煤矿井下3 000 m顺煤层定向钻孔钻进关键技术_石智军.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Shenhua Shendong Coal Group Co., Ltd, Shenmu 719315, China Abstract The pre-mining gas governance mode in Baode coal mine requires that long directional borehole of more than 3 000 m can be drilled along coal seam. In view of the existing technology and equipment, there are technical problems in the construction of ultra-long directional borehole, such as the difficulty of sliding drilling, the large hydraulic pressure consumption in inlet waterway, the limited transmission distance of wireline MWD signal, and incapability of ing liquid recycle. The technology of friction reduction in sliding drilling based on the hydrau- lic thrust of DHM and the torsion penetration of the ultra-long drilling tool, the technology of trajectory control with compound drilling based on angle control with rotary drilling and branch drilling are developed. The system of low-pressure water consumption, mud pulse wireless MWD and purification circulatory for ing fluid are de- signed. Combined with the production needs of Baode coal mine, an ultra-long in-seam directional borehole through mining face with the depth of 3 353 m and the borehole diameter of 120 mm was completed. The drilling ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 47 卷 results show that the friction reduction technology of sliding drilling effectively reduces the sliding penetration pressure and improves the ability of deep borehole with sliding drilling markedly; the technology of trajectory control based on compound drilling can control the borehole trajectory effectively, which ensures the borehole along the coal seam, and improves the drilling capacity and efficiency; the signal transmission of mud pulse wire- less MWD system is stable and reliable, which overcomes the limitation of signal long-distance transmission by wireline MWD system; the purification circulatory system for ing fluid has good cleaning effect, which