煤礦井下較大孔徑傾斜定向鉆孔施工技術分析

王旭錦

（國家能源集團烏海能源天榮公司，內蒙古 烏海 016000）

隨著煤礦定向鉆進技術的不斷推廣和快速發展，較大孔徑傾斜定向鉆孔技術作為一種綜合高效的施工技術已應用于許多煤礦。然而，在大直徑定向深井的施工中，特別是在擴張過程中，鉆桿在穿過孔的彎曲部分時會彎曲變形，鉆機在施工過程中會受到交變應力和壓力應力的影響。旋轉應力越大，施工時孔徑越大，鉆桿會同時旋轉，容易出現疲勞和損壞。

1 大直徑水力壓裂定向鉆進工藝原理

（1）梳形鉆井技術與水力噴射鉆井技術相結合，適用于大直徑水力裂縫定向鉆井施工。為了滿足逐步水力壓裂的要求，每個支點之間的距離必須超過80m。因此，采用煤層下梳形定向鉆進技術在裂縫性弱低滲透地層底部穩定層鉆進，采用“旋轉剪切定向鉆進”組合定向鉆進技術完成保護套管的分散。施工孔段、下放至套管、封孔、滲碳和蝕刻；然后，根據設計要求，采用“旋轉剪切定向”定向鉆進技術，直接鉆進裝訂椅。直孔塊的施工和陡峭地層的鉆探已經完成。鋸煤后，鉆入煤層60m，將鉆機提升至預留分支點，打開分支線，繼續進行定向鉆進，直至形成鉆孔。

（2）定向鉆進完成后，應提升鉆頭，更換液壓噴砂鉆具，采用“反向”液壓噴砂鉆進技術，擴大鉆進范圍，達到公司要求的液壓反射壓裂技術的目標孔徑（SOOMM）。在這個過程中，高壓泵站產生的射流通過高壓軟管和鉆桿到達鉆孔的前部，噴砂鉆頭或鉆桿安裝在鉆孔的前部。在鉆桿前面，煤沿鉆桿徑向破碎。

（3）當定向鉆井遇到水敏煤層和黏土層時，MZ-1型[00 防滑清潔劑使用防滑流體抑制和保護設備，以避免膨脹粘土巖水化引起的收縮和泄漏，并采用快速孔隙度技術縮短鉆井時間，即減少黏土巖與水的相互作用時間，避免快速鉆井完成工程。孔壁的擾動和侵蝕有助于保持穩定性并提高工藝的適應性。

2 工藝現狀

2.1 施工效率低

目前，中國采用多孔成形法進行最終直徑超過120mm 的高水平定向鉆井，其擴張程度取決于鉆井設備的能力。第二孔形成過程的直徑通常小于153mm，即導向孔上端的孔直徑通常為三個孔形成過程，即，導向孔膨脹一次和兩次。如果鉆孔能力不足，鉸鏈孔的數量將增加。根據現場施工經驗，一次擴建的完成時間為先導孔鉆井時間的50%～80%。

2.2 鉆具組合復雜

采用旋轉鉸鏈導向孔的雙鉆技術。導孔通常使用73mm定向鉆頭（94mm）或89mm 定向鉆頭鉆取，然后將較大的鉆頭重新安裝在設計孔徑上。先導井的方向需要實時校正，導致井眼平滑度低。當旋轉和擴張時，當曲線路徑受限時，鉆桿會產生可變壓力，鉆機會受到疲勞斷裂的影響。同時，由于鉆桿結構和機械強度的限制，轉向鉆桿不適合長期旋轉鉆進，旋轉擴張時需要更換專用鉆具。鉆機必須配備兩套鉆具，這增加了設備成本和勞動強度。

2.3 孔內事故多發

定向鉆井事故主要有兩個原因：（1）地質條件；（2）鉆井技術。

（1）地質條件。高方向鉆井現場有多條回油管，鉆井軌跡通常從開放位置到目標位置經過幾層。地層邊界巖石燒結強度低，鉆井過程中由于鉆具旋轉的干擾，井壁容易損壞。地層中黏土頂板層較多，定向和膨脹鉆井施工周期較長。泥漿層中的坑壁在清水鉆井液中長期浸泡后會被水合物膨脹，容易破裂。

（2）技術因素。當使用73mm94mm 定向鉆頭或89mm定向鉆頭進行定向鉆進時，鉆頭與井壁之間的環形寬度和孔徑小于30mm，不利于鉆頭從鉆孔中返回，導致鉆頭鉆進和埋藏，降低鉆井效率和孔隙度。在鉸接孔中，通常使用89mm 鉸接鉆桿和鉸接鉆頭進行施工。當端孔的直徑為153mm時，環形間隙大于60mm，這減少了鉆壁對鉆桿的干擾，并增加了鉆桿的運動自由度。鉆桿和鉆孔對旋轉鉆井的井壁有很強的干擾。在液體侵蝕的共同作用下，坑壁可能會嚴重損壞。當最終孔徑較大時，需要一定的孔徑擴展。在鉆機的反復干擾下，井壁進一步坍塌。在鉆鉸孔和鉆孔時，不安裝軌道測量系統就無法控制鉸孔的路徑。當鉆桿下方發生嚴重的油井坍塌時，會產生一個偏轉器，這將導致膨脹鉆頭在導軌上失效，打開一個新的孔，并導致所有優質鉆頭失效，造成巨大人力、物力和時間損失的項目。

