煤矿井下超深孔定向钻进扭摆减阻技术_姜磊.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 煤矿井下超深孔定向钻进扭摆减阻技术 姜磊， 许超， 李泉新， 王鲜 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 针对煤矿井下超深孔定向钻进存在的钻具托压造成的定向钻进效率低、 孔深受限等问 题， 借鉴石油钻井中的扭摆钻进技术， 分析了扭摆钻进工艺原理及对煤矿井下定向钻进的适应 性及操作可行性， 描述了其具体操作流程， 并在保德矿五盘区进行了现场试验。试验结果表明 扭摆钻进减阻技术适用于煤矿井下超深孔定向钻进，适用范围为超深孔定向钻进 2 000～3 000 m 之间， 实钻过程中减阻效果明显， 孔底工具面变化幅度较小， 主要受螺杆马达反扭矩影响。 关键词 钻进技术； 超深钻孔； 定向钻进； 扭摆钻进； 扭摆减阻 中图分类号 TD41文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0113-04 Torsional Pendulum Drag Reduction Technology for Directional Drilling of Ultra Deep Hole in Underground Coal Mine JIANG Lei, XU Chao, LI Quanxin, WANG Xian （China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract Aiming at the problems such as low efficiency and depth limit of directional drilling caused by the support pressure of drilling tools in the directional drilling of ultra-deep hole in underground coal mine, learning from the twist drilling technology in oil drilling, this paper analyzes the technological principle, the adaptability and operation feasibility of directional drilling in underground coal mine, describes its specific operation flow, and carries out field test in 5th area of Baode Coal Mine. The test results show that the resistance reduction technology of torsional pendulum drilling is applicable to directional ultra-deep hole drilling in underground coal mine, and the applicable range is 2 000 m to 3 000 m for directional ultra-deep hole drilling. The drag reduction effect is obvious in the process of solid drilling, and the change range of tool surface at hole bottom is small, which is mainly affected by the reverse torque of screw motor. Key words drilling technology; ultra-deep hole; directional drilling; torsional drilling; torsional pendulum drag reduction 随着煤矿井下定向钻进技术与装备的发展， 定 向钻孔逐渐被应用于瓦斯抽采、水害防治及地质异 常体探察， 取得了显著的应用效果[1-3]， 为实现降本 增效， 定向钻孔逐步向大直径、 长距离发展[4-7]。保德 矿为解决 “抽-掘、 抽-采” 接替矛盾， 降低抽采成本、 提高生产效率，提出的大盘区采前瓦斯超前治理思 路要求顺煤层定向钻孔长度达到 3 000 m 以上， 这 在国际上尚属首次。