泥漿脈沖式隨鉆測量系統(tǒng)在高位定向孔中的應(yīng)用

胡振陽， 張甲迪， 郝世俊， 趙永哲

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦瓦斯災(zāi)害是礦山生產(chǎn)過程中的主要危害之一，約束著煤礦安全高效開采[1]。目前針對瓦斯災(zāi)害主要有本煤層瓦斯治理和采空區(qū)瓦斯治理兩種方式，其中采空區(qū)瓦斯治理主要包括高抽巷和高位定向鉆孔兩種方式[2]。本次應(yīng)用主要利用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY6000LD型鉆機(jī)及山東中探機(jī)械公司生產(chǎn)的BW600/10型往復(fù)式泥漿泵進(jìn)行施工，對比中心通纜式測量裝置與泥漿脈沖測量裝置兩種不同測量裝置施工的精度與鉆進(jìn)效率[3]。

根據(jù)德通煤業(yè)2201工作面瓦斯治理需要，在2201工作面回風(fēng)巷布設(shè)兩個(gè)鉆場，兩鉆場中心距為300 m，每個(gè)鉆場按設(shè)計(jì)布置4個(gè)定向鉆孔，其中1號(hào)鉆場使用YHD2-1000型有線隨鉆測量系統(tǒng)[4]，2號(hào)鉆場使用YHD3-1500型泥漿脈沖測量系統(tǒng)(MWD)，鉆機(jī)均使用ZDY6000LD型鉆機(jī)和BW600/10型往復(fù)式泥漿泵，其目標(biāo)層位均為煤層頂板裂隙帶下部、冒落拱上部區(qū)域[5]。

1 測量系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

YHD2-1000型有線隨鉆測量系統(tǒng)主要由防爆計(jì)算機(jī)、防爆鍵盤、防爆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和防爆測量探管組成[6]。YHD2-1000型測量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為利用中心式通纜鉆桿作為傳輸介質(zhì)，如圖1所示，工具面調(diào)整實(shí)時(shí)傳輸，校正精度準(zhǔn)，傳輸速率快，但對于復(fù)雜地層無法采用定向技術(shù)，需更換回轉(zhuǎn)鉆具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，因此工藝繁雜，鉆進(jìn)效率低[7]。

YHD3-1500型泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)主要由防爆計(jì)算機(jī)、防爆鍵盤、防爆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、防爆測量探管和防爆壓力變送器等五部分組成[8]，如圖2所示。其中防爆探管主要由測量短節(jié)、電池筒、驅(qū)動(dòng)短節(jié)及

圖1 YHD2-1000型隨鉆測量系統(tǒng)連接示意圖

脈沖發(fā)生器組成[9]。泥漿脈沖儀器主要的特點(diǎn)為利用清水或者泥漿作為傳輸介質(zhì)，信號(hào)傳輸強(qiáng)度大；在鉆進(jìn)過程中可采用復(fù)合鉆進(jìn)方式通過復(fù)雜地層或平滑鉆進(jìn)；無需等待測量信號(hào)，減少鉆進(jìn)時(shí)間；無需中心式通纜鉆桿配合，節(jié)約成本，提高了鉆進(jìn)效率。

2 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

本次高位定向鉆孔主要用于采空區(qū)上隅角瓦斯治理，鉆孔設(shè)計(jì)既要考慮鉆孔瓦斯抽放效果，同時(shí)也要考慮鉆孔成孔性[10]。在采空區(qū)上巖石層依次分布冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[11]。其中冒落帶破斷裂隙非常發(fā)育，裂隙帶上部以離層裂隙發(fā)育為主，下部則為破碎發(fā)育為主，彎曲下沉帶則不發(fā)育[12]。根據(jù)采空區(qū)裂隙發(fā)育情況及高位鉆孔抽采原理，要求鉆孔主層位布置理想位置在裂隙帶。鉆孔的有效抽放高度要大于冒落帶的高度，但不能超越裂隙帶的最高高度[13]。綜上所述，最終鉆孔垂直方向上布置在頂板以上35～47 m，水平方向上距巷幫28～40 m。

