一種適用于破碎煤層的安全定向鉆進工藝研究

肖麗輝

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400039)

1 概述

目前，針對煤與瓦斯突出和爆炸的防治，主要是通過在煤礦井下施工近水平鉆孔的方式來解決。近幾年來，許多科研院所與礦業(yè)集團加大了對定向鉆進技術及裝備的研究力度，隨著定向鉆進技術及裝備的不斷發(fā)展，采用近水平定向鉆進工藝施工瓦斯預抽長鉆孔在煤礦井下瓦斯治理方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。但隨著煤層的不斷開采，由于該技術裝備的結構特點決定了其在穩(wěn)定地層中鉆孔效果較好，而在破碎地層中鉆孔效果較差。從目前的應用來看，對于復雜地質條件下（如軟煤層、構造帶），尤其是破碎、松軟煤層，應用普通的定向鉆進技術施工較深定向鉆孔非常困難，如萬峰煤礦[3]、寺河煤礦。在該種較復雜地層施工定向鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)噴孔、鉆孔垮塌等異常現(xiàn)象，導致定向鉆孔的成孔深度淺，達不到定向鉆孔設計深度，不能發(fā)揮定向長鉆孔的優(yōu)勢，嚴重影響了瓦斯抽采效果[4-5]，且經(jīng)常出現(xiàn)鉆具無法起拔，造成測量系統(tǒng)丟在孔內的事故，設備風險高。

為了解決定向鉆進工藝在破碎煤層應用中存在的問題并擴大定向鉆進工藝及配套裝備的推廣范圍，提出了一種適用于破碎煤層的安全定向鉆進工藝。

2 一種適用于破碎煤層的安全定向鉆進工藝研究

與普通鉆孔相比，煤礦井下定向鉆進技術主要有2方面的特點，一是利用造斜工具使煤礦井下的近水平鉆孔的軌跡按設計要求施工，最后延伸鉆進至預定層位。二是煤礦井下定向鉆進技術中的測量系統(tǒng)中的隨鉆測量儀器可實現(xiàn)對鉆孔參數(shù)、鉆具姿態(tài)的實時監(jiān)測，并生成鉆孔軌跡，實現(xiàn)鉆孔在施工區(qū)域內的可視化[6]，如圖1所示。

圖1 定向鉆進工藝示意圖

由上敘述可知，定向鉆進技術可以及時測量定向鉆孔的軌跡參數(shù)，并對鉆孔軌跡進行精確控制，對后續(xù)鉆孔的設計和施工起到指導作用，進而提高瓦斯抽采率[7]。

2.1 凹槽螺旋定向鉆桿的研制

在破碎煤層中施工瓦斯抽采鉆孔時，存在的主要問題就是因破碎煤層的煤層破碎、裂隙發(fā)育，導致在鉆孔施工過程中孔壁極易發(fā)生垮塌，而孔內垮塌下來的煤渣因沒有經(jīng)過有效的鉆具鉆頭切削而呈較大的塊狀，差不多都有幾個厘米。因普通定向鉆進工藝中采用的為光鉆桿，在施工過程中，普通定向鉆桿與鉆孔之間的環(huán)狀空間較小，所以這種未經(jīng)有效鉆具破碎的較大煤渣極易堵塞孔壁與鉆桿之間的環(huán)形空間，從而造成洗孔液循環(huán)困難，排渣不及時又會導致卡鉆、埋鉆事故的發(fā)生。

在普通的回轉轉進工藝中，螺旋鉆桿、三棱鉆桿等鉆具已經(jīng)被應用于軟煤及構造煤的鉆孔施工中，且效果良好，大大減少了鉆孔事故的發(fā)生。同時，在石油定向鉆井中，螺旋鉆鋌的應用極為廣泛，大大減少了卡鉆事故的發(fā)生[8]?？偨Y螺旋鉆桿、三棱鉆桿、三棱螺旋鉆桿、螺旋鉆鋌等鉆具在松軟、破碎煤層回轉鉆進中成功應用的原因可知，是因其特殊的鉆具結構在鉆進過程中起到輔助排渣作用，有利于孔內清潔。因此，將回轉鉆進工藝中的鉆桿輔助排渣技術引入到定向鉆進工藝中，開發(fā)了凹槽螺旋定向鉆桿（圖2），成為解決破碎煤層鉆進中排渣困難的突破口。

