淮南復(fù)雜頂板高位孔強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)踐

許 超

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

高位定向鉆孔利用煤礦井下隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)，使鉆孔軌跡沿工作面煤層頂板裂隙帶延伸，其利用頂板采動(dòng)裂隙形成的瓦斯運(yùn)移通道，實(shí)現(xiàn)工作面采空及采動(dòng)影響區(qū)瓦斯的穩(wěn)定和高效抽采[1-3]。實(shí)踐證明，頂板高位定向鉆孔抽采瓦斯技術(shù)具有軌跡可控、綜合效率高、覆蓋范圍廣、抽采效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

在淮南礦區(qū)，隨著礦井生產(chǎn)強(qiáng)度的提高和開采深度的增大，礦井瓦斯涌出量增大，采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)象加劇?；诟矌r采動(dòng)裂隙和工作面瓦斯運(yùn)移理論，淮南礦區(qū)進(jìn)行了高抽巷和頂板常規(guī)高位鉆孔抽采瓦斯技術(shù)試驗(yàn)并取得成功，使采煤工作面瓦斯抽采率提高到60%以上，有效提高了淮南礦區(qū)采空區(qū)瓦斯治理效果[6-7]。為降低頂板采動(dòng)影響區(qū)、采空區(qū)瓦斯治理成本、提高瓦斯治理效果、縮短瓦斯治理工程周期，淮南礦區(qū)開始嘗試?yán)酶呶淮笾睆蕉ㄏ蜷L鉆孔替代高抽巷進(jìn)行頂板瓦斯治理，即“以孔代巷”技術(shù)，并于2016 年至2017 年在淮南礦區(qū)顧橋礦開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)中由于淮南礦區(qū)煤層頂板地質(zhì)條件復(fù)雜，頂板巖層軟弱帶普遍發(fā)育，在鉆孔軌跡爬升孔段需要穿過多層復(fù)雜地層，施工難度大，針對該問題，提出了強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)技術(shù)，成功解決了這一難題。

1 工程概況

1.1 工作面概況

高位定向鉆孔試驗(yàn)現(xiàn)場位于淮南顧橋礦中央?yún)^(qū)1123（3）工作面，該工作面設(shè)計(jì)走向長度1 937 m，傾向長度260 m，其相鄰的1122（3）工作面已回采完畢，下伏保護(hù)層1122（1）和1123（1）工作面均已回采完畢。

1123（3）工作面主采13-1 煤層，平均煤厚4.10 m，預(yù)計(jì)原始瓦斯含量在3.95～5.85 m3/t，瓦斯壓力0.2～0.5 MPa。13-1 煤層頂板為復(fù)合頂板，以泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、13-2 煤、14 煤、15 煤為主，少量粉砂質(zhì)泥巖及花斑泥巖，其中13-2 煤約厚0.26 m，14 煤約厚0.66 m，15 煤約厚0.22 m，這些煤層附近易碎巖石普遍發(fā)育，頂板巖層呈軟硬互層，定向鉆孔施工難度大。

1.2 鉆孔布孔

高位定向鉆孔鉆場位于1123（3）軌道巷內(nèi)、停采線外段約110 m 處，鉆孔設(shè)計(jì)深度普遍達(dá)到500 m，有效抽采孔段約380 m。

根據(jù)煤層頂板“三帶”分布理論計(jì)算[8-9]，結(jié)合地層穩(wěn)定性及定向鉆孔軌跡彎曲控制特點(diǎn)，1123（3）工作面高位定向孔剖面上分上下2 層布孔，目標(biāo)層高度分別為38 m 和25 m，其中上分層布置3 個(gè)鉆孔，距軌道巷平距24～48 m，下分層布置7 個(gè)鉆孔[10]，距軌道巷平距15～54 m。

