千米鉆機在煤礦瓦斯抽采中的應用分析

高楠楠

（晉能控股潘家窯礦，山西大同 037003）

我國煤層地質條件比較復雜，瓦斯突出較多，煤層開采深度越高，瓦斯的處理就越困難。近幾年，煤礦安全生產中經常出現的各種安全隱患，而煤礦安全、高效生產的制約就是瓦斯治理。而鉆孔抽放是一項關鍵技術手段，可以有效地化解煤礦的瓦斯問題，已為絕大部分礦井所接受，但在瓦斯高、高地應力大、煤層破碎、瓦斯治理難度大、瓦斯治理周期長、效果差等問題上，因此，尋求合理有效的瓦斯防治技術成為當務之急。

近幾年，由于設備和施工技術的不斷提高，在高瓦斯突出礦井中廣泛應用了千米定向鉆井。山西晉城寺河、成莊煤礦在煤礦井下應用了一組長達1000m 的井巷預抽氣井，并對礦井的瓦斯防治工作起到了很好的作用。針對這一情況，公司積極開展了千米定向鉆井技術的研制，并在此基礎上，提出了一種適用于井下井下千米定向鉆井技術的新技術。為煤礦深層地區的瓦斯防治工作提供了有益的經驗和參考。

1 礦井瓦斯治理概況

晉能煤炭集團公司某煤礦3號煤層，其煤層氣儲量為5.02～18.77m3/t，平均為11.9m3/t，是一種高瓦斯突出的煤礦。煤礦在開展瓦斯抽采后，采取了一種利用分層抽、鉆的方式進行煤層氣的處理。然而，傳統的鉆井設備往往存在能力不足、施工鉆孔長度短、鉆孔分布不均衡的缺點。鉆井的有效預抽期短，抽水效率低，鉆機搬遷頻繁。在煤礦生產中，由于鉆進量大，影響到正常生產，因此，如何迅速、高效地減少煤層的瓦斯，已是一個十分突出的問題。為此，針對礦井的具體條件，探討了一種新的瓦斯防治方法，對千米級鉆頭的定向鉆孔技術進行了深入的探討，采用了千米定向鉆機進行了分區分段開采，并使煤層的瓦斯含量得到了明顯的下降[1]。

2 千米定向鉆孔施工原理及工藝

千米定向鉆井位置鉆井，實質上就是將高壓水流經鉆桿送入孔底部，在高壓水流的驅動下，通過U型接頭，前端軸承帶動鉆頭旋轉。鉆進過程中，鉆桿是不旋轉的，只有鉆頭才能旋轉，這與傳統的旋轉鉆機完全不同，這也是為什么它可以進行定向鉆井基本原理。二是由于井下電機彎接頭與鉆桿不在一條線上，而存在一個夾角，所以，可以通過調節彎曲接頭的方向來調節鉆頭的角度，從而達到彎曲的目的，從而準確地控制鉆進軌跡。在一定的條件下，能夠使井眼沿著預定的軌道進行鉆井，而且還能在合適的地方進行開支。千米鉆孔定位鉆進原理如圖1所示。

圖1 千米鉆孔定位鉆進原理圖

隨鉆測量系統是鉆機在設計軌道上進行鉆井的重要保障，它由三個主要環節構成：孔底測量探管、通纜鉆桿、探孔監測。每次鉆孔一次（通常是3m)，用鉆孔底部對探針進行測井的各種參數進行了測試，再用導纜將數據傳輸至孔眼監控設備，再進行適當的轉換，就可以得到井眼的平面和斷面圖。孔底參數包括孔深、方位、傾角、彎管方向等（見圖2）。

圖2 彎接頭方向的定義

在定向鉆井時，按預定的鉆孔軌道進行彎接頭的調整。為了防止地磁場的擾動，應采用非磁性的鉆頭。在鉆井時，根據實際鉆井軌道與預先確定的軌道偏差情況，對鉆井的各項指標進行修正，以保證鉆井的真實軌道盡量貼近預定的軌道鉆進。

3 千米定向鉆孔應用試驗

自2014 年末，晉能煤炭集團公司某煤礦引入了一臺千米定向鉆機，在煤巷內安裝了400～600m的定向長孔，主要應用于超前預抽孔和區域分段預抽孔的施工。現已開發出ZYWL-6000D和ZDY-6000LD系列鉆井設備1套。為進一步檢驗定向鉆井技術在該礦應用的可行性，為下一步實施定向長孔技術打下了良好的基礎，并在3308礦開展了井下定向鉆井的實驗研究[2]。

