超长定向钻孔滑动钻进减阻技术及其应用_王鲜.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 超长定向钻孔滑动钻进减阻技术及其应用 王鲜， 姜磊， 李泉新， 许超 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 针对煤矿井下近水平深孔条件下， 滑动定向钻进时钻进阻力大、 钻进效率低、 钻孔深度 受限等问题， 研究形成了滑动钻进减阻技术， 包括水力加压钻进技术和正反扭转钻进技术。应用 该技术在保德煤矿完成了 3 353 m 的顺煤层超长定向钻孔， 分析钻进工艺参数表明 该技术具 有明显的滑动钻进减阻效果， 对于提高煤矿井下超长定向孔钻进能力、 钻进效率及钻孔轨迹控 制精度具有重要意义。 关键词 瓦斯抽采； 顺煤层钻孔； 超长定向钻孔； 滑动钻进； 减阻技术 中图分类号 TD41文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0117-04 Drag Reduction Technology of Ultra-long Directional Drilling and Its Application WANG Xian, JIANG Lei, LI Quanxin, XU Chao （China Coal Technology drilling along coal seam; ultra-long directional drilling; sliding drilling; drag reduction technology 煤矿井下定向钻孔可以实现钻孔轨迹精确控 制，保证钻孔在煤层中有效延伸，增加钻孔瓦斯抽 采量， 是国际上实现瓦斯高效抽采的重要手段[1]。长 期以来，煤矿井下定向钻进主要采用滑动定向钻进 技术，钻进过程中钻孔轨迹连续变化，钻孔弯曲曲 率大、 排渣效果差、 钻进效率低， 钻孔深度难以突破 1 500 m。为克服滑动定向钻进技术的不足， 相关学 者提出了复合定向钻进工艺[2-3]， 在需要定向造斜时 采用滑动定向钻进，无需造斜时采用复合钻进， 有 效改善了钻孔弯曲状况，降低了钻进过程中钻具与 孔壁间摩擦阻力，提高了煤矿井下定向钻孔钻进效 率、 钻进安全性和深孔钻进能力[4-6]。 然而， 复合定向钻进工艺所采用的 “滑动造斜 复合稳斜”的钻进模式决定了钻孔过程中必不可少 要应用滑动定向钻进，而在煤矿井下超长定向钻孔 施工中，随着钻孔深度增加，滑动钻进时孔内摩阻 持续增长，最终将达到钻进设备能力极限致使滑动 定向钻进技术无法应用，这在很大程度上限制了超 长定向钻孔轨迹控制精度和钻孔深度。因此，为进 一步提高煤矿井下定向钻孔钻进能力，适应大盘区 煤层瓦斯超前治理对定向钻孔深度的更高要求， 研 究形成了滑动定向钻进减阻技术，并在工程实践中 取得了良好的应用效果。 1滑动定向钻进减阻技术 滑动定向钻进时钻进阻力主要来源于孔底碎岩 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.024 王鲜， 姜磊， 李泉新， 等.超长定向钻孔滑动钻进减阻技术及其应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 117-120. WANG Xian, JIANG Lei, LI Quanxin, et al. Drag Reduction Technology of Ultra-long Directional Drilling and Its Application ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 117-120.