復雜頂板高位定向長鉆孔鉆完孔技術(shù)

景長寶 ，張寶第 ，褚志偉 ，孫文亮 ，王 飛

（1.陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司，陜西 長武 731602；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

頂板高位定向鉆孔是進行工作面采空區(qū)和上隅角瓦斯治理的有效技術(shù)手段，通過在回風巷道內(nèi)開掘鉆場，在工作面回采之前，以大傾角上仰開孔鉆進至煤層頂板；然后，以先進的隨鉆測量技術(shù)為依托施工先導孔，利用隨鉆測量定向鉆進技術(shù)進行造斜鉆進，通過對實鉆鉆孔軌跡的實時準確測量和精確控制，使鉆孔進入工作面回采后的采空區(qū)“O”型圈內(nèi)裂隙帶并沿其延伸；先導孔完成后，下入擴孔鉆具組合增大鉆孔直徑，提高與裂隙帶接觸面積[1-2]。由于其施工鉆孔深度大，且主要孔段均在“O”型圈裂隙帶內(nèi)延伸，鉆孔可長期穩(wěn)定存在，以工作面回采時采動壓力形成的頂板裂隙作為通道，能夠有效抽采工作面煤壁釋放的瓦斯，從而實現(xiàn)了工作面采空區(qū)瓦斯區(qū)域抽采。

頂板高位定向鉆孔可以實現(xiàn)采動區(qū)頂板瓦斯的穩(wěn)定高效抽采，有效降低工作面上隅角及回風瓦斯體積分數(shù)[3-5]。目前，已在晉城、陽泉、淮南、淮北和彬長等全國多個礦區(qū)推廣應(yīng)用，顯著提高了回采效率和煤炭產(chǎn)量，為高瓦斯礦井安全高效生產(chǎn)提供了有力保障，促進了“以孔代巷”技術(shù)的發(fā)展[6-7]。

亭南煤礦煤層厚度大，雖然采前瓦斯預抽可使煤層達到開采條件，但是高強度開采會產(chǎn)生大量采動卸壓瓦斯，易導致回風巷和上隅角瓦斯超限。以往雖然開展過頂板高位定向鉆孔成孔試驗，但受頂板巖層復雜破碎影響，鉆進過程中塌孔卡鉆事故多發(fā)，鉆進效率低，成孔質(zhì)量差[8-9]。因此，有必要針對亭南煤礦采動卸壓瓦斯治理需要，開展復雜頂板高位鉆完孔技術(shù)的應(yīng)用研究，以解決亭南煤礦頂板高位定向鉆孔無法高效成孔的技術(shù)難題。

1 頂板高位定向鉆孔成孔技術(shù)難點

亭南煤礦煤層和頂板復雜破碎，施工頂板高位定向鉆孔主要面臨以下技術(shù)難點：

1）開孔段地層破碎。頂板高位定向鉆孔在煤層中開孔，以大角度向上依次穿過煤層、煤巖界面后進入煤層頂板預定層位，由于亭南煤礦地層應(yīng)力高，煤層孔段和煤巖界面附近孔段均存在地層破碎塌孔嚴重的現(xiàn)象，鉆進過程中極易發(fā)生塌孔卡鉆孔內(nèi)事故，嚴重影響著開孔段成孔安全性，以及定向孔段高效鉆進[10]。塌孔卡鉆示意圖如圖1。

圖1 塌孔卡鉆示意圖Fig.1 Schematic diagram of collapse sticking

2）定向孔段泥巖縮頸。亭南煤礦煤層頂板巖性主要為泥巖和砂巖，且以泥巖為主，砂巖厚度在1 m 左右，雖然終孔層位布置在砂巖中，但在鉆孔爬升孔段和砂巖厚度變化孔段仍會鉆遇泥巖。泥巖孔段在沖洗液的沖刷作用下會發(fā)生縮頸現(xiàn)象，減小了鉆孔直徑，容易發(fā)生泥巖縮頸卡鉆孔內(nèi)事故，降低了鉆進的安全性[11]。泥巖縮頸卡鉆示意圖如圖2。

圖2 泥巖縮頸卡鉆示意圖Fig.2 Schematic diagram of mudstone shrinkage and sticking

3）兩級擴孔效率低。頂板高位鉆孔一般多采用擴孔的方式增大鉆孔直徑，以提高采動卸壓瓦斯的抽采效果。目前，主要使用兩級擴孔方式，即完成?120 mm 先導孔施工之后，首先應(yīng)用?153 mm 擴孔鉆具組合將先導孔擴至?153 mm，之后采用?200 mm 擴孔鉆具組合將鉆孔擴至?200 mm。兩級擴孔存在擴孔效率低和施工周期長的問題，同時孔內(nèi)事故發(fā)生概率大幅升高。

4）瓦斯抽采通道易堵塞。頂板高位鉆孔完成施工后一般以裸眼方式完孔，在煤層頂板復雜破碎的情況下，瓦斯抽采周期內(nèi)抽采通道易堵塞，特別是在采動影響下，進一步加劇了抽采通道堵塞的程度，降低了頂板高位定向鉆孔利用效率。

