劉建林，方 俊，褚志偉，楊偉鋒

碎軟煤層空氣泡沫復合定向鉆進技術應用研究

劉建林，方 俊，褚志偉，楊偉鋒

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對碎軟煤層空氣定向鉆進存在空氣螺桿馬達降溫潤滑，煤塵降塵處理和孔內(nèi)煤層出水處置技術需求，在分析鉆渣運移特性的基礎上，通過集成穩(wěn)定高效發(fā)泡、“機械+泡沫”復合排渣和“空氣+泡沫”復合鉆進等關鍵技術，配套定向鉆機、泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)、空氣螺桿馬達、異形鉆桿和隨鉆測量系統(tǒng)等關鍵裝備，開發(fā)了碎軟煤層空氣泡沫復合定向鉆進技術。在安徽省宿州市某礦開展了應用試驗，在出水碎軟煤層中順利施工了主孔深度232 m順煤層定向鉆孔，與應用空氣定向鉆進技術施工的2個鉆孔相比，成孔深度分別提高了97%和105%，顯著提高了順煤層定向鉆孔成孔深度，增強了碎軟煤層瓦斯抽采效果，同時達到了降溫潤滑空氣螺桿馬達，降低孔口返出煤塵目的，可為碎軟煤層定向鉆孔施工提供一種新的技術途徑。

碎軟煤層；泡沫；空氣；排渣；復合鉆進；定向鉆進

碎軟突出煤層具有煤體結構破碎，瓦斯含量高、壓力大，透氣性差等特征，在我國多個礦區(qū)廣泛分布，瓦斯抽采效率低，治理難度大，瓦斯事故多發(fā)，嚴重影響著礦井的安全高效生產(chǎn)[1-2]。利用定向鉆孔進行瓦斯抽采是防止碎軟煤層瓦斯事故，開發(fā)利用瓦斯(煤層氣)清潔能源的有效技術途徑[3-4]。

碎軟煤層空氣定向鉆進技術是近幾年快速發(fā)展和推廣應用的一種鉆進技術，適用于碎軟煤層瓦斯抽采定向鉆孔的施工[5-8]。應用該技術施工的順煤層定向鉆孔深度超過400 m，與普通回轉鉆孔相比，單孔瓦斯抽采純量可提高10倍以上，單孔瓦斯抽采濃度可提高50%以上，顯著提高了碎軟煤層瓦斯抽采效果，在貴州和淮南等煤礦區(qū)得到了較為廣泛的推廣和應用。然而，碎軟煤層空氣定向鉆進應用過程中存在以下幾點問題[9]：①以壓風為沖洗介質，無法實現(xiàn)空氣螺桿馬達的高效降溫和潤滑，影響使用壽命；②孔口返出煤塵較大，需要專用除塵設備，施工作業(yè)環(huán)境較差；③鉆遇煤層出水工況時煤渣無法正常排出，影響鉆孔成孔深度。

泡沫鉆進技術以穩(wěn)定泡沫為沖洗介質，泡沫攜渣能力較強，適用于煤層出水工況；同時，泡沫可以對螺桿鉆具降溫和潤滑，降低孔口煤塵，可為解決碎軟煤層空氣定向鉆進技術存在的上述問題提供技術借鑒。冀前輝等[10]在中風壓空氣鉆進的基礎上，開展了泡沫鉆進工藝研究，形成了中風壓泡沫鉆進技術；殷新勝等[11]進行了泡沫發(fā)泡配方的研究，劉建林等[12]進行了消泡工藝的開發(fā)，提出了適用于中風壓泡沫鉆進的配套發(fā)泡和消泡工藝。然而，現(xiàn)有泡沫鉆進技術是針對中風壓回轉鉆進工況而開發(fā)，不適用于碎軟煤層空氣定向鉆進工況，主要體現(xiàn)在以下方面：①碎軟煤層空氣定向鉆進成孔深度大，鉆進速度快，煤渣量大，現(xiàn)有中風壓泡沫工藝不適用；②碎軟煤層空氣定向鉆進工藝和配套裝備與中風壓鉆進不同，需針對特有工況進行新工藝和裝備設計開發(fā)。