3.1 試驗區域地質概況

表1列出了該測試區的煤層特性。經現場調查，在此部位，巖體堅硬，節理處發育，膠結性不佳。兩個厚度比較小的夾矸，分別位于煤層底面1.2m，下部1.5m處，夾雜物附近有一層軟性層狀。

表1 煤層情況特征表

3.2 鉆孔軌跡設計

1#井按照原煤層的順層進行了井眼的施工，并對3308瓦斯和回風巷的條帶瓦斯進行了治理。在此基礎上，在每個60～80m 處設置一條支路，以確定煤的分布狀況和煤體中的穩定化程度。該井眼的孔方向與聯絡巷水平，其設計指標詳見表2，井眼軌道詳見圖3。

表2 1＃鉆孔設計參數表

圖3 1#孔鉆孔設計剖面圖

3.3 千米定向鉆孔施工總結分析

1#鉆孔工程累計共計23d，開挖13 個支洞，最大鉆深309m，已完成1017m 的開挖。受煤層條件、施工工藝等因素的制約，使鉆具施工難度大，卡鉆事故時有發生，每套鉆頭的鉆速僅為44m/d，嚴重制約了其工作性能，嚴重地制約了煤礦的安全。

（1）定向鉆井具有一定的地質特征，一般需要煤層整體良好，煤層硬度高，煤層強度比1.4以上，便于進行煤層定向鉆進，但煤層屬于多層理、節理發育、破碎煤層，煤層硬度比0.74以上，煤層的地質狀況與定向鉆井的理想條件相差很大。

（2）千米定向鉆機采用井下電機帶動鉆頭，多數鉆桿在井中不能轉動，不能用鉆桿進行排渣，因此，鉆井排渣是定向鉆井的首要難題。從1#孔進入煤層后，由于煤層塌陷，井眼不能及時排渣，導致沖孔時間過長，累計沖孔次數達到10次。在鉆井過程中，共設置了13個支路，由于其在各支道上的開枝工作周期較大，導致各工段的平均進尺水平不高。在千米定向鉆井工程中，采用了水力排渣法，所以需要在井口位置設置一個大的斜角，在鉆孔到達某一深度時，盡量避免在下孔位置施工；從而確保了在工程中的順利排渣，避免塌方。在此過程中，要避免磁力強、破碎強度大的地區。

（3）受煤礦地質環境制約，在使用1000m鉆頭進行模塊式抽放鉆孔時，存在著不能開孔、不能進行安全操作等問題。由于鉆孔的位置與煤層等高線的角度過大，導致整個煤層坍塌的可能性增大。

4 千米定向鉆孔施工工藝優化

4.1 千米鉆機的卡鉆機理

井中發生的坍塌是引起卡鉆的主要因素之一。在退鉆階段，由于鉆進時，煤渣、水和瓦斯的重新混合，造成井眼堵塞，鉆機的提升要求更大的拉力。當堵塞點對鉆具的抗拔力比受到的抗拔力要低時，由于鉆頭難以打破阻塞點的應力平衡，造成了鉆井事故。此外，排渣質量差也是造成鉆機事故的主要原因之一。

頻繁的停鉆、停水更換鉆柱、再開水、鉆井作業時，鉆井軌跡出現了彎折，使鉆機的水力排渣器難以將微小的鉆渣排除，使井口處的沉積物增多。由于煤泥中含有瓦斯、水和煤渣，很容易形成軟渣淤塞，因此在回收鉆具時，鉆機會將煤渣集中在一起；在不進行注水或回鉆情況下，噴出的泥漿不能排出，使用強拔方法，很可能會對軟渣進行擠壓，進而導致堵塞。

4.2 千米鉆機軌跡設計優化

（1）對礦井的開孔傾角進行了優化，礦區的傾角為2°～10°，并采用了從淺到深的方向進行的千米定向鉆孔，采用2°以上的開孔斜率，最好的斜率為6°～10°。另外，傾斜角度的選取也要注意減小在破碎煤層中的穿孔軌道，避免由于穿透煤體而造成的崩孔。

