頂板復雜巖層無線隨鉆測量復合定向鉆進技術

王 鮮，李泉新，許 超，方 俊

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

我國煤層賦存地質條件復雜，煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大，嚴重影響了煤炭安全高效開采。針對采空區及工作面上隅角瓦斯抽采的需要，基于頂板采動裂隙發育規律和煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術，形成了高位定向鉆孔抽采瓦斯技術，該技術已經在全國范圍推廣應用并取得了顯著效果[1-2]。實踐證明，高位定向鉆孔抽采瓦斯技術具有鉆孔軌跡可控、工程量小、施工周期短、瓦斯抽采效果穩定等優點[3-4]。隨著該技術應用范圍擴大，在頂板復雜巖層中逐漸顯現出以下2 點不足：

1）以往高位定向鉆孔施工多采用滑動定向鉆進，形成的鉆孔彎曲曲率全孔連續變化，導致鉆進阻力較大、鉆探裝備壓力大[5]，并且在鉆進頂板硬巖時，受螺桿馬達轉矩限制，滑動定向鉆進效率低。

2）目前煤礦井下隨鉆測量裝置主要采用有線傳輸，須配套中心通纜式隨鉆測量鉆桿，受制于中心通纜結構及鉆桿級配和強度要求，一般采用薄壁、大通孔、外平結構，這種鉆桿結構排渣效果差，在頂板復雜巖層鉆進時易發生鉆孔事故。

基于以上原因，研究形成了基于螺旋鉆桿的無線隨鉆測量復合定向鉆進技術，包括泥漿脈沖無線隨鉆測量技術、復合定向鉆進技術和寬翼片螺旋鉆桿復合排渣技術，在淮南顧橋礦開展了現場試驗，試驗結果表明：泥漿脈沖無線隨鉆測量系統工作性能穩定、復合定向鉆進技術鉆進效率高、配套寬翼片螺旋鉆桿復合排渣效果好、通過復雜地層能力強。

1 無線隨鉆測量復合定向鉆進技術

無線隨鉆測量復合定向鉆進技術的原理是：鉆進過程中，利用孔內泥漿脈沖探管測量鉆孔軌跡參數（傾角和方位角）及螺桿馬達工具面向角并傳遞至孔口計算機，通過計算機內軟件處理后得到實際鉆孔軌跡及其與設計鉆孔軌跡偏差情況；司鉆人員分析偏差情況，在需要糾斜時通過調整螺桿馬達工具面向角實施滑動定向鉆進，在穩斜時實施復合鉆進；復合鉆進的同時利用螺旋鉆桿旋轉結合水力循環復合排渣，實現在頂板復雜巖層中精確、高效、安全定向鉆進。

1.1 泥漿脈沖無線隨鉆測量技術

泥漿脈沖無線隨鉆測量系統由孔底的泥漿脈沖探管（包括測量短節、電池筒短節、驅動短節）和脈沖發生器以及孔口的壓力變送器和防爆計算機組成，其工作原理為：鉆進一定距離后（一般3 m 或6 m），停止向孔內供水，探管測量短節檢測到停水的信號后即開始測量所在位置鉆孔軌跡參數并進行編碼，待編碼完畢后向孔內供水，測量短節檢測到開水信號后即將測量的鉆孔軌跡參數連同此時螺桿馬達工具面向角值發送給驅動短節，通過驅動短節內電磁驅動閥動作控制脈沖發生器內水流通道面積，從而在水流中產生壓力脈沖將數據傳輸至孔口；孔口安裝的壓力變送器檢測到水流中壓力脈沖信號后，通過線纜將數據傳輸至防爆計算機，防爆計算機內專用測量軟件對編碼信號進行解調和顯示，同時得到實際鉆孔軌跡及其與設計鉆孔軌跡偏差情況。數據傳輸完畢后，泥漿脈沖探管停止工作，孔內水流壓力恢復正常，可以繼續鉆進[6]。