為此，在現(xiàn)有碎軟煤層空氣定向鉆進技術的基礎上，通過泡沫定向鉆進工藝技術研究，開發(fā)了碎軟煤層泡沫定向鉆進技術，配套了相關裝備，可以解決碎軟煤層空氣定向鉆進存在的上述問題。

1 碎軟煤層空氣定向鉆進鉆渣運移特性

碎軟煤層空氣定向鉆進過程中，煤層未出水和出水2種情況下，鉆渣具有不同的運移特性。

1.1 空氣定向鉆進特性

碎軟煤層空氣定向鉆進以礦用移動式防爆空壓機輸出壓風為鉆進動力源和沖洗介質，驅動空氣螺桿馬達回轉碎巖鉆進，對空氣螺桿馬達進行降溫，并將鉆進產(chǎn)生的煤塵帶出鉆孔；鉆進過程中隨鉆測量系統(tǒng)測量鉆孔傾角、方位角和空氣螺桿馬達工具面向角等參數(shù)，通過定向鉆機回轉動力調整空氣螺桿馬達結構彎角朝向控制鉆進方向以調整鉆孔軌跡；孔口壓風監(jiān)控裝置實時監(jiān)測壓風壓力、流量，并具備孔內(nèi)復雜工況應急處置功能；孔口除塵裝置用于孔內(nèi)返出煤塵的降塵處理。

碎軟煤層空氣定向鉆進具有壓風流量大、鉆進速度快、成孔深度大和瓦斯抽采效果好等特征。

1.2 煤層未出水時鉆渣運移特性

煤層未出水時，在壓風沖洗介質作用下鉆渣時而懸浮、時而沉降，以跳躍方式沿著鉆柱和鉆孔環(huán)空間隙向孔口運移，運移形式屬于氣固兩相流中的顆粒和顆粒群運動[13-14]。受氣固混合比和返風速度兩個因素的影響，鉆渣的運移方式主要包括均勻流、底密流、部分流和柱塞流，如圖1所示。其中均勻流方式中鉆渣呈現(xiàn)均勻的懸浮狀態(tài)；底密流方式中鉆渣呈現(xiàn)下部多、上部少不均勻運移方式；部分流中鉆渣只有少部分懸浮，大部分沉積形成“沙丘”；柱塞流中鉆渣基本全部沉積在孔壁，以間歇性方式運移。

圖1 煤層未出水時鉆渣運移狀態(tài)

1.3 煤層出水時鉆渣運移特性

煤層出水時，在壓風作用下煤層水被吹散形成細小的霧狀液滴，鉆渣暴露在霧狀液滴中并吸收其水分，鉆渣顆粒變得潮濕。當出水量較大使氣體濕度達到飽和時，鉆渣顆粒之間的間隙由水分充填，形成鉆渣顆粒的“液橋”，引起鉆渣的團聚[15-16]。

鉆渣團聚性0的大小由鉆渣顆粒之間的作用力和鉆屑的重力決定，見下述公式[13]。

式中：0為鉆渣團聚性指標，無量綱；inter為鉆渣顆粒間的作用力，N；為鉆渣顆粒的質量，kg；為重力加速度，m/s2。

由式(1)可以看出，鉆渣顆粒越細小，質量越輕，團聚性越強；鉆渣顆粒間的作用力越大，團聚性越強。

煤層出水量不同時鉆渣顆粒間呈現(xiàn)不同的團聚狀態(tài)。出水量較小時，鉆渣顆粒不形成團聚狀態(tài)，表現(xiàn)為孔口返出的鉆渣較為潮濕，鉆渣的運移不受影響；出水量逐步增加時，鉆渣顆粒間逐漸形成團聚狀態(tài)，鉆渣運移阻力增加，孔口返風量降低，采取回轉鉆桿掃孔加強孔內(nèi)排渣，少部分鉆渣可以返出孔口；出水量較大時，孔內(nèi)空氣濕度達到飽和或過飽和狀態(tài)，鉆渣顆粒相互團聚黏結形成糊狀，鉆渣運移阻力顯著增加，壓風沖洗介質已無法正常攜渣，此時空氣螺桿馬達停止回轉，孔口無返風，鉆渣無法從孔口正常返出。

