迅速上升，當(dāng)系統(tǒng)壓力過(guò)早達(dá)到設(shè)備極限時(shí)，便無(wú)法繼續(xù)向前鉆進(jìn)，因此滑動(dòng)定向鉆進(jìn)不利于深孔鉆進(jìn)。

圖5 相同地層條件下2種鉆進(jìn)工藝鉆孔軌跡連續(xù)測(cè)點(diǎn)彎曲強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Contrast of drilling trajectory bending strength of two kinds of d rilling technology in the same stratum

復(fù)合鉆進(jìn)鉆孔孔壁光滑、孔壁沉渣少、鉆孔曲率小，鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力相對(duì)較低;同時(shí)鉆具在回轉(zhuǎn)狀態(tài)下，鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力較靜止?fàn)顟B(tài)明顯降低。實(shí)踐證明，相同鉆進(jìn)條件下，復(fù)合鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力要明顯低于滑動(dòng)定向鉆進(jìn)。因此，復(fù)合鉆進(jìn)有利于實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn)。

3 復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

3.1 保德煤礦本煤層長(zhǎng)鉆孔施工

2011年5月，中煤科工集團(tuán)西安研究院與神華神東保德煤礦合作，在該礦81306回撤通道2號(hào)鉆場(chǎng)8#煤層中施工定向長(zhǎng)鉆孔。該地區(qū)煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)完整，呈致密塊狀，適于定向鉆孔施工。

此次試驗(yàn)于5月12日開鉆，耗時(shí)僅6 d便完成了主孔800 m孔段的施工，鉆進(jìn)總進(jìn)尺達(dá)到966 m。由于鉆孔施工完全采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)系統(tǒng)給進(jìn)、回轉(zhuǎn)壓力急劇上升，當(dāng)孔深達(dá)到800 m左右時(shí)，鉆進(jìn)系統(tǒng)給進(jìn)壓力達(dá)到13 MPa以上，回轉(zhuǎn)壓力達(dá)到11 MPa以上，并且鉆進(jìn)緩慢，機(jī)械鉆速僅不到1.5 m/h。考慮到鉆機(jī)穩(wěn)定以及鉆具安全等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采用了提鉆開分支、回轉(zhuǎn)沖孔、提鉆順孔等技術(shù)措置，但是均未能有效解決問(wèn)題。

在這種情況下，重新提鉆至150 m處開分支孔，施工方案是根據(jù)已探測(cè)的煤層走向趨勢(shì)，現(xiàn)將鉆孔傾角緩緩上調(diào)，再采用復(fù)合鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆孔施工，當(dāng)傾角下降到預(yù)計(jì)極限值前，再次上調(diào)傾角，然后再進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，如此反復(fù)交替鉆進(jìn)。這種鉆進(jìn)工藝方法的實(shí)施有效解決了鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力上升過(guò)快的問(wèn)題，當(dāng)鉆進(jìn)孔深達(dá)到800 m時(shí)，鉆進(jìn)系統(tǒng)滑動(dòng)給進(jìn)壓力約為8 MPa，復(fù)合鉆進(jìn)給進(jìn)壓力僅約為5 MPa，回轉(zhuǎn)壓力約為7 MPa，較純滑動(dòng)定向鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力有明顯降低。并且復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速較滑動(dòng)定向鉆進(jìn)速度有明顯提高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在孔深達(dá)到800 m左右時(shí)，復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速達(dá)到5～6 m/h，較滑動(dòng)定向鉆進(jìn)提高2～3倍。

6月3日試驗(yàn)結(jié)束，最終鉆孔主孔最大深度達(dá)到1 111.6 m，開分支孔7個(gè)，探頂5次，鉆進(jìn)總進(jìn)尺2 412.6 m，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)同類鉆孔的最長(zhǎng)記錄。鉆孔軌跡剖面如圖6所示。

