煤矿井下硬岩定向钻进孔底水力加压技术_徐保龙.pdf

第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY hard rock; directional deep hole; backing pressure; WOB; hole bottom; hydraulic pressurizer; auxiliary pressurization 目前煤矿井下近水平定向长钻孔采用螺杆马达 滑动定向钻进工艺，钻进时钻柱处于不旋转状态受 钻孔弯曲的影响，孔内钻柱在受压状态下弯曲变形 并与孔壁产生接触力，进而产生接触摩阻。当孔深 达到一定程度后，钻柱弯曲引起的累积摩阻问题突 出，使钻压不能有效传递，产生托压[1-2]，导致滑动 ChaoXing 32 煤田地质与勘探 第 47 卷 定向钻进效率降低。鉴于煤矿井下近水平长钻孔钻 进中存在的这种问题，目前深孔定向钻进时以复合 钻进为主、滑动钻进为辅，以此技术思路，中煤科 工集团西安研究院有限公司在中硬煤层中先后创造 了主孔孔深 1 881 m 和 2 311 m 的世界纪录[3-4]。目 前采用复合钻进工艺虽然能够有效减小摩阻[5]，但 在托压孔段无法实现连续造斜钻进，在硬岩层中钻 进影响钻具使用寿命。 随着近年来定向钻进技术在顶底板探放水孔、高 位定向孔、注浆加固孔等岩层钻孔的逐步推广[6-9]，以 及煤矿企业对此类钻孔孔深的要求越来越高，钻柱 托压已经成为制约煤矿井下定向钻孔向更深、更精 确定向钻进的瓶颈。鉴于此，研制了水力加压器并 开发了配套工艺，并在淮南张集煤矿进行了现场试 验验证。 1 托压效应分析 石油钻井领域最先开始进行钻柱托压效应的研 究，特别是大位移井、长距离水平井普遍存在托压 效应。影响托压的因素主要有井眼轨迹、井眼净化 程度和钻具组合等因素[10]。煤矿井下定向钻具组合 采用等直径型式，因此钻具组合对于托压效应的影 响较小。实践证明，在硬岩层中钻进效率很低时小 于 1 m/h托压效应仍然很明显，说明孔内净化程度 不是煤矿井下定向长钻孔托压的主要原因。 如图 1 所示，当下钻或停钻时，钻柱在重力的 作用下躺在下孔壁；当钻柱处于给进状态时，孔底 给钻头施加反作用力，钻柱处于受压状态，发生弯 曲变形后与孔壁产生多点接触，产生较大接触力进 而导致摩阻的增加。钻孔深度越大，钻柱越长，柔 性越大， 在相同给进压力的情况下弯曲变形越剧烈。 钻遇地层越坚硬，钻头破岩所需钻压越大，孔口给 进力需要同步增加，钻柱受压变形就更剧烈，因此 托压效应愈发明显。 图 1 煤矿井下定向长钻孔钻柱托压原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of backing pressure of directional long borehole in underground coal mine 减少孔口给进力能够有效减弱钻柱弯曲变形程 度， 因此通过孔底钻具给钻头提供全部或一部分钻压， 实现孔底钻压的柔性施加[11]，从而减小或取消孔底对 钻柱的反作用力，对于减小托压效应具有重要作用。 2 水力加压器设计 水力加压器是实现孔底钻压施加的关键钻具，其 原理是活塞上下腔流体压差产生的轴向推力进而通过 传动部件传递至钻头。 2.1 结构选型 石油钻井领域水力加压器有 2 种结构形式[12-15]， 一种是利用内腔与环空之间压力差产生轴向推力， 第 2 种是利用自身节流产生的压降产生轴向推力。 第 1 种水力加压器，利用加压器内腔与钻井环空的 压力差为活塞提供轴向推力，压差与钻遇地层性质 以及钻进工艺参数有关，大小不稳定。第 2 种是利 用节流效应来建立活塞上下两腔的压力差从而实现 加压。对于煤矿井下近水平定向钻孔，主要沿目标 层钻进，所以水力加压器要提供稳定的钻压；同时 近水平孔容易坍塌掉块，加压器的芯轴不宜伸出体 外，否则容易出现孔内事故。因此，煤矿井下水力 加压器选择节流式结构。 2.2 结构设计 设计的水力加压器图 2由缸体、活塞、花键传 动轴、端盖、变径接手组成，其主要原理为活塞 位于缸体内，活塞中心线上钻有节流孔，当水流经 活塞后产生节流压力差，节流压差推动活塞下行， 活塞右端为爪状结构，目的是为了增大下腔部位有 效面积；活塞在压差作用下产生轴向推力，进而通 过花键传动轴、变径接手传递至钻头；缸体上加工 传压台，通过钻杆为花键传动轴提供额外加压力， 既可以直接水力加压也能够辅助钻柱进行加压。 图 2 水力加压器结构示意图 Fig.2 Schematic structure of hydraulic pressurizer 2.3 水力参数设计 活塞水眼的直径和长度是影响节流压力的重要 参数，节流和沿程产生的水力损失可以通过经典流 体力学进行计算，局部过流面积突然变小的局部水 力损失 ζ h [16]为 2 12 ζ 1 1 4 VA h gA  1 式中 V1表示缸体上腔流速，m/s；A1表示上缸体截 ChaoXing 第 2 期 徐保龙等 煤矿井下硬岩定向钻进孔底水力加压技术 33 面积，m2；A2表示活塞孔道截面积，m2；g 为地球 重力加速度，m/s2。 活塞孔道内的沿程水力损失 f h [16]为 2 2 f 2 2 Vl hλ dg  2 式中 l 表示活塞孔道长度， m； d2表示孔道直径， m； V2表示活塞孔道内流速， m/s； λ 表示沿程阻力系数， 和雷诺数有关。 