煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)探究

黃紅飛

(新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

我國(guó)煤礦開(kāi)采仍以井工開(kāi)采為主，這使得地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、瓦斯涌出都嚴(yán)重威脅煤礦的生產(chǎn)安全。抽采井下瓦斯是煤礦瓦斯治理的重要方法，煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)的合理應(yīng)用，可以確保瓦斯抽采系統(tǒng)正常運(yùn)行，從根本上保障生產(chǎn)安全，避免安全事故的發(fā)生。

1 井下定向鉆進(jìn)

1.1 適用范圍

適用于斷層等地質(zhì)異常體的工程探測(cè)及開(kāi)采前的鉆孔瓦斯抽采。在前者應(yīng)用時(shí)，對(duì)鉆孔深度及中靶精度提出了很高的要求；而在后者應(yīng)用時(shí)，未提出太高要求。通過(guò)實(shí)際情況的了解，發(fā)現(xiàn)在后者的應(yīng)用較為廣泛。

1.2 技術(shù)發(fā)展

我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究和應(yīng)用起源于20世紀(jì)80年代末，與國(guó)外相比起步較晚，而且起初的發(fā)展重點(diǎn)也只是放在鉆具組合方面，之后轉(zhuǎn)變?yōu)榭椎遵R達(dá)。伴隨相關(guān)理論日益成熟和技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)前的研究重點(diǎn)正向孔底馬達(dá)鉆進(jìn)方式轉(zhuǎn)變[1]。

1.3 技術(shù)探究

瓦斯抽采中，孔徑和孔深直接影響實(shí)際抽采量，隨孔徑與孔深不斷增大，實(shí)際抽采量越來(lái)越大，而這不代表二者影響程度也相同。通過(guò)試驗(yàn)可知，在時(shí)間完全一致的情況下，隨孔徑不斷增大，實(shí)際抽采率明顯提高，但其增幅小于孔徑增幅，并且增大孔徑的難度也很高?？梢?jiàn)，采用增大孔徑的方法來(lái)提高抽采率不可取。但對(duì)孔深而言，其與抽采率之間保持正比關(guān)系，對(duì)實(shí)際抽采量有很大影響，目前也正朝這一方向不斷發(fā)展。

2 井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

這是確保鉆進(jìn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在，若按信號(hào)傳輸方式進(jìn)行分類，則有無(wú)線與有線2類，二者有各自的優(yōu)勢(shì)、缺陷，也是2種發(fā)展方向。

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)含有以下子系統(tǒng)：①數(shù)據(jù)采集；②數(shù)據(jù)傳輸；③數(shù)據(jù)顯示。以數(shù)據(jù)采集為核心，用于采集位置信息，同時(shí)利用磁強(qiáng)計(jì)與加速度計(jì)，測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)度及重力加速度，再通過(guò)計(jì)算得出工具面角、傾角與方位角。其中，工具面角作用在于確定彎頭實(shí)際方向，而根據(jù)傾角與方位角則可確定具體的位置，但無(wú)法據(jù)此對(duì)鉆孔軌距進(jìn)行描繪，還應(yīng)得到孔深。就目前而言，孔深獲取以人工設(shè)置方法為主，即向軟件輸入鉆桿總數(shù)，研發(fā)新型孔深測(cè)量?jī)x器，實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化也是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)隨鉆測(cè)量開(kāi)展的分析探究仍以有線方式為重點(diǎn)，亟需處理的關(guān)鍵問(wèn)題在于研發(fā)具有穩(wěn)定性能的鉆桿，系統(tǒng)核心技術(shù)是在滿足鉆桿強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，鉆桿及其電纜聯(lián)接部位的可靠密封；主要發(fā)展趨勢(shì)為：延長(zhǎng)電池使用壽命、開(kāi)發(fā)便于操作的用戶界面、拓展故障診斷功能。

從井下的角度講，隨鉆測(cè)量實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸應(yīng)得到重視，因?yàn)樗鼰o(wú)需使用專用鉆桿，僅普通鉆桿即可，而且利用電磁波作為通信方式。目前部分企業(yè)正對(duì)此進(jìn)行研究，因地質(zhì)條件復(fù)雜易使信號(hào)不斷衰減，所以有效通信深度擬定為300 m，研究進(jìn)展相對(duì)緩慢[3]。此外，由于孔深等影響因素必然存在，所以無(wú)線隨鉆測(cè)量還有很長(zhǎng)一段路要走。

3 孔底馬達(dá)

原則上可將孔底馬達(dá)分為螺桿鉆、渦輪鉆、電鉆3種。20世紀(jì)80年代后期，孔底馬達(dá)市場(chǎng)被螺桿鉆大量占據(jù)，僅在特殊條件下才會(huì)用到電鉆和渦輪鉆，所以目前的孔底馬達(dá)實(shí)際上就是螺桿鉆，如圖1所示。

