順煤層超長定向孔滑動減阻鉆進關鍵技術研究

許 超，姜 磊，李泉新，方 俊，陳 盼，劉 智

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下定向鉆進技術起步于20世紀60年代英國[1]，最初依靠穩定組合鉆具及單點測斜儀實現傾角在一定范圍內調節。隨著彎螺桿鉆具及隨鉆測量系統的引進，煤礦井下定向鉆進技術得到極大發展[2-3]。我國煤礦井下定向鉆進技術起步較晚，得益于國家長期堅持的煤炭能源結構，經過“十一·五”、“十二·五”等科技攻關，煤礦井下大功率定向鉆進技術與裝備取得重大突破，定向鉆進技術已達世界領先水平[4-6]。

隨著煤礦井下定向鉆進技術與裝備的進步，近水平定向鉆孔以其精確的軌跡控制優勢，逐漸被應用于瓦斯抽采、防治水及地質構造探測等方面，取得了顯著的應用效果[7-10]。目前由定向鉆進技術引申而來的應用場景正在不斷擴寬，同時新的應用場景也為定向鉆機技術提出更高的要求，在煤礦井下大區域瓦斯治理以盤區綜合治理為目標的應用中，定向超長鉆孔單次施工覆蓋整個盤區，要求所施工的順煤層定向鉆孔長度大于3000m[11]，但受制于目前煤礦井下定向技術與裝備，順煤層鉆孔滑動定向鉆進鉆進深度不超過2000m。

在順煤層超長定向鉆孔施工過程中，為實現鉆孔軌跡高精度定向控制、安全高效鉆進以及鉆孔沿煤層延伸的鉆進目標，“滑動鉆進糾偏+復合鉆進保直”的高效、精確定向鉆進工藝技術與“主動探頂+側鉆分支+再探頂+再分支+…”的順煤層遞進式延伸鉆進技術是順煤層超長定向鉆孔成孔的工藝保障。其中滑動定向鉆進工藝在軌跡精確控制和側鉆分支作業中起到決定性作用。然而，隨著鉆孔長度增加滑動鉆進阻力加速上升，滑動定向鉆進阻力隨孔深增加加速上升，造成鉆機系統壓力快速接近臨界值[12]，從而制約了定向鉆孔成孔深度。為此，從滑動鉆進阻力影響因素分析出發，得出滑動鉆進鉆具阻力隨孔深變化特性，并依此開發了滑動鉆進減阻工藝技術，并通過現場試驗結果進行驗證。

1 滑動鉆進鉆具阻力

1.1 滑動鉆進阻力影響因素

滑動鉆進時，孔口鉆機向鉆具施加鉆壓，同時孔底煤巖給鉆具以反作用力，致使鉆具處于受壓狀態，定向長鉆孔內隨孔深增加鉆具呈現出較強的“柔性”特征，受壓變形后的鉆具將與鉆孔孔壁產生擠壓接觸，從而在滑動鉆進過程中產生鉆具與孔壁之間的摩擦力；另外，在近水平定向鉆進過程中，鉆屑容易在孔壁下部沉積形成巖屑床，巖屑床內鉆屑與沖洗液混合形成的“固-液”兩相流體對鉆具產生一定的摩擦和黏附力。

因此，滑動鉆進阻力可分為孔底對鉆頭阻力（鉆壓的反作用力）和鉆具沿程摩擦阻力，其中后者包擴鉆具與孔壁之間的摩擦阻力和鉆具與巖屑床之間的摩擦與黏附阻力。

其中鉆具與孔壁之間的摩擦阻力主要影響因素有3個方面：①鉆孔深度：近水平定向鉆進過程中，隨孔深增加，鉆具彎曲變形越來越嚴重，與孔壁之間的正壓力也不斷增加，從而造成孔內摩阻增大，導致鉆壓傳遞效率大大降低，這是影響滑動鉆進深度的主要因素；②鉆孔軌跡彎曲強度：鉆孔軌跡彎曲強度越大，增大了鉆具受壓時徑向偏移量，從而增加了鉆具與孔壁擠壓接觸的正壓力，導致摩擦阻力增大；③地層類型：地層對鉆進過程中摩擦阻力的影響主要體現在2個方面：一方面鉆進地層巖性造成孔壁與鉆具之間的摩擦系數變化影響摩擦阻力，另一方面，鉆進地層巖性堅固程度的影響，地層越堅硬，孔底煤巖給鉆頭的反作用力越大，鉆具受壓變形更嚴重，摩擦阻力就更大，反之亦然。

1.2 滑動鉆進阻力特性

基于上述認識結合現場實際數據，在假設忽略法向力的增加對煤層摩擦系數的影響、鉆孔沉渣沿鉆孔孔壁均勻分布、忽略鉆孔彎曲對摩擦力影響、鉆孔延伸方向煤層力學參數均質等條件基礎上，進行滑動鉆進阻力特性分析。

