煤礦井下復合定向鉆進技術優勢探討

許超

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077)

近年來，隨著我國煤炭產業的迅速發展，國內煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術(以下簡稱“定向鉆進技術”)及裝備得到飛速發展，且已廣泛應用于煤礦井下本煤層瓦斯抽采，并取得了顯著成效。隨著煤礦井下定向鉆進技術及裝備不斷改進和完善，其應用領域也不斷擴大，目前，該項技術已逐漸應用于煤層頂板高位鉆孔、頂底板梳狀瓦斯抽采鉆孔、地質勘探鉆孔、長距離探放水鉆孔以及煤層頂底板注漿加固鉆孔等其他煤礦井下鉆孔工程，鉆進地層由原來純粹的煤層拓展到煤、巖層。在這種情況下，現有煤礦井下定向鉆進技術逐漸暴露出一些問題和不足，諸如:①巖層鉆進效率偏低;②大傾角下斜鉆孔排粉不暢以及局部孔壁坍塌，易發生埋鉆、卡鉆等鉆孔事故;③鉆進系統壓力高，不利于實現深孔鉆進。

復合鉆進工藝最早應用于石油鉆井工程，具有鉆進效率高、井(孔)壁光滑、鉆壓低等優勢［1-2］。將煤礦井下定向鉆進技術與復合鉆進技術結合有利于實現安全、高效和深孔鉆進。

1 煤礦井下定向鉆進技術

1.1 煤礦井下定向鉆進系統及鉆進工藝

煤礦井下定向鉆進系統由定向鉆機、泥漿泵、通訊鉆桿、測量探管、單彎螺桿鉆具、定向鉆頭、孔口監視器、通纜送水器等組成［3］，鉆進系統連接如圖1所示。

圖1 煤礦井下定向鉆進系統連接示意Fig.1 Directional drilling system connection diagram in underground coalm ine

煤礦井下定向鉆進工藝最顯著的特點就是鉆孔軌跡的人為可控，現場操作人員可根據孔口監視器顯示的鉆孔軌跡狀態信息，通過調整螺桿鉆具彎頭朝向和繼續鉆進，來實現鉆孔軌跡定向控制［4］。煤礦井下定向鉆進技術根據具體的實現方式劃分為孔底電機滑動定向鉆進技術和復合定向鉆進技術。

1.2 孔底電機滑動定向鉆進技術

鉆進過程中，根據需要將工具面向角調整后，通過泥漿泵向孔底泵入高壓沖洗液驅動孔底電機轉子和鉆頭轉動，鉆機只向鉆具施加軸向力(鉆壓)，從而實現鉆頭碎巖的鉆進技術就是孔底電機滑動定向鉆進技術。該定向鉆進技術特點有:①鉆進過程中鉆頭回轉碎巖動力僅由泥漿泵提供;②鉆進過程中只由鉆頭和孔底電機轉子轉動，鉆具其他部分只產生軸向滑動。孔底電機滑動定向鉆進技術原理如圖2所示。

圖2 孔底電機滑動定向鉆進工藝原理Fig.2 The sliding directional drilling technology princip le diagram

由上述可知，孔底電機滑動定向鉆進中，孔底電機工具面可保持一個穩定的方向，從而實現鉆孔軌跡連續人工控制［5］。

1.3 復合定向鉆進技術

鉆進過程中，泥漿泵向孔底泵送高壓水驅動孔底電機帶動鉆頭轉動，同時，鉆機帶動鉆具回轉并向鉆具施加鉆壓，從而實現復合碎巖的鉆進方法為復合鉆進［6］。復合鉆進工藝技術原理如圖3所示。

圖3 復合鉆進工藝原理Fig.3 The compound drilling technology principle diagram

復合鉆進中，螺桿鉆具的工具面向角隨著其定子不斷旋轉在不斷變化，無法實現鉆孔軌跡的連續人工控制。

然而，復合鉆進中鉆孔軌跡的變化是有一定的規律的。通過現場試驗得知，采用1.25°單彎螺桿電機進行近水平復合鉆進時，鉆孔軌跡傾角呈下降趨勢，方位角呈上升趨勢，但是鉆孔軌跡彎曲曲率明顯小于滑動定向鉆進，鉆孔軌跡平滑。

鉆進過程中，可采用滑動定向鉆進工藝與復合鉆進工藝結合的方法實現鉆孔軌跡的人工控制的同時體現復合鉆進的技術優勢。本研究將這種組合式的鉆進工藝稱為復合定向鉆進工藝。復合定向鉆進工藝在煤礦井下近水平定向鉆孔施工中有著非常廣泛的應用前景。復合定向鉆進應用實例如圖4所示，圖中實曲線代表滑動定向鉆進鉆孔軌跡，虛曲線代表復合鉆進鉆孔軌跡。

