焦聚博，侯 紅，孫 凱

（1.大西南礦業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700；2.西安水遠(yuǎn)山長能源科技有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤炭需求量快速增長，鉆孔作為消除煤礦安全隱患的重要手段顯得極為重要，但施工過程中鉆孔保直一直是施工難題。

煤層瓦斯抽采需要施工大量的瓦斯抽采鉆孔，但其施工過程中存在著偏斜問題，使鉆孔無法按設(shè)計(jì)直線軌跡延伸，偏斜會使相鄰鉆孔間距過大，形成抽采盲區(qū)，無法有效抽采煤層瓦斯，為后續(xù)開采留下安全隱患［1-3］。如圖1 所示，在施工順層鉆孔時(shí)，各礦根據(jù)煤層瓦斯抽采半徑設(shè)計(jì)鉆孔間距，保證抽采質(zhì)量，但由于鉆孔偏斜問題，鉆孔實(shí)際間距大于設(shè)計(jì)間距，部分煤層無法有效抽采，形成了抽采的盲區(qū)。按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的規(guī)定，在掘進(jìn)煤巷時(shí)，需要預(yù)抽巷道左右15 m 內(nèi)煤層瓦斯，目前，大部分煤礦在底抽巷施工穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯，但由于鉆孔的偏斜，鉆孔間距可能大于瓦斯鉆孔抽采半徑（見圖2），形成抽采的盲區(qū)［4-5］。在探放水時(shí)也需要施工大量的探放水鉆孔，偏斜將導(dǎo)致鉆孔無法達(dá)到預(yù)定靶區(qū)，疑似存水地區(qū)無法得到有效驗(yàn)證，對后續(xù)巷道掘進(jìn)留下隱患。因此，煤礦井下鉆孔保直技術(shù)研究對煤礦安全生產(chǎn)有著重要意義。

圖1 順層鉆孔偏斜示意Fig.1 Schematic diagram of in-seam borehole deviation

圖2 穿層鉆孔偏斜示意Fig.2 Schematic diagram of cross-measure borehole deviation

1 鉆孔偏斜原因

1.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是造成鉆孔偏斜的客觀原因，它隨著所鉆地層變化，在施工地層與開孔參數(shù)確定之后，地質(zhì)因素便不能改變。

造成鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要包括地層硬度、密度、礦物成分、變質(zhì)程度以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等［6-7］。巖石的層理、裂隙、斷層、軟硬互層、溶洞、卵礫石等結(jié)構(gòu)構(gòu)造使巖層具有不均質(zhì)性，造成孔底鉆頭的受力不均，形成不平衡側(cè)向力，引起鉆孔彎曲，其中層理和軟硬互層是鉆孔彎曲的最主要因素［8］。

在松軟煤層、破碎地層鉆進(jìn)時(shí)，地層易破碎，鉆頭切削形成的孔徑較大，造成鉆桿和孔壁之間的環(huán)空間隙較大，鉆具由于受到重力的作用，鉆孔一般會向下偏斜；在卵礫石地層鉆進(jìn)時(shí)，地層一般軟硬不均，鉆頭展示“欺軟怕硬”的特性，鉆頭將沿著易破碎的方向延伸。

1.2 技術(shù)因素

技術(shù)因素主要分為2 類，一類是鉆進(jìn)初始時(shí)，鉆機(jī)擺放不平、鉆孔中心與鉆桿的軸心不在同一條中心線上，或者鉆孔的方位角與傾角測量不準(zhǔn)確、鉆桿有彎曲等［9-10］。這些因素應(yīng)在開始鉆進(jìn)之前人為控制，減小鉆孔偏斜，在鉆孔較淺時(shí)可能影響不大，但當(dāng)孔深時(shí)就會產(chǎn)生較大的偏差。

第二類是鉆進(jìn)過程中，孔底鉆具的結(jié)構(gòu)特性及鉆桿的尺寸和結(jié)構(gòu)［6］。鉆具的抗彎剛度對鉆孔的偏斜有較大的影響，里馬諾夫提出，在縱向力和傾倒力矩的作用下，孔底鉆具的偏斜值y，可用式（1）表示：

式中：p——軸向荷載，N；Ma——傾倒力矩，N·m；l——鉆桿縱向彎曲半波長，m；x——流動坐標(biāo)，m；k——剛 度，E——鉆桿的彈性模量，N/m；I——鉆桿的軸慣性矩，N·m。