3 大直徑高位定向鉆孔成孔工藝

3.1 鉆機選型

鉆機的選擇應首先考慮鉆機的基本技術參數是否滿足施工需要。這應考慮到施工成本和施工條件，以及上述因素，最終確定合適的鉆井設備。高水平大直徑定向鉆施工對鉆井設備有以下要求：鉆機必須提供大推力，使鉆頭能夠有效地損壞巖石；較大的摩擦阻力是由強摩擦引起的，因此需要較大的推力來克服摩擦阻力和鉆頭的自重。隨著鉆頭直徑的增加，對張力和輸出扭矩的要求更高；定向鉆井依靠鉆井泵提供高壓水壓，以驅動井下發動機旋轉鉆頭并破碎巖石。為了提供足夠的動力來摧毀巖石，底部電機的功率越大，前泵的消耗就越大。目前，我國大直徑定向鉆井的關鍵設備是10000 ～20000Nm 定向鉆機，它提供的扭矩、推力和張力不足，無法有效推進巖石。同時，鉆機的鉆井泵一般提供400～600L/min 的流量，無法驅動強大的地下電機，導致直徑200mm 的鉆頭斷裂，選擇更強大的鉆機有助于處理鉆井事故，提高機械鉆井速度。因此，根據試驗場地的施工條件，選用ZYWL-2300DS 型雙線全液壓煤礦鉆機，適用于防爆、排水、地質勘探等工程的定向鉆井施工。適用于硬度系數為F12 的中硬地層或巖石的襯砌。

3.2 配套鉆具

選擇合適的鉆具包括選擇鉆頭、螺桿發動機和鉆桿。

（1）工具選擇。鉆頭的選擇應考慮巖石破碎效率和撓曲能力。目前，PDC 扁平鉆頭和PDC 弧形鉆頭主要用于井下。平底鉆頭具有很強的偏斜和分叉能力，但鉆井阻力大，巖石破壞效率相對較低。它通常用于鉆探松軟煤層、巖石和小直徑油井。弧底鉆進阻力低，巖石破壞效率高，分支能力相對較低，主要用于硬質巖石和大直徑鉆進。大直徑高水平定向鉆穩定巖，位于煤層上方，巖石硬度高；然而，在高水平定向鉆井中，分支孔較少，對分支鉆頭功率的要求也較低。

（2）地下電機的選擇。鉆頭底部的發動機是定向鉆進過程中鉆頭破碎巖石的直接驅動力，這決定了定向鉆進的效率。地下電機的選擇主要取決于鉆井設備的管道容量。在允許的鉆井泵功率下，應最大限度地使用高技術參數的螺桿發動機，以促進高效定向鉆井。ZYWL 定向鉆機的最大流量為23000ds800l/min，水壓為10MPa。在此基礎上，可選擇7LZ1277.0-4-896 型地下發動機，其可產生2500Nm 的工作扭矩，從而有效地損壞鉆頭對巖石的損壞。

（3）選擇定向鉆孔。定向鉆井的功能是傳輸鉆機的功率和測量信號，以確保鉆井工具在油井中的安全有效運行。鉆桿應具有足夠的機械強度，以確保鉆井工具在油井中的安全，并注意鉆頭與地下鉆具的兼容性。根據鉆頭的安全條件，能夠適應200mm 鉆頭和127mm 地下電機的鉆桿包括102mm 和127mm 鉆桿。考慮到鉆井的安全性和勞動強度，采用102mm 電纜鉆桿作為組件。指示性鉆井工具包括200mmPDC 鉆頭127mm 地下發動機102mm非磁性鉆井102mm 定向鉆井。

3.3 施工工藝

施工技術主要包括定向鉆井技術和事故處理技術。定向鉆井技術與常規定向鉆井技術相似。定向鉆井通過剪切鉆井進行。鉆井時，鉆具不旋轉，泥漿泵驅動井下發動機破碎巖石。在鉆孔過程中，實時測量鉆孔路徑并與設計路徑進行比較。當偏轉路徑時，可以通過調整孔底部電動工具的表面來校正路徑。應急處理包括旋轉沖洗過程和沖洗過程。如果發生坍塌，最好使用旋轉鉆孔清潔工藝，通過旋轉混合鉆具從孔中移除坍塌材料。如果旋轉沖洗過程不能應對油井壁的損壞，則應使用沖洗過程，即在清水沖洗溶液中添加藥物以制備防滑鉆井液。減少泥漿對易坍塌地層的損害，提高泥漿的承載能力，加快油井泥漿的清除。