2 碎軟煤層泡沫定向鉆進技術

2.1 泡沫攜渣能力分析

泡沫是指由氣體(分散相)和泡沫液(分散介質)組成的分散體系。氣體由井下靜壓風管路或移動式防爆空壓機提供，泡沫液一般由發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑和水等組成。氣體以沖擊射流的形式和泡沫液混合，形成穩(wěn)定、連續(xù)的泡沫分散體系。泡沫攜渣能力的評價指標主要包括懸浮能力和攜渣能力，懸浮能力是指泡沫處于靜止狀態(tài)時對鉆渣的懸浮性，由泡沫的靜切力決定；攜渣能力是指泡沫將鉆渣攜帶至孔口的能力，由泡沫的動切力和黏度決定。泡沫的體積一般要比鉆渣顆粒的體積大許多倍，鉆渣由泡沫承托著，只有在泡沫發(fā)生較大變形或發(fā)生破裂時鉆渣的懸浮性才會明顯降低，而鉆渣的重量一般小于泡沫和氣體之間的表面張力，泡沫變形量較小，因此，泡沫的攜渣能力較強，可達到水攜渣能力的7～8倍。

2.2 技術原理

碎軟煤層泡沫定向鉆進技術以泡沫為動力源和沖洗介質，驅動空氣螺桿馬達帶動鉆頭回轉碎巖鉆進，攜帶鉆進過程中產(chǎn)生的煤渣，以及煤層中可能出現(xiàn)的水，同時泡沫起到對空氣螺桿馬達潤滑和降溫的作用。

復合定向鉆進過程中，在隨鉆獲取鉆孔軌跡參數(shù)(傾角、方位角)和空氣螺桿馬達工具面向角參數(shù)的基礎上，通過穩(wěn)定螺桿馬達結構彎角至特定方向以調整鉆孔軌跡。利用壓風監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測供風壓力、流量，并具備孔內(nèi)復雜工況的應急處置功能[17-18]。

2.3 關鍵技術

1) 穩(wěn)定高效發(fā)泡技術

泡沫是氣體分散于液體中的分散體系，氣體是分散相(不連續(xù)相)，液體是分散介質(連續(xù)相)，而要形成滿足泡沫鉆進用的穩(wěn)定泡沫必須使用泡沫劑，它通常由發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑組成[19-20]。針對煤礦井下碎軟煤層定向鉆進特殊工況，綜合考慮實用性與經(jīng)濟性，在借鑒地面泡沫鉆進工程實踐經(jīng)驗基礎上，利用室內(nèi)攪拌測試法對3種發(fā)泡劑的發(fā)泡體積和2種穩(wěn)泡劑的半衰期進行了分析，3種發(fā)泡劑發(fā)泡體積如圖2所示，可以看出發(fā)泡劑1的發(fā)泡效果最好。針對發(fā)泡劑1對穩(wěn)泡劑、穩(wěn)泡效果進行了測試，2種穩(wěn)泡劑在0.6‰比例時泡沫半衰期最高，其中穩(wěn)泡劑1的泡沫半衰期約150 s，穩(wěn)泡劑2的泡沫半衰期約300 s，選用穩(wěn)泡劑2進行穩(wěn)泡較為理想；此外，通過現(xiàn)場測試確定了200～100︰1最優(yōu)氣液比范圍。因此，確定了泡沫劑和穩(wěn)泡劑的最終選型產(chǎn)品和配方，即：“5‰發(fā)泡劑1+0.6‰穩(wěn)泡劑2、200～100︰1氣液比”的泡沫配制方案。