由式（1）可以看出，隨著鉆桿的外徑和壁厚的增加，鉆桿軸慣性矩值增大。在縱向彎曲和傾倒力矩的作用下，組合鉆具的抗彎剛度決定了孔底組合鉆具偏斜值的大小，因此組合鉆具的抗彎剛度對鉆孔彎曲強(qiáng)度有很大的影響，并且鉆桿外徑的增大，軸慣性矩增長很快，因此大直徑鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿容易實(shí)現(xiàn)保直鉆進(jìn)。

1.3 鉆進(jìn)工藝

鉆進(jìn)工藝主要指鉆進(jìn)時(shí)的鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，合理的鉆進(jìn)參數(shù)將有助于鉆孔的保直［11-13］。鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，為了提高鉆孔效率，一般會提高鉆壓，但鉆壓過大，將增大鉆桿的彎曲變形量，產(chǎn)生造斜的力矩，進(jìn)而導(dǎo)致鉆孔的偏斜；而鉆桿轉(zhuǎn)速過大，鉆桿將產(chǎn)生較大的離心力，在離心力的作用下，鉆桿的軸心將偏離鉆孔軸線，致使鉆孔偏斜，同時(shí)鉆桿的偏心旋轉(zhuǎn)將擴(kuò)大孔徑，進(jìn)一步加大鉆孔偏斜量。

在鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)所鉆地層合理選用鉆進(jìn)參數(shù)，并且根據(jù)鉆機(jī)儀表的變化和返渣情況實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，這樣方能減小鉆孔偏斜量，達(dá)到保直效果。

2 保直鉆進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀及分析

2.1 扶正器保直鉆進(jìn)技術(shù)

扶正器保直鉆進(jìn)技術(shù)是目前煤礦井下運(yùn)用較多的保直方法［14-15］，其將多個(gè)扶正器串于靠近鉆頭的鉆桿柱內(nèi)，常見扶正器如圖3 所示。一般扶正器的直徑與鉆頭外徑相差不大于3 mm，外徑相近大幅減小了鉆孔的環(huán)空間隙，并且扶正器使鉆頭附近鉆具剛性增強(qiáng)，可以有效控制鉆桿彎曲，保證鉆孔的直線性［16-17］，扶正器與鉆桿安裝如圖4 所示。

圖3 煤礦井下常見扶正器Fig.3 Commom centralizers used in underground coal mine drilling

圖4 扶正器與鉆桿組合Fig.4 Combination of the centralizer and the drill pipe

扶正器保直技術(shù)只需在原有鉆探設(shè)備的基礎(chǔ)上增加數(shù)個(gè)扶正器，便可實(shí)現(xiàn)保直功能，易于實(shí)施，但扶正器對方位的控制較差，并且由于孔底環(huán)空間隙較小，孔底鉆屑不易排出，容易發(fā)生卡鉆、埋鉆等事故。

某礦某采面使用扶正器前后鉆孔傾角、方位角變化如圖5、圖6 所示。該礦為煤與瓦斯突出礦井需要施工大量瓦斯抽采鉆孔，由于鉆孔偏斜問題，需要多次補(bǔ)孔才能達(dá)到鉆孔設(shè)計(jì)位置。從圖中可以看出，在使用扶正器后，鉆孔方位的增量減小了4.1°，扶正器對鉆孔方位的變化控制較差，而傾角的變化量減小了17.8°，扶正器大幅度抑制了鉆孔的下跌趨勢，但是對于方位角的控制效果有限。

圖5 扶正器使用前后方位變化Fig.5 Change in azimulth before and after use of the centralizer

圖6 扶正器使用前后傾角變化Fig.6 Change in inclination before and after use of the centralizer

2.2 水力保直鉆進(jìn)技術(shù)

水力糾偏技術(shù)是一種新型的鉆孔保直技術(shù)，其利用高壓水射流切割鉆頭前方的煤巖體，改變所鉆地層煤巖體的地質(zhì)條件，已經(jīng)被破碎的煤巖體給鉆頭起導(dǎo)向作用，使鉆頭朝破碎方向鉆進(jìn)，從而達(dá)到保直的目的［18-19］。

