徐 瑞，洪建俊，張 杰

（1.淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北 235001；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710071）

煤礦井下近水平順煤層定向長鉆孔，以其大孔深、軌跡可控的優(yōu)勢，能有效實(shí)現(xiàn)一次鉆孔完成區(qū)域消突及預(yù)抽，提高了鉆孔的瓦斯抽采時間，大量取代穿層鉆孔和減少底板巷的施工，從而實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯高效抽采[1-5]。但目前，煤層順層定向長鉆孔僅在山西、陜西等礦區(qū)硬度大且穩(wěn)定的煤層中取得突破[6-9]，而在地質(zhì)條件復(fù)雜及碎軟煤層中，因鉆孔孔壁塌孔、返煤量大等問題，易導(dǎo)致不返風(fēng)不返渣、卡鉆、埋鉆等不良情況與事故，也使鉆孔孔深無法滿足大規(guī)模、高效治理的需求。同時，完孔后需提出鉆具再下篩管，導(dǎo)致局部塌孔無法順利下入篩管或下入深度不夠，導(dǎo)致篩管護(hù)孔率也相對較低，瓦斯抽采率低[10]。為此，借鑒套管護(hù)孔的原理，研究鉆桿、套管雙管同時鉆進(jìn)的定向鉆進(jìn)工藝研究，優(yōu)化鉆桿、套管等鉆具級配，從而實(shí)現(xiàn)套管護(hù)孔并在套管內(nèi)下篩管的目的，能大大提高順煤層定向長鉆孔鉆孔深度及下入篩管的深度和直徑，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碎軟煤層瓦斯高效抽采。

1 雙管定向鉆進(jìn)工藝

1.1 工藝原理

雙管定向鉆進(jìn)工藝，是利用雙動力頭定向鉆機(jī)，鉆桿、套管雙管同時加桿，鉆進(jìn)時為雙管雙動同時鉆進(jìn)；雙管定向鉆進(jìn)又可分為雙管定向鉆進(jìn)和雙管復(fù)合鉆進(jìn)2種鉆進(jìn)形態(tài)，

1）雙管定向鉆進(jìn)形態(tài)。鉆進(jìn)時，鉆桿動力頭帶動鉆桿、無磁鉆具、螺桿馬達(dá)、底擴(kuò)式鉆頭等鉆具，以螺桿馬達(dá)為碎巖動力滑動定向鉆進(jìn)，同時套管動力頭旋轉(zhuǎn)帶動套管以較低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)跟管護(hù)孔，此時鉆屑主要從鉆桿與套管的環(huán)空排出孔外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)定向鉆進(jìn)。優(yōu)點(diǎn)是鉆孔軌跡可控，缺點(diǎn)是排渣不暢，施工效率偏低。

2）雙管復(fù)合鉆進(jìn)形態(tài)。鉆進(jìn)時，鉆桿動力頭帶動鉆桿、無磁鉆具、螺桿馬達(dá)等鉆具正向回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，同時螺桿馬達(dá)帶動鉆頭鉆進(jìn)，此時套管動力頭帶動套管以較低轉(zhuǎn)速反向回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)跟管護(hù)孔，鉆屑主要從鉆桿與套管的環(huán)空排出孔外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)。優(yōu)點(diǎn)是排渣順暢，施工效率高，缺點(diǎn)是鉆孔軌跡不可控制。

交替采用雙管定向鉆進(jìn)和雙管復(fù)合鉆進(jìn)，可有效提高碎軟煤層鉆進(jìn)的排渣效果和施工精度[11-15]。

雙管定向鉆進(jìn)，內(nèi)層定向鉆具控制鉆孔軌跡，保證在煤層有效延伸，外層跟管鉆進(jìn)保護(hù)孔壁，防止破碎地層塌孔，內(nèi)層鉆具超前外層套管一段距離。終孔后先提出鉆桿，套管暫時留在孔內(nèi)，再從套管內(nèi)送入大直徑篩管，最后提出套管把篩管留在孔內(nèi)完孔。

1.2 鉆具組合和工藝流程

為實(shí)現(xiàn)鉆桿、套管同時鉆進(jìn)且鉆桿從套管中提出，鉆具組合中，內(nèi)管鉆桿最大外徑必須小于外管最小內(nèi)徑，所采用的鉆具級配為：①鉆桿：φ90 mm定向鉆頭+φ105 mm底擴(kuò)鉆頭+φ73～82mm風(fēng)動螺桿馬達(dá)+φ73 mm隨鉆測量系統(tǒng)+φ73 mm配套鉆桿；②套管：φ140/96 mm套管鉆頭+φ120 mm套管。