目前煤矿井下定向钻进主要依 靠单弯螺杆马达加随钻测量系统[8]， 实行滑动纠偏、 复合保直[9]的技术路线， 但在超深孔定向钻进中由 于滑动定向钻进的摩阻过大导致了钻具的托压问 题[10]， 极大影响了定向钻进效率， 甚至超过了钻机的 能力极限， 而使定向钻孔的深度达不到要求。 复合钻进相比于滑动钻进其摩擦阻力更小， 可 以解决长钻孔托压问题[11]， 但复合钻进对钻孔轨迹 的控制有限。近年来，石油工业中发展起来一种简 易旋转导向钻进系统， 也可以称为扭摆钻进系统[12]， 其依靠加装在钻机顶驱上的闭环控制系统，在不改 变现有常用单弯螺杆马达加随钻测量定向钻进的基 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.023 姜磊， 许超， 李泉新， 等.煤矿井下超深孔定向钻进扭摆减阻技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 113-116. JIANG Lei, XU Chao, LI Quanxin, et al. Torsional Pendulum Drag Reduction Technology for Directional Drilling of Ultra Deep Hole in Underground Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 113-116.移动扫码阅读 基金项目国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05045-003-001） ； 中 煤 科 工 集 团 西 安 研 究 院 有 限 公 司 自 筹 资 金 资 助 项 目 （2019XAYZD01） 113 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 础上，实现上部钻具的正反转，有效缓解了钻具托 压问题[13-14]。煤矿井下定向钻机为全液压动力头式， 类似于石油钻井中的顶驱钻机，因此扭摆钻进技术 具有可移植性。 1扭摆减阻工艺原理 超深孔定向钻进中， 由于钻孔轨迹起伏， 施加钻 压时钻杆顶到孔壁上，钻机动力头所提供的钻压一 部分作用于钻杆轴向提供下部钻具的前进动力， 另 一部分作用于钻杆径向使得钻杆与孔壁之间的摩擦 阻力增大，因此需要更大的钻压来维持下部钻具的 前进动力， 即钻具托压。随着孔深增加， 钻压呈现类 指数型增长[15]， 给钻机负载带来较大压力， 甚至超过 钻机给进能力极限。 钻杆由于自身弹性，在超长钻孔中摩擦阻力的 作用下，扭矩的传递存在一定的滞后，较小的扭矩 甚至被摩阻完全抵消，利用这一特性，对孔口钻杆 施加持续的正反向扭转，而维持孔底螺杆马达工具 面基本不变，从而把上部钻具的静摩擦转变为动摩 擦， 达到减小孔内钻具的部分摩阻效果。 扭摆钻进示意图如图 1，钻机对孔口钻具施加 顺时针扭矩 T 和逆时针扭矩 T′，由于摩擦阻力作 用， 扭矩传递至 A 点被完全抵消， 则 A 点称为钻杆 的中性点， 扭摆钻进中要保证 A 点到螺杆钻具工具 面 B 点一定距离， 因此扭摆钻进工艺实际上是把中 性点 A 到孔口钻杆的静摩擦转变为动摩擦， 从而使 钻压 F 顺利传递到钻头。 中性点 A 距离工具面 B 越 小， 减阻效果越好， 但工具面稳定越难控制， 同时由 于钻头及螺杆马达反扭矩的作用， T 一般略大于 T′。 2扭摆减阻工艺适应性 2.1上卸扣扭矩 扭摆钻进中需要对钻杆施加持续的正反向扭 矩， 反向扭矩过大会导致钻杆卸扣， 易造成工具面变 化甚至孔内事故的发生，因此必须严格控制反向扭 矩。 试验采用 φ89 mm 无缆大通孔钻杆， 钻杆螺纹牙 型为偏梯形齿形螺纹， 前端面角度为 30， 后端面角 度为 3，因此保证了钻杆具有较高的抗扭抗压能 力， 同时不易卸扣。 试验过程中要求上扣压力达到 20 MPa 以上且 保持 1 s，一般情况下钻杆的卸扣扭矩接近上扣扭 矩， 前期试验中大通孔钻杆卸扣压力约 18～22 MPa， 在孔深 2 500 m 左右，孔内钻具的空载压力约 12 MPa， 表明 12 MPa 压力可以使孔口扭矩完全传递至 钻头，因此控制扭摆钻进过程中扭矩小于 12 MPa， 则既可以实现扭摆过程中工具面稳定，又不会因扭 摆钻进的反向扭矩造成孔内钻具卸扣。 2.2操作可行性 扭摆钻进减阻工艺的基本要求是保持定向钻进 过程中螺杆马达的工具面恒定或动态平衡，目前煤 矿井下缺乏类似于石油钻井中已经形成的扭摆钻进 闭环自动控制系统， 此次探索性试验研究， 以手动操 作代替， 选取特定的参照指标， 实现孔口钻杆的持续 正反向扭转。 试验选用 ZDY15000LD 大功率定向钻机，扭摆 钻进工艺实际操作过程中要求孔口钻杆以一定的频 率扭转， 以钻机的快速正反转手把为操作对象， 可以 从扭矩和钻机动力头旋转的角度两个方面考虑。 