煤層堅(jiān)硬頂板定向鉆孔高效成孔技術(shù)研究

張建偉

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

國(guó)家能源集團(tuán)布爾臺(tái)煤礦在開(kāi)展采前動(dòng)力災(zāi)害治理工作中，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“西安研究院”）利用定向鉆進(jìn)技術(shù)在布爾臺(tái)煤礦42202 工作面施工堅(jiān)硬頂板定向壓裂鉆孔，以驗(yàn)證煤層堅(jiān)硬頂板定向鉆孔快速成孔技術(shù)及配套裝備應(yīng)用的可行性、驗(yàn)證堅(jiān)硬頂板定向壓裂鉆孔在42202 工作面、的成孔性及壓裂效果，目標(biāo)探放層位為4 號(hào)煤基本頂細(xì)粒砂巖。試驗(yàn)采用西安研究院生產(chǎn)的ZDY12000LD 定向鉆機(jī)及配裝裝備進(jìn)行堅(jiān)硬頂板定向壓裂鉆孔施工。

1 高效成孔技術(shù)研究

1.1 布爾臺(tái)礦堅(jiān)硬頂板高效成孔工藝

（1）大功率螺桿馬達(dá)選型配套大排量泥漿泵及其在布爾臺(tái)煤礦堅(jiān)硬頂板的施工技術(shù)。

（2）大功率螺桿馬達(dá)組合鉆具在布爾臺(tái)煤礦堅(jiān)硬頂板中的施工技術(shù)研究。

（3）定向壓裂鉆孔布置及鉆孔軌跡設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)在布爾臺(tái)煤礦42202 工作面施工三組定向壓裂鉆孔，每組鉆孔包含3 個(gè)定向壓裂鉆孔，深度均不低于600 m，每個(gè)長(zhǎng)距離鉆孔包含1～2 個(gè)分支鉆孔，且設(shè)計(jì)要求鉆孔軌跡在4#煤基本頂細(xì)粒砂巖目標(biāo)層位延伸[1]。

通過(guò)目標(biāo)層位巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試，選型大功率螺桿鉆具配套大流量螺桿馬達(dá)，通過(guò)室內(nèi)測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式開(kāi)發(fā)出一套適用于布爾臺(tái)礦堅(jiān)硬頂板的高效定向鉆進(jìn)工藝方法及鉆具組合。

1.2 鉆孔設(shè)計(jì)原則

（1）定向鉆孔布置應(yīng)該與42202 工作面巷道工程圍巖環(huán)境、構(gòu)造條件、采掘現(xiàn)狀相適應(yīng)。

（2）高位定向壓裂鉆孔軌跡應(yīng)盡可能平滑、孔內(nèi)情況干凈，保證壓裂通道順暢，為后期壓裂設(shè)備的順利下入提供保障。

（3）鉆探工程量在滿足上述原則的基礎(chǔ)上兼顧經(jīng)濟(jì)合理的原則。

（4）避開(kāi)事故地層。為確保定向鉆孔安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、高效施工，設(shè)計(jì)軌跡盡可能避開(kāi)斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，主孔應(yīng)選在可鉆性好的穩(wěn)定巖層，不能在炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖等遇水膨脹性巖層鉆進(jìn)。

（5）設(shè)計(jì)鉆孔要求有利于鉆孔施工，在實(shí)際操作中得以順利實(shí)現(xiàn)，一般主孔和梳狀分支孔的方位角彎曲強(qiáng)度≤2°/（6 m），傾角彎曲強(qiáng)度≤2°/（6 m）。

（6）為保障施工順利進(jìn)行，根據(jù)需要在相應(yīng)的位置為梳狀鉆孔預(yù)留分支點(diǎn)，預(yù)留分支點(diǎn)的間隔為50～100 m（不宜超過(guò)100 m）。

（7）預(yù)留分支點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在地層相對(duì)完整、巖煤層硬度適中的孔段，不宜在堅(jiān)硬巖石和破碎層段預(yù)留分支點(diǎn)。

2 施工裝備優(yōu)選

結(jié)合布爾臺(tái)煤礦4#煤堅(jiān)硬頂板對(duì)于鉆機(jī)性能和鉆孔施工的具體要求，優(yōu)選推薦中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY12000LD 型履帶式全液壓坑道定向鉆機(jī)、FMC390 型泥漿泵和YHD2-1000（A）型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，配套了Φ89 mm 系列定向鉆具組合、Φ133/93 mm、Φ153/133 mm、Φ193/153 mm、Φ250/120 mm 擴(kuò)孔鉆具組合，主要裝備及配套鉆具見(jiàn)表1。

表1 堅(jiān)硬頂板長(zhǎng)距離鉆孔優(yōu)選配套設(shè)備參數(shù)