圖2 發(fā)泡體積分析曲線

在優(yōu)選泡沫配制方案的基礎上，依據(jù)沖擊射流原理，開發(fā)了一體式?jīng)_擊射流發(fā)泡方案，如圖3所示。即按泡沫配制方案調配好泡沫液，向泡沫發(fā)生裝置中分別定量輸入泡沫液和壓風，泡沫液和壓風輸入方向相反，壓風經(jīng)沖擊導流板后分散為多股壓風，以加強泡沫液和壓風的混合效果。兩者在一次發(fā)泡區(qū)初步混合后進行初期發(fā)泡，之后進入二次發(fā)泡區(qū)進行充分發(fā)泡，以保證泡沫液受到壓風沖擊后形成穩(wěn)定連續(xù)的泡沫。

圖3 穩(wěn)定泡沫產(chǎn)生原理

2)“機械+泡沫”復合排渣技術

碎軟煤層泡沫定向鉆進成孔深度大，煤渣產(chǎn)生量大且運移距離長，煤渣易沉積在孔底，使鉆頭重復破碎，降低鉆進效率；同時煤層出水時，孔內(nèi)煤渣變得潮濕，相互團聚甚至形成糊狀，排渣阻力明顯增加，孔內(nèi)沉渣量增多，卡鉆、埋鉆等復雜工況發(fā)生的風險顯著提高。

“機械+泡沫”復合排渣技術原理：該技術結合泡沫排渣和異形鉆具機械攪渣的技術優(yōu)勢，利用泡沫懸浮性好、攜渣能力強的特點，可以減少孔底鉆渣的沉積量，同時泡沫可以帶出孔底積水，降低鉆渣運移阻力，提高排渣效率；在泡沫排渣的基礎上，利用空氣螺桿馬達和鉆桿外部的異形結構(螺旋、三棱)攪動孔內(nèi)鉆渣，減小孔底鉆渣的沉積量，增強鉆渣運移能力[21]。

“機械+泡沫”復合排渣工藝流程：碎軟煤層定向鉆孔開始施工時，鉆孔深度淺且煤層未出水時，鉆渣運移阻力較小，采用“機械+空氣”復合排渣可以滿足鉆進要求；鉆孔深度加大出現(xiàn)排渣不暢情況，但煤層未出水時，采用“機械+空氣”為主，“機械+泡沫”為輔的復合排渣方式強化排渣；鉆孔深度較深且煤層出水時，鉆渣排出較困難，采用“機械+泡沫”為主，“機械+空氣”為輔的復合排渣方式，排出含水的鉆渣，如圖4所示。

圖4 “機械+泡沫”復合排渣工藝

3)“空氣+泡沫”復合鉆進技術

單獨應用空氣定向鉆進技術時無法實現(xiàn)空氣螺桿馬達高效降溫和潤滑，以及處置孔內(nèi)出水等工況；單獨應用泡沫定向鉆進技術存在孔口返出大量泡沫的高效消泡難題。為此，開發(fā)了“空氣+泡沫”復合鉆進技術，即在鉆進過程使用空氣和泡沫兩種沖洗介質，首先使用空氣作為沖洗介質進行空氣定向鉆進，鉆進一定時間或進尺后煤層未出水時，向孔內(nèi)間歇性注入泡沫，以達到降溫和潤滑空氣螺桿馬達目的；當孔內(nèi)煤層出水、孔口返渣量較小時，連續(xù)使用泡沫作為沖洗介質，以達到降溫、潤滑和排水的目的，待孔口返渣正常時，以空氣為沖洗介質，繼續(xù)向孔內(nèi)間歇性注入泡沫[22]。