泥漿脈沖無線隨鉆測量技術的優勢在于其對鉆桿結構無特殊要求，可選配螺旋鉆桿或三棱鉆桿用于復雜煤巖層鉆進，提高了地層適應性和鉆進安全性、減低了鉆具成本。

1.2 復合定向鉆進技術

復合定向鉆進中的“復合”包含2 層含義：一是“滑動造斜”與“回轉穩斜”2 種鉆進模式的復合；二是回轉穩斜鉆進過程中鉆機動力頭回轉與螺桿馬達回轉2 種碎巖動力的復合[7]。復合定向鉆進技術的核心是鉆進過程中對“滑動造斜”與“回轉穩斜”2 種模式轉換時機的把握，其技術原理為：在鉆孔造斜段采用滑動定向鉆進技術，此時鉆機動力頭和鉆桿不回轉，僅向孔內施加鉆壓，保持螺桿馬達彎頭朝向一個方向，通過泵送高壓水驅動螺桿馬達內轉子帶動鉆頭旋轉碎巖，實現“滑動造斜”；在鉆孔穩斜段采用復合鉆進技術，高壓水驅動螺桿馬達轉子帶動鉆頭旋轉的同時，鉆機動力頭帶動鉆桿旋轉并向孔內施加鉆壓，這兩者旋轉碎巖動力復合鉆進，在此過程中，鉆機動力頭帶動鉆具旋轉具有3 種作用：①消除螺桿馬達定向造斜功能實現“回轉穩斜”；②提高孔底鉆頭碎巖動力；③鉆具不斷旋轉碾碎和攪動孔內碎屑以利于排渣[8]。

復合定向鉆進技術鉆進效率高、鉆孔排渣效果好、鉆進系統壓力低，有利于在頂板復雜巖層中高效、安全和深孔鉆進。

1.3 寬翼片螺旋鉆桿復合排渣技術

目前煤礦井下定向鉆進多采用清水進行水力循環排渣，所用鉆桿一般為外平結構，隨著孔深增加或在下斜孔內，排渣通道增長、排渣阻力增大、排渣效果減弱。寬翼片螺旋鉆桿復合排渣技術原理是：在采用滑動定向鉆進時，鉆機動力頭及鉆桿柱不旋轉，單純依靠水力循環排渣；在采用復合鉆進時，利用水力循環排渣結合螺旋鉆桿旋轉排渣，實現復合排渣。復合排渣技術不僅可在正常鉆進時提高孔內排渣效果，在孔壁坍塌時，通過螺旋鉆桿高轉速旋轉排渣并磨碎較大顆粒，提高水流對碎屑攜帶能力，使孔內碎屑及時排出孔外，保證鉆孔返水通道暢通，防止卡、埋鉆事故；在鉆進軟弱巖層時，旋轉排渣的同時螺旋鉆桿翼片不斷刮削鉆孔孔壁，有利于保證孔內清潔和提高成孔質量。

2 現場試驗

2.1 試驗區概況

試驗地點位于淮南顧橋礦南區1212(3)工作面，開采13-1#煤，煤層平均厚度4.42 m，傾角1°～12°，預計瓦斯含量3.19～5.1 m3/t。工作面回采期間計劃采用高位定向鉆孔抽采采空區及上隅角瓦斯，鉆孔施工中需穿越f1211（3）-7 和FSN69 2 個正斷層。地質資料顯示，煤層直接頂為煤線、炭質泥巖、泥巖、和砂質泥巖；基本頂由泥巖、砂質泥巖、粉細砂巖、中粗砂巖組成，大部分為泥巖或砂質泥巖。

2.2 鉆進裝備組成

施工中采用煤礦井下大功率定向鉆進裝備系統，該套裝備具有鉆進及事故處理能力強、性能穩定可靠和工藝適應性廣等優點[9]，其主要裝備組成為：①ZDY12000LD 定向鉆機；②BLY390/12 泥漿泵車；③YHD3－1500 隨鉆測量裝置；④φ89 mm/1．25°－4 孔底馬達；⑤φ89 mm/1．75°－4 孔底馬達；⑥φ89/73mm×1．5 m 寬翼片螺旋鉆桿；⑦φ89mm×1．5 m 常規外平鉆桿；⑧φ120 mm 定向鉆頭；⑨φ120/153 mm 擴孔鉆頭。

2.3 試驗方案

根據1212（3）工作面頂板巖性狀況及地質構造發育情況，考慮在定向鉆進過程中，可能因破碎帶、斷層、泥質軟巖等復雜地層影響，導致鉆孔局部孔段異常，甚至誘發卡、埋鉆事故，為此制定了2 種定向鉆進技術方案：①方案1：有線隨鉆測量裝置配套中心通纜式隨鉆測量鉆桿；②方案2：泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置配套寬翼片螺旋鉆桿。施工中采用“定向先導孔+正向擴孔”的成孔工藝。

定向鉆進鉆具組合為：φ120 mm 定向鉆頭+φ89 mm 單彎螺桿馬達+φ89 mm 下無磁鉆桿+φ89 mm 隨鉆測量探管外管（內含有線/無線隨鉆測量探管）+φ89 mm 有線/無線隨鉆測量鉆桿+送水器。