2 復雜頂板高位定向鉆孔鉆完孔技術(shù)

2.1 技術(shù)方案

針對亭南煤礦頂板高位定向鉆孔成孔面臨的技術(shù)難題，提出了復雜頂板高位定向鉆孔鉆完孔技術(shù)。開孔段采用多級回轉(zhuǎn)擴孔工藝施工，下入大直徑套管護孔，下入深度超過煤巖界面復雜破碎地層，注漿固孔；定向孔段應(yīng)用復合定向鉆進技術(shù)控制鉆孔沿著設(shè)計軌跡長距離延伸，采用異形鉆具組合復合排渣技術(shù)增強定向鉆進排渣能力，鉆遇泥巖縮頸孔段憋泵嚴重無法正常鉆進時，利用擴孔方式增加鉆孔直徑，以減弱泥巖縮頸的影響；定向先導孔完成施工后，應(yīng)用雙級雙速擴孔工藝實現(xiàn)鉆孔?120 mm 至?200 mm 的一次擴孔成孔；擴孔完成后下入鋼篩管完孔，保證瓦斯抽采通道的通暢[12]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）大直徑套管護孔工藝。開孔段煤層和煤巖界面地層破碎塌孔嚴重，如果在裸眼完孔情況下施工定向孔段會有塌孔卡鉆的風險，不利于后期成孔。因此，采用大直徑套管護孔工藝對開孔復雜破碎孔段實時有效護孔，即完成套管孔段多級回轉(zhuǎn)擴孔之后，下入?244.5 mm 鋼套管，下入深度超過煤巖界面[13]。鋼套管下入后注漿固孔，先從鉆孔與套管環(huán)狀間隙內(nèi)插入注漿管，然后使用攪拌好的水泥砂漿（將孔口處密封，待水泥砂漿凝固后形成水泥塞），封固孔口段；再打開注漿截止閥，從注漿管內(nèi)注入水泥漿，待水泥漿從套管內(nèi)流出后，停止注漿，關(guān)閉截止閥。候凝完成后安裝孔口裝置，連接瓦斯抽采負壓管路。

2）縮頸地層擴孔技術(shù)。定向鉆孔孔口段施工鉆遇泥巖縮頸地層時，采用擴孔方案將鉆孔孔徑擴大。鉆孔擴大后，泥巖再次縮頸時由于鉆孔孔徑已變大，預留了泥巖縮頸減小鉆孔孔徑的空間，顯著提高了沖洗液和鉆渣有效流通通道的直徑，避免了縮頸引起憋泵和鉆渣無法排出的問題。縮頸地層擴孔技術(shù)原理圖如圖3。

圖3 縮頸地層擴孔技術(shù)原理圖Fig.3 Schematic diagram of shrinkage formation and reaming

3）雙級雙速一次擴孔技術(shù)。常規(guī)擴孔工藝主要采用孔口鉆機驅(qū)動鉆具回轉(zhuǎn)，帶動孔底擴孔鉆頭進行碎巖，其擴孔動力傳遞效率低、單次擴孔直徑小。因此提出了雙級雙速一次擴孔技術(shù)，在定向先導孔施工完成后，退出孔內(nèi)定向鉆具，下入雙級雙速擴孔鉆具組合；高壓沖洗液驅(qū)動雙級雙速擴孔工具轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，鉆機驅(qū)動孔內(nèi)鉆桿柱帶動雙級雙速擴孔工具定子回轉(zhuǎn)，初級鉆頭在雙回轉(zhuǎn)動力驅(qū)動下一級擴孔，次級鉆頭在鉆機回轉(zhuǎn)動力驅(qū)動下二級擴孔，實現(xiàn)定向鉆孔的單次雙級大直徑增擴。雙級雙速一次擴孔技術(shù)原理圖如圖4。

圖4 雙級雙速一次擴孔技術(shù)原理圖Fig.4 Schematic diagram of one-shot reaming

4）鋼篩管完孔技術(shù)。為了防止頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采周期內(nèi)抽采通道被堵塞，采用下鋼篩管方式完孔。同時，為提高篩管下入成功率，可采用鋼篩管導向頭進行引導。鋼篩管連接方式為絲扣，通過鉆機動力加接和向孔內(nèi)推送，下入效率高。鋼篩管完孔鉆具組合：?108 mm 導向頭+?89 mm 鋼篩管+ ···+?89 mm 鋼篩管。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

亭南煤礦位于彬長礦區(qū)中南部，井深400 m，屬于高瓦斯礦井，煤層平均厚度8.29 m，年核定生產(chǎn)能力450 萬t/a，采用走向長壁后退式綜合機械化采煤或放頂煤。

現(xiàn)場應(yīng)用鉆場設(shè)置在3410 運料道SK26 導點以南26.5 m 處，3410 工作面可采煤層為4#煤，工作面傾向長度120 m，設(shè)計回采長度為785 m。4#煤層平均厚度6.47 m，煤瓦斯含量為3.867～4.391 m3/t，頂板為泥巖和砂巖，以泥巖為主。