节流活塞总的水力损失 w h 为 2622 2 w 24225 112 1048 [1] 3600 dQlQ h gddgd     3 式中 Q 表示流量，L/min。 根据式3计算得出了图3 中的理论值， 活塞截面直 径73 mm、 长度为60 mm的Φ13 mm孔道在300 L/min 时产生的压降为 1.09 MPa，活塞直径为 73 mm，产生 4.2 kN 的加压力；长度为 60 mm 的 Φ12 mm 孔道在 300 L/min 产生的压降为1.52 MPa、加压力为5.9 kN， 其在 390 L/min 产生的压降为 2.56 MPa、加压力为 9.9 kN。 目前煤矿井下定向钻进泥浆泵常规排量在300 460 L/min 范围内， 钻头所需钻压一般在210 kN。根据 上述计算和分析，选择 Φ12 mm、Φ13 mm、Φ14 mm 3 种直径的孔道。 图 3 压降理论计算值节流孔长度 60 mm Fig.3 Theoretical calculated values of the pressure drop the length of the throttle hole 60 mm 2.4 流体动力学数值模拟 对 Φ12 mm、Φ14 mm 2 种孔道进行流场分析， 由图 4 可见，活塞上下表面上压力分布均匀，未出 现因旋涡引起的活塞有效压力面积减少的现象。 从流速分布云图上图 5可以看出旋涡的存在， Φ12 mm 孔道左侧腔室为高压腔，在其低压腔形成旋 涡，但是旋涡未波及活塞下表面；Φ14 mm 孔道左侧 腔室为高压腔，在其低压腔形成旋涡，其形成的旋涡 比 Φ12 mm 孔道大，但也未波及至活塞下表面。 3 室内测试 3.1 测试系统 如图 6 所示，测试系统主要由泥浆泵、测试台、 图 4 压力场云图 Fig.4 Pressure field cloud 图 5 速度场云图 Fig.5 Velocity field cloud 水力加压器、压力传感器和显示器等组成，压力传 感器将水力加压器产生的轴向推力通过数值显示器 进行显示。具体型号参数见表 1。 3.2 测试结果与分析 由图 7a 可见，Φ12 mm 孔道在 300 L/min 流量 下实际产生推力约 5 kN，在 350 L/min 流量下实际 产生推力 7 kN，在 400 L/min 流量下实际产生推力 9 kN。由图 7b 可见，Φ13 mm 孔道在 300 L/min 流 量下实际产生推力 4.5 kN，在 350 L/min 流量下实 际产生推力 6 kN，在 400 L/min 流量下实际产生推 力 7 kN。由图 7c 可见，Φ14 mm 孔道在 300 L/min 流量下实际产生推力 3.5 kN，在 350 L/min 流量下 ChaoXing 34 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 6 测试系统布置图 Fig.6 Test system layout 表 1 主要测试设备表 Table 1 Main test devices 名称 型号 数量 备注 泥浆泵 BW600 1台 水力加压器 1个 含3种水眼活塞 出水接头 1个 测试仪固定接头 压力测试仪 HP-50K/5 T 1个 图 7 不同型号孔道推力实测值与计算值对比图 Fig.7 Comparison diagram of measured thrust and calculated thrust in different diameters hole 实际产生推力 5 kN，在 400 L/min 流量下实际产生推 力 6 kN。对 Φ120 mm 钻头，在一般煤系中所需钻压 210 kN，水力加压器的输出参数能够满足。 4 现场试验 4.1 地质概况 2018 年 1 月在安徽省淮南矿业集团张集煤矿北 区-600 疏水巷进行现场试验，试验钻孔-600 疏水巷 3 号孔。主要目标层为 A1 煤底板 C3/3下灰岩层，该 层位含水量较大、水压高。经过岩心测试，该目标 层位岩石坚固性系数 f78，属于硬岩层。 4.2 钻孔概况 张集煤矿自 2017年7月开始在-600疏水巷和西 三 1煤胶带机下巷施工探放水定向长钻孔，采用 ZDY12000LD 钻机、BLY460 泵车、Φ89 mm 定向钻 具等配套设备，目标层为 C3/3下灰岩层。鉴于之前 在该矿其他巷道 C3/3下灰岩层复合钻进导致多只钻 头和螺杆钻具损坏的情况，全孔段钻进采用滑动定 向钻进工艺。截至 2017 年 12 月共施工主孔 4 个、 分支孔 6 个，滑动钻进工艺下最深钻孔 518 m终孔 点上下位移–120 m，钻柱重力提供了部分钻压，其 他主孔深度分别为 430 m、381 m、460 m，终孔主 要原因是钻柱托压严重、钻进效率低下以及因孔口 给进力过大引起的钻机稳固困难。 3 号孔开孔位置位于一灰上部，开孔倾角 –11.4、开孔磁方位角 353.3，孔深 60 m 左右进入 三灰下目标层位，钻孔轨迹顺目标层位延伸。浅孔 段钻效 34 m/h， 给进表压平缓上升， 孔深 464 m 时 给进表压升至 5 MPa 时钻进效率下降至 1 m/h。起 钻下入水力加压器进行试验，水力加压器安装在螺 杆马达和钻头之间，钻进至孔深 578 m，因达到设 计位置终孔。