1.3 裝備配套

為實(shí)現(xiàn)頂板采動(dòng)裂隙帶瓦斯高效抽采，高位定向鉆孔孔徑應(yīng)盡可能擴(kuò)大，這對鉆進(jìn)裝備的鉆進(jìn)能力提出了很高的要求。為此，試驗(yàn)選配了扭矩ZDY12000LD 大功率定向鉆機(jī)及配套機(jī)具，該裝備配套φ89 mm 定向鉆具，定向鉆進(jìn)一次成孔φ120 mm，中硬煤層和巖層鉆進(jìn)深度分別達(dá)到2 000 m 和1 000 m 以上，通過回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔，可使高位定向鉆孔終孔直徑普遍達(dá)到φ153 mm[11]。

1.4 成孔方案

頂板高位定向鉆孔施工采用“定向先導(dǎo)孔+回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔”的成孔工藝方法，定向先導(dǎo)鉆孔一次成孔直徑120 mm，擴(kuò)孔直徑153 mm。

1）定向鉆進(jìn)。高位定向先導(dǎo)孔施工總體分為鉆孔軌跡穿層爬升孔段和目標(biāo)層孔段2 個(gè)階段，前者主要目的是以最短的進(jìn)尺使鉆孔軌跡進(jìn)入目標(biāo)層，并保證進(jìn)入目標(biāo)層后的鉆孔傾角與目標(biāo)層沿鉆孔走向傾角接近（偏差＜2°），該孔段施工采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝；進(jìn)入目標(biāo)層后，采用復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝，即“滑動(dòng)糾偏、復(fù)合保直”的鉆進(jìn)工藝方法，實(shí)現(xiàn)高精度、高效定向鉆進(jìn)[12]。高位定向先導(dǎo)孔鉆具的組合為：“φ120 mm 定向鉆頭+φ89 mm 螺桿馬達(dá)+φ89 mm 無磁鉆桿（安裝隨鉆測量探管）+φ89 mm 定向鉆桿”。

2）擴(kuò)孔鉆進(jìn)。擴(kuò)孔鉆進(jìn)采用全孔段常規(guī)回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝完成，鉆具組合為：“φ153/120 mm 擴(kuò)孔鉆頭+φ89 mm 高強(qiáng)度高韌性鉆桿”。

2 面臨的技術(shù)問題

經(jīng)詳細(xì)探查，顧橋礦1123（3）工作面煤層頂板以上0～21 m 為軟弱煤線、泥巖與堅(jiān)硬泥質(zhì)砂巖互層；21～27 m 為穩(wěn)定砂巖層；28～30 m 為易碎的花斑泥巖層；30～38 m 為穩(wěn)定泥質(zhì)砂巖層。根據(jù)該區(qū)域“三帶”分布特點(diǎn)，可選擇其中21～27 m 的穩(wěn)定砂巖層和30～40 m 的穩(wěn)定泥質(zhì)砂巖層可作為高位定向鉆孔目標(biāo)布孔層位。

在這種軟硬復(fù)合頂板巖層中進(jìn)行高位定向鉆孔爬升孔段施工中，鉆孔軌跡設(shè)計(jì)與控制至關(guān)重要，然而現(xiàn)有的1.25°螺桿鉆具組合在實(shí)際鉆進(jìn)過程中面臨著諸多問題，主要體現(xiàn)在以下2 個(gè)方面。

1）上分層鉆孔鉆進(jìn)問題。在煤層以上30～40 m的上分層鉆孔軌跡爬升孔段施工時(shí)，現(xiàn)有1.25°螺桿鉆具平均造斜能力約為1°/3 m，1.25°螺桿鉆具鉆孔爬升段軌跡剖面圖如圖1, 鉆孔軌跡爬升孔段長度一般不少于135 m，鉆孔無效抽采孔段（以上目標(biāo)層邊界范圍確定）長度達(dá)到93 m 以上，占鉆孔總長度超過18.6%（以孔深500 m 計(jì)算），過多的無效進(jìn)尺增加了鉆孔工程量，不利于降本增效；另外，較低的造斜率增大了鉆孔爬升段穿越復(fù)雜地層長度，提高了鉆孔塌孔風(fēng)險(xiǎn)，不利于安全鉆進(jìn)施工，鉆孔軌跡如圖1 中1#孔。