圖6 保德煤礦定向長(zhǎng)鉆孔軌跡剖面Fig.6 Directional borehole profile trajectory in Baode colliery

3.2 大佛寺煤礦煤層長(zhǎng)鉆孔施工

2011年7月，中煤科工集團(tuán)西安研究院再次在大佛寺煤礦40109工作面1#鉆場(chǎng)進(jìn)行了本煤層定向長(zhǎng)鉆孔試驗(yàn)，該區(qū)域主采煤層為4號(hào)煤層，屬特厚煤層，平均11.65 m，煤層結(jié)構(gòu)完整，適于定向鉆孔施工。

此次試驗(yàn)，吸取了保德煤礦長(zhǎng)鉆孔試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采用和保德煤礦相同的滑動(dòng)定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)交替的鉆進(jìn)方案。鉆機(jī)過(guò)程順利，7月15日—8月2日便完成了鉆孔的施工，鉆孔主孔深度達(dá)到1 212 m，總進(jìn)尺1 623 m，開分支孔5個(gè)，探頂2次，探底1次，再次刷新了國(guó)內(nèi)煤礦井下定向鉆孔深度的記錄。鉆孔軌跡剖面如圖7所示。

圖7 大佛寺煤礦定向長(zhǎng)鉆孔軌跡剖面Fig.7 Directional borehole profile trajectory in Dafosi colliery

整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆孔返水、排渣順暢，鉆進(jìn)系統(tǒng)給進(jìn)壓力最大為11 MPa，回轉(zhuǎn)壓力最大為8 MPa。

3.3 下石節(jié)煤礦高位鉆孔施工

2011年4月—2012年3月，中煤科工集團(tuán)西安研究院與陜西陜煤下石節(jié)煤礦合作進(jìn)行煤層頂板高位大直徑定向鉆孔試驗(yàn)，試驗(yàn)分為2個(gè)階段。

第一階段于2011年5月—7月在219工作面灌漿巷進(jìn)行，鉆孔設(shè)計(jì)數(shù)量3個(gè)，深度300 m，孔徑?96 mm，采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，由于頂板中存在破碎軟夾層，鉆進(jìn)過(guò)程中卡鉆事故頻發(fā)，孔深300 m以后機(jī)械鉆速明顯下降，僅為1 m/h。最終完成鉆孔5個(gè)，其中1#、2#和4#鉆孔深度分別達(dá)到408、360和318 m，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但是3#和5#鉆孔由于孔壁坍塌、掉塊卡鉆被迫終孔，孔深分別為144和150 m。

第二階段于2012年4月—6月在2301工作面回順進(jìn)行，鉆孔設(shè)計(jì)數(shù)量4個(gè)，深度400 m，孔徑?153 mm。試驗(yàn)采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)結(jié)合的定向鉆進(jìn)方法，最終4個(gè)試驗(yàn)鉆孔均順利完成，深度均達(dá)到402 m，孔徑均達(dá)到?153 mm，機(jī)械鉆速也顯著提高，圓滿完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。鉆孔軌跡剖面如圖8所示。

圖8 下石節(jié)煤礦高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔軌跡剖面Fig.8 Large diam eter and high position directional borehole profile trajectory in Xiashijie colliery

4 結(jié)論

(1)復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)可有效降低鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力，有利于實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn)。

(2)復(fù)合定向鉆進(jìn)可有效改善孔內(nèi)環(huán)境，預(yù)防孔內(nèi)事故發(fā)生。

(3)復(fù)合鉆進(jìn)的鉆頭的機(jī)械鉆速要明顯高于常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，其鉆進(jìn)效率也顯著提高;然而對(duì)于復(fù)合鉆進(jìn)的提高鉆進(jìn)效率僅從鉆頭絕對(duì)轉(zhuǎn)速提高的解釋不夠全面，應(yīng)進(jìn)行包括轉(zhuǎn)速、扭矩、碎巖功率等與鉆進(jìn)效率關(guān)系的全方位研究。

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