3.1 施工方案

1）鉆孔設(shè)計。應(yīng)用復雜頂板高位定向長鉆孔鉆完孔技術(shù)施工頂板高位定向鉆孔，設(shè)計單孔孔深500 m，孔徑?200 mm，目標層位位于煤層頂板以上20 m 裂隙帶內(nèi)。鉆孔由套管孔段、穿層孔段和目標孔段組成。

2）配套裝備。頂板高位鉆孔施工配套裝備主要包括ZDY20000LD 型大功率定向鉆機、BLY500型泥漿泵車、YHD3-3000 隨鉆測量裝置、?89 mm液動螺桿鉆具、?95 mm 雙級雙速擴孔螺桿鉆具、?89 mm 整體式寬翼片螺旋鉆桿、?89 mm 高強度高韌性外平鉆桿、?120 mm 定向鉆頭、擴孔鉆頭、?244.5 mm 鋼套管和?89mm 鋼篩管等。

3）施工流程。頂板高位定向鉆孔施工流程如圖5。首先，采用多級回轉(zhuǎn)擴孔工藝施工套管孔段，下入套管注漿固孔；候凝完成后，應(yīng)用定向鉆具組合施工?120 mm 先導孔，鉆具組合為?120 mm定向鉆頭+?89 mm 螺桿鉆具+?89 mm 螺旋無磁鉆桿（內(nèi)部安裝有泥漿脈沖隨鉆測量探管）+?89 mm寬翼片螺旋鉆桿 + ···+?89 mm 寬翼片螺旋鉆桿+普通水便；定向先導孔完成施工后，應(yīng)用雙級雙速擴孔鉆具組合實現(xiàn)?200 mm 一次擴孔成孔，擴孔鉆具組合為?165/?120 mm 擴孔鉆頭+?200 mm 擴孔鉆頭+?95 mm 雙級雙速擴孔工具+?89 mm 高強度高韌性鉆桿 + ···+?89 mm 高強度高韌性鉆桿+普通水便；擴孔完成后下入?89 mm 鋼篩管完孔。

圖5 頂板高位定向鉆孔施工流程圖Fig.5 Drilling flow chart of roof borehole

3.2 施工情況

在3410 工作面鉆場完成了2 個頂板高位定向鉆孔施工，鉆孔成孔深度分別為511、610 m，總進尺1 121 m，孔徑?200 mm，全孔下入?89 mm護孔鋼篩管。1 號鉆孔軌跡剖面圖如圖6，2 號鉆孔軌跡剖面圖如圖7。

圖6 1 號鉆孔軌跡剖面圖Fig.6 Profile of No.1 borehole track

圖7 2 號鉆孔軌跡剖面圖Fig.7 Profile of No.2 borehole track

3.3 施工分析

1）1 號、2 號鉆孔套管孔段分別下入深度28、28.5 m 的?244.5 mm 鋼套管，有效防護了套管孔段破碎地層，后期定向鉆進和擴孔鉆進過程中，套管孔段未發(fā)生嚴重塌孔，實現(xiàn)了安全施工。

2）1 號鉆孔定向鉆進至367 m 時鉆遇泥巖地層，泥巖縮頸造成無法正常鉆進，采用縮頸地層擴孔技術(shù)將該孔段鉆孔直徑擴大后，鉆進參數(shù)恢復正常，最終順利施工至511 m。

3）應(yīng)用雙級雙速一次擴孔工藝實現(xiàn)了?200 mm一次擴孔成孔，單班擴孔進尺在60 m 以上，避免了兩級擴孔提鉆作業(yè)，顯著提高了擴孔效率。

4）應(yīng)用鋼篩管完孔技術(shù)在1 號鉆孔和2 號鉆孔全孔段下入了?89 mm 鋼篩管，達到了保持瓦斯抽采通道通暢的目標。

4 結(jié) 語

1）應(yīng)用復雜頂板高位定向長鉆孔鉆完孔技術(shù)在亭南煤礦3410 工作面鉆場順利施工了2 個頂板高位定向鉆孔，成孔深度分別為511、610 m，孔徑?200 mm，全孔下入?89 mm 鋼篩管完孔，攻克了亭南煤礦頂板高位定向鉆孔成孔面臨的技術(shù)難題。

2）在套管孔段和泥巖縮頸孔段分別采用大直徑套管護孔和縮頸地層擴孔技術(shù)，解決了套管孔段地層破碎塌孔和泥巖孔段縮頸憋泵問題，實現(xiàn)了鉆孔全周期安全鉆進。

3）應(yīng)用雙級雙速一次擴孔技術(shù)實現(xiàn)了?200 mm 一次擴孔成孔，避免了?120 mm 至?153 mm、?153 mm 至?200 mm 兩級擴孔和提鉆作業(yè)，簡化了施工流程，顯著提高了擴孔效率。