桑树坪二号井矿预掘巷道顶板梳状定向钻孔关键技术_杨哲.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 桑树坪二号井矿预掘巷道顶板梳状定向钻孔 关键技术 杨哲， 栗子剑， 李鹏 （中煤科工集团西安研究院有限公司 西安 710077） 摘要 针对桑树坪二号井矿碎软煤层巷道掘进中瓦斯涌出难题， 通过对梳状定向长钻孔的布 孔方式、 分支孔间距、 施工工艺、 轨迹控制、 分支测钻、 原孔重入等关键技术进行研究， 形成了一 套适用于钻孔掩护预掘巷道的前进式顶板梳状定向长钻孔工艺关键技术。现场应用表明 该技 术有效解决碎软煤层成孔率低、 轨迹控制精度低、 施工事故率高等难题， 为后续水力压裂增透技 术的成功实施提供可靠通道。 关键词 梳状定向钻孔； 轨迹控制； 瓦斯治理； 施工工艺； 分支测钻 中图分类号 TD41文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0096-04 Key Technologies of Roof Comb Type Directional Drilling in Pre-driving Roadway of Sangshuping No.2 Coal Mine YANG Zhe, LI Zijian, LI Peng （China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract Aiming at the problem of gas emission in roadway driving of crushed soft coal seam in the Sangshuping No.2 Coal Mine, the key technologies of comb type directional long drilling are studied such as the hole arrangement way, branch hole spacing, construction process, track control, branch measurement drilling and original hole reentry, and a set of key technologies of forward comb type directional drilling techniques suitable for drilling cover excavation of pre-driving roadways are ed. The field application shows that the technologies can effectively solve the problems of low pore ation rate, low trajectory control accuracy and high construction accident rate, and provide the reliable channel for the successful implementation of hydraulic fracturing technology. Key words comb type directional drilling; trajectory control; gas treatment; construction process; branch measurement drilling 桑树坪煤矿二号井为煤与瓦斯突出矿井， 目前， 主采煤层为 3煤层， 3煤层以煤体破碎、瓦斯压力 大、渗透性低的碎软煤为主，瓦斯含量 7.65～15.98 m3/t。目前， 该矿瓦斯预抽主要以井下常规钻孔为主 [1 - 8 ]， 但该方法存在成孔率低、 抽采面积小、 无效进尺 多、 施工效率低等缺点， 瓦斯预抽效果不理想， 严重 影响矿区安全生产。 为解决该矿瓦斯抽采难题，缓解矿井采掘接续 紧张局面，拟在矿井三采区北带式输送机大巷向 3 煤层顶板岩层首次采用梳状长钻孔水力压裂瓦斯预 抽技术[9-15]， 梳状定向长钻孔轨迹控制是该技术应用 的前提和基本保障。