移动扫码阅读 基金项目中国煤炭科工集团西安研究院有限公司科技创新资助 项目 （2019XAYZD01） 117 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 阻力和孔壁摩擦阻力 2 个方面，针对这 2 部分阻力 来源，分别形成了水力加压钻进技术和正反扭转给 进技术。 1.1水力加压钻进技术 水力加压钻进技术是借助水力加压螺杆钻具， 钻进过程中通过压力冲洗液驱动螺杆钻具转子带动 钻头旋转的同时，利用冲洗液压降产生的轴向推力 为钻进提供钻压，以减小对钻机给进力的需求， 改 善孔内钻具受力状态和弯曲变形程度，从而降低滑 动钻进过程中钻进阻力， 提高滑动定向钻进深度。 水力加压螺杆钻具内部组件与常规螺杆钻具相 似， 最大不同在于其内部组件 （转子、 万向轴和传动 轴组成的连接串） 可在螺杆外壳内产生一定的轴向 位移。压力冲洗液通过水力加压螺杆钻具时，会驱 动转子带动其下部结构正常旋转，同时冲洗液在流 经转子上端高压腔至下端低压腔时，因压降产生的 推力将推动螺杆钻具内部连接串沿轴向伸出一定长 度，并通过连接串将此推力传递至钻头部位作为碎 岩钻压。冲洗液压降产生的轴向推力 F 为[7-8] F＝ A R （N1 ） AG ［］△p 式中 F 为轴向推力， N； AR为转子截面积， m2； AG 为过流面积， m2； N 为转子数； △p 为流体压差， Pa。 以 φ89 mm 的水力加压螺杆钻具为例，其转子 截面积 AR2 318.18 mm2，过流面积 AG468.44 mm2， 当冲洗液压降达到 1 MPa 时， 轴向推力可达到 6 kN， 满足在中硬煤层中钻进对钻压的要求。 1.2正反扭转钻进技术 正反扭转钻进技术是滑动钻进过程中，在孔口 利用钻机加持钻杆按照设定的幅度做正反往复扭转 运动，使得靠近孔口一定长度内钻具与孔壁间摩擦 状态由静摩擦或滑动摩擦变为动摩擦，从而大幅减 小滑动钻进时孔内摩擦阻力，提高滑动定向钻进能 力[9-10]。 因钻进过程中孔内钻具在复杂受力工况下产 生弹性变形，因此通过控制扭转运动幅度，可保持 螺杆钻具工具面向角基本不变。 正反扭转钻进过程中，受扭转运动幅度和孔内 摩阻大小影响，扭转运动将沿钻杆柱自孔口传递至 孔内某一深度，在该深度处扭转运动产生的扭矩与 孔内钻具摩阻相平衡，称该深度位置为平衡点。在 孔内摩阻条件一定的情况下，扭转运动幅度越大， 平衡点越靠近孔底，反之则平衡点越靠近孔口。以 平衡点将孔内钻杆柱划分为 2 个典型区域[11] 扭转 运动区和滑动运行区，扭转运动区内钻具做正反扭 转与滑动的复合运动，其运行特点与复合钻进相 似，该区域钻杆柱与与孔壁间摩擦阻力得到大幅度 减小； 滑动运行区为孔口扭转运动未影响到的区域， 该区域内钻具仍仅做纯滑动运动，其存在保证了螺 杆钻具工具面向角值不变。这种将复合钻进与滑动 钻进相结合的扭转钻进工艺方法既可有效减小滑动 钻进阻力， 又保证了定向钻进控制精度。 2工程实践 1） 工程概况。保德煤矿是神东煤炭集团下属的 高瓦斯矿井， 其规划的二、 三盘区工作面走向长度普 遍超过 3 000 m。为实现大盘区煤层瓦斯全面超前 治理，在保德煤矿二盘区 81210 工作面开展 3 000 m 以上顺煤层超长定向钻孔工程实践，并应用了滑 动定向钻进减阻技术。81210 工作面走向长度约为 3 340 m， 倾向长约 240 m， 所含煤层为 8煤， 平均厚 度 6.8 m， 煤层坚固性系数约 1.7， 煤层中上部及中 下部分别分布有厚 0.4 m 和 0.6 m 夹矸层，坚固性 系数约 2.0， 煤层总体稳定性良好。 2） 施工情况。 2019 年 8 月至 9 月， 钻进用时 21 d， 完成了 1 个主孔深度 3 353 m 的顺煤层超长定向 钻孔，创造了煤矿井下同类钻孔深度记录。钻进过 程中开分支 13 次，主孔煤层钻遇率 100，钻孔总 进尺 4 428 m， 平均日进尺 210 m。钻孔贯穿 81210 工作面并与相邻三盘区二号回风大巷精准贯通， 中 靶坐标误差小于 0.15， 3 353 m 顺煤层超长定向钻 孔实钻轨迹图如图 1。