滑動定向鉆進過程中，鉆進推力需要克服孔底鉆進阻力和鉆具摩擦力才能實現正常鉆進。其中孔底鉆進阻力是地層抵抗鉆頭壓入和切削的阻力，其大小取決于地層力學參數、鉆頭結構和鉆進工藝參數等，在各項條件確定的基礎上，孔底鉆進阻力近似為常數。

鉆具摩擦力包括孔壁巖屑床對鉆具的摩擦與黏附阻力和鉆具與孔壁之間的摩擦力，其中前者大小與鉆屑性質和沉積狀況以及鉆具長度有關，假設鉆屑在孔內均勻分布，則孔內沉渣阻力將隨孔深增加呈線性增加；后者在不考慮鉆具與孔壁間摩擦因數變化情況下，隨孔深增長，孔壁摩擦阻力逐漸增加、孔口推進力增大，鉆進過程中鉆具彎曲變形程度加劇，鉆具與孔壁接觸壓力增大，導致孔壁摩擦阻力隨孔深增長逐漸快速增加。滑動定向鉆進阻力隨孔深變化規律示意圖如圖1。

圖1 滑動定向鉆進阻力變化規律示意圖Fig.1 Diagram of resistance variation law in directional sliding drilling

1.3 實鉆滑動鉆進阻力特征

鉆孔施工過程中鉆進系統壓力是孔內鉆進阻力的重要表征，兩者之間成正比，因此系統壓力能夠直接反應孔口鉆進推進力。以保德煤礦二盤區相同中硬煤層條件2311m和2570m2組順煤層超長定向鉆孔為例，實鉆滑動鉆進阻力符合滑動定向鉆進阻力隨孔深變化規律。鉆進過程中系統滑動鉆進推進壓力隨孔深變化如圖2。

圖2 滑動鉆進推進壓力隨孔深變化規律Fig.2 Propulsion pressure of sliding drilling varies with hole depth

根據圖2分析得知：

1）該曲線起始壓力為5.99MPa，該壓力主要由鉆機液壓系統初始壓力和孔底鉆進阻力組成，根據實鉆數據，煤層中鉆進孔底鉆進阻力約為0.6MPa，因此，煤層鉆進中，孔底鉆進阻力對于滑動鉆進阻力的貢獻極為有限。

2）孔深0～1000m孔段，滑動鉆進推進壓力處于緩慢增長模式，從6.5MPa增加至8.0MPa，平均增長幅度0.15MPa/100m，由于根據滑動鉆進摩阻特性理論分析得知，由鉆屑沉積造成的滑動阻力增幅要低于0.15MPa/100m，處于比較低的水平，因此沿程鉆巖屑床造成的滑動鉆進阻力對鉆孔延伸深度的影響十分有限。

3）當孔深達到1000～2000m時，滑動鉆進推進壓力呈現出加速增長特點，壓力從8MPa增加至18MPa，平均增長幅度1.0MPa/100m。隨著孔深的增加，孔內鉆具的重量增大，其所受的摩阻逐漸增加，鉆具彎曲造成的摩阻增大現象凸顯，消耗了大部分推進力。

4）當孔深超過2000m后，滑動鉆進推進壓力呈現急劇增長特點，壓力從18MPa迅速增大至28 MPa，達到定向鉆機額定推進壓力，平均增長幅度3.3MPa/100m，此段滑動定向鉆進中，由于滑動推進力極具上升，造成滑動定向鉆進機械鉆速快速下降且不平穩，時常發生滑動“鎖死”現象，已不能滿足正常定向鉆進的需要。

因此，滑動定向鉆進過程中，鉆具與孔壁之間摩擦阻力隨孔深增加加速上升，造成鉆機系統壓力快速接近臨界值，是制約鉆進深度的根本原因。目前采用的準89mm定向鉆具組合，順煤層滑動鉆進深度一般不超過2000m。

2 滑動鉆進減阻工藝

基于上述研究，研究開發了水力加壓和正反扭轉鉆進技術來解決滑動鉆進減阻難題。

2.1 水力加壓減阻鉆進技術

通常情況下，煤礦井下滑動定向鉆進中推進力由孔口鉆機通過鉆具傳遞到孔底，但推進力在傳遞過程中會因鉆具與孔內沉渣和孔壁摩擦導致傳遞效率降低，深孔狀態下會造成鉆機施加的推進力無法有效傳遞至孔底鉆頭上。為此，設計了水力加壓螺桿鉆具，水力加壓螺桿鉆具轉子總成在水力驅動下旋轉的同時可在軸向產生一定位移，即沖洗液流經螺桿鉆具時在高、低壓腔沖洗液壓降作用下不僅可驅動鉆具轉子總成帶動鉆頭旋轉，同時產生軸向推力將轉子總成連同鉆頭沿軸向推出一定距離，進而在鉆進過程中通過水壓為鉆頭施加推力（鉆壓），從而改善孔底鉆具受力狀態和鉆具彎曲變形程度，降低滑動鉆進過程中的鉆進摩擦阻力，對于提高超長定向孔鉆進深度具有積極意義。水力加壓螺桿鉆具工作示意圖如圖3。