为此对影响梳状定向长钻孔施 工工艺、 轨迹控制、 分支侧钻、 原孔重入等关键技术 进行研究，为水力压裂和后续瓦斯抽采提供可靠通 道，实现安全高效抽采预掘巷道瓦斯，保障矿井巷 道安全掘进。 1顶板梳状定向钻孔布局 1.1定向钻孔布局 顶板梳状定向钻孔由布置在近煤层顶板的主孔 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.019 杨哲， 栗子剑， 李鹏.桑树坪二号井矿预掘巷道顶板梳状定向钻孔关键技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 96-99. YANG Zhe, LI Zijian, LI Peng. Key Technologies of Roof Comb Type Directional Drilling in Pre-driving Roadway of Sangshuping No.2 Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 96-99.移动扫码阅读 96 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1掩护巷道掘进梳状孔平面示意图 Fig. 1Layout plan of comb hole to cover roadway excavation 和进入煤层的分支孔构成。本次实施的梳状孔主孔 布置在顶板上部 3～5 m 稳定且可钻性较好的粉砂 岩层位。既保证主孔成孔率和钻效，又可避免主孔 进入煤层。 分支孔钻进应尽可能在煤层中延伸，增加瓦斯 泄流面积。分支孔布置时需根据煤层瓦斯浓度、 压 力、透气性、抽采方式及抽采半径等因素合理确定 分支孔间距。保证前一分支在煤层中抽采边界与下 一分支抽采范围有效衔接，防止存在抽采盲区。如 后续采用水力压裂技术进行改造，可适当延长分支 孔间距。掩护巷道掘进梳状孔平面示意图如图 1。 本次施工钻孔沿预掘巷道方位线延伸 580 m， 剖面轨迹沿煤层走向钻进。因梳状钻孔掩护巷道掘 进， 分支孔全部位于主孔下部， 进入煤层后， 轨迹延 伸方位与预掘巷道保持一致，轨迹左右位移量不超 过预掘巷道宽度。 根据主孔设计长度及预抽范围，共设计 9 个分 支孔， 每间隔 50 m 向前开分支， 实际施工中， 分支 孔间距根据实钻轨迹进入煤层的夹角进行调整， 采 用合理的入煤倾角可延长分支在煤层中的平面延伸 距离。同时，钻进中需根据各分支轨迹在煤层中延 伸的长度， 实时调整各分支间距。 1.2定向钻轨迹计算方法和施工装备及机具 1） 定向钻轨迹计算。顶板梳状轨迹计算模型采 用均角全距法，根据随钻仪器测量轨迹位置某点的 倾角 θ、 方位角 α 及孔深 L， 计算该点的水平位移 x、 左右位移 y 和上下位移 z， 计算公式如下 x n i 1 Σ△Licos （θiθi-1 2 ） cos （αiαi-1 2 -λ） y n i 1 Σ△Licos （θiθi-1 2 ） sin （αiαi-1 2 -λ） z n i 1 Σ△Lisin （θiθi-1 2 ） 式中△Li为两测点间距； θi、 θi-1为钻孔 i、 i-1 测 点的倾角，（） ； αi、 αi-1为 i、 i-1 钻孔、 测点的方位角， （） ； λ 为主设计方位角，（） 。 2） 施工装备及机具。施工顶板梳状钻孔采用钻 机、 仪器、 泥浆泵及钻具如下 ①ZDY-6000LDB履 带式全液压坑道钻机，提供钻探动力；②YHD2- 1000T （A） 随钻测量系统， 测量轨迹参数； ③3NB-320 泥浆泵， 用于循环冲洗液； ④φ73 mm 通缆钻杆， 用 于传递孔口扭矩； ⑤φ73 mm 四级螺杆马达， 用于造 斜及提供定向扭； ⑥φ73 mm 无磁钻杆， 用于屏蔽磁 场干扰； ⑦φ98 mm 三翼抛物线型 PDC 钻头， 用于定 向及回转钻进； ⑧φ98 mm 四翼平角型 PDC 钻头， 用 于开分支侧钻； ⑨φ133 mm 内凹式 PDC 钻头， 用于 开孔段； ⑩φ133 mm/φ193 mm 扩孔钻头， 用于开孔 段； 11○孔口防喷装置， 用于防止瓦斯喷孔。 