圖2 YHD3-1500型泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)連接示意圖

Fig.2SchematicdiagramofYHD3-1500mudpulseMWDsystemassembly

1號(hào)鉆場采用YHD2-1000型有線隨鉆測量系統(tǒng)，鉆孔數(shù)為4個(gè)，其孔深均為390 m，剖面層位為47、44、41、38 m，平面層位為40、36、32、28 m。設(shè)計(jì)軌跡見圖3。

2號(hào)鉆場采用YHD3-1500型泥漿脈沖測量系統(tǒng)，鉆孔數(shù)為4個(gè)，其孔深均為480 m，剖面層位為47、44、41、38 m，平面層位為40、36、32、28 m。設(shè)計(jì)軌跡見圖4。

3 定向鉆孔施工

3.1 定向鉆進(jìn)工藝流程(見圖5)

本次施工鉆孔為兩級孔身結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的鉆具組合如下。

圖3 1號(hào)鉆場軌跡設(shè)計(jì)圖

Fig.3Drillingtrajectorydesignforthefirstsite

圖4 2號(hào)鉆場軌跡設(shè)計(jì)圖

(1)一級孔身結(jié)構(gòu)施工用鉆具組合。

圖5 定向鉆進(jìn)工藝流程

開孔：?98 mm PDC鉆頭+?94 mm扶正器+?73 mm定向鉆桿串；

一級擴(kuò)孔：?98/153 mm PDC鉆頭+?73 mm回轉(zhuǎn)鉆桿串；

二級擴(kuò)孔：?153/193 mm PDC鉆頭+?73 mm回轉(zhuǎn)鉆桿串；

孔口管規(guī)格及下入深度：?168 mm鋼套管，1.5 m/根，孔口管下至煤層頂板以上，進(jìn)入到穩(wěn)定巖層中，注漿、固孔。

(2)二級孔身結(jié)構(gòu)施工用鉆具組合。

定向鉆進(jìn)孔段：?98 mm PDC鉆頭+?73 mm孔底馬達(dá)+?73 mm下無磁鉆桿+隨鉆測量系統(tǒng)+?73 mm上無磁鉆桿+?73 mm通纜鉆桿串。

擴(kuò)孔孔段：?98/133 mm PDC擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm回轉(zhuǎn)鉆桿串[14]。

在本次數(shù)據(jù)分析中不考慮擴(kuò)孔時(shí)間，只計(jì)算定向時(shí)間。

3.2 巖性

井田主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組。德通礦目前開采的為山西組的2號(hào)煤層，可采煤層平均總厚度6.38 m，屬厚煤層，塊度大、裂紋少、強(qiáng)度高、耐磨性好。具體地層巖性見表1。

3.3 鉆孔施工

現(xiàn)場施工共完成2個(gè)鉆場，8個(gè)鉆孔。1號(hào)鉆場完成4個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺1560 m；2號(hào)鉆場完成4個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺1920 m。施工過程中，泥漿泵排量均為195 L/min，泵壓最高達(dá)6 MPa。施工過程均采用二開鉆進(jìn)方式，一開鉆進(jìn)后擴(kuò)孔，下入?168 mm套管，候凝結(jié)束，二開使用?98 mm鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

表1 2號(hào)煤及頂板巖性

1號(hào)鉆場實(shí)鉆軌跡圖如圖6所示。

圖6 1號(hào)鉆場實(shí)鉆軌跡圖

2號(hào)鉆場實(shí)鉆軌跡圖如圖7所示。

圖7 2號(hào)鉆場實(shí)鉆軌跡圖

4 參數(shù)分析

4.1 軌跡分析

對比圖3和圖6、圖4和圖7可知，兩種定向測量系統(tǒng)在實(shí)鉆中對軌跡控制的可操作性強(qiáng)，基本可以按照預(yù)想的軌跡施工，滿足精度要求。具體參數(shù)見表2。

