煤礦碎軟低滲煤層定向鉆進關鍵技術研究

劉 晶

（棗莊礦業（集團）有限責任公司，山東 棗莊 277000）

本文以棗莊礦業集團的礦井工程為例進行煤層定向鉆進技術研究。該礦層所在區域具有地質環境復雜、煤礦碎軟、整體結構透氣性差等特點，現有作業方案不適用于煤礦碎軟低滲煤層的定向鉆進施工，在低滲煤層使用傳統鉆進方案會出現掉鉆、成孔率低等缺陷[1]。為解決此方面問題，提高低滲煤層的鉆進施工作業綜合水平，在此次研究中，對碎軟低滲煤層定向鉆進關鍵技術展開研究，提高煤礦工程的綜合效益與作業水平。

1 工程概況

1.1 地層情況

付村煤礦井田煤炭資源豐富，主采煤層為二疊系山西組3上、3下煤層。目前正在開采的工作面是3上412。其工作面井下位置位于東二輔助采區西南部，西鄰匯子斷層30～346 m 不等，南距大屯斷層邊界斷層150 m，東距3上216回采工作面采空區5 m，為半孤島工作面。該面煤層埋藏深度為380～470 m，東北部埋藏深，東南部埋藏較淺。煤層屬厚煤層，厚度5.05～5.91 m，平均5.50 m，厚度穩定，變化幅度不大，結構簡單，可采性好。由于受周圍大斷層的切割，形成了一個半封閉的水文地質單元，主要有第四系松散含水層等含水體或含水層。主要含水層具有發育程度與含水性不均一，淺部含水性較強，隨著深度增加而減弱，以靜儲量為主、動儲量為輔的特點，水文地質條件屬簡單－中等類型。

1.2 影響鉆進的地質因素

在付村煤礦井田的定向鉆進區域，存在多個地質因素可能會影響鉆進作業。以下是其中一些重要的地質因素：

1）大斷層切割。在鉆進作業中，穿越或靠近大斷層的區域往往會遇到地質構造變化，例如巖層錯動、褶皺或斷裂現象，這可能影響鉆孔的穩定性。且可能會受到高水平或復雜的構造應力影響，這會導致地層變形、巖層破裂或鉆孔塌陷等問題。因此，在鉆進作業過程中，需要進行詳細的勘探和分析，并采取適當的支護措施來確保鉆孔的穩定性和安全性。

2）主要含水層。井田內存在多個主要的含水層，這些含水層的發育程度和含水性可能會對鉆進作業產生影響，較強的含水層可能導致泥漿稀釋，降低鉆井速度。同時，如果鉆井液與含水層相互滲流，可能會引起巖屑的沖刷，進一步降低鉆進速度，因此需要進行相應的排水措施和防滲處理。

所以，基于上述分析來確定鉆進技術，以達到預期效果。

2 定向鉆進勘探與鉆孔定位

為確保定向鉆進施工可以達到預期效果，需要在施工前，進行煤礦碎軟低滲煤層的定向鉆進勘探，提出兩種勘探方式，如圖1、圖2。

圖1 分支孔式勘探方式

圖2 波浪線式勘探方式

根據煤礦碎軟低滲煤層的實際情況，選擇對應的勘探方式，掌握定向鉆進作業面的土質情況，以此為基礎進行煤礦碎軟低滲煤層的鉆孔定位，此環節是煤礦定向鉆進工程中的一個重要環節[2]。在設計鉆孔結構、鉆孔定位之前，應全面、系統地掌握煤層的地質信息，了解煤層的走向、傾角，根據鉆孔有關參數，對鉆孔的方向、傾角進行適當選取，盡量在煤層較為穩固的地段鉆孔，以確保后續定向鉆進工作的可靠性。

3 鉆探設備

定向減阻鉆進與滑動定向鉆進施工均采用現有鉆進設備機具，主要包括全液壓坑道鉆機、泥漿泵和隨鉆測量設備[3]。鉆具組合為PDC 鉆頭+螺桿鉆具+變徑接頭+下無磁鉆桿+隨鉆測量儀器+上無磁鉆桿+變徑接頭+鉆桿。鉆探設備機具主要性能參數見表1。

表1 煤礦碎軟低滲煤層勘探與定向鉆進配套設備

4 定向鉆進過程中的軌跡設計與控制

4.1 滑動定向鉆進

對煤層射孔壓裂處進行處理后，可進行定向鉆進過程中軌跡的設計。采用Φ42 mm 外平鉆桿和Φ75 mm 復合片式鉆機，以47°的傾斜角度，在巖層進行內鉆。見煤后，在煤層內鉆見頂。試驗孔在見到煤層后會發生造斜，造成煤孔段內的井段向下彎曲，從而使煤層的孔段長度變長，同時也加大了單孔煤巖的孔長比例[4]。考慮到在此過程中彎曲鉆井的軌跡并不是理想的圓弧狀，因此，在設計定向鉆進軌跡時，可以根據煤層的厚度來設計造斜點。此過程如圖3。