圖1 1.25°螺桿鉆具鉆孔爬升段軌跡剖面圖

2）下分層鉆孔鉆進(jìn)問題。煤層以上21～27 m 的穩(wěn)定砂巖層上下均為軟弱巖層，按照1.25°螺桿鉆具造斜能力設(shè)計(jì)和施工，鉆孔穿過穩(wěn)定層下方軟弱地層遇層角不超過8°，極易發(fā)生塌孔卡鉆事故，成孔難度大，鉆孔軌跡如圖1 中2#鉆孔；根據(jù)上穩(wěn)定層鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)鉆孔軌跡遇層角達(dá)到15°以上時(shí)，能夠保證孔壁穩(wěn)定和環(huán)空暢通，這意味著鉆孔軌跡在煤層以上21 m 高度進(jìn)入穩(wěn)定下分層時(shí)鉆孔傾角應(yīng)不低于16°（地層傾角為1°），然而依據(jù)現(xiàn)有螺桿鉆具造斜能力，即使全力降傾角，當(dāng)鉆孔軌跡傾角降至1°（目標(biāo)巖層傾角）時(shí)，鉆孔軌跡高度將達(dá)到距煤層32 m 以上，必然進(jìn)入該穩(wěn)定巖層上方的易碎花斑泥巖層，造成生塌孔卡鉆事故，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，鉆孔軌跡如圖1 中3#鉆孔。

3 強(qiáng)力造斜定向鉆進(jìn)技術(shù)

針對上述問題，提出了采用強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)技術(shù)，即利用1.75°螺桿鉆具代替1.25°螺桿鉆具進(jìn)行高位鉆孔爬升孔段的鉆進(jìn)施工，通過1.75°大彎角螺桿鉆具強(qiáng)造斜，實(shí)現(xiàn)爬升孔段局部快速上升和下降，從而起到縮短爬升孔段長度、減少無效進(jìn)尺、提高孔壁穩(wěn)定性和保證21~27 m 下分層高位鉆孔順利實(shí)施的目的。當(dāng)完成鉆孔爬升孔段施工后起鉆更換原1.25°螺桿鉆具開始進(jìn)行沿目標(biāo)層鉆進(jìn)施工。

由實(shí)鉆測量數(shù)據(jù)可知，1.75°螺桿鉆具造斜能力平均可達(dá)到2°/3 m 以上，利用其進(jìn)行上分層高位鉆孔的爬升孔段施工，爬升孔段以及無效孔段長度分別由原來的135~150 m 和93~102 m 縮短至90~99 m 和66~72 m，以孔深500 m 為例，高位鉆孔有效抽采孔段占比提高5.4%以上，同時(shí)有效增大了鉆孔遇層角（爬升孔段最大傾角由27°增大至37°）、縮短了復(fù)雜地層孔段長度，降低了塌孔風(fēng)險(xiǎn)，上分層鉆孔2種造斜強(qiáng)度鉆孔軌跡剖面圖如圖2。

圖2 上分層鉆孔2 種造斜強(qiáng)度鉆孔軌跡剖面圖

利用1.75°螺桿鉆具進(jìn)行下分層高位鉆孔施工，鉆孔軌跡遇層角以大于16°進(jìn)入目標(biāo)層后，通過強(qiáng)力降傾角造斜鉆進(jìn)，當(dāng)鉆孔軌跡傾角將至接近地層傾角時(shí)，軌跡高度能夠保持在23~25 m 左右，位于目標(biāo)層的中部，很好解決了1.25°螺桿鉆具常規(guī)造斜鉆進(jìn)時(shí)下分層鉆孔施工軌跡控制難題，下分層鉆孔2 種造斜強(qiáng)度的鉆孔軌跡剖面對比如圖3。

4 復(fù)雜地層高位定向孔定向鉆進(jìn)技術(shù)方案

基于1.75°單彎螺桿鉆具強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)技術(shù)，結(jié)合淮南顧橋礦高位定向鉆孔實(shí)際情況，將高位定向鉆孔施工過程分為爬升孔段強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)與目標(biāo)層孔段定向鉆進(jìn)2 個(gè)階段。