圖2 凹槽螺旋向鉆桿結構圖

凹槽螺旋向鉆桿的結構設計采用整體式螺旋槽結構，因矩形螺旋槽在鉆進時容易在螺旋槽根部造成鉆屑積累導致螺旋槽失效，螺旋槽的輔助排渣作用得不到充分發(fā)揮；而圓弧形螺旋槽的結構平滑，在使用中發(fā)現(xiàn)這種結構不易糊鉆桿，且輔助排渣能力強。同時，矩形螺旋槽容易在螺旋槽根部形成應力集中，降低了鉆桿的疲勞強度。因此，凹槽螺旋定向鉆桿的螺旋槽采用圓弧過渡，既不產生應力集中，又能起到很好的輔助排渣作用。

目前，在煤礦井下回轉鉆孔中，針對松軟、破碎煤層，使用效果較好的鉆具為三棱鉆桿和三棱螺旋鉆桿，根據(jù)三棱螺旋鉆桿可知，凹槽螺旋定向鉆桿的結構設計具有以下結構特點[9]：①整體式的鉆桿結構不涉及焊接成型，減少結構上的薄弱點，從而提高了鉆桿的抗扭強度和抗彎強度；②凹槽螺旋鉆桿中凹槽螺旋的結構增加了鉆桿外壁與孔壁之間的環(huán)空過流面積，使鉆桿在旋轉鉆進時具有向外排屑的趨勢，便于排渣；③整體式凹槽螺旋鉆桿螺旋槽的設計，降低了鉆桿對鉆孔的擾動作用，利于孔壁穩(wěn)定；④凹槽螺旋定向鉆桿螺旋槽的存在，在一定程度上減輕了鉆桿的質量，在發(fā)生孔內事故時，鉆桿負荷減小，在發(fā)生孔內事故時，不易發(fā)生扭斷事故；⑤在保證鉆桿強度的同時，還可根據(jù)實際施工情況及煤渣顆粒的大小來改變鉆桿的結構設計。

2.2 安全接頭的研制

在破碎煤層定向鉆孔施工過程中，出現(xiàn)最多的就是鉆孔垮塌事故。因凹槽螺旋定向鉆桿有上述優(yōu)勢，在出現(xiàn)孔內事故時，很多時候可通過采用旋轉凹槽螺旋定向鉆桿進行反復洗孔來解決事故，但如果煤層很破碎、裂隙較多，通過洗孔也無法實現(xiàn)鉆具的安全起拔，測量系統(tǒng)及部分鉆具就會掉落孔內，設備存在較高的風險。

針對以上情況，通過開發(fā)一種適用于煤礦坑道水平定向鉆進的安全接頭來實現(xiàn)破碎煤層的安全鉆進。該安全接頭的結構主要由3部分組成[10]：公接頭、母接頭和安全銷。在施工復雜地層中，將安全接頭連接在定向鉆頭與孔底馬達之間，當出現(xiàn)因鉆孔垮塌導致鉆具無法解卡時，增大鉆機的起拔力，強力起拔鉆桿將安全接頭的安全銷拉斷，從而使安全接頭的公接頭和母接頭分離，母接頭和鉆頭留在孔底，公接頭及其以上的定向鉆進設備安全退出孔外，降低了經(jīng)濟損失。

2.3 破碎煤層安全定向鉆進工藝研究

以普通定向鉆進工藝為基礎，結合凹槽螺旋定向鉆桿及安全接頭，研究了適用于破碎煤層的安全定向鉆進工藝，該工藝技術可以解決破碎煤層定向鉆孔事故頻發(fā)、鉆孔深度淺、設備風險高等問題。

第一，與普通定向鉆進工藝相比，該工藝采用的凹槽螺旋定向鉆桿的螺旋結構其在旋轉的作用下起到二次切削煤巖塊及輔助排渣作用，因而可以利用凹槽螺旋定向鉆桿的結構優(yōu)勢減少在鉆遇破碎帶、構造帶時出現(xiàn)的因排渣不暢而導致的卡鉆、埋鉆事故；同時當出現(xiàn)垮孔、卡鉆等孔內事故時，會出現(xiàn)泥漿泵壓力升高、返水變小或者不返水、返渣顆粒變大等情況，此時可通過先退鉆桿（約2根）再進行來回推拉并旋轉凹槽螺旋定向鉆桿進行洗孔排渣，從而解決孔內事故。

另一方面，當采用反復旋轉凹槽螺旋定向鉆桿也無法解決孔內事故時，為了減小經(jīng)濟損失，通過強力起拔鉆桿來拉斷安全接頭的安全銷，安全銷斷裂后公母接頭分離，從而將母接頭和鉆頭留在孔底，公接頭和以上的定向鉆進設備整體提出鉆孔。具體工藝流程見圖3。