扭矩是扭摆钻进控制的直接目标，但实际操作 过程中， 钻机扭矩是一个快速变化的过程， 通过控制 钻机手把难以实现正反向扭矩的均衡控制。因此， 选择钻机动力头旋转角度作为扭摆参照对象，不考 虑螺杆马达反扭矩的影响，在钻机动力头上做标 记， 选取标记旋转 180、 360、 540等特殊节点， 实现 扭矩的动态均衡控制。 2.3适用范围 扭摆钻进工艺由于需要孔口与孔底钻具扭矩传 递的迟滞过程， 因此仅适用于钻孔较长， 托压严重滑 动 定 向 钻 进 困 难 的 孔 段 ， 目 前 煤 矿 井 下 ZDY15000LD 大功率定向钻机配合 φ89 mm 钻杆的 最大滑动定向钻进长度约 2 000 m。 3扭摆钻进工艺操作流程 煤矿井下定向钻进扭摆减阻工艺具体操作流程 如下 1 ） 加钻杆， 接水便， 使用无线泥浆脉冲随钻测量 系统测量当前钻孔倾角和方位， 通过实时工具面显示 图 1扭摆钻进示意图 Fig.1Schematic diagram of twist drilling 114 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 表 1扭摆钻进实钻情况 Tab. 1Drilling conditions of torsional drilling 孔深/m度数/ （ ） 扭转压力 /MPa 给进压力 /MPa 排量 / （L min-1） 空载泵压 /MPa 钻进泵压 /MPa 空载给进 压力/MPa 滑动给进 压力/MPa 扭摆前工 具面/ （ ） 扭摆后工 具面/ （ ） 地层 2 010 2 112 2 136 2 160 2 202 2 226 2 274 2 436 2 676 3 030 3 072 360 135 360 360 360 360 360 180 360 720 720 10 10 10 9 9 10 10 10.5 10 卸扣 卸扣 10 13 12 12 12 14 16 15 16 300 300 300 300 300 300 300 280 350 3.5 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 4.4 4.5 4.4 4.1 4.2 4.2 4.3 4.5 4.2 5 14 14 14 14.5 14.5 14.5 14.5 15.5 17 15 15 17 19 16.5 20 - - - 150 160 230 95 140 140 165 60 210 120 120 150 23 100 125 115 20 160 煤 煤 煤 夹矸 煤 煤 煤 煤 煤 调整工具面， 通过多次起拔和给进释放钻杆扭矩。 2） 慢速给进， 给进压力低于滑动定向钻进压力， 钻杆在给进压力作用下逐渐顶住不动， 完全托压。 3） 选取钻机动力头上参考目标， 采用正反向持 续扭转，选取的扭转角度为观察方便取 180的倍 数，角度选取准则是使送钻缓慢且均匀，为使扭矩 均匀传递扭转的频率不宜过快。 4） 钻进过程中通过开关泵， 控制泥浆脉冲无线 随钻测量系统测定孔底马达的工具面情况，工具面 不变或发生小幅度变化时不采取措施，工具面发生 较大幅度变化时，表明扭摆所选取的角度过大， 需 要重新调整工具面。 4现场应用 4.1试验概述 试验点位于保德煤矿五盘区一号进风大巷 27 连巷，设备配套为 ZDY15000LD 大功率定向钻机、 BLY460 泥 浆 泵 车 、 φ89 mm 无 缆 大 通 孔 钻 杆 、 YHD3-1500 无线泥浆脉冲随钻测量系统及 φ120 mm 四翼平底定向钻头。自 2019 年 8 月 19 日开钻， 9 月 3 日钻进至孔深 2 010 m 时，滑动定向给进压 力达 15 MPa， 决定试用扭摆减阻工艺。 试验过程中， 严格按照操作流程进行， 并详细记 录了各项钻进参数， 扭摆钻进实钻情况见表 1。 其中，孔深 2 274 m 以后滑动定向钻进托压严 重， 未记录滑动定向钻进压力， 孔深 3 030 m 以后使 用扭摆钻进， 扭摆角度过小减阻效果不明显， 扭摆角 度过大则使孔口钻杆卸扣。 4.2效果分析 实钻过程中记录的纯滑动定向钻进与扭摆钻进 给进压力对比如图 2。 