針對(duì)布爾臺(tái)煤礦4#煤堅(jiān)硬頂板巨厚細(xì)粒砂巖，其細(xì)粒砂巖硬度高，f 值為5～9，完整性好。結(jié)合鉆孔軌跡非目標(biāo)層位孔段曲率大的特點(diǎn)，選用89 mm 五級(jí)大功率螺桿馬達(dá)配套89 mm 通纜鉆桿，引進(jìn)煤層堅(jiān)硬頂板定向鉆進(jìn)技術(shù)，其鉆具組合如下：

“120 mm 定向鉆頭+89 mm 五級(jí)螺桿馬達(dá)+89 mm 下無(wú)磁鉆桿+89 mm 探管外管+89 mm 上無(wú)磁鉆桿+89mm 中心通纜式鉆桿+…+89 mm 中心通纜式水便”。

五級(jí)大功率螺桿馬達(dá)可保證鉆頭的碎巖效率，中心通纜式鉆桿可保證鉆孔軌跡實(shí)現(xiàn)較大曲率彎曲，確保鉆孔軌跡提前進(jìn)入目標(biāo)層位。

鉆進(jìn)過(guò)程中，可將泥漿泵流量開(kāi)大，為五級(jí)大功率螺桿馬達(dá)提供足夠的轉(zhuǎn)速和扭矩，為堅(jiān)硬頂板高效鉆進(jìn)提供保障。在排渣通暢的情況下，可適當(dāng)加大鉆壓，以提高鉆進(jìn)速度。

鉆孔軌跡進(jìn)入目標(biāo)層位后，可適當(dāng)采用“定向+回轉(zhuǎn)”復(fù)合的鉆進(jìn)方式，在保證鉆孔軌跡的前提下，可提高鉆孔排渣效率，減小孔壁摩阻，從而提升鉆進(jìn)效率。

3 工業(yè)試驗(yàn)

通過(guò)前期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及高位定向壓裂鉆孔在布爾臺(tái)煤礦應(yīng)用的可行性分析后，在42202 工作面設(shè)計(jì)并施工了3組高位定向壓裂鉆孔，每組3 個(gè)鉆孔，總計(jì)9 個(gè)高位定向壓裂鉆孔，終孔孔徑120 mm，總進(jìn)尺4380 m，最大孔深570 m。

（1）42202 工作面第一組高位定向壓裂鉆孔施工情況。第一組鉆孔布置于42202 工作面1#鉆場(chǎng)，施工高位定向壓裂鉆孔3個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺1407 m。其中，1#、2#和3#鉆孔的深度分別為420 m、477 m 和510 m，鉆孔水平間隔約80 m，軌跡均在目標(biāo)層位細(xì)粒砂巖內(nèi)延伸，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）42202 工作面第二組高位定向壓裂鉆孔施工情況。第二組鉆孔布置于42202 工作面2#鉆場(chǎng)，累計(jì)進(jìn)尺1422 m。其中，1#、2#和3#鉆孔的深度分別為330 m、477 m 和510 m，鉆孔水平間隔約80 m，軌跡均在目標(biāo)層位細(xì)粒砂巖內(nèi)延伸，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）42202 工作面第三組高位定向壓裂鉆孔施工情況。第三組鉆孔布置于42202 工作面3#鉆場(chǎng)，累計(jì)進(jìn)尺1551 m。其中，1#、2#和3#鉆孔的深度分別為462 m、519 m 和570 m，鉆孔水平間隔約80 m，軌跡均在目標(biāo)層位細(xì)粒砂巖內(nèi)延伸，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1 施工工效統(tǒng)計(jì)

定向施工自開(kāi)始以來(lái)，總共施工132 班次，工效統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 施工工效統(tǒng)計(jì)

3.2 目標(biāo)層鉆進(jìn)效率對(duì)比分析

定向施工開(kāi)始后，按照每3 m 一記錄一測(cè)算的要求對(duì)鉆進(jìn)速度進(jìn)行記錄。根據(jù)研究目的，對(duì)目標(biāo)層硬巖中的順層鉆進(jìn)速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用線型圖對(duì)鉆進(jìn)速度進(jìn)行體現(xiàn)。

在1-1（I）、1-1（II）、1-1（III）施工過(guò)程中，采用的Φ89 mm五級(jí)螺桿馬達(dá)定向鉆具組合，鉆進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1～圖3。

該組合在細(xì)粒砂巖中平均鉆速為0.08 m/min 即4.8 m/h。從圖1、圖2、圖3 可以看出，在細(xì)粒砂巖上部鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)速度慢，平均鉆速0.06 m/min，而在中下部鉆進(jìn)時(shí)鉆速較快，平均鉆速0.09 m/min。從鉆進(jìn)過(guò)程中的返渣情況來(lái)分析，主要是因?yàn)樯喜枯^完整而下部裂隙發(fā)育相對(duì)較多。

圖1 1-1（I）Ф89 mm 五級(jí)螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)速度

圖2 1-1（II）Ф89 mm 五級(jí)螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)速度

圖3 1-1（III）Ф89 mm 五級(jí)螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)速度