（2）上、近井的井長度一般不會大于600m，因為管道長度大，排渣間距大，難以排出，出現塌孔、垮孔、堵孔的可能性很大。

（3）根據煤層狀況，將煤層劃分成主打層、可打層和警戒層，并盡量將軌道布置在主打層。

（4）沿煤層等高線或與煤層等高線呈一定角度（5°～10°）進行開孔，可以大幅度地提高多層理煤層的成孔率。

（5）通過對礦井井眼平面布局的優化，根據礦井開采半徑的調查，將井眼距離從5m改為6m，擴大了井眼的覆蓋面。為了達到較好的抽采效果，提高了鉆井的利用率。

4.3 鉆機施工操作優化

（1）合理地調節鉆速：鉆井壓力是一種評價鉆速是否合理的參數，而在不影響水壓的情況下，選擇合適的鉆速。而巖石的水壓力也可以很好地反映巖石的硬度和變形情況。嚴格遵守工程進度，不得在任何時候進行突發性的鉆探。

（2）鉆桿應適時續接，縮短停水時間，避免長期停機。千米定向鉆孔，一定要持續進行，不然會影響到排渣，特別是在塌孔多的地方，排渣不利會造成鉆進失敗的概率增加。

（3）當水壓、泵壓或前進/回退壓驟增或異常不穩時，必須停止鉆井。

（4）在不返水、不返渣的情況下，不得盲目回鉆，強行拉拔。

（5）在進行探底（底）作業中，進行順向煤體鉆孔的時候，要適時地進行方位調整，以防止在探頂（底）過程中出現坍塌。

4.4 鉆進施工事故處理優化

（1）當發生卡鉆事故時，要制定出一套科學的救援方案，確定打撈的重點和難點。對易發生卡鉆的部位（支點、塌孔處、軌道變動大的地區）進行了詳細的分析。

（2）在送出鉆桿時，要盡量降低轉速，通常將轉速維持在33m/h。

（3）在進行鉆桿打撈作業時，應密切關注主泵壓力和鉆桿轉動情況，若發現主泵壓力波動劇烈，鉆桿旋轉不勻，則表示鉆桿所受的力矩很大，有發生斷裂的危險。這時，必須暫停鉆井，并進行相應的處理[3]。

（4）在打撈過程中，要堅持使用沖孔劑。

（5）在打撈鉆桿進入鉆井引導系統(DGS)或探井作業時，應保證水壓不超過正常排渣要求，并以50L/min為宜。同時，對被撈起的鉆桿進行位置調整，防止在鉆機進入位置后再把鉆頭引入井內。

（6）當孔底馬達被拔出時，不能旋轉，否則鉆頭與孔底馬達會發生脫鉤。

5 改進前后鉆進效果對比

通過對鉆井路線的調整和鉆井方法的不斷完善，3308 井區千米定向鉆場的鉆區目前已經建成6 個井眼，累計進尺9663m，單臺鉆頭平均每個月能下2261m，而定向鉆區則能達到12.65m3/min的抽出能力。研究發現，在鉆井過程中，鉆頭的月進尺能力和鉆場提純性能均有很大提高。

如表3 所示，通過優化鉆探工藝，單臺鉆機的月鉆距由1326m增至2261m，作業效率提高70%。主井最大深度為309～456m，比以往提高了47%。定向鉆場的抽提率從原來的5.43m3/min 增加到12.65m3/min，增加130%。改造后的鉆井施工效率、主孔最大深度及鉆井場地的抽采量均有較大幅度的提升。

表3 改進前后鉆進效果對比表

6 結論

（1）本文介紹了千米定向鉆機的施工原理與技術，并對千米定向鉆機分段抽采技術進行了實驗研究，對千米定向鉆井中出現的問題進行了分析，并給出了相應的解決方案。

（2）在破碎煤層中，采用合理的鉆進路線和合理的鉆具作業方式，能有效地防止塌孔，提高采空率。確保了千米定向鉆進的井眼，增加了鉆機的抽放量。在遇到卡鉆時，要對卡鉆的原因進行認真的分析，制定科學的打撈計劃，盡量減少造成的傷害。

（3）經過上千米定向施工工藝的優化，使鉆機的施工效率得到了極大的改善，主孔開孔的最大開孔深和抽采純度得到了很大的提升，鉆井施工的進度和抽采效率也得到了較大的提升。