間歇性向孔內(nèi)注入泡沫沖洗介質的“空氣+泡沫”復合鉆進技術，可以發(fā)揮2種鉆進技術的優(yōu)勢，與泡沫鉆進技術相比，泡沫使用量降低50%～ 60%(按1 h消耗量600 L計算，可節(jié)約泡沫液300～ 360 L)，減少了泡沫劑用量，降低了鉆進成本，減小了井下水污染。

中風壓泡沫鉆進技術、碎軟煤層空氣定向鉆進技術和碎軟煤層泡沫定向鉆進技術3種碎軟煤層鉆進技術對比見表1。

表1 3種鉆進技術對比

2.4 配套裝備

碎軟煤層泡沫定向鉆進配套裝備組成如圖5所示，主要包括定向鉆機、泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)、空氣螺桿馬達、異形鉆桿和隨鉆測量系統(tǒng)。

1—泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)；2—定向鉆機；3—異形鉆桿；4—隨鉆測量系統(tǒng)；5—空氣螺桿馬達；6—定向鉆頭

1) 定向鉆機

定向鉆機用于提供給進、起拔和回轉動力、夾持和擰卸孔內(nèi)鉆具、克服螺桿馬達鉆進反扭矩等，目前已形成系列化產(chǎn)品。與液動鉆進技術相比，泡沫定向鉆進技術對定向鉆機存在以下特殊要求：①泡沫定向鉆進時不使用水作為沖洗介質，不需要配套泥漿泵或泥漿泵車；②碎軟煤層所在巷道空間尺寸較小，在考慮成孔深度要求的基礎上，定向鉆孔成孔深度相對較淺，應盡量選擇窄體小型化定向鉆機?？蛇x定向鉆機型號包括ZDY4000LD(C)、ZDY 6000LD(B)和ZDY6000LD(F)等。

2) 泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)

泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)主要包括井下移動式防爆空壓機、泡沫泵、泡沫液箱、泡沫發(fā)生器、氣體流量計、泡沫流量計和配套管路、閥門等部件，如圖6所示，主要部件的規(guī)格和作用見表2。

圖6 泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)連接

表2 泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)主要部件

3) 空氣螺桿馬達

空氣螺桿馬達是一種容積式動力鉆具，驅動介質為氣體、泡沫等，對碎軟煤層孔壁擾動小，適用于氣動定向鉆進?？諝饴輻U馬達由馬達總成、萬向軸總成、傳動軸總成組成，如圖7所示，馬達總成是空氣螺桿馬達的核心部件，決定著空氣螺桿馬達的輸出扭矩和轉速；萬向軸總成由萬向軸殼體和萬向軸組成，用于將馬達總成的星形運動轉換為同心運動；傳動軸總成主要由傳動軸、推力軸承組、傳動軸總成殼體等零件組成，用于將空氣螺桿馬達的動力傳遞給鉆頭。

圖7 空氣螺桿馬達組成

4) 異形鉆桿

為了提高鉆進排渣效果，可以選用外壁為螺旋或三棱結構的異形鉆桿，鉆桿中心可選擇是否安裝中心通纜組件，安裝中心通纜組件的異形鉆桿可配套有線隨鉆測量系統(tǒng)使用，未安裝中心通纜組件的異形鉆桿可配套電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)使用。

5) 隨鉆測量系統(tǒng)

隨鉆測量系統(tǒng)用于在泡沫定向鉆進過程中隨鉆測量鉆孔傾角、方位角和空氣螺桿馬達工具面向角等參數(shù)，為鉆孔軌跡調整提供依據(jù)。可選用的系統(tǒng)主要包括YHD2-1000(A)型有線隨鉆測量系統(tǒng)和YSDC礦用電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗礦井概況