终孔位置上下位移 10.6 m、左右位移 253 m。 4.3 试验效果分析 3 号孔在孔深 350 m 之前给进表压和起拔表压 增长缓慢，局部的压力跳动主要受操作和地层变化 影响。孔深 350 m 后给进表压的增长率随孔深增大 而增大，钻进效率维持在 3 m/h 左右。尤其是孔深 400 m 以后给进表压随孔深增长呈指数式增长，由 图 8 和图 9 可见，当孔深达到 460 m 后定向钻进给 进表压达到 5 MPa 以上， 钻进效率降至 1 m/h 以下， 增加给进表压未见泥浆泵压力上升，表明钻压已经 不能有效传递至钻头。 安装水力加压器下钻至孔深 464 m 开始定向钻 进，水力加压器活塞选择水眼直径 12 mm，流量控 制在 400 L/min，产生的推力为 9 kN，给进表压在 1.5 MPa 开始有进尺，未加水力加压器之前给进在 5 MPa 开始有进尺。在给进表压 23 MPa 时，孔深 ChaoXing 第 2 期 徐保龙等 煤矿井下硬岩定向钻进孔底水力加压技术 35 图 8 –600 疏水巷 3 号孔定向钻进给进表压统计 Fig.8 Feeding pressure of directional drilling of No.3 hole in -600 water discharge gateway 图 9 –600 疏水巷 3 号孔钻效与泥浆泵泵压统计 Fig.9 Drilling efficiency and mud pump pressure of No.3 hole in -600 water discharge gateway 464510 m 之前平均钻效保持在 3 m/h 以上， 510530 m 平均钻效保持在 2 m/h 以上， 孔深 530 m 之后平均钻效在 1.71.8 m/h， 给进表压升至 5 MPa。 取孔深 400 m 后数据进行对比，未安装水力加压器 之前，出现明显托压孔段 422464 m 平均给进表压 4.2 MPa、平均钻效 1.39 m/h；安装水力加压器后 孔深 464500 m 平均给进表压 3.2 MPa、 平均钻效 3.3 m/h，平均给进表压降低了 23.8、平均钻效提 高了 137； 孔深 500 m 后给进表压因钻机稳固安全 性一直控制在 5 MPa 以下，钻效有所下降，总试验 进尺内平均给进表压 3.9 MPa，平均钻效 2.6 m/h， 平均钻效提高 93。 5 结 论 a. 煤矿井下近水平长钻孔钻柱托压效应产生的主 要原因是钻柱弯曲，通过减少钻进过程中孔底的反作 用力能够有效减弱钻柱弯曲变形程度、缓解托压问题。 b. 研制的煤矿井下水力加压器采用节流式结 构，能够实现水力直接加压和水力辅助加压，在井 下常规泥浆泵排量下输出轴向压力为 210 kN，能 够满足一般煤系地层钻进钻压需要。 c. 在张集矿–600疏水巷3号孔中安装水力加压 器后平均给进表压降低了 23.8、平均钻效提高了 137，滑动钻进工艺下钻孔深度由 464 m 顺利延伸 至 578 m。试验结果表明采用研制的水力加压器和 配套工艺在煤矿井下深孔定向钻进中能够有效减小 托压问题、提高钻进效率、延长钻进深度。 参考文献 [1] 李维均. 定向钻井摩阻分析及防托压新技术研究[D]. 南充 西南石油大学，2017 [2] 曹东风，石希民. 煤层气水平井“托压”问题分析及解决措施[J]. 中国煤炭地质，2016，28744–47. CAO Dongfeng，SHI Ximin. Analysis and solving measures of “supporting pressure” of horizontal well in coalbed methane[J]. China Coal Geology，2016，28 744–47. [3] 姚克. ZDY12000LD 大功率定向钻机装备研发及应用[J]. 煤 田地质与勘探，2016，446164–168. YAO Ke. ZDY12000LD high power directional drilling equip- ment development and application[J]. Coal Geology Explora- tion，2016，44 6164–168. [4] 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，2015，432109–113. SHI Zhijun， LI Quanxin， YAO Ke. 1 800 m horizontal directional drilling technology and equipment in coal mine[J]. Coal Science and Technology，2015，432109–113. [5] 许超. 煤矿井下复合定向钻进技术优势探讨[J]. 金属矿山， 2014，432112–116. XU Chao. Advantages of compound directional drilling technol- ogy underground coal mines[J]. Metal Mine，2014，432 112–116. [6] 赵建国. 