结合图 2 及扭摆钻进实钻数据可以看出①滑 动定向钻进前期给进压力上升较为缓慢，由于滑动 定向钻进轨迹控制直接而有效，因此前期在必要轨 迹控制时选择滑动定向钻进；②滑动定向钻进在孔 深约 1 700 m 以后给进压力由于托压等原因上升较 快， 呈指数形式增长； ③扭摆钻进相比于滑动钻进减 阻效果明显； ④扭摆钻进中正反向扭转角度一样， 由 于螺杆马达反扭矩的存在，扭摆钻进结束工具面会 变小； ⑤扭摆钻进中工具面变化幅度受地层影响， 地 层越硬，减小越多，同一地层中工具面变化幅度接 近； ⑥孔深增长到一定深度后， 扭摆角度过小则减阻 效果不明显， 扭摆角度过大则孔口钻杆卸扣， 因此在 卸扣扭矩一定的情况下，扭摆钻进对孔深有一定的 图 2扭摆钻进与滑动钻进给进压力对比 Fig.2Feed pressure of torsional and sliding drilling 115 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 适应性，扭摆钻进减阻工艺的适用范围为超深孔定 向钻进 2 000～3 000 m 左右孔段。 5存在的问题及发展前景 1 ） 存在的问题。本次研究为探索性试验， 其中 扭摆钻进减阻技术存在的主要问题是①未开发相 应的闭环控制系统，全部依靠人为操作；②泥浆脉 冲无线随钻测量系统不能实时传输，无法实现工具 面动态控制；③扭摆钻进工艺需要在钻具托压的情 况下使用，对使用的最小孔深有一定的限制；④扭 摆钻进工艺受钻杆卸扣扭矩的影响，对使用最大孔 深有一定的限制。 2） 发展前景。近年来煤矿井下定向钻孔的应用 范围逐渐扩大，钻孔逐渐向大孔径和长距离发展， 随之而来的钻孔托压问题极大影响了定向钻进效 率，旋转导向钻进目前在煤矿井下尚未开发完成， 且应用成本较高。在不改变目前定向钻进钻具组合 的前提下，扭摆钻进减阻技术是有效缓解托压问题 的手段之一。因此，煤矿井下扭摆钻进减阻技术具 有广泛的应用前景，同时发展类似与石油工业中应 用的全自动闭环控制系统，符合煤矿井下智能化钻 探的发展趋势。 6结语 煤矿井下定向钻机驱动方式类似于石油钻井中 顶驱钻机，因此扭摆钻进减阻工艺适用于煤矿井下 定向钻进；扭摆钻进减阻工艺的适用范围为超深孔 定向钻进 2 000～3 000 m 左右孔段；超深孔定向钻 进中，扭摆钻进工艺减阻效果明显；扭摆定向钻进 中应考虑螺杆马达反扭矩对工具面的影响；煤矿井 下超深孔定向钻进扭摆减阻技术具有一定的适应性 及应用前景。 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， 47 （5） 22-28. ［2］ 豆旭谦， 魏廷双， 王力， 等.定向钻进技术在张集煤矿 掩护巷道掘进探放水中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （9） 179-182. ［3］ 石智军， 李泉新， 许超.煤矿井下随钻测量定向钻进技 术及应用 ［J］ .地质装备， 2013， 14 （6） 32-36. ［4］ 任海慧， 李泉新， 方俊.顶板高位定向钻孔无线随钻测 量定向钻进技术及应用 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （9） 110-113. ［5］ 许超.煤矿井下煤层大直径钻孔技术与装备 ［J］ .煤矿 安全， 2018， 49 （4） 92-95. ［6］ 李泉新， 石智军， 许超， 等.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. ［7］ 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. ［8］ 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， 47 （5） 22-28. ［9］ 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. ［10］ 薄玉冰.定向钻井中托压机理分析及对策探讨 ［J］ .石 油钻探技术， 2017， 45 （1） 27-32. ［11］ 徐保龙， 姚宁平， 王力.煤矿井下定向深孔复合钻进 减阻规律研究 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （2） 92-95. ［12］ 韩烈祥， 张继川， 刘伟.PIPE ROCK 钻柱扭摆系统应 用评价 ［J］ .天然气工业， 2018， 38 （11） 73-78. ［13］ 李乾， 纪国栋， 张辉， 等.滑动钻进中顶驱扭摆减阻控 制技术研究 ［J］ .石油机械， 2018， 46 （5） 1-6. ［14］ 刘伟， 杨晓峰， 张华.钻柱扭摆滑动钻井技术在四川 油气田的应用 ［J］ .钻采工艺， 2018， 41 （1） 10-12. ［15］ 刘飞， 许超， 王鲜， 等.顺煤层超长定向钻孔钻压传递 规律研究 ［J］ .工矿自动化， 2019， 45 （8） 97-100. 作者简介 姜磊 （1988） ， 湖北英山人， 助理研究员， 硕士， 2016 年毕业于中国石油大学，从事煤矿钻探技术与 装备研发方面的工作。 （收稿日期 2019-12-13； 责任编辑 李力欣） 116