擴孔鉆具組合為：φ120 mm/153 mm 擴孔鉆頭+φ89 mm 常規外平鉆桿+送水器。

2.4 鉆孔施工情況

按既定方案，共施工了7 個高位定向鉆孔，最大孔深536 m，鉆孔總進尺3 789 m，孔徑φ153 mm。其中在5 個鉆孔中試驗了泥漿脈沖無線隨鉆測量復合定向鉆進技術，試驗最大鉆孔深度530 m，累計鉆孔進尺1 673 m。高位定向鉆孔實鉆軌跡如圖1。

圖1 高位定向鉆孔實鉆軌跡

3 試驗效果分析

3.1 泥漿脈沖無線隨鉆測量系統應用效果

分別在2#、3#、4#、6#、7#鉆孔中使用了泥漿脈沖無線隨鉆測量系統，最大測量鉆孔深度530 m，累計測量鉆孔進尺1 673 m，累計測量次數557 次，其中測量誤碼4 次，綜合誤碼率0.72%。使用過程中系統測量數據準確、信號傳輸穩定可靠，滿足煤礦井下定向鉆進軌跡控制要求。

3.2 復合定向鉆進技術效果分析

鉆進過程中，有線隨鉆測量定向鉆具與泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆具均使用了復合定向鉆進技術，從鉆進時效和復雜孔段鉆進效果2 個方面對2種鉆具組合形式下復合定向鉆進效果進行分析。

1）鉆進時效對比。1#~7#鉆孔采用滑動定向與復合鉆進2 種鉆進模式的應用比例與平均鉆進時效見表1。可以看出，復合鉆進的鉆進時效明顯優于滑動定向鉆進，前者機械鉆速最高可達到后者機械鉆速的近2 倍。在保證鉆孔軌跡施工精度的同時，合理控制滑動定向鉆進與復合鉆進2 種模式應用比例，對于提高定向鉆孔施工效率，縮短成孔周期具有積極意義[10]。

表1 2 種鉆進模式應用比例與鉆進時效對比

2）復雜孔段鉆進效果分析。鉆進中，3#和4#鉆孔分別在孔深386 m 和376 m 處因鉆孔與FSN69斷層斷裂帶貫通導致孔內返水量小或無返水。3#鉆孔鉆遇此情況時，為確保孔內定向鉆具安全，退鉆更換了常規回轉鉆具組合對剩余孔段實施頂漏鉆進直至達到設計孔深，之后下入有線隨鉆測量裝置對回轉鉆進孔段軌跡進行了復測。4#鉆孔鉆遇此情況時，利用有線隨鉆測量定向鉆具采用滑動定向方式頂漏鉆進困難，結合3#鉆孔施工經驗，退鉆更換了泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆具采用復合定向鉆進成功鉆至設計孔深。可見，復合定向鉆進較滑動定向鉆進具有更強的鉆進能力，提高了復雜地層中鉆孔成孔率。

3.3 寬翼片螺旋鉆桿復合排渣效果分析

保障鉆孔清潔是鉆孔正常施工和預防鉆孔事故的重要因素。本次試驗了水力正循環和螺旋鉆桿攪動的復合排渣方式，現場觀測發現，采用復合排渣方式的孔段返渣量可達單純水力排渣的2~3 倍，排渣效果明顯提高，鉆進過程中沒有發生卡、埋鉆事故；在因沖孔不充分導致孔內鉆屑淤積造成滑動定向難以鉆進時，采取“停鉆、倒桿、復合排渣”的方式，可快速將鉆屑排出孔外，有效提高鉆孔清潔度、降低鉆機系統壓力，實現正常定向鉆進。水力正循環和螺旋鉆桿攪動的復合排渣方式減少了鉆進過程輔助沖孔時間，提高了鉆孔綜合效率、鉆孔作業安全和成孔率。

4 結 語

基于螺旋鉆桿的泥漿脈沖無線隨鉆測量復合定向鉆進技術既實現了煤礦井下隨鉆測量方式由“有線”向“無線”的跨越，擺脫了中心通纜式鉆桿結構的束縛，又提高了復雜巖層中鉆進效率、鉆進能力和排渣效果，滿足頂板復雜巖層中定向鉆孔施工要求。通過優選適用鉆桿，還可用于碎軟煤層和軟硬復合煤層，具有廣闊的應用前景。未來應繼續改進鉆桿結構，減小鉆桿與孔壁間摩擦阻力，提高復合排渣效果和深孔鉆進能力。