圖3 定向鉆進過程中的軌跡

為保證鉆孔可以在煤層中延伸，使用穩定的組合鉆具控制鉆進方位。穩定組合鉆具主要有：上鉆、下鉆、側鉆三種組合，通過調節穩定器的數量和放置位置，發揮鉆具的組合作用。通過此種方式，降低井內塌孔、夾鉆等安全隱患。同時，在定向鉆進期間，要隨時通過孔口排渣和壓力計對鉆孔內狀況進行判斷，一旦出現異常，立即進行處置，以此實現定向鉆進過程中的軌跡控制。

4.2 定向減阻鉆進

鉆孔開孔方位和終孔方位已知，對鉆孔軌跡設計進行減阻優化，主要從開孔傾角和鉆孔造斜曲率兩方面進行優化。方位造斜段為避免受地層自然造斜影響，應選擇硬度大和地層各向同性地層。由綜合柱狀圖可知，本溪組上部灰白色砂巖層最適合作為方位造斜段的層位。傾角造斜段最大高度16.8 m，鉆孔最大開孔傾角可通過墊枕木等形式達到-19°。由式（1）計算得鉆孔造斜曲率為0.18° /m，符合鉆孔軌跡設計要求。鉆孔彎曲度越小，分支鉆進難度越大。因此，選取鉆孔造斜曲率為0.2° /m，開孔傾角選擇為-19°。由式（2）可計算出試驗孔各孔段長度。由計算可得，傾角造斜段長度為75 m，穩斜穩方位段長度為96 m，方位造斜段為102 m，水平段長度為727 m。

式中：R為造斜段對應圓半徑，m；l為造斜段對應圓弧長，m；γ為鉆孔造斜曲率，°/m；θ為開孔傾角，（°）；h為造斜段垂直高度，m。

式中：H為穩斜段垂直高度，m。

4.3 軌跡控制及鉆進參數選擇

實鉆軌跡控制按照常規方式，在造斜段選取某一固定角度進行鉆進，穩斜段和水平段采用不斷調整工具面向角的方式，實現穩斜鉆進。

鉆進參數選擇隨孔深增加和巖性變化而逐步增加。開孔段巖層硬度較小，且主要為泥巖，給進壓力、泵壓和沖洗液量不宜過大，一般選取給進壓力1 MPa，泵壓3 MPa，沖洗量為168 L/min。當發現鉆進速度下降時，增大給進壓力、泵壓和沖洗液量使鉆進速度保持穩定。

5 效果分析

本施工共在現場定位4 個主孔與10 個分支孔。以10 個分支孔為例，初步檢驗本文提出方法在實際應用中的鉆孔定位偏差（排除現場存在安全隱患后，安排人工進行鉆孔位置的檢驗，記錄偏差值）。相關內容如圖4。

圖4 煤礦碎軟低滲煤層作業面鉆孔定位偏差

從上述圖4 可以看出，10 個分支孔的碎軟低滲煤層作業面鉆孔定位偏差均＜3 mm，即鉆孔定位精度較高。在此基礎上，進行碎軟低滲煤層的射孔壓裂處理，通過對定向鉆進過程中的軌跡設計與控制，完成煤礦工程作業現場的定向鉆進關鍵技術應用。以主孔A 為例，對其進行施工現場定向鉆進，繪制鉆進過程中的實鉆軌跡與理論軌跡，如圖5。按照上述方式，記錄剩余分支孔的實鉆軌跡與理論軌跡，統計定向鉆進過程中多條軌跡的最大鉆進偏差。其結果可通過下述公式計算得到。

圖5 定向鉆進過程中的實鉆軌跡與理論軌跡

式中：P表示最大鉆進偏差，mm；p1表示統一剖面的實鉆軌跡測點；p2表示統一剖面的理論軌跡測點。按照上述方式，統計實驗結果，如圖6。

圖6 定向鉆進過程中多條軌跡的最大鉆進偏差結果統計

從上述圖6 所示的實驗結果中可以看出，所測的10 個分支孔定向鉆進軌跡最大偏差均未超過0.1 m，符合煤礦碎軟低滲煤層定向鉆進要求。本文設計的定向鉆進方法可以在實際應用中，對鉆進軌跡進行高精度控制，降低定向鉆進過程中的偏差。

6 結論

煤礦工程開發企業在碎軟煤礦開采與鉆進工程的施工作業中所取得的成果稍有落后，為解決此方面問題，通過定向鉆進勘探與鉆孔定位、合理選擇鉆探設備、定向鉆進過程中的軌跡設計與控制，完成了煤礦碎軟低滲煤層定向鉆進關鍵技術的研究。實驗結果表明：采用改進設計技術其碎軟低滲煤層作業面鉆孔定位偏差均小于3 mm，鉆孔定位精度較高，且鉆井軌跡與實鉆軌跡間的最大偏差均未超過0.1 m，在鉆井作業方面具有一定的實用性。