煤层顶板高位定向钻孔施工技术与发展趋势[J]. 煤 炭科学技术，2017，456137–141. ZHAO Jianguo. Construction technology and development trend of directional borehole in roof of coal seam[J]. Coal Science and Technology，2017，456137–141. [7] 石浩，张杰. 煤矿井下精确定向探放水技术[J]. 煤矿安全， 2015，46264–67. SHI Hao，ZHANG Jie. Precise directional water exploration and drainage technology in coal mine[J]. Safety in Coal Mines， 2015，46264–67. [8] 王桦. 定向钻孔技术在我国煤矿地层注浆改造中的应用及发 展[J]. 煤炭工程，2017，4991–5. WANG Hua. Application and development of directional drilling technology in coal mine strata grouting transation in China[J]. Coal Engineering，2017，4991–5. [9] 李长青，方俊，李泉新，等. 煤层底板超前注浆加固定向 孔注浆工艺技术[J]. 煤田地质与勘探， 2014， 424 59–63. LI Changqing，FANG Jun，LI Quanxin，et al. Advance grouting and fixed hole grouting technology for coal seam floor[J]. Coal Geology Exploration，2014，42459–63. [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，2017，45127–32. BO Yubing. Mechanism analysis and countermeasures of sup- porting pressure in directional drilling[J]. Petroleum Drilling Technology，2017，45127–32 下转第 43 页 ChaoXing 第 2 期 乔军伟等 西藏煤炭地质工作进展及前景 43 the Zijiapu coalfield in Dngqn，Tibet[J]. Acta Geologica Si- chuan，2013，333282–286. [18] 翟冬梅，毛晓冬，王娜，等. 西藏昌都妥坝煤田沉积环境与聚 煤规律[J]. 四川地质学报，2013，334417–420. ZHAI Dongmei， MAO Xiaodong， WANG Na， et al. Sedimentary environment and coal accumulation for the Tuoba coal field in Qamdo， Tibet[J]. Acta Geologica Sichuan， 2013， 334 417–420. [19] 杨凌崴. 西藏马查拉煤系地质特征及煤炭资源潜力评价[D]. 成都成都理工大学，2012. [20] 徐波，毛晓冬，张亮，等. 西藏类乌齐马查拉煤矿沉积环境与 聚煤规律初探[J]. 华南地质与矿产，2013，292162–167. XU Bo，MAO Xiaodong，ZHANG Liang，et al. Brief study on the sedimentary environment and coal-accumulation pattern of Machala coalfield in Leiwuqi County of Tibet[J]. Geology and Mineral Resources of South China，2013，292162–167. [21] 宋时雨，曹代勇，马志凯，等. 青藏高原昌都地区马查拉组成 煤期构造背景与聚煤模式[J]. 煤田地质与勘探，2018，461 13–19. SONG Shiyu， CAO Daiyong， MA Zhikai， et al. Tectonic setting and coal accumulation patterns of coal-ing period of Machala ation in Qamdo area，Qinghai-Tibet plateau[J]. Coal Geology Exploration，2018，46113–19. [22] 王娜，袁峰，张亮，等. 西藏安多土门格拉煤田沉积环境与聚 煤规律[J]. 四川地质学报，2013，33174–77. WANG Na，YUAN Feng，ZHANG Liang，et al. Sedimentary environment and coal-accumulating regularities in the Tu- mengela coal field，Amdo，Tibet[J]. Acta Geologica Sichuan， 2013，33174–77. [23] 王剑. 