圖4 復合定向鉆進工藝應用實例Fig.4 Com pound directional drilling technology app lications

2 復合定向鉆進技術優勢分析

2.1 提高鉆進效率

在復合鉆進工藝條件下，孔底電機定、轉子分別以不同的速度同時、同向運動，鉆頭的絕對轉速明顯提高，本研究假設復合鉆進時，定子轉速為鉆機轉速(忽略鉆機轉速傳遞過程中的損失)，可得出鉆頭絕對轉速為［7］

式中，n為鉆頭絕對轉速，r/min;n1為螺桿鉆具轉子在液力驅動下的轉速，r/min;n2為螺桿鉆具定子轉速(鉆機轉速)，r/min。

因此，復合鉆進的鉆頭絕對轉速較滑動定向鉆進有明顯提高，機械鉆速也隨之顯著提高。

實踐證明，復合定向鉆進較滑動定向鉆進可有效提高綜合鉆進效率，尤其在煤層頂、底板巖層中鉆進，復合鉆進較滑動定向鉆進可提高機械鉆速2～3倍。

2.2 預防孔內事故

滑動定向鉆進過程中，鉆具只產生軸向運動，鉆具在鉆孔中在某一時間段內基本保持固定位置，不利于鉆具安全。

而復合鉆進過程中鉆具在軸向運動的同時也進行轉動，在轉動時鉆桿在軸向力(鉆壓)、鉆機扭矩、離心力的共同作用下在孔內不斷地進行著復雜的空間運動。鉆具的這種運動對于鉆進安全具有重要意義:①鉆具不斷地攪動鉆孔孔壁下緣堆積的鉆屑，使其便于被沖洗液攜出鉆孔，以預防埋鉆事故發生;②鉆具在運動中可碾碎孔壁掉塊，避免大塊碎屑堆積，預防卡鉆事故發生;③鉆具不斷地與孔壁碰撞、摩擦，使孔壁變得完整、光滑，有利于降低孔壁摩阻和預防卡鉆事故［8］。

2.3 實現深孔鉆進

滑動定向鉆進采用螺桿鉆具工具面在某一定向孔段穩定的朝向，實現鉆孔軌跡連續控制;而復合定向鉆進中的復合鉆進孔段遵循鉆孔軌跡自然變化規律實現鉆孔軌跡控制。實踐證明，復合鉆進鉆孔軌跡平均彎曲強度(曲率)明顯小于滑動定向鉆進鉆孔軌跡，2種鉆進工藝鉆孔軌跡彎曲強度對比如圖5所示。

由圖5可知，復合鉆進較滑動定向鉆進鉆孔軌跡更加平滑，因此，復合鉆進中鉆具摩阻要小于滑動定向鉆進。

滑動定向鉆進鉆孔孔壁粗糙、孔壁沉渣多、鉆孔曲率大。鉆進過程中，鉆進系統正常給進、起拔、回轉、泥漿泵壓等系統壓力隨鉆孔深度的不斷加深迅速上升，當系統壓力過早達到設備極限時，便無法繼續向前鉆進，因此滑動定向鉆進不利于深孔鉆進。

圖5 相同地層條件下2種鉆進工藝鉆孔軌跡連續測點彎曲強度對比Fig.5 Contrast of drilling trajectory bending strength of two kinds of d rilling technology in the same stratum

復合鉆進鉆孔孔壁光滑、孔壁沉渣少、鉆孔曲率小，鉆進系統壓力相對較低;同時鉆具在回轉狀態下，鉆進系統壓力較靜止狀態明顯降低。實踐證明，相同鉆進條件下，復合鉆進系統壓力要明顯低于滑動定向鉆進。因此，復合鉆進有利于實現深孔鉆進。

3 復合定向鉆進技術應用

3.1 保德煤礦本煤層長鉆孔施工

2011年5月，中煤科工集團西安研究院與神華神東保德煤礦合作，在該礦81306回撤通道2號鉆場8#煤層中施工定向長鉆孔。該地區煤層厚度穩定，結構完整，呈致密塊狀，適于定向鉆孔施工。

此次試驗于5月12日開鉆，耗時僅6 d便完成了主孔800 m孔段的施工，鉆進總進尺達到966 m。由于鉆孔施工完全采用滑動定向鉆進工藝，鉆進系統給進、回轉壓力急劇上升，當孔深達到800 m左右時，鉆進系統給進壓力達到13 MPa以上，回轉壓力達到11 MPa以上，并且鉆進緩慢，機械鉆速僅不到1.5 m/h。考慮到鉆機穩定以及鉆具安全等問題，現場采用了提鉆開分支、回轉沖孔、提鉆順孔等技術措置，但是均未能有效解決問題。