雙管定向鉆進(jìn)鉆具示意圖如圖1。內(nèi)鉆桿塔式鉆頭鉆進(jìn)形成φ105 mm內(nèi)孔，套管跟管擴(kuò)孔至φ140 mm。

圖1 雙管定向鉆進(jìn)鉆具示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-pipe directional drilling tool

工藝流程如下：①移鉆機(jī)，調(diào)整傾角和方位角，φ94 mm鉆頭回轉(zhuǎn)開孔12 m并擴(kuò)孔至φ193 mm，下φ178 mm孔口管，安裝好孔口裝置，連接負(fù)壓抽采管路；②連接鉆頭、螺桿馬達(dá)、無磁鉆桿、測量短節(jié)、螺旋鉆桿、套管鉆頭、無磁套管、螺旋套管等。螺桿馬達(dá)彎頭朝上，校正好工具面；③下鉆至孔內(nèi)后，開始鉆桿定向鉆進(jìn)、套管同時回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)3 m測量鉆孔數(shù)據(jù)；④鉆進(jìn)到設(shè)計深度后，提出鉆桿；⑤在套管內(nèi)下入φ75 mmPVC篩管，提出套管，封孔。

2 設(shè)備選型

1）定向鉆機(jī)：ZDY6000-3000LDK型鉆機(jī)。該型鉆機(jī)擁有三夾持器、雙動力頭、半自動加桿裝置3大功能組件，通過3大功能組件的配合能有效實(shí)現(xiàn)鉆桿套管雙管鉆進(jìn)、單鉆桿定向鉆進(jìn)、單套管鉆進(jìn)、套管內(nèi)下篩管等功能。具體為：①雙動力頭功能：雙動力頭包括套管動力頭和鉆桿動力頭，套管動力頭在前，鉆桿動力頭在后，才有主動鉆桿的方式將扭矩傳輸給鉆桿或套管，套管動力頭最大扭矩6 000 N·m，鉆桿動力頭最大扭矩3 000 N·m；②三夾持器功能：三夾持器為大行程，能同時夾持鉆桿和套管，1夾夾持孔內(nèi)鉆具，2夾裝卸鉆桿，3夾裝卸套管，其中2夾可反轉(zhuǎn)卸扣（卸鉆桿），3夾可正轉(zhuǎn)卸扣（卸套管）；③半自動加桿裝置：加桿裝置用于實(shí)現(xiàn)鉆桿套管同時在中間加桿，新加鉆桿放置在新加套管內(nèi)，利用加桿裝置夾持并提升到動力頭與夾持器之間，進(jìn)行加桿，加桿裝置小夾持器輔助加接鉆桿和套管。

2）測量儀器：無線電磁波隨鉆測斜儀。配套：φ73 mm整體式大通孔螺旋鉆桿和φ73 mm無磁鉆桿。無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)利用電磁波傳播測量數(shù)據(jù)，無需專用信號傳輸鉆桿，可配備的普通結(jié)構(gòu)大通孔螺旋鉆桿，過風(fēng)通道大，且內(nèi)通道無明顯變截面，能有效降低風(fēng)動定向鉆進(jìn)的風(fēng)阻，提高排渣能力。

3）其他設(shè)備。①套管：φ120 mm螺旋套管；②φ73 mm空氣螺桿馬達(dá)；③鉆頭：φ90 mm定向鉆頭、φ105 mm底孔鉆頭、φ140 mm套管鉆頭；④空氣壓縮機(jī)；⑤流量計；⑥孔口除塵器。

3 試驗(yàn)概況

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

31采區(qū)共設(shè)計3個區(qū)段，沿煤層傾向布置，條帶開采，313工作面為采區(qū)首采工作面,上部以-375 m水平防砂煤柱為界；下部以風(fēng)巷F5點(diǎn)前22 m與機(jī)巷J2點(diǎn)前24.5 m位置連線（預(yù)計收作線）為界；右側(cè)以SF70斷層為界；左側(cè)以SF340斷層為界。

1）煤層賦存。工作面回采32煤層，根據(jù)生產(chǎn)揭露情況分析，32煤厚1.3～3.5 m，平均2.8 m，局部含0～1層夾矸，厚0～0.3 m。

2）頂?shù)装鍘r性。煤層頂板巖性主要為8.5～12.8 m厚泥巖，灰黑色-灰色，致密塊狀，性脆，泥巖，含有云母和植物化石碎片；2.3～5.4 m厚中細(xì)砂巖，灰色，塊狀，中細(xì)砂巖，膠結(jié)致密，含大量的石英、云母片；底板為深灰色，裂隙發(fā)育，含長條狀植化碎片，局部夾1層厚約0.2 m的炭質(zhì)泥巖。