4.2 鉆時(shí)分析

2201工作面1號(hào)鉆場于2017年9月13日早開鉆，至10月25日早班終孔，歷時(shí)42 d完工。

1-1孔于2017年9月13日早班開鉆，9月20日早班終孔；1-2孔于2017年9月26日夜班開鉆，

表2 2種測量方式鉆孔精度對比

10月4日早班終孔；1-3孔于2017年10月8日中班開鉆，10月15日早班終孔；1-4孔于2017年10月18日中班開鉆，10月25日早班終孔。

2201工作面2鉆場于2017年11月12日早開鉆，至2018年1月24日早班終孔，歷時(shí)73 d完工。

2-1孔于2017年11月12日早班開鉆，11月25日早班終孔；2-2孔于2017年11月30日夜班開鉆，12月16日早班終孔；2-3孔于2017年12月20日中班開鉆，2018年1月5日早班終孔；2-4孔于2018年1月10日中班開鉆，2018年1月24日早班終孔。

通過在施工8個(gè)鉆孔的過程中，對每一根鉆桿的鉆進(jìn)時(shí)間進(jìn)行記錄，并且記錄相應(yīng)的鉆遇地層巖性，對同一層位、同一平距的鉆孔進(jìn)行分析，由于兩鉆孔的長度不一，截取2號(hào)鉆場390 m之前的鉆時(shí)進(jìn)行對比。對比結(jié)果如圖8～11所示。

圖8 YHD2-1000與YHD3-1500儀器1號(hào)鉆孔鉆時(shí)對比圖

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可以得出：1號(hào)鉆場1號(hào)孔中心通纜式測量方式的平均鉆時(shí)為14.05 min/m，2號(hào)鉆場1號(hào)孔MWD測量方式的平均鉆時(shí)為9.88 min/m；1號(hào)鉆場2號(hào)孔中心通纜式測量方式的平均鉆時(shí)為16.11 min/m，2號(hào)鉆場2號(hào)孔MWD測量方式的平均鉆時(shí)為11.71 min/m；1號(hào)鉆場3號(hào)孔中心通纜式測量方式的平均鉆時(shí)為16.19>min/m，2號(hào)鉆場3號(hào)孔MWD測量方式的平均鉆時(shí)為12.63 min/m；1號(hào)鉆場4號(hào)孔中心通纜式測量方式的平均鉆時(shí)為16.15 min/m，2號(hào)鉆場4號(hào)孔MWD測量方式的平均鉆時(shí)為11.62 min/m。2種測量方式平均鉆時(shí)對比見表3。

圖9 YHD2-1000與YHD3-1500儀器2號(hào)鉆孔鉆時(shí)對比圖

圖10 YHD2-1000與YHD3-1500儀器3號(hào)鉆孔鉆時(shí)對比圖

圖11 YHD2-1000與YHD3-1500儀器4號(hào)鉆孔鉆時(shí)對比圖Fig.11 Comparison of drilling time curves of YHD2-1000 andYHD3-1500 at the forth hole

表3 2種測量方式平均鉆時(shí)對比Table 3 Average drilling time comparison ofthe two measurement methods min/m

5 結(jié)論

本次工程在德通煤業(yè)2201工作面的2個(gè)鉆場，從相同層位及相似巖性對中心通纜式測量系統(tǒng)與泥漿脈沖測量系統(tǒng)的鉆進(jìn)效率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)場實(shí)踐表明：

(1)從鉆孔軌跡精度上，2種儀器均滿足設(shè)計(jì)要求，可按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行施工，達(dá)到預(yù)期層位，滿足抽采瓦斯目的。

(2)從鉆時(shí)上明顯可以看出，YHD3-1500型泥漿脈沖測量系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)通纜式測量系統(tǒng)，主要包括以下幾個(gè)原因：①YHD3-1500型泥漿脈沖儀器以泥漿作為傳輸介質(zhì)，在測量時(shí)無需等待信號(hào)傳出，加桿后繼續(xù)鉆進(jìn)，數(shù)據(jù)隨泥漿信號(hào)傳送；②在軌跡達(dá)到平穩(wěn)段后可采用復(fù)合鉆進(jìn)，降低孔內(nèi)復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)，增加鉆進(jìn)效率[15]。

(3)本次工程應(yīng)用表明，YHD3-1500型泥漿脈沖測量系統(tǒng)不但可以滿足定向技術(shù)要求，并且加強(qiáng)了鉆具強(qiáng)度和信號(hào)傳輸強(qiáng)度，同時(shí)提高了鉆進(jìn)效率與安全性，對煤礦井下定向鉆孔技術(shù)和鉆孔裝備的發(fā)展起到顯著作用[16]。