圖3 破碎煤層安全定向鉆進工藝流程圖

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗及效果

3.1 煤層條件

本次定向鉆孔試驗煤層為寺河礦西區(qū)3#煤層，該煤層為寺河礦主采煤層。3#煤層結構簡單，屬于穩(wěn)定可采煤層。但西區(qū)3#煤層頂板以下1m、底板以上2m的煤層松軟，裂隙發(fā)育，中間約3～3.6m煤層較完整。在西區(qū)施工鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、卡鉆、埋鉆事故，給孔底鉆具帶來嚴重的安全隱患。

3.2 試驗設備

本次試驗選用的鉆機型號：ZYWL-6000D型定向鉆機。試驗鉆桿規(guī)格：?75mm×3000mm螺旋定向鉆桿。試驗螺桿馬達：5LZ73×7.0L-3-600。試驗鉆頭型號：?94mm鋼體式PDC鉆頭。

3.3 試驗過程

試驗地點在寺河礦西區(qū)W23014巷東掘鉆場，該鉆場屬于含破碎帶較多的鉆場，在該鉆場采用常規(guī)的定向鉆孔工藝鉆孔施工困難、成孔率低、成孔深度淺，只有幾十米，嚴重制約了定向鉆進工藝優(yōu)勢的發(fā)揮。

在該鉆場一共設計施工7個定向鉆孔，設計孔深為400m，開孔傾角為2°～5°，并在該鉆場施工中采用了適用于破碎煤層的安全定向鉆進工藝。

1#孔的開孔方位為 52°，傾角為 7°，在施工 1#鉆孔時，前40m施工正常，之后就出現(xiàn)嚴重的垮孔、噴孔現(xiàn)象，孔口返渣也不正常，返渣顆粒粒徑較大。針對這種異?，F(xiàn)場，現(xiàn)場采用增加鉆機的推進壓力來解決，但當鉆進到51m左右時，鉆桿完全抱死。隨后現(xiàn)場將清水鉆進改用采用鉆井液來洗孔，洗孔后，凹槽螺旋定向鉆桿可以轉動，此時通過反復旋轉凹槽螺旋定向鉆桿，并間隔地進行推進、后退凹槽螺旋定向鉆桿，采用上述方式均無法處理孔內事故，此時存在較高的掉鉆風險，不能繼續(xù)施工。但因該套工藝在孔底馬達與定向鉆頭之間連接了安全接頭，最后通過強力起拔鉆桿的方式，仍然將公接頭以上的定向鉆進設備安全提出了孔外，降低了經(jīng)濟損失。

對1#鉆孔的實際施工情況進行分析判斷可知，定向鉆孔施工異常情況在40m左右，因此可以推斷出該區(qū)域存在斷層，斷層的存在是造成本次孔內事故的主要原因。在分析1#孔事故的基礎上，退鉆后施工2#鉆孔，2#鉆孔的開孔方位為55°，傾角為5°。在施工2#鉆孔時，32m之前施工正常，當鉆進到32m時，出現(xiàn)了泥漿泵壓力增大及嚴重噴孔現(xiàn)象，且返渣顆粒粒徑變大。此時仍采用將清水換成鉆井液洗孔，同時對凹槽螺旋鉆桿反復旋轉、推進和后退，最后解決了孔內事故，2#鉆孔順利通過了破碎帶。在后面的鉆進過程中，通過多次開分支、探頂及回轉鉆桿、反復洗孔，順利施工主孔深495m。考慮到設備風險，在495m處退鉆。

3.4 試驗小結

本次試驗在W23014東掘鉆場共施工主鉆孔7個，多個分支孔，累計進尺8963m，主孔最深為495m。從整個試驗過程來看，在鉆遇破碎帶及構造帶時，采用破碎煤層安全定向鉆進工藝施工定向鉆孔可以有效解決垮孔、抱鉆事故，減少了孔內事故發(fā)生的頻率。與普通定向鉆進工藝相比，很大程度上提高了定向鉆孔深度，并實現(xiàn)了安全鉆進，降低了設備風險，較少了經(jīng)濟損失。

4 結論

通過破碎煤層安全定向鉆進工藝研究及現(xiàn)場應用證明，該工藝技術可以有效減少并在一定程度上解決在鉆遇破碎帶及構造帶出現(xiàn)的問題。針對寺河礦這種存在破碎煤層的礦區(qū)，通過采用適用于破碎煤層的安全定向鉆進工藝，也可以施工500m左右的定向鉆孔。因此可以說，破碎煤層安全定向鉆進工藝的開發(fā)拓展了定向鉆進工藝的應用范圍，使定向鉆進技術及裝備在復雜地層中同樣具備較好的應用前景。目前，該套工藝已在山西萬峰煤礦、淮南新集二礦及山東唐口煤礦進行了應用，均取得了較好的效果。