從上述施工過程可以看出，鉆孔過程主要通過直接鉆孔和強制傾斜鉆孔。直接鉆井的工作機制是穩定器，在鉆井過程中，根據“飽和度和剛度”的要求，以等間隔調整穩定器，使其略小于鉆頭直徑（也稱穩定器）。鉆頭在鉆孔過程中對孔壁沒有或幾乎沒有切割作用，從而將鉆孔路徑延伸到初始鉆孔方向。強制遷移主要通過使用組合鉆機進行強制遷移并遵守相關鉆井技術參數來實現。固體導向部件由穩定器、細鉆桿和鉆頭組成。其主要工作原理是連接近2m 的精細鉆頭。鉆井時，增加前鉆頭的自由度，充分利用其自重，使鉆頭切割孔壁下的巖石，鉆井軌跡向下傾斜。在整個鉆機設計中，主要問題是薄鉆桿直徑的選擇。由于大多數鉆桿在鉆井過程中都位于井內，因此，薄鉆桿是最脆弱的部分。所選細鉆桿直徑太小，無法折斷鉆頭，導致鉆孔內部失效；然而，如果選擇的直徑太大，則無法實現有效調整鉆孔路徑的目標。可以得出的結論是，在定向鉆井的整個過程中，由于導向段使用了較薄的鉆桿組件，與常規鉆井相比，這些組件容易導致井下事故，因此，應重點進行初步研究。現場測試了薄鉆桿和傾斜鉆機的張力和強度。

4 煤礦井下較大孔徑傾斜定向鉆孔施工技術發展趨勢

目前，我國使用的礦井抽水技術大多為地下抽水。現有的地下天然氣生產技術包括煤層鉆探、相鄰煤層減壓鉆探、生產區鉆探、鉆探和鋪設專用封閉天然氣生產道路。隨著中國經濟的快速發展，對煤炭能源的需求正在增加。中國煤炭資源的開發將進一步發展（礦床深度為600m），安全開采煤炭的任務將更加復雜，主要表現在以下幾個方面。

（1）煤炭綜合開采技術是未來天然氣開發的主要方向。高產高效工作面和廢氣超限通常是提高工作面回采率、實現高產高效的制約因素。因此，研究人員應考慮在一個礦井中同時使用多種開采方法，從而將露天鉆探與地下或汽車鉆探相結合，實現三維天然氣開采，并相應增加空氣供應。在工作面，要改革礦區布局和通風系統，優化天然氣生產方式組合，確保生產前和生產中的高效生產。

（2）大直徑反鉆和大直徑深孔定向鉆將在煤礦天然氣生產中發揮越來越重要的作用。隨著中國煤炭資源的深度開發（礦床深度超過600m），由于土木工程的復雜性，以及地下煤層對土木工程鉆探的影響，地下氣體排放仍將是煤礦的主線。中國的天然氣排放量。因此，煤礦瓦斯抽采的研究內容對大型深孔隧道鉆機、輔助施工設備和孔隙率技術的研究和改進具有重要意義。

（3）未來幾年，由于地下天然氣生產需要大量大直徑油井，因此有必要根據煤礦建設的特殊條件，開發方便有效的天然氣生產技術。測量油井并糾正油井偏差和角度的方法。因此，鉆孔測量技術（MWD）將越來越多地應用于煤礦深孔施工中。MWD 技術中使用的傳感器適用于深井和高壓井的鉆井，并且可以實時恢復MWD 信息。組合鉆具：當需要安裝和糾正方向偏差時，導向頭與地下組合鉆機一起使用，無須提升鉆桿。

（4）利用鉆井軌跡模擬技術，可以實現組合鉆具的穩定作業效果（曲線）功能。利用計算機優化井底組合鉆頭，優化鉆井軌跡，提高鉆井效率，減少鉆頭磨損。

5 結語

綜上所述，本文采用了定向鉆井技術的定義和原理，并將向下鉆井技術應用于天然氣開采、水資源勘探和生產區探測，使定向鉆井技術更加有效。它可以在地質勘探中發揮更重要的作用。如果定向鉆井技術更好地應用于地下煤礦的勘探，地下地質勘探將變得更加方便和有效。此外，我們可以更全面地掌握和管理不同層的未知區域，科學地評估地層的方向和儲量，然后在此基礎上采取更有效的勘探方法。未來，在地下煤礦勘探中，我們將繼續測試和開發高精度智能鉆井系統、分析組件和相關數據，開發更合適的勘探測井軟件，并結合相關儀器，以獲得更準確的數據。影響測試結果。勘探過程中繪制了具體可靠的構造圖。總之，定向鉆井技術在地下勘探中的應用，不僅使礦山地質勘探更快、準確、方便，而且在其他行業中也有很大的發展空間。