圖3 水力加壓螺桿鉆具工作示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic pressure screw drilling tool

沖洗液壓降產生的軸向推力可由下式計算：

F=［AR＋（N＋1）AG］△p

式中：F為軸向推力，N；AR為轉子的截面積，m2；AG為過流面積，m2；N為轉子的頭數；△p為流體的壓差，Pa。

經計算，準89mm水力加壓螺桿鉆具正常鉆進時輸出的軸向推力可達到6kN以上，可以滿足準120 mm鉆頭在中硬煤系地層鉆進中對鉆壓的要求。

2.2 正反扭轉減阻鉆進技術

煤層超長定向孔鉆進過程中，復合鉆進推進壓力隨孔深呈線性變化，變化幅度很小。因此，與滑動鉆進相比，復合鉆進在超長鉆孔施工中減阻效果顯著。復合鉆進減阻機理是在鉆進過程中，鉆具在軸向滑動與回轉的復合運動下，鉆具總摩擦阻力分解為軸向摩擦阻力和切向摩擦阻力，鉆機推進力克服軸向摩擦阻力推動鉆具軸向運動，鉆機旋轉扭矩克服切向摩擦力帶動鉆具轉動。復合鉆進狀態下，機械鉆速、鉆具復合轉速和鉆孔深度是影響鉆具軸向摩擦阻力和旋轉摩擦扭矩的主控因素，軸向摩擦阻力隨復合轉速變化曲線如圖4。

由圖4得知，相同孔深條件下，軸向摩擦阻力隨復合轉速增加而降低；轉速在20～30r/min區間內，轉速的微小增加便會引起軸向摩擦阻力的顯著降低，并且鉆孔深度越大復合轉速對軸向摩擦阻力影響越大，復合鉆進減阻效果越好。

圖4 軸向摩擦阻力隨復合轉速變化曲線Fig.4 Variation curves of axial friction resistance with compound speed

基于復合鉆進減阻機理，結合深孔條件下滑動鉆進時鉆具在復雜受力下產生彈性變形、孔口鉆桿少量正反轉動不會傳遞至孔底的特點，在滑動定向鉆進時利用鉆機帶動鉆具進行小幅度正反往復扭轉，扭轉運動將沿鉆具傳遞至孔內一定深度，在該深度處扭轉力與鉆具運動阻力相平衡，稱該深度位置為平衡點，以平衡點將孔內鉆具劃分為2個典型區域：扭轉運動區和滑動運行區。扭轉運動區內鉆具做正反扭轉與滑動的復合運動，其運行特點與復合鉆進相似，該區域鉆進阻力大幅度減小；滑動運行區為扭轉運動未影響到的區域，該區域鉆具做滑動運動，保證了螺桿鉆具工具面向角不變。扭轉鉆進工藝既可有效減小滑動鉆進阻力，又保證了定向鉆進軌跡控制精度。正反扭轉鉆進示意圖如圖5。

圖5 正反扭轉鉆進示意圖Fig.5 Schematic diagram of forward and reverse torsional drilling

經計算，得出正反扭轉角度與其扭轉運動區長度關系為：

式中：l為扭轉運動區長度，m；G為鉆具材料切變模量，Pa；Ip為鉆具慣性矩，m；φ為扭轉角度，（°）；r為鉆具半徑，m；μ為鉆具與孔壁間的摩擦系數；q為單位長度鉆具質量，kg；g為重力加速度，m2/s。

基于上述研究結果得出：一定旋轉角度范圍內正反扭轉鉆進時，扭轉頻率越高，扭轉運動區內鉆具運動時轉速越高，減阻效果越好；在不改變螺桿鉆具工具面和不致使鉆具卸扣條件下，扭轉運動幅度越大，扭轉運動區范圍越大，鉆進減阻效果越好。