2顶板梳状定向钻孔关键技术 2.1煤层开孔段施工工艺 受矿井施工条件限制，顶板梳状钻孔需在本煤 层开孔， 矿区内 3煤层松软、 破碎、 稳定性差， 易发 生卡钻、 埋钻、 喷孔等事故。如开孔阶段常采用清水 携渣， 冲蚀作用会加速煤层的垮塌。为提高成孔率， 开孔段采用空气钻进， 借助煤矿井下压风系统， 以空 气为携渣介质， 选用宽翼片螺旋钻杆提高排渣效果。 开孔段应尽量增大开孔倾角，减小钻孔在碎软 煤层的段长，快速穿过煤层至顶板。根据现场施工 巷道高度、定向钻机能力及煤层倾角等参数，确定 开孔倾角为 12。主孔进入顶板稳定岩层 6 m， 下入 φ178 mm 套管， 采用全孔段水泥固孔， 试压合格后 方可进行二开施工。 开孔段采用空气钻进，一开钻进先导孔钻具组 合为 φ133 mm 内凹式 PDC 钻头φ89 mm 螺旋钻 杆，扩孔钻具组合 φ133 mm/φ193 mm 扩孔钻头 φ89 mm 螺旋钻杆。 2.2分支孔施工工艺 根据实钻地层状况、 施工周期、 设备机具和后续 抽采方式等不同， 定向段主要有 “前进式” 和 “后退 式” 2 种钻进方式。 其中 “前进式” 钻进方式本质上是 1 个分支孔叠加在另 1 个分支孔上， 实时探煤层， 实 时修正主、 分支孔设计轨迹， 同时易于实现钻具和工 具原孔重入。 由于本次施工后期需下入分段压裂管工 具至孔底， 对主孔重入要求较高， 故采用前进式开分 支钻进方法。 “前进式” 钻进方法施工流程图如图 2。 2.3分支钻孔轨迹控制 由于煤层起伏走向的不确定性，梳状钻孔在近 97 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 2前进式施工工艺流程图 Fig.2Flow chart of forward construction process 煤层顶板延伸的深度和倾角也存在不确定性，施工 时不能完全按照设计执行，而要紧密结合岩屑和钻 时变化综合分析，实时调整轨迹控制策略。为确保 钻孔沿设计轨迹延伸， 全孔采用 YHD2-1000T （A） 随 钻测量系统每钻进 3 m 测斜 1 次， 实时监控、 调整 钻孔轨迹， 顶板稳定岩层平均造斜率 0.4/m。 钻进至 煤层后为保证轨迹平滑，孔壁稳定性，采用多回转 少滑动的钻进方式， 平均造斜率为 0.17/m。 分支孔轨迹控制采用分段控制原则，前进式开 分支轨迹控制剖面图如图 3。 Ln分支施工时， a 段轨迹工具面放至增倾角增 （降） 方位， b 段轨迹工具面摆至稳倾角增（降） 方 位， c 段轨迹工具面摆至降倾角降 （增） 方位， d 段 轨迹采用稳倾角稳方位方案进入煤层。 Ln1分支施工时，退回至预留开分支点， a 段轨 迹工具面摆至强降倾角开分支，上下位移 x 方向与 原轨迹分离， b 段轨迹工具面摆至降倾角降 （增） 方 位， 左右位移 y 方向与原轨迹分离， c 段轨迹采用稳 倾角稳方位沿设计方位角 λ 钻进， d 段轨迹工具面 放至增倾角增 （降） 方位， 沿煤层倾角和设计方位 角钻进。 二开定向段采用的钻具组合为 φ98 mmPDC 钻 头φ73 mm 螺杆马达随钻测量仪器φ73 mm 上无 磁钻杆φ73 mm 通缆钻杆串。 由于梳状钻孔需要掩护巷道掘进，轨迹延伸方 位既要考虑到顶板和煤层在上下位移 x 的偏差， 也 要兼顾左右位移 y 不超过巷道边缘。随钻测量仪器 的测点与钻头存在约 3 m 盲区， 孔底倾角、 方位角 需要根据已钻地层造斜率进行预测，故轨迹控制对 现场定向人员提出了更高的要求。 2.4顶板梳状钻孔开分支 顶板梳状钻孔悬空侧钻开分支钻头处的侧向切 削力主要依靠钻具自重提供，扭矩则由螺杆马达提 供。为更好增加钻头侧切力，本次侧钻施工优选造 斜能力更强的 φ98 mm 四翼平角型 PDC 钻头。开分 支作业时，将工具面摆至强降倾角位置 （175～ 185） ， 在侧钻点前 2～3 m 处开泵进行划槽作业， 划 槽 30～40 min 后， 控时钻进， 第 1 m 钻时保持在 1 h/ m， 第 2 m 钻时保持在 50 min/m， 依次递减 10 min， 直到孔口返水颜色变化， 有明显岩屑颗粒。此时， 可 适当提高给进压力， 孔底工具面反扭角有显著变化， 钻头充分切削新地层，表明侧钻成功。