钻孔施工中全程采用水力加 压钻进技术，在孔深超过 2 000 m 后采用正反扭转 钻进技术代替了纯滑动钻进，均取得了明显的减阻 效果。 3滑动定向钻进减阻效果 3.1水力加压钻进减阻效果 采用水力加压螺杆钻具施工 3 353 m 钻孔与采 用常规螺杆钻具施工 2 570 m 钻孔滑动钻进给进压 力对比图如图 2。 可以看出， 采用水力加压螺杆钻具 时钻进给进压力明显小于常规螺杆钻具，说明水力 加压钻进有效降低了超长定向孔内滑动钻进阻力。 对比分析采用 2 种螺杆钻具时滑动钻进给进压 力随孔深变化曲线， 可划分为 3 个阶段 1） 0～900 m 孔段。这一阶段滑动钻进给进压力 随孔深缓慢增长，钻进阻力较小，无论采用常规螺 杆钻具或水力加压螺杆钻具，钻机充足的给进能力 均能轻易克服钻进阻力保证正常钻进，此时采用水 力加压螺杆钻具未显示出明显优势；但仍可看出， 118 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 采用水力加压螺杆钻具钻进时给进压力较采用常规 螺杆钻具时小，原因是水力加压螺杆钻具在钻进过 程中输出了碎岩钻压，降低了对钻进系统给进压力 的需求，钻机表压相应减小，减小幅度在 0.2～0.5 MPa 之间； 2 ） 900～1 700 m 孔段。这一阶段采用水力加压 螺杆钻具钻进时给进压力开始明显小于采用常规螺 杆钻具，其原因是采用常规螺杆钻具钻进时钻压完 全来源于钻机， 此时受钻杆柱柔性增强、 钻孔弯曲、 钻具与孔壁接触面积增加等因素影响，钻压在传递 过程中损失率高，到达钻头部位的有效钻压少， 只 有通过不断提高钻机给进压力来维持钻进，因此钻 进系统给进压力随孔深开始加速增长；而采用水力 加压螺杆钻具钻进时， 钻压由螺杆钻具提供， 孔底钻 进阻力明显减小， 钻具在孔内弯曲状态大大改善， 钻 机给进压力主要用于克服钻具与孔壁间摩擦阻力以 推进钻具， 给进压力随孔深呈线性增长， 增长速率明 显小于采用常规螺杆钻具时的增长速率。孔深 1 700 m 时，采用常规螺杆钻具和水力加压螺杆钻具 滑动钻进给进压力分别为 14 MPa 和 9 MPa。 3） 1 700～2 200 m 孔段。采用常规螺杆钻具滑 动钻进给进压力继续加速增长，且随孔深增加钻压 在传递过程中损失率愈加严重，因此滑动钻进给进 压力增长速率逐渐增大并快速逼近钻进系统给进力 极限值；采用水力加压螺杆钻具滑动钻进给进压力 开始加速增长， 但增长速率低于常规螺杆钻具， 孔深 为 2 200 m 时，采用常规螺杆钻具和水力加压螺杆 钻具滑动钻进给进压力分别为 23 MPa 和 16 MPa。 3.2正反扭转钻进减阻效果分析 在孔深 2 000 m 后实施滑动定向钻进时，先采 用纯滑动钻进一定距离，之后按照扭转幅度 0.4～1 圈实施正反扭转钻进，分别记录 2 种钻进工艺的钻 进参数，反扭转钻进与滑动钻进给进压力对比图如 图 3。 可以看出， 采用扭转钻进时给进压力较滑动钻 进明显降低。 图 2滑动钻进与采用常规钻进给进压力对比图 Fig.2Comparison of feed pressure of sliding drilling 图 13 353 m 顺煤层超长定向钻孔实钻轨迹图 Fig.1Actual drilling trajectory of 3 353 m ultra long directional drilling along coal seam 119 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 在孔深 2 010～2 226 m 孔段，采用正反扭转钻 进与纯滑动钻进对比试验 6 次，扭转钻进给进压力 10～13 MPa， 较纯滑动给进压力降低 2～4 MPa； 在孔 深 2 274 m 后采用纯滑动定向钻进时给进压力已达 钻机额定压力极限值，而采用扭转钻进给进压力为 15～16 MPa， 仍可实现滑动定向钻进。 