水力保直技術(shù)現(xiàn)場實(shí)施較為麻煩，需要測斜儀器實(shí)時(shí)測量鉆孔軌跡，當(dāng)鉆孔軌跡偏斜時(shí)，需要提出鉆頭，更換高壓水射流噴嘴，這種鉆進(jìn)流程嚴(yán)重影響施工效率。并且，其需要在原有鉆探設(shè)備的基礎(chǔ)上增加高壓水泵，用來產(chǎn)生高壓水射流，高壓水也將孔壁產(chǎn)生破壞，影響鉆孔成孔質(zhì)量。在施工較硬巖石時(shí)，水力破碎能力有限，保直效果較差。此項(xiàng)技術(shù)僅進(jìn)行了理論上的研究與地面導(dǎo)向試驗(yàn)，并沒有在煤礦井下進(jìn)行保直鉆進(jìn)試驗(yàn)。

2.3 取心保直鉆進(jìn)技術(shù)

取心保直使用取心鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，沒有破碎的巖心起一定的導(dǎo)向作用，同時(shí)所使用的鉆桿是與鉆頭直徑相差較小的巖心管，大幅度減小鉆孔底部的環(huán)空間隙，在這兩部分同時(shí)作用下，實(shí)現(xiàn)鉆孔的保直［20-22］，取心保直如圖7 所示。

圖7 取心保直技術(shù)Fig.7 Coring technique for straight drilling

此方法在鉆進(jìn)過程中要考慮鉆孔傾角的影響，當(dāng)鉆孔傾角較大時(shí)，巖心所受摩擦力小于重力的分量，巖心在重力的作用下可以自行溜出，反之要提出鉆桿，人工取心，這將導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低下，巖心受力如圖8 和式（2）所示。同時(shí)在松軟煤層中，巖心可能較破碎，巖心無法提供導(dǎo)向作用，故此種方法也較少使用。

圖8 巖心受力Fig.8 Core force

式中：m——巖心的質(zhì)量，kg；f——巖心與管壁的摩擦力，N；a——鉆孔傾角，（°）。

2.4 定向技術(shù)保直

定向鉆進(jìn)技術(shù)是一種可控鉆進(jìn)技術(shù)［23-28］，其在無磁鉆桿內(nèi)部安裝傳感器，實(shí)時(shí)測量底部鉆孔的傾角、方位，所測數(shù)據(jù)在通過通纜鉆桿傳輸給孔外電腦，進(jìn)行可視化處理，使鉆孔軌跡實(shí)時(shí)顯示，在鉆孔偏斜時(shí)，使用螺桿馬達(dá)進(jìn)行造斜糾偏，以達(dá)到保直的效果，如圖9 所示。

圖9 定向技術(shù)保直Fig.9 Directional drilling technology for straight drilling

定向鉆進(jìn)技術(shù)可以達(dá)到較好的保直效果，但其操作復(fù)雜，設(shè)備昂貴，并且定向鉆機(jī)尺寸較大，無法在尺寸小的巷道內(nèi)應(yīng)用。定向鉆機(jī)施工時(shí)，還需要為定向鉆機(jī)施工專門的鉆場，嚴(yán)重影響施工工期，故在施工大量較短鉆孔時(shí)，定向鉆進(jìn)保直技術(shù)適用性較差。

3 保直鉆進(jìn)技術(shù)展望

鉆孔保直是影響鉆孔施工質(zhì)量的因素，但目前鉆孔保直技術(shù)或多或少都存在技術(shù)上的問題，不能在煤礦大范圍推廣使用，故在鉆孔保直方面需要不斷發(fā)展，研發(fā)出適用性強(qiáng)、易于現(xiàn)場實(shí)施的保直技術(shù)。筆者建議可從以下方面發(fā)展鉆孔保直技術(shù)：

（1）偏斜因素的深層次的研究。鉆孔偏斜因素大體上分為地質(zhì)、技術(shù)及鉆進(jìn)工藝3 個(gè)方面，但從本質(zhì)上講都是孔內(nèi)鉆頭附近受到了不平衡力的作用，今后可從鉆頭工作狀態(tài)方面進(jìn)行深層次研究，揭示鉆孔偏斜本質(zhì)原因。

（2）鉆孔保直機(jī)具設(shè)備的研發(fā)?，F(xiàn)有保直設(shè)備大部分都在原有鉆探裝備的基礎(chǔ)上增加機(jī)械設(shè)備，水力保直需要增加高壓水泵，定向保直需要定向鉆機(jī)，這些設(shè)備的應(yīng)用雖然達(dá)到了保直效果，但操作復(fù)雜，成本較高，不能在大部分煤礦推廣使用。在今后的發(fā)展中，應(yīng)研發(fā)保直專用設(shè)備，達(dá)到保直效果。