根据后续测 斜数据验证侧钻成功后， 可按设计正常定向钻进。 如反复尝试未能开出分支，可更换大角度单弯 螺杆， 可提高侧钻成功率， 也可根据地层情况增加划 槽和控时钻进时长。 2.5原孔重入 顶板梳状钻孔施工过程中， 因更换仪器、 钻头等 原因起钻， 钻具需再次下入原分支孔时， 钻具可能进 入前部其他分支孔。本次施工采用调整工具面法保 证钻具再次下入原孔。 因分支孔侧钻均采用向下开分支的方式，先降 倾角再扭方位的方式， 因此再次下入时， 应采用原钻 具组合， 调整工具面至原深度侧钻时的工具面， 缓慢 下放钻具，测斜点下过侧钻点后测斜，与原孔深倾 角、 方位进行对比， 以判断是否进入预定分支孔。同 图 3前进式开分支轨迹控制剖面图 Fig.3Forward branch trajectory control profile 98 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 作者简介 杨哲 （1985） ， 陕西宝鸡人， 助理研究员， 硕士， 2011 年毕业于西安建筑科技大学，从事煤矿区钻井 技术和装备的研究及推广工作。 （收稿日期 2020-01-17； 责任编辑 李力欣） 时，选用孔口供电式随钻测量系统，该系统测量数 据不需要开启泥浆泵即可传递信号，可减少对侧钻 点处的扰动， 提高孔壁稳定性， 利于钻具下入原孔。 此方法工艺简单，现场易于实施，本次施工起钻后 原孔重入率达到 100。 3现场应用 桑树坪二号井三采区北运输大巷向 3煤层顶 板梳状钻孔按设计施工 9 个分支钻孔总进尺 1 188 m， 梳状分支孔实钻轨迹剖面图如图 4。 分支孔钻遇煤层段虽伴有喷孔、顶钻现象， 但 未出现塌孔卡钻情况， 9 个分支孔成孔率为 100， 其中煤层段进尺 285 m。本次施工按预掘巷道方位 线延伸长度为 588 m。后续分段压裂施工管串成功 下至 L9分支侧钻点 477 m， 为水力压裂增透技术的 成功实施和瓦斯预抽采提供可靠通道。 现场监测数据显示，区域瓦斯预抽采 90 d， 瓦 斯预抽纯量平均 1.56 m3/min， 是常规钻孔瓦斯预抽 纯量的 4 倍以上。从预抽采效果分析，顶板梳状定 向长钻孔改善预抽效果显著，充分证明其在掩护巷 道掘进中的适用性。 4结语 1） 分支孔间距设计和侧钻点选择是顶板梳状分 支孔轨迹控制方案的关键因素，同时也决定了分支 孔的入煤倾角及在煤层中的延伸距离，根据后续预 抽采要求， 可优化分支孔间距， 提高预抽效率。 2） 为保证水力压裂工具顺利下至最深分支孔， 易选用前进式开分支工艺，而钻孔轨迹的精确控制 和原孔重入技术是该工艺实现的前提。 3） 现场应用表明顶板梳状定向钻孔可有效解决 本煤层钻进掉块、塌孔等成孔率低及轨迹控制精度 低等难题， 可为水力压裂增透技术提供可靠通道， 有 效提高预掘巷道瓦斯抽采效果，实现梳状定向长钻 孔掩护巷道安全掘进。 参考文献 ［1］ 彭冬， 赵永哲， 段会军， 等.高位定向钻孔在上隅角瓦 斯治理的研究应用 ［J］ .中国煤炭地质， 2019， 31 （4） 38-41. ［2］ 王建强.定向钻进技术在松软煤层瓦斯抽放中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （5） 142-145. ［3］ 赵建国， 赵江鹏， 许超， 等.煤矿井下复合定向钻进技 术研究与应用 ［J］ .煤田地质与勘探， 2018， 46 （4） 202-206. ［4］ 左明星， 韩亮.煤矿瓦斯抽采技术及应用研究 ［J］ .中国 煤炭地质， 2018， 30 （7） 32-34. ［5］ 陶涛， 关金锋.基于瓦斯抽采穿层钻孔的瓦斯地质勘 查研究 ［J］ .中国煤炭地质， 2014， 26 （6） 26-29. ［6］ 赵继展.松软煤层底板定向长钻瓦斯抽采技术实践 ［J］ .煤矿安全， 2015， 46 （8） 111-113. ［7］ 常先隐， 王震.新集二矿 210108 工作面瓦斯抽采技术 研究 ［J］ .煤矿机械， 2018， 39 （3） 45-46. ［8］ 徐培远， 张晓昂.煤矿瓦斯预抽采地面水平井与井下 连通技术探讨 ［J］ 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