real- izes the circulation of ing fluid in directional drilling. The research results are of great significance to support the advance control of gas in large area of coal mine, the engineering of replacing tunnel with borehole, the pre- vention and control of water disaster and the geological exploration. Keywords in-seam; ultra-long directional borehole; in-borehole friction reduction technology; compound drilling; side- tracking branch well; mud pulse; purification circulatory system for ing liquid 随着煤矿区开采向深部转移，同时为了适应矿 井中长期生产规划， 保德煤矿提出了“大盘区采前瓦 斯超前治理”的思路， 即利用井下顺煤层超长定向钻 孔对中长期规划的工作面进行区域预抽，降低煤层 瓦斯含量，为后期工作面开拓、回采解除瓦斯隐患。 保德煤矿工作面走向长度普遍超过 3 000 m， 其中，二、三盘区深部区属于开采规划区，工作面 规划区走向长度 3 320 m，综采面长 240 m，计划 开采时间分别在 7 a 和 4 a 以后，目前两个盘区大 巷均已形成， 具备施工顺煤层瓦斯抽采超长定向钻 孔的条件。 通过前期攻关，保德煤矿井下顺煤层定向钻孔 深度普遍能够达到 1 500 m，最大深度 2 570 m[1-2]， 二、三盘区分别采用“双向对接”和“递进衔接”的方 式完成工作面抽采定向钻孔的全覆盖，以此进行大 盘区瓦斯超前治理， 并取得了较好的瓦斯治理效果。 然而， 这种布孔方式及施工方法仍存在预抽不充分、 易造成抽掘失调、辅助运输作业工作量大、抽采设 施投入大等不足。针对这些问题，研究人员率先在 保德煤矿提出了采用长度 3 000 m 以上顺煤层超长 定向钻孔一次性覆盖工作面，实现大盘区瓦斯高效 治理的技术思路。 笔者将从 3 000 m 顺煤层定向钻孔成孔实际需 要出发，基于 2 311 m、2 570 m 定向钻孔研究成果， 开展超长定向钻孔钻进关键技术研究及应用。 1 技术难点 依托目前现有的技术装备，要实现 3 000 m 顺 煤层定向钻孔施工需要解决以下 4 个方面难题。 1.1 超长孔滑动造斜钻进难题 超长定向钻孔施工采用复合定向钻进工艺，其 轨迹控制采用“滑动纠偏复合稳斜”的方法，因此， 滑动钻进在超长定向钻孔施工中必不可少，且一定 程度上直接决定着顺煤层定向钻孔的钻进深度。受 钻具摩阻力影响，随着钻孔深度增加滑动钻进给进 力呈指数上升趋势[3]，极易达到设备能力极限，现 有钻进技术装备仅能够满足孔深 2 000 m 以内滑动 钻进需要。 此外，滑动钻进是井下无孔底侧钻开分支的基 本方法，深孔条件下，受钻具与孔壁间摩擦力影响， 滑动给进力增大，导致开分支滑动给进速度难以稳 定控制，使得开分支效率及成功率大幅下降，目前， 煤矿井下顺煤层定向孔中滑动开分支最大深度不超 过 1 800 m。 根据定向钻孔顺煤层递进式钻进工艺特 点， 深孔开分支难题直接影响了钻孔的煤层钻遇率， 限制了顺煤层钻孔深度的增加[4]。 1.2 高压水路压耗过大难题 煤矿井下定向钻孔轨迹测量参数采用专用通缆 钻杆传输， 高压水流压耗受钻杆通缆结构的影响大。 实践表明，当孔深达到 1 700 m 时，现有泥浆泵压 力接近额定压力，影响了孔底螺杆钻具动力输出， 造成钻进效率下降，只能采用降低泵量的方法继续 钻进，但这样会导致环空返水流速降低，不利于环 空排渣[3-4]。 1.3 随钻测量系统信号长距离传输难题 目前，煤矿井下有线测量系统传输距离可以达 到 2 300 m 以上[5]，但随着钻孔深度的增加，通缆钻 杆传输线路中的阻抗逐渐增大，同时随着钻杆服役 期限延长，通缆结构磨损老化、密封性下降，造成 随钻测量信号传输强度逐渐衰减， 无法满足 3 000 m 定向钻孔施工需要。 1.4 冲洗液循环利用难题 目前，煤矿井下定向钻进所用冲洗液以清水为 主， 孔内返出污水经简单沉淀处理后排到井下水仓， 无法实现循环利用。超长孔施工周期较长，冲洗液 消耗量及排污量大，不利于实现绿色、环保钻进施 工，而且增加了辅助工作量。 