3.2 試驗(yàn)情況

313風(fēng)巷雙管定向鉆進(jìn)試驗(yàn)鉆孔前期設(shè)計鉆孔4個，煤層傾角-7°～-16°，鉆孔順煤層施工，其中1#鉆孔沿垂直風(fēng)巷方向布置，至距機(jī)巷20 m處，孔深220 m，雙管回轉(zhuǎn)施工。2#孔、3#孔、4#孔由1#孔逆時針30°，兩孔間距6 m，終孔長度250m。其中2#孔前進(jìn)式開分支探頂板施工；3#孔、4#孔雙管定向鉆進(jìn)順煤層施工。

313鉆場共試驗(yàn)煤層順層定向長鉆孔4個，套管最大孔徑φ140 mm，總進(jìn)尺830 m，鉆孔最大孔深252 m。各孔鉆孔數(shù)據(jù)見表1。

表1 鉆孔參數(shù)表Table1 Drilling parameters table

1）1#孔。開孔傾角-7°，方位108.8°，雙管回轉(zhuǎn)施工，套管滯后3 m，孔深78 m，孔徑133 mm，見巖石，套管外環(huán)空不返風(fēng)，提鉆終孔?？椎字?0 m范圍套管外壁有大量煤泥。

2）2#孔。開孔傾角-7°，方位78.8°，孔深250 m，孔徑140 mm。57～79 m見底板砂巖，165～189 m見頂板泥巖。

3）3#孔。開孔傾角-7°，方位84°，孔深250 m，孔徑90 mm。分別在孔深18、57、71、120 m處探頂開分支的方式，探明了煤層走勢。提鉆時發(fā)現(xiàn)，孔底至60 m范圍鉆桿外壁有大量煤泥。

4）4#孔。開孔傾角-8°，方位86°，雙管定向鉆進(jìn)，終孔孔深252 m，套管跟管162 m，終孔孔徑90 mm，套管孔徑140 mm。0～20 m回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)頂板泥巖，20～114 m煤和局部煤夾矸，114～154 m泥巖，154～252 m煤及煤夾矸。進(jìn)尺到190 m，套管外環(huán)空不返風(fēng)，停止跟套管；孔內(nèi)返出大量淤泥塊，孔內(nèi)積水；252 m處，鉆桿鉆進(jìn)也不返風(fēng)不返渣，終孔。

3.3 試驗(yàn)分析

1）套管與孔壁的環(huán)空返渣量隨孔深逐漸變小，最終不返風(fēng)不返渣。因風(fēng)量變小，沉渣增加，導(dǎo)致返渣阻力繼續(xù)增大，導(dǎo)致不返風(fēng)，制約了跟管深度。

2）煤層頂?shù)装寰植砍鏊?，返渣困難。根據(jù)孔內(nèi)窺視儀觀察，孔口15 m左右可見出水點(diǎn)，孔段在頂板泥巖中。施工中孔深超過120 m后，返渣較為潮濕，且返渣量逐漸變少，導(dǎo)致套管外環(huán)空不返渣不返風(fēng)，提續(xù)鉆，持續(xù)沖孔，孔口返淤泥，全孔套管外壁均含大量淤泥。之后不跟套管，單鉆桿鉆進(jìn)，返渣量逐步減少。

3）煤層傾角俯角，平均-9°～-15°，返風(fēng)衰減快。俯角定向鉆進(jìn)，且傾角較大，返風(fēng)衰減快，隨著孔深增加，風(fēng)攜渣能力不足，返渣困難，制約風(fēng)動定向鉆進(jìn)的深度。

4 結(jié)語

1）利用雙動力頭定向鉆機(jī)及其配套鉆具可實(shí)現(xiàn)碎軟煤層雙管定向鉆進(jìn)施工，鉆桿定向或復(fù)合鉆進(jìn)、套管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆桿鉆頭和套管鉆頭距離可調(diào)，提出鉆桿在套管下篩管等功能，有效滿足碎軟煤層順層定向長鉆孔的施工要求。

2）雙管定向鉆進(jìn)工藝在碎軟煤層順層長鉆孔施工中，能有效提高鉆孔孔深至250 m以上，在套管內(nèi)下篩管率100%，并且適應(yīng)少量積水、較大俯角的復(fù)雜地質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)軌跡可控。

3）碎軟煤層順層長鉆孔雙管定進(jìn)工藝能有效提高鉆孔深度及地層適應(yīng)性，在煤礦瓦斯高效抽采、“一孔兩消”等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)。