3 超長定向鉆孔工程實踐

1）工程概況。保德煤礦是神東煤炭集團下屬的高瓦斯礦井，其規劃的二、三盤區工作面走向長度普遍超過3300m，為了開展大盤區煤層瓦斯超前治理，前期在保德煤礦二盤區81210工作面和81209工作面分別完成了主孔深度2311m和2570m的順煤層定向長鉆孔，取得了良好的瓦斯抽采效果。本次在保德煤礦二盤區81210工作面開展3000m以上順煤層超長定向鉆孔工程實踐，以期實現利用順煤層超長定向鉆孔一次性沿走向貫穿工作面，進一步擴大礦井瓦斯抽采區域。81210工作面走向長度約3340m，傾向長度240m，煤層平均厚度6.8m，煤層中上部及中下部分別分布有厚0.4m和0.6m夾矸層，煤層和夾矸f系數平均分別為1.7 和2.0 。

2）施工情況。鉆孔施工選配了ZDY15000LD大功率定向鉆機、BLY460/13高壓泥漿泵車、YHD3-3000泥漿脈沖無線隨鉆測量系統、1.5 °彎角的 準89 mm水力加壓螺桿鉆具、準89mm高強度大通孔定向鉆具、準120mm定向鉆頭。自2019年8月19日，鉆進用時21d，成功鉆成主孔深度3353m的順煤層超長貫通定向鉆孔，創造了井下順煤層定向鉆孔深度紀錄，鉆孔貫穿81210工作面并與相鄰三盤區二號回風巷精準貫通。主孔煤層鉆遇率100%，鉆孔總進尺4428m。3353m順煤層定向鉆孔實鉆軌跡圖如圖6。

圖63353 m順煤層定向鉆孔實鉆軌跡圖Fig.6 The actual drilling trajectory of in-seam borehole with3353m

4 滑動鉆進減阻效果

1）螺桿鉆具水力加壓減阻效果。本次試驗采用水力加壓螺桿鉆具與以往采用常規螺桿鉆具在相同地質條件下順煤層定向長鉆孔鉆進過程中滑動鉆進推進壓力隨孔深對比的方法，滑動鉆進推進壓力對比圖如圖7。由圖7可看出，在孔深0～1000m孔段，常規螺桿鉆具推進壓力隨孔深增加近似線性緩慢增長，而水力加壓螺桿鉆具可將推進力隨孔深的這種變化趨勢延長至1500m；同樣，水力加壓螺桿鉆具鉆進推進力的加速增長和急劇增長階段孔深均大于常規螺桿鉆具，滑動鉆進深度更大，鉆進速度平穩性也更高。采用水力加壓螺桿鉆具時推進壓力明顯小于常規螺桿鉆具。

圖7 滑動鉆進推進壓力對比圖Fig.7 Comparison of feed pressure of sliding drilling

2）鉆具正反扭轉鉆進減阻效果。在孔深2000 m后孔段實施滑動定向鉆進時，采取先滑動鉆進一定距離后再按扭轉幅度0.4 ～1圈、扭轉頻率1圈/6s實施正反扭轉鉆進，并分別記錄相同深度位置2種鉆進工藝的推進壓力。鉆進系統推進壓力對比圖如圖8。由圖8可看出，在孔深2010～2226m孔段，采用正反扭轉鉆進與滑動鉆進對比試驗6次，扭轉鉆進推進壓力10～13MPa，較純滑動推進壓力降低2～4MPa；采用純滑動定向鉆進時，預測在孔深2500 m左右推進壓力將接近系統極限值，而采用扭轉鉆進推進壓力僅為15～16MPa。采用扭轉鉆進時推進壓力較滑動鉆進明顯降低。

圖8 鉆進系統推進壓力對比圖Fig.8 Comparison of feed pressure of drilling system

螺桿鉆具水力加壓鉆進及正反扭轉鉆進工藝有效降低了滑動鉆進摩阻，順煤層超長孔滑動定向鉆進深度達到了2700m。

5 結 語

1）近水平超長定向鉆孔條件下，滑動定向鉆進過程中，鉆具與孔壁之間摩擦阻力隨孔深增加加速上升，造成鉆機系統壓力快速接近臨界值，是制約鉆進深度的根本原因。水力加壓鉆進技術，通過水壓為鉆頭施加推力，從而改善孔底鉆具受力狀態和鉆具彎曲變形程度，滑動鉆進軸向推力明顯低于常規螺桿鉆具，減阻效果良好，滑動鉆進深度更大。

2）基于復合鉆進減阻規律，開發的正反扭轉定向鉆進工藝在相同孔深條件下，較純滑動鉆進推進力顯著降低，滑動鉆進深度明顯提高。

3）基于水力加壓鉆進和正反扭轉鉆進的滑動減阻鉆進技術顯著降低了超長定向鉆孔鉆進過程中的鉆具軸向摩阻力，對于超長定向鉆孔軌跡糾偏控制具有重要意義，順煤層超長孔滑動定向鉆機深度提升至2700m，在該項工藝技術的支撐下，完成了3 353m順煤層高精度超長貫通定向鉆孔施工。