在這種情況下，重新提鉆至150 m處開分支孔，施工方案是根據已探測的煤層走向趨勢，現將鉆孔傾角緩緩上調，再采用復合鉆進工藝進行鉆孔施工，當傾角下降到預計極限值前，再次上調傾角，然后再進行復合鉆進，如此反復交替鉆進。這種鉆進工藝方法的實施有效解決了鉆進系統壓力上升過快的問題，當鉆進孔深達到800 m時，鉆進系統滑動給進壓力約為8 MPa，復合鉆進給進壓力僅約為5 MPa，回轉壓力約為7 MPa，較純滑動定向鉆進系統壓力有明顯降低。并且復合鉆進機械鉆速較滑動定向鉆進速度有明顯提高，據統計，在孔深達到800 m左右時，復合鉆進機械鉆速達到5～6 m/h，較滑動定向鉆進提高2～3倍。

6月3日試驗結束，最終鉆孔主孔最大深度達到1 111.6 m，開分支孔7個，探頂5次，鉆進總進尺2 412.6 m，創造了當時國內同類鉆孔的最長記錄。鉆孔軌跡剖面如圖6所示。

圖6 保德煤礦定向長鉆孔軌跡剖面Fig.6 Directional borehole profile trajectory in Baode colliery

3.2 大佛寺煤礦煤層長鉆孔施工

2011年7月，中煤科工集團西安研究院再次在大佛寺煤礦40109工作面1#鉆場進行了本煤層定向長鉆孔試驗，該區域主采煤層為4號煤層，屬特厚煤層，平均11.65 m，煤層結構完整，適于定向鉆孔施工。

此次試驗，吸取了保德煤礦長鉆孔試驗的經驗教訓，采用和保德煤礦相同的滑動定向鉆進和復合鉆進交替的鉆進方案。鉆機過程順利，7月15日—8月2日便完成了鉆孔的施工，鉆孔主孔深度達到1 212 m，總進尺1 623 m，開分支孔5個，探頂2次，探底1次，再次刷新了國內煤礦井下定向鉆孔深度的記錄。鉆孔軌跡剖面如圖7所示。

圖7 大佛寺煤礦定向長鉆孔軌跡剖面Fig.7 Directional borehole profile trajectory in Dafosi colliery

整個鉆進過程中鉆孔返水、排渣順暢，鉆進系統給進壓力最大為11 MPa，回轉壓力最大為8 MPa。

3.3 下石節煤礦高位鉆孔施工

2011年4月—2012年3月，中煤科工集團西安研究院與陜西陜煤下石節煤礦合作進行煤層頂板高位大直徑定向鉆孔試驗，試驗分為2個階段。

第一階段于2011年5月—7月在219工作面灌漿巷進行，鉆孔設計數量3個，深度300 m，孔徑?96 mm，采用滑動定向鉆進，由于頂板中存在破碎軟夾層，鉆進過程中卡鉆事故頻發，孔深300 m以后機械鉆速明顯下降，僅為1 m/h。最終完成鉆孔5個，其中1#、2#和4#鉆孔深度分別達到408、360和318 m，達到了設計要求，但是3#和5#鉆孔由于孔壁坍塌、掉塊卡鉆被迫終孔，孔深分別為144和150 m。

第二階段于2012年4月—6月在2301工作面回順進行，鉆孔設計數量4個，深度400 m，孔徑?153 mm。試驗采用滑動定向鉆進與復合鉆進結合的定向鉆進方法，最終4個試驗鉆孔均順利完成，深度均達到402 m，孔徑均達到?153 mm，機械鉆速也顯著提高，圓滿完成了設計任務。鉆孔軌跡剖面如圖8所示。

圖8 下石節煤礦高位大直徑定向長鉆孔軌跡剖面Fig.8 Large diam eter and high position directional borehole profile trajectory in Xiashijie colliery

4 結論

(1)復合定向鉆進技術可有效降低鉆進系統壓力，有利于實現深孔鉆進。

(2)復合定向鉆進可有效改善孔內環境，預防孔內事故發生。

(3)復合鉆進的鉆頭的機械鉆速要明顯高于常規滑動定向鉆進，其鉆進效率也顯著提高;然而對于復合鉆進的提高鉆進效率僅從鉆頭絕對轉速提高的解釋不夠全面，應進行包括轉速、扭矩、碎巖功率等與鉆進效率關系的全方位研究。

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