3.3 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

從施工效率角度分析，以第二組高位定向壓裂鉆孔為例，鉆孔鉆遇堅(jiān)硬巖層的前提下，日均進(jìn)尺約86.4 m，加上鉆進(jìn)輔助時(shí)間，完成600 m 孔深鉆孔需6～8 d。對(duì)比普通回轉(zhuǎn)鉆孔施工，普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式完成600 m 進(jìn)尺約需要4 個(gè)鉆孔，按照一個(gè)鉆孔3 d 的施工效率，對(duì)比分析知，采用高位定向壓裂鉆孔工期可縮短30%～50%。

社會(huì)效益方面，高位定向壓裂鉆孔施工主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①鉆孔施工效率高，單孔深度大，鉆孔軌跡覆蓋范圍廣，可以更好的為工作面壓裂工作提供支持；②相比于普通回轉(zhuǎn)鉆孔施工，高位定向壓裂鉆孔施工單班只需3 人即可完成鉆進(jìn)施工任務(wù)，節(jié)約了煤礦井下鉆探施工的人力成本，并且具有更高的施工效率；③從施工裝配套及施工工藝分析，高位定向壓裂鉆孔施工具有更可靠的安全性，保障壓裂鉆孔安全高效推進(jìn)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本次試驗(yàn)在布爾臺(tái)煤礦42202 工作面施工高位定向壓裂鉆孔9 個(gè)。單孔最大孔深577 m，并可實(shí)現(xiàn)日均80 m 進(jìn)尺高效施工。試驗(yàn)施工的高位頂板壓裂鉆孔目標(biāo)孔段有效距離長(zhǎng)，對(duì)比相同工作面普通回轉(zhuǎn)鉆孔，高位定向壓裂鉆孔具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（1）綜合分析鉆孔施工效率、施工技術(shù)參數(shù)及實(shí)際鉆進(jìn)軌跡，高位定向壓裂鉆孔在布爾臺(tái)煤礦應(yīng)用主要體現(xiàn)了以下3 個(gè)優(yōu)勢(shì)：①高位定向壓裂鉆孔軌跡可控，精準(zhǔn)導(dǎo)向，鉆孔距離長(zhǎng)，軌跡覆蓋區(qū)域范圍廣；②通過(guò)煤層堅(jiān)硬頂板高效成孔技術(shù)研究，提高了鉆進(jìn)效率，單班最大進(jìn)尺可達(dá)60 m，并可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)分支孔鉆進(jìn)，開(kāi)孔一次即可實(shí)現(xiàn)多方位，多角度進(jìn)尺；③對(duì)于布爾臺(tái)煤礦不同工作面地層有所差異的特點(diǎn)，通過(guò)堅(jiān)硬頂板砂巖標(biāo)志層找準(zhǔn)目標(biāo)層位置，擴(kuò)大壓裂影響范圍具有深遠(yuǎn)的意義。

（2）綜合分析堅(jiān)硬頂板高位定向壓裂鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，鉆孔軌跡，鉆進(jìn)時(shí)效，鉆孔返渣，鉆孔出水量等，得出以下試驗(yàn)結(jié)論：①配套的技術(shù)裝備安全高效完成了所有試驗(yàn)任務(wù)，驗(yàn)證了煤層堅(jiān)硬頂板快速成孔技術(shù)在布爾臺(tái)煤礦具有很好的適用性；②高位定向壓裂鉆孔在布爾臺(tái)煤礦具有良好的適用性，鉆進(jìn)效率高，成孔性好，鉆孔風(fēng)險(xiǎn)率低，易實(shí)現(xiàn)500 m 以上深孔鉆進(jìn)；③高位定向壓裂鉆孔軌跡可在目標(biāo)厚層細(xì)粒砂巖中延伸，可有效破壞巖層完整性，并可根據(jù)巖層硬度、鉆進(jìn)速度情況及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)層位，保證軌跡最大限度在堅(jiān)硬的頂板細(xì)砂巖中延伸；④高位定向壓裂鉆孔施工具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.2 建議

結(jié)合鉆孔施工實(shí)際情況，對(duì)于煤層堅(jiān)硬頂板高位定向壓裂鉆孔的施工，提出以下3 條建議：

（1）針對(duì)布爾臺(tái)礦區(qū)堅(jiān)煤層硬頂板條件，利用大功率螺桿馬達(dá)大扭矩、高轉(zhuǎn)速或大沖擊功的特性，配套大排量泥漿泵提高鉆進(jìn)速度，結(jié)合頂板硬巖特點(diǎn)，可將鉆進(jìn)速度提高到5 m/h 以上。

（2）改進(jìn)注漿工藝。建議采用“黃泥+水泥”的漿液配置進(jìn)行注漿加固，或者在水泥中加入緩凝和增加流動(dòng)性的添加劑。

（3）鉆孔軌跡進(jìn)入目標(biāo)層位后，可適當(dāng)采用“定向+回轉(zhuǎn)”結(jié)合的鉆進(jìn)方式，在保證鉆孔軌跡的前提下，可提高鉆孔排渣效率、減小孔壁摩阻，從而提升鉆進(jìn)效率。