青藏高原重点沉积盆地油气资源潜力分析[M]. 北京 地质出版社，2004. [24] 曹代勇，宁树正，郭爱军，等. 中国煤田构造研究进展[J]. 中 国煤炭地质，2014，2685–7. CAO Daiyong，NING Shuzheng，GUO Aijun，et al. Progress in the study of coalfield structure in China[J]. China Coal Geology， 2014，2685–7. [25] 曹代勇，宁树正，郭爱军，等. 中国煤田构造格局及其基本特 征[J]. 矿业科学学报，2016，111–8. CAO Daiyong，NING Shuzheng，GUO Aijun，et al. Structural patterns and basic characteristics of coalfields in China[J]. Jour- nal of Mining Science，2016，111–8. [26] 宁树正. 中国赋煤构造单元与控煤特征[D]. 北京中国矿业 大学北京，2013. [27] 尹善春. 中国泥炭资源[J]. 地学前缘，1999，6增刊 1 116–124. YIN Shanchun. Chinese peat resources[J]. Geoscience Frontiers， 1999，6S1116–124. [28] 陈旭. 中国古生代气候演变[M]. 北京科学出版社，2001. [29] 李炳元，潘保田. 青藏高原古地理环境研究[J]. 地理研究， 2002，21161–70. LI Bingyuan， PAN Baotian. Progress in paleogeographic study of the Tibetan plateau[J]. Geographical Research，2002，211 61–70. [30] 万余庆，吕俊娥，谭富荣，等. 青藏高原天然气水合物遥感探 测研究[J]. 煤田地质与勘探，2014，42525–29. WAN Yuqing，LYU Jun’e，TAN Furong，et al. Remote sensing detection of natural gas hydrate resources in Qinghai-Tibet pla- teau[J]. Coal Geology Exploration，2014，42525–29. [31] 王平康，祝有海，张帅，等. 西藏羌塘盆地鸭湖地区天然气水 合物成藏条件[J]. 地质通报，2017，364601–615. WANG Pingkang，ZHU Youhai，ZHANG Shuai，et al. An analysis of gas hydrate accumulation condition in the Duck Lake area，Qiangtang basin，northern Tibet[J]. Chinese Journal of Geology，2017，364601–615. [32] 王佟，刘天绩，邵龙义，等. 青海木里煤田天然气水合物特征 与成因[J]. 煤田地质与勘探，2009，37626–30. WANG Tong， LIU Tianji， SHAO Longyi， et al. Characteristics and origins of the gas hydrates in the Muli coalfield of Qinghai[J]. Coal Geology Exploration，2009，37626–30. [33] 宁树正，邓小利，李聪聪，等. 中国煤中金属元素矿产资源研 究现状与展望[J]. 煤炭学报，2017，4292214–2225. NING Shuzheng，DENG Xiaoli，LI Congcong，et al. Research status and prospect of metal element mineral resources in China[J]. Journal of China Coal Society，2017，429 2214–2225. 责任编辑 范章群 上接第 35 页 [11] 张旭. 双向减震器的结构及特性研究[D]. 大庆大庆石油学 院，2007. [12] 卢汉斌. 水力加压器结构优化设计及有限元仿真[D]. 荆州 长江大学，2016. [13] 虢中春. 水平井井下水力加压器设计与分析[D]. 青岛中国 石油大学华东，2013. [14] 谢健. 新型长冲程水力加压推进器设计及改进[D]. 秦皇岛 燕山大学，2015. [15] 马自江，孙志和，刘月军. 水力加压装置研究与应用[J]. 石油 钻采工艺，2001，23536–37. MA Zijiang，SUN Zhihe，LIU Yuejun. Research and application of hydraulic thrusting device[J]. Petroleum Drilling Technology， 2001，23536–37. [16] 毛根海，邵卫云，张燕. 应用流体力学附光盘[M]. 北京高 等教育出版社，2006. 责任编辑 聂爱兰 ChaoXing