圖1 螺桿鉆

螺桿鉆施鉆時(shí)，利用高壓流(由泥漿泵提供，既有氣流，也有液流)，經(jīng)鉆桿傳遞至鉆具，因受高壓流不斷作用，鉆具定子可以和常規(guī)鉆桿直接連接，不涉及回轉(zhuǎn)；鉆頭則和轉(zhuǎn)子直接連接并進(jìn)行回轉(zhuǎn)，同時(shí)起到破巖鉆進(jìn)作用；在導(dǎo)向鉆進(jìn)過(guò)程中，依靠彎殼體能實(shí)現(xiàn)造斜。因螺桿鉆具備此種特殊鉆進(jìn)方式，必須有鉆桿用于高壓流持續(xù)傳遞，如果孔深較大，則液壓將沿管路大量損失，導(dǎo)致無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，故孔徑不得過(guò)大，通常在75～96 mm范圍內(nèi)。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代末期開(kāi)始在定向孔鉆進(jìn)中引用螺桿鉆，分別從北美、澳洲等國(guó)進(jìn)口配套鉆機(jī)，但效果卻沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)以下因素會(huì)對(duì)螺桿鉆應(yīng)用造成不利影響：基于目前的工藝與技術(shù)，螺桿鉆不能在松散軟層與高瓦斯層應(yīng)用，同時(shí)在作業(yè)環(huán)境中很難使鉆進(jìn)動(dòng)力介質(zhì)始終保持清潔，這對(duì)馬達(dá)有較大影響，縮短其壽命，不利于經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口孔底馬達(dá)技術(shù)參數(shù)比對(duì)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口孔底馬達(dá)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

由表1可知，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)孔底馬達(dá)僅外徑相同，其它參數(shù)都有明顯差別。盡管現(xiàn)階段我國(guó)井下定向鉆進(jìn)所用鉆具依然將孔底鉆具優(yōu)化組合作為核心，但對(duì)孔底馬達(dá)而言，它作為新興技術(shù)，具備廣闊發(fā)展前景，優(yōu)勢(shì)顯著，要重視并盡快解決工藝方面的問(wèn)題。比如研發(fā)能與孔底馬達(dá)良好匹配的主機(jī)、處于不同孔深及地質(zhì)條件下的最優(yōu)工作方式和基本條件、自主研發(fā)無(wú)磁孔底馬達(dá)[4]。

從目前來(lái)看，我國(guó)孔底馬達(dá)仍以進(jìn)口為主，造價(jià)十分昂貴，對(duì)將來(lái)發(fā)展有不可忽視的影響，所以必須加速國(guó)產(chǎn)化，盡快形成自主產(chǎn)品。我國(guó)已經(jīng)有廠家著手此方面工作，并取得了一定的成績(jī)，但在軸承與定子使用壽命方面，仍需進(jìn)一步探究。另外，還要兼顧常規(guī)馬達(dá)實(shí)際應(yīng)用，提出并驗(yàn)證適宜的工藝方法。

4 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)

對(duì)孔底馬達(dá)鉆進(jìn)而言，實(shí)質(zhì)上屬于開(kāi)環(huán)鉆進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可通過(guò)監(jiān)控界面對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)際軌跡和設(shè)計(jì)要求偏離時(shí)，立即進(jìn)行人工干預(yù)，即通過(guò)對(duì)工具面角的調(diào)整來(lái)改變彎頭實(shí)際方向，從而完成對(duì)鉆孔軌跡正確調(diào)整。該鉆進(jìn)系統(tǒng)將機(jī)電液集成一體，先確定一定鉆孔軌跡，如果設(shè)置在監(jiān)視器中的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件經(jīng)計(jì)算確認(rèn)實(shí)際鉆孔軌跡已經(jīng)發(fā)生偏離，則可控彎接頭將軟件指令作為依據(jù)，對(duì)彎頭的方向進(jìn)行調(diào)整，以此改變鉆孔軌跡，確保其在設(shè)計(jì)軌跡允許范圍內(nèi)進(jìn)行鉆進(jìn)。

系統(tǒng)組成部分有：通信、導(dǎo)向與隨鉆測(cè)量。其中，以導(dǎo)向的難度最大，需依靠導(dǎo)向塊伸縮來(lái)完成執(zhí)行。而對(duì)導(dǎo)向塊而言，主要由液壓活塞提供動(dòng)力，受控于液壓閥實(shí)現(xiàn)有目的性伸出，同時(shí)通過(guò)液壓閥對(duì)各活塞實(shí)際壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以力的合成為依據(jù)，除了能對(duì)導(dǎo)向力予以有效調(diào)節(jié)，還能兼顧力方向調(diào)節(jié)[5]。

相比之下，我國(guó)各大煤炭行業(yè)在此系統(tǒng)方面給予了較大的投入，同時(shí)也有相應(yīng)的產(chǎn)品形成。然而，實(shí)際應(yīng)用依然不夠成熟，關(guān)鍵問(wèn)題在于設(shè)備外徑尺寸。在石油鉆井中使用的系統(tǒng)由于外徑尺寸相對(duì)較大，難以在煤礦井下應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在國(guó)家大力推動(dòng)下，煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展迅速。與此同時(shí)，隨鉆測(cè)量和孔底馬達(dá)也得到了不同程度的應(yīng)用，然而旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)卻未能在煤礦領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，原因是設(shè)備外徑尺寸過(guò)大，需要設(shè)備廠家和研究單位共同努力解決。