2 关键技术 2.1 定向孔滑动钻进减阻技术 2.1.1 螺杆钻具水力加压减阻技术 针对超长孔滑动定向钻进难题，研究提出了水 ChaoXing 第 6 期 石智军等 煤矿井下 3 000 m 顺煤层定向钻孔钻进关键技术 3 力加压螺杆钻具代替常规螺杆钻具作为孔底动力工 具的方案。钻进过程中，流体驱动螺杆转子旋转时， 流体入口高压区与流体出口低压区之间存在压 差Δp， 压差作用下转子产生的轴向力 T可由式1[6-7] 计算。  RG 1TpANA    1 式中 T 为转子轴向力，N；Δp 为流体压差，Pa；AR 为转子截面积，m2；AG为过流面积，m2；N 为转子 头数。 经计算，正常钻进工况下 Ф89 mm 螺杆钻具转 子轴向力能够达到 6 kN，完全可以满足 Ф120 mm PDC 定向钻头钻进中硬煤层的钻压要求。 基于上述原理，设计水力加压螺杆钻具，使转子 旋转的同时，能够带动传动轴产生一定的轴向位移， 相当于给钻头施加轴向推力，降低了孔内钻杆柱弯曲 强度及轴向摩擦力，起到滑动钻进减阻的效果。 2.1.2 超长钻具正反扭转给进减阻技术 正反扭转钻进技术是基于深孔条件下复合钻进 给进力远低于滑动钻进给进力这一特点来实现减阻 钻进的工艺方法。钻进过程中，钻机带动钻杆进行 少量正反方向等量交变扭转[8-10]，由于钻杆柱受沿 程阻力影响发生弹性变形，钻杆柱少量正反转动不 会传递到孔底，便在钻杆柱轴线上某一位置存在一 个扭矩与钻具摩阻相平衡的中性点，在扭转量小于 钻柱整体转动量的情况下，交变扭转量越大中性点 越靠近孔底，反之，中性点越靠近孔口。中性点到 孔口之间的钻杆柱作正反等量扭转与滑动的复合运 动，与复合钻进钻具运动特点相近；中性点到钻头 之间的钻杆柱作纯滑动运动，即滑动钻进。这种将 复合给进与滑动给进相结合的钻进工艺方法可以有 效降低滑动定向钻进阻力，提高定向钻进能力。 2.2 超长定向孔轨迹控制技术 2.2.1 复合回转钻进倾角控制技术 通过复合钻进倾角控制可有效减少滑动定向钻 进进尺比例，从而起到降低钻进阻力、提高钻孔深 度和钻进效率的作用[11-12]。前期试验中，复合钻进 倾角控制造斜率最大约 0.15/m， 为了进一步提高复 合钻进倾角控制能力，开发了煤矿井下用单弯单稳 螺杆钻具，其稳定器直径 116 mm、弯角 1.5。 根据“岩屑楔”理论[13]，高钻速、低转速工况下， 当工具面旋转至 090和 270360时，螺杆钻具 的弯角越大，增倾角能力越强，稳定器受堆积钻屑 的支撑效果越好，能进一步强化钻头向上造斜的趋 势； 当工具面旋转至 90270时， 受钻屑支撑作用， 削弱了钻头向下侧向切削能力。 低钻速、高转速工况下，弯头朝向更快速的周 期变化，工具面旋转至 90270时，钻头外出刃切 削下侧孔壁[14-15]，使钻孔轨迹向下倾斜，从而实现 降倾角复合钻进；此外，更大的螺杆钻具弯角增加 了工具面在 90270时钻头支点与相邻支点之间悬 空钻具的长度[16]，从而增加了钻头的侧向切削力， 提高了复合钻进降倾角造斜能力。 2.2.2 复合回转钻进开分支技术 基于 1.5大弯角螺杆钻具侧向切削和定向钻头 侧出刃结构设计， 与复合钻进降倾角控制原理相似， 采用低钻速、高转速工艺方法，钻头侧出刃连续切 削已形成的孔壁下边缘，钻头向前推进的同时还向 下侵入下孔壁的煤岩体中，当钻头完全进入下侧孔 壁后，完成开分支作业[16]。 2.3 低压耗水路系统 为解决原有水路系统压耗高问题，对孔口水路 系统进行了优化设计，一方面，将产生局部阻力的 节点通径增加 6 mm 以上；另一方面，研制的大通 孔高强度无缆定向钻杆接头、杆体通径分别达到 Ф58 mm 和 Ф77 mm；研制的机械密封式大通孔送 水器，通孔直径由原来的 18 mm 增大到 42 mm。 2.4 泥浆脉冲无线随钻测量技术 2.4.1 系统组成及原理 为解决超长孔随钻测量信号稳定传输问题，研 究试验了煤矿井下近水平孔泥浆脉冲无线随钻测量 信号超长距离传输技术，配套测量系统由孔口单元 和孔底单元两部分组成，其中孔口单元由防爆计算 机、键盘、存储器、压力变送器、测量软件、数据 采集板等组成；孔底单元由测量探管、电池筒、驱 动短节、脉冲发生器等组成。该系统工作原理是 停钻停泵后孔底测量探管采集钻孔轨迹及钻具姿态 参数并进行编码，开泵时探管将数据传递给驱动短 接，驱动短接根据数据编码控制电磁阀动作，控制 脉冲发生器改变高压水过流面积，从而产生泥浆泵 压正向的脉冲变化，由安装在孔口高压水管路上的 压力变送器接收压力变化并发送给防爆计算机，通 过解码得出随钻测量数据[17]。这种通过水压变化的 测量信号无线传输方式，摆脱了有线测量系统信号 传输对通缆钻杆的依赖。 