試驗礦井選取安徽省宿州市某礦，井田位于淮北煤田宿縣礦區(qū)宿南向斜內(nèi)，工作面采用走向條帶方式開采，自然垮落法管理頂板，為煤與瓦斯突出礦井。

試驗鉆場位于94采區(qū)61煤底板回風上山上部平巷，鉆孔施工鉆遇地層為71煤。71煤堅固性系數(shù)=0.3～0.52，平均厚度1.9 m，多含1～2層泥巖夾矸，平均厚度0.27 m；瓦斯壓力0.62～2.15 MPa，瓦斯含量6.3～10.4 m3/t。71煤頂板為淺灰色-灰白色細粒石英砂巖，含菱鐵質結核，底部可見泥質包體，平均厚度5.3 m；71煤底板為灰色-深灰色泥巖，平均厚度3.1 m。

3.2 試驗方案

1) 試驗鉆孔設計

試驗鉆孔包括1、2、3號孔，均自71煤頂板開孔，保持主孔段在71煤層中延伸，3號孔設計軌跡如圖8所示。鉆孔由套管孔段和定向孔段組成，其中套管孔段又分四開施工，先施工?108 mm先導孔，二開擴孔至?120 mm，三開擴孔至?153 mm，四開擴孔至?193 mm，最后下入146 mm套管9 m，注水封固管封孔。定向孔段采用泡沫定向鉆進工藝技術進行施工，鉆孔孔徑為108 mm；鉆孔施工完成后，全孔下入?32 mmPVC篩管護孔，以保證瓦斯抽采效果。

2) 試驗配套設備

試驗鉆孔施工配套設備主要包括ZDY4000 LD(C)型全液壓定向鉆機、泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)(表1)、RDJK1型壓風監(jiān)控系統(tǒng)、ZFP-1型孔口除塵裝置、YSDC礦用電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)、?73 mm空氣螺桿馬達、大通孔送風器、?73 mm大通徑三棱螺旋鉆桿、?73 mm無磁鉆桿、?108 mm定向鉆頭等。

圖8 3號鉆孔設計軌跡剖面

3) 試驗鉆孔施工方案

試驗鉆孔定向孔段施工鉆具組合：?108 mm定向鉆頭+?73 mm空氣螺桿馬達+?73 mm下無磁+ ?73 mm探管外管(內(nèi)部安裝礦用電磁波隨鉆測量探管)+ ?73 mm絕緣短節(jié)+?73 mm上無磁+?73 mm大通徑三棱螺旋鉆桿+…+ ?73 mm大通徑三棱螺旋鉆桿+大通孔送風器。

1、2號鉆孔采用空氣定向鉆進技術施工，3號鉆孔采用泡沫定向鉆進技術施工。鉆進煤層未出水孔段時，應用“空氣+泡沫”復合鉆進施工方案，即空氣定向鉆進過程中間隔采用泡沫定向鉆進，間歇性向鉆孔內(nèi)注入泡沫沖洗液，以達到降溫潤滑空氣螺桿馬達，降低孔口返出煤塵的目的；鉆進煤層出水孔段時，采用泡沫定向鉆進施工方案，利用泡沫排出孔內(nèi)積水，降低鉆渣運移阻力，增強排渣效果，以提高成孔深度。

3.3 試驗結果

在3號順煤層定向鉆孔中試驗泡沫鉆進工藝技術，0～106 m煤層未出水孔段采用“空氣+泡沫”復合鉆進施工方案，鉆進過程正常，孔口煤塵較少；106 m孔深位置煤層開始出水，采用空氣定向鉆進時孔口返風少，無煤渣返出，無法正常鉆進，此時切換為泡沫定向鉆進，大量泡沫從孔口返出帶出孔內(nèi)積水，泡沫和水返出一定時間后鉆渣逐漸被攜帶出，待鉆進壓力和回轉壓力恢復正常后繼續(xù)鉆進，順利鉆至146 m；146 m孔深位置孔口沒有出現(xiàn)返水現(xiàn)象，判斷煤層未出水，切換為“空氣+泡沫”復合鉆進施工方案，順利施工至孔深232 m。

