松軟破碎煤層定向鉆孔工藝的研究與實踐

郭樹東

（同煤集團 煤炭運銷總公司，山西 大同 037003）

目前，煤礦井下使用的普通定向鉆桿均為外平鉆桿，當遇到松軟、破碎、瓦斯壓力大的煤層時，很易發生卡鉆等事故，導致成孔率低，鉆孔成本高，影響煤礦瓦斯抽采、安全生產工作。因此松軟破碎煤層定向鉆孔急需探索新工藝。

1 螺旋定向鉆桿的研制

1）鑒于普通鉆機螺旋鉆進工藝在松軟煤層鉆進中的廣泛應用，對定向鉆桿的材料、結構、螺紋、加工工藝進行了優化設計，研制了一種新型的螺旋定向鉆桿。新型鉆桿具有特殊的高強度螺紋結構，并在鉆桿外壁增加螺旋槽結構，當出現卡鉆埋鉆事故時，可通過鉆桿的轉攪煤渣處理孔內事故。新型鉆桿選用優質合金結構鋼，并用適當的熱處理工藝，具有很高的抗扭、抗拉、抗彎性能。

2）螺旋定向鉆桿表面車有一條螺旋槽，要對鉆桿外徑、內徑、壁厚等參數進行設計計算，保證其結構強度。設計的螺旋定向鉆桿，在螺旋槽最低處截面的扭矩達23 163.9 N·m，遠超鉆機最大扭矩6 000 N·m（以ZYWL-6000D定向鉆機為例）。螺旋定向鉆桿采用階梯型螺紋，并對牙頂、牙底進行倒角，減少應力集中，螺紋基面處的扭矩可達8 399 N·m。為了驗證抗扭強度，對鉆桿試樣進行了上卸扣扭矩試驗，共進行了4次破壞性試驗，破壞扭矩平均7 126 N·m，大于目前定向鉆機最大扭矩，達到設計要求。

3）由于鉆進過程中需實時定向，信號傳輸的穩定準確也很重要。信號傳輸結構方面主要是對塑料公母接頭進行改進，增加了其壁厚，并優化其注塑工藝，大大提高了塑料接頭的尺寸穩定性及結構強度，保證了測量信號的穩定傳輸。

2 試驗地點及試驗情況

1）在寺河煤礦西井區W23014巷施工定向鉆孔以來，鉆在130 m后煤層均較松軟破碎，瓦斯壓力較大，鉆孔過程很易發生塌孔。連續出現了多次壓桿事故，造成較大經濟損失。后來，采用普通回轉式鉆進工藝施工，主孔深度較淺（一般在90～150 m），且無法定向，很易發生鉆遇頂板或不返水的現象。2012年10月開始，在寺河煤礦W23014巷12號橫川，采用螺旋定向鉆桿進行松軟破碎煤層定向鉆探工藝的試驗。試驗共完成定向鉆孔2個，主孔深度最深366 m，達到該區域目前平均鉆孔深度的3倍以上，且鉆孔水壓等參數均顯正常，可繼續向前施工，試驗取得圓滿成功。

2）試驗1號孔設計目標方位角345°，設計孔深330 m，終孔主孔最深達366 m，總進尺達1 296 m，鉆孔軌跡見圖1和圖2。鉆孔過程中130～175 m、192～231 m的煤層很破碎松軟，出現了塌孔、瓦斯壓力變大等現象，水壓最高達9 MPa，其波動幅度達3 MPa，返渣呈顆粒狀，質軟較松散，出現噴孔現象時，煤屑返渣急速增多，出現多次壓桿前兆。在采用螺旋定向鉆桿進行來回旋轉排渣后，鉆孔異常現象得到明顯改善，水壓返回正常值，返水正常，并順利鉆過了地質異常區域，到366 m后退鉆開分支。

圖1 W23014巷12號橫川1號鉆孔軌跡上下偏差圖

圖2 W23014巷12號橫川1號鉆孔軌跡左右偏差圖

3）2號孔目標方位角 355°，孔深 330 m，終孔主孔最深達336 m，總進尺達1 134 m，鉆孔軌跡偏差，見圖3和圖4。鉆孔過程中仍伴隨有破碎松軟煤層的垮孔、噴孔現象，但對采用螺旋定向鉆桿的鉆探工藝影響不大。在200 m處遇地質構造帶，進行多次探頂、探底；探明地質情況后，沿煤層順利鉆進至設計孔深330 m。

4 結論

圖3 W23014巷12號橫川2號鉆孔軌跡上下偏差圖

圖4 W23014巷12號橫川2號鉆孔軌跡左右偏差圖

1）通過理論計算及鉆桿樣品的上卸扣扭矩試驗證明，螺旋定向鉆桿的抗扭強度遠超了定向鉆機最大扭矩。2）根據試驗情況，該區域破碎煤層鉆孔造成的壓桿現象較頻繁，如果不能及時處理，很易造成無法解卡或鉆具斷裂等事故。當采用高強度螺旋定向鉆桿后，鉆進效果明顯好轉，若發生垮孔后，通過加大旋轉壓力可及時將煤渣排出孔外，減少了鉆孔事故幾率。3）采用螺旋定向鉆桿工藝后，主孔鉆孔深度達366 m，達到松軟破碎煤層區域目前平均鉆孔深度的3倍以上，且鉆孔水壓、推進壓力等參數均顯正常，達到了設計要求的效果。目前，寺河礦有多臺鉆機，配套使用螺旋定向鉆桿，井下使用效果良好。