在实施正反扭转钻进前和扭转钻进后分别测量 记录螺杆钻具工具面向角值，扭转钻进前后工具面 向角变化情况见表 1，据此计算正反扭转钻进造成 的工具面向角值变化幅度在 0～40之间， 并随扭转 钻进次数增多，操作人员对该工艺控制愈加熟练， 扭转钻进造成的工具面向角值改变有减小趋势。 4结语 深孔条件下进行滑动定向钻进时，采用水力加 压钻进技术和正反扭转钻进技术具有明显的减阻效 果。在煤矿井下施工超长定向钻孔时，采用复合定 向钻进工艺，结合滑动定向钻进减阻技术，可有效 提高定向钻孔深度、钻进效率和钻孔轨迹控制精 度，对于提高煤矿井下定向钻进能力、实现井下大 区域煤层瓦斯超前治理具有重要意义。未来应研发 井下正反扭转钻进系统，实现扭转钻进机械、智能 化控制， 提高该技术安全性、 控制精度和实施效果。 参考文献 ［1］ 石智军， 李泉新， 姚克.煤矿井下 1 800 m 水平定向钻 进技术与装备 ［J］ .煤炭科学技术， 2015， 43 （2） 109. ［2］ 许超.基于复合钻进技术的煤层瓦斯抽采定向钻孔施 工 ［J］ .煤矿安全， 2015， 46 （4） 130-133. ［3］ 刘建林， 李泉新.基于轨迹控制的煤矿井下复合定向 钻进工艺 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （2） 78-81. ［4］Frank Hungerford, Wayne Green. Inseam Boreholes to and Beyond 2000 m with a Combination of Slide and Rotary Drilling［C］ // Coal Operators Conference 2016. University of Wollongong， 2016 223-235. ［5］ 李泉新， 石智军， 许超， 陈殿赋.2 311 m 顺煤层超长定 向钻孔高效钻进技术 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （4） 27-32. ［6］ 石智军， 许超， 李泉新， 等.煤矿井下 2 570 m 顺煤层 超深定向孔高效成孔关键技术 ［J］ .煤炭科学技术， 2020， 48 （1） 196-201. ［7］ 苏义脑， 谢竹庄. 螺杆钻具和多头单螺杆马达的基本 原理 ［J］ .石油钻采机械， 1985， 13 （4） 1-10. ［8］ 谢竹庄.螺杆钻具推力轴承的载荷研究 ［J］ .石油机械， 1993， 21 （3） 26-31. ［9］ 易先中， 李智鹏， 周元华， 等.地面钻柱扭摆方法释放 井下摩阻的研究进展 ［J］ .钻采工艺， 2014， 37 （4） 73-76. ［10］ 李智鹏， 许京国， 陶瑞东， 等.扭矩摇摆技术研究现状 ［J］ .钻采工艺， 2016， 39 （6） 28-30. ［11］ 韩烈祥.基于静摩擦扭矩释放的快速滑动定向钻井 技术 ［J］ .天然气工业， 2015， 35 （11） 60-65. 作者简介 王鲜 （1991） ， 陕西兴平人， 助理研究员， 硕士， 主要从事钻探工艺技术研发及推广工作。 （收稿日期 2019-12-20； 责任编辑 李力欣） 表 1扭转钻进前后工具面向角变化情况 Table 1Angle change before and after twist drilling 孔深/m 扭转钻进前 工具面向角/ （ ） 扭转钻进后 工具面向角/ （ ） 工具面变化 / （ ） 2 136 2 1 60 2 202 2 226 2 274 2 436 190 55 100 140 125 20 150 23 100 125 115 20 40 32 0 15 10 0 图 3钻机系统给进压力对比图 Fig.3Comparison of feed pressure of drilling rig system 120