2.4.2 参数设定 为保证 3 000 m 超长钻孔泥浆脉冲信号传输质 量，对测量探管脉冲参数进行了合理优化。由于钻 孔长度、进尺量大，需要从泥浆脉冲信号传输质量、 传输效率两个方面考虑。 影响泥浆脉冲信号传输质量的系统设置参数主 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 47 卷 要有脉冲宽度、槽宽和最小间隔。其中，脉冲宽度 对应的是驱动装置中电磁阀的加电时间，时间越长 脉冲幅值越大，同时驱动耗电量越大，一般在 1 1.4 s，为保证超长定向钻孔探管电池续航需要，将 脉冲宽度控制为 1 s；槽宽是分辨脉冲信号的宽度， 数值越大，数据可靠性越高，但发送的时间越长， 通常情况下，槽宽和脉冲宽度设定一致，设为 1 s； 最小间隔指脉冲波之间的最小间隔，数值越大信号 解析越好，但信号传输时间越长，一般取脉冲宽度 的 24 倍，为了避免超长孔条件下脉冲变形可能导 致信号解析困难问题，最小间隔设为 4 s；此外，为 了提高信号传输效率、降低电量消耗，将系统发送 工具面设为 2 组，每组包含 2 个工具面[18-19]。 2.5 冲洗液净化循环系统 冲洗液净化循环系统主要由振动筛单元、离心 机单元和循环单元组成，泥浆泵通过钻杆泵送高压 冲洗液驱动孔底螺杆钻具做功，冲洗液流经环空后 依次进入一级、二级孔口气水分离器，实现瓦斯与 固液分离，再流入孔口沉淀箱，冲洗液经简单沉淀 后，利用风动隔膜泵将其输送至振动筛，机械筛分 出粒径大于网孔直径的固相颗粒并通过排渣口排 出，冲洗液携带细小的钻屑透过筛网进入振动筛储 液罐，再利用风动隔膜泵将振动筛储液罐中的冲洗 液注入离心机继续进行净化，离心机高速旋转形成 离心力场，细小的固体颗粒和液体在离心力作用下 分离，固相由出渣口排出，液相进入离心机储液罐， 从而完成全部冲洗液净化流程，泥浆泵对离心机储 液罐中的冲洗液加压后再次输入孔内，钻进中根据 需要向系统补充清水，从而实现井下定向钻进冲洗 液净化和循环利用。 3 现场试验 3.1 钻孔设计 钻场位于山西保德煤矿 81210 工作面北侧的五 盘区集中一号回风大巷，与三下盘区二号回风大 巷沿工作面走向间距 3 320 m， 水平距 81210 工作面 设计胶运顺槽约 50 m，水平位移约 38 m，钻孔轨迹 设计平面图如图 1 所示。 图 1 钻孔轨迹设计平面图 Fig.1 The design plan of borehole trajectory 3.2 设备配套 试验选配 ZDY15000LD 大功率定向钻机，最 大输出扭矩 15 000 Nm、给进/起拔力 300 kN，转 速范围 40135 r/min，可满足多种钻进工艺及钻孔 事故处理需要； 配套 BLY460/13 泥浆泵车可实现泵 量 0460 L/min 无级调节，泥浆泵额定输出压力 13 MPa[8]；采用 YHD3-3000 泥浆脉冲随钻测量系 统，配套 Ф89 mm 高强度大通孔定向钻具，一次成 孔 Ф120 mm。 3.3 施工情况 2019 年 8 月 19 日开孔钻进，历时 21 d，成功 完成了主孔深度 3 353 m 的顺煤层超长定向钻孔， 创造了井下顺煤层定向钻孔最深纪录。单孔施工总 进尺 4 428 m，探顶、探底分支 13 次，主孔煤层钻 遇率 100，日平均进尺 210 m；该钻孔成功贯穿 81210 工作面，与相临三盘区二号回风大巷成功贯 通， 中靶坐标误差小于 0.15， 钻孔实钻轨迹如图 2 所示。 图 2 3 353 m 顺煤层定向钻孔实钻轨迹 Fig.2 The actual drilling trajectory of in-seam borehole of 3 353 m ChaoXing 第 6 期 石智军等 煤矿井下 3 000 m 顺煤层定向钻孔钻进关键技术 5 3.4 钻进效果分析 3.4.1 滑动钻进减阻效果 与采用常规螺杆钻具施工的 2 570 m 定向孔给 进压力进行对比，如图 3 所示，水力加压螺杆滑动 钻进给进压力在 0900 m 孔段与常规螺杆接近，且 滑动给进压力随孔深增加缓慢上升； 9001 700 m 孔 段，常规螺杆滑动给进压力呈加速上升趋势，水力 加压螺杆给进压力近似线性增加，孔深 1 700 m 时， 常规螺杆钻具和水力加压螺杆钻具滑动给进压力分 别为 14 MPa 和 9 MPa；1 7002 200 m 孔段，常规 螺杆滑动给进压力继续加速上升，水力加压螺杆钻 具给进压力开始加速上升，但变化率低于常规螺杆 钻具；孔深 2 200 m 时，常规螺杆钻具和水力加压 螺杆钻具滑动给进压力分别为 23 MPa 和 16 MPa。 