與未應用泡沫鉆進施工方案的1、2號順煤層定向鉆孔相比(煤層均出水)，成孔深度分別提高97%、105%，如圖9所示，顯著提高了順煤層定向鉆孔的成孔深度，有助于增強碎軟煤層瓦斯抽采效果。

圖9 順煤層定向鉆孔成孔深度對比

4 結論

a.基于泡沫高效攜渣原理，開發(fā)了碎軟煤層泡沫定向鉆進技術，在淮北宿州某礦開展了碎軟煤層泡沫定向鉆進技術應用試驗，順利施工了主孔深度232 m的順煤層定向鉆孔，與應用空氣定向鉆進技術的1、2號鉆孔相比，成孔深度分別提高97%、105%，顯著提高了順煤層定向鉆孔的成孔深度。

b．利用室內(nèi)攪拌測試法選型了“5‰發(fā)泡劑+ 0.6‰穩(wěn)泡劑、200～100︰1氣液比”的泡沫配方，開發(fā)了一體式?jīng)_擊射流發(fā)泡方案，能夠連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生泡沫，可為碎軟煤層定向鉆進泡沫配置提供技術借鑒。

c．碎軟煤層泡沫定向鉆進技術可以實現(xiàn)螺桿鉆具降溫和潤滑，孔口煤塵泡沫高效處理，適用于煤層出水工況，有助于增強碎軟煤層瓦斯抽采效果，為解決碎軟煤層出水工況下鉆進排渣難題提供了一種有效技術途徑。

d．孔口返出泡沫含有煤渣的泡沫液，不能重復利用，造成了泡沫液的浪費。建議開發(fā)適用于碎軟煤層泡沫定向鉆進的固液分離技術，以實現(xiàn)泡沫液循環(huán)使用。

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Application of air foam composite directional drilling technology in broken soft coal seams

LIU Jianlin, FANG Jun, CHU Zhiwei, YANG Weifeng

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to meet the requirements of air screw motor cooling and lubrication, coal dust removal treatment at the orifice and water outlet disposal in the air directional drilling, an air foam composite directional drilling technology for broken soft coal seams has been developed based on the analysis of drilling slag migration characteristics of air directional drilling. The key technologies such as stable and efficient foaming, “mechanical + foam” composite slag discharge and “air + foam” composite drilling were integrated. The technology was also equipped with directional drillrig, foam generation perfusion system, air screw motor, special-shaped drill pipe and measurement while drilling system, etc.The application test was carried out in the coal mine in Suzhou, Anhui Province. Thedirectional borehole with the main hole depth of 232 m was successfully constructed along the coal seams in the broken soft coal seam. Compared with the boreholes using air directional drilling technology, the hole forming depth was increased by 97% and 105% respectively,which significantly improved the hole forming depth of directional drilling along the broken soft coal seams. The technology is helpful to enhance the gas extraction effect in the broken soft coal seams, and to achieve the purpose of cooling and lubricating the air screw motor and reducing the coal dust from the orifice. Finally, it can provide a new technical way for directional drilling construction of broken soft coal seams.

broken soft coal seam; foam;air; slagging; composite drilling; directional drilling

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TD421

A

1001-1986(2021)05-0278-08

2021-05-25；

2021-06-22

國家科技重大專項任務(2016ZX05067-001-003)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項項目(2018-TD-ZD016)

劉建林，1981年生，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，研究員，從事井下新鉆探工藝技術研究. E-mail：liujianlin@cctegxian.com

褚志偉，1989年生，男，河北廊坊人，碩士，助理研究員，從事井下新鉆探工藝技術研究. E-mail：chuzhiwei@cctegxian.com

劉建林，方俊，褚志偉，等. 碎軟煤層空氣泡沫復合定向鉆進技術應用研究[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(5)：278–285. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.032

LIU Jianlin，F(xiàn)ANG Jun，CHU Zhiwei，et al. Application of air foam composite directional drilling technology in broken soft coal seams[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：278–285. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.05.032

(責任編輯 郭東瓊)