图 3 两种螺杆钻具滑动给进压力随孔深变化对比曲线 Fig.3 The contrast curves of variation of sliding penetration pressure of two kinds of DHM with borehole depth 在孔深 2 000 m 以后，采用正反扭转钻进工艺 代替了纯滑动钻进， 扭转量 145360。 如图 4 所示， 孔深 2 0002 200 m 孔段，正反扭转钻进给进压力 1013 MPa，较纯滑动给进压力降低 24 MPa。 图 4 纯滑动与正反扭转滑动钻进给进压力对比曲线 Fig.4 The contrast curves of penetration pressure of pure sliding drilling and torsional sliding drilling 螺杆钻具水力加压及正反扭转钻进工艺均有效 降低了给进压力，滑动钻进深度达到了 2 700 m，滑 动开分支最大深度也达到了 2 076 m。 3.4.2 复合钻进轨迹控制效果 通过对复合钻进孔口转速和给进速度调整配 合，实现了倾角控制，增倾角与降倾角造斜强度分 别能够达到 0.18/m 和 0.22/m，满足了井下定向钻 进轨迹控制需要，基于该技术与 1.5弯角螺杆钻具 的结合，总进尺量中的复合钻进占比达到 91.5， 降低了施工难度，提高了钻进效率。 通过“高转速、慢给进”的复合钻进方法成功实 现了孔深 2 424 m、2 832 m、3 036 m 和 3 198 m 开 分支作业， 开分支成孔率 100，创新了超长孔侧钻 分支方法，降低了开分支难度，提高了开分支深度 和成功率。 基于复合钻进的轨迹控制技术和开分支技术， 成功解决了超长钻孔条件下轨迹控制难题，保证了 钻孔轨迹沿煤层延伸，穿煤率达到 100。 3.4.3 水路减阻效果 采用高强度大通孔定向钻杆及大通孔送水器对 装备水路系统进行优化，钻进时泥浆泵压力较以往 大幅度下降。如图 5 所示，钻进泥浆泵压随孔深呈 线性增加趋势，孔深 2 300 m、泵量 300 L/min 条件 下，泥浆泵压为 4.2 MPa，距 13 MPa 极限压力仍有 很大的富余量， 2 3003 353 m 孔段还可以增加泵量， 提高排渣效率， 孔深 3 353 m 的泥浆泵压为 5.6 MPa， 对应泵量 350 L/min。 高压水路的优化解决了泥浆泵 压过高和泵量不足问题。 图 5 泥浆泵压力与泵量随孔深变化曲线 Fig. 5 Variation of mud pump pressure and pump volume with borehole depth 3.4.4 泥浆脉冲随钻测量信号传输效果 基于合理的脉冲测量参数设定和较低的泥浆泵 基础压力，泵量 150 L/min 条件下，测量信号平均 幅值达到 1.5 MPa，脉冲波形良好、清晰，信号传 输稳定，连续测量达 900 余次，未出现误码现象； 同时，通过优化数据传输设置节约系统耗电量，采 用单根电池筒供电实现了“一趟钻”施工，提高了综 合施工效率。 3.4.5 冲洗液循环净化系统效果 利用井下冲洗液循环净化系统实现了定向钻进 用水的循环利用，现场应用表明，该系统净化效果 良好，满足了井下定向钻进泥浆泵、螺杆钻具、泥 浆脉冲随钻测量系统等对水质要求，大大减少了井 下定向钻进用水量及排污量。 4 结 论 a. 通过工艺技术创新和配套机具优化，满足了 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 47 卷 3 000 m 以上顺煤层超长定向钻孔施工需要， 实现了 与井下巷道 3 353 m 超长距离精确贯通，为大盘区 采前瓦斯区域治理提供了可靠的技术与装备保障。 b. 滑动钻进减阻方法有效降低了滑动给进力， 提高了滑动钻进深度；复合钻进的轨迹控制技术解 决了超长钻孔轨迹控制难题，保证了钻孔沿煤层延 伸，提高了钻进能力和效率。 c. 基于低压耗水路系统和科学的系统参数匹配， YHD3-3000 泥浆脉冲随钻测量系统实现了 3 000 m 以 上超长定向钻孔测量信号高质量、稳定传输，解决了 有线随钻测量信号传输受通缆钻杆制约的问题。 d. 井下冲洗液净化循环系统实现了定向钻进 冲洗液循环利用，有效降低了定向钻进施工用水量 和排污量， 促进了煤矿井下绿色钻探技术装备发展。 参考文献 [1] 石智军，姚克，田宏亮，等. 煤矿井下随钻测量定向钻进 技术与装备现状及展望[J]. 煤炭科学技术，2019，475 22–28. 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