圖3 下分層鉆孔2 種造斜強(qiáng)度鉆孔軌跡剖面圖

在鉆孔爬升孔段采用1.75°單彎螺桿定向鉆具組合，利用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝進(jìn)行強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)，當(dāng)鉆孔軌跡進(jìn)入目標(biāo)層、鉆孔傾角下降至接近目標(biāo)層傾角時(shí)停止鉆進(jìn)，提鉆更換1.25°單彎螺桿定向鉆具組合，利用復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝，進(jìn)行目標(biāo)層孔段鉆孔施工，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)

1)顧橋礦中央?yún)^(qū)1123（3）工作面。2016 年10 月至2017 年5 月，在淮南顧橋礦中央?yún)^(qū)1123（3）工作面進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，共完成高位鉆孔10 個(gè)，總進(jìn)尺4 643 m。其中3 個(gè)為布孔高度為38 m 上分層鉆孔，由于目標(biāo)層厚度較大，鉆孔爬升孔段施工采用常規(guī)1.25°螺桿鉆具就可以滿足成孔需要，但鉆孔軌跡爬升孔段長度普遍達(dá)到135 m 以上；為解決21~27 m下分層高位定向鉆孔施工難題，首次嘗試了1.75°螺桿鉆具強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)，共完7 個(gè)鉆孔，鉆孔在保證以＞16°傾角順利穿過目標(biāo)層下方的軟弱巖層的同時(shí)均順利進(jìn)入該目標(biāo)層，鉆孔軌跡控制在距煤層頂部25 m 左右，有效保證了下分層高位鉆孔順利實(shí)施。

2）顧橋礦南區(qū)1212（3）工作面。顧橋礦南區(qū)1212（3）工作面高位鉆孔設(shè)計(jì)與中央?yún)^(qū)1123（3）有所不同，根據(jù)該工作面頂板裂隙發(fā)育規(guī)律，將高位定向鉆孔布置在煤層以上20 m 和16 m 2 個(gè)層位。基于1.75°螺桿鉆具強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)技術(shù)在顧橋礦中央?yún)^(qū)的1123（3）工作面的成功應(yīng)用，在2017 年7 月至9 月，在淮南顧橋礦南區(qū)1212（3）工作面進(jìn)行了推廣應(yīng)用，經(jīng)計(jì)算，煤層以上20 m 和16 m 2 個(gè)層位高位鉆孔軌跡爬升孔段施工中，1.75°螺桿鉆具較1.25°螺桿鉆具可有效縮短爬升孔段長度和增大最大鉆孔傾角,從而有效縮短了復(fù)雜孔段長度，進(jìn)一步提高了孔壁穩(wěn)定性，保證了該工作面高位鉆孔的順利施工，2 種螺桿鉆具軌跡控制效果對比見表1。

6 結(jié) 語

1）針對淮南礦區(qū)復(fù)雜頂板巖層下分層高位定向鉆孔爬升孔段采用常規(guī)1.25°螺桿鉆具施工時(shí)存在成孔難題，提出了利用1.75°大彎角螺桿鉆具強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)技術(shù)，造斜能力達(dá)到2°/3 m，實(shí)現(xiàn)爬升孔段局部快速上升和下降，解決了安全通過21～27 m目標(biāo)層下方復(fù)雜地層與避免進(jìn)入其上方的復(fù)雜花斑泥巖層之間的矛盾，保證了下分層高位定向鉆孔的順利施工，為淮南礦區(qū)“以孔代巷”工程做出了重要貢獻(xiàn)。

表1 2 種螺桿鉆具軌跡控制效果對比

2）將強(qiáng)造斜定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到上分層鉆孔爬升孔段施工中，爬升孔段長度明顯縮短，有效抽采孔段占比提高5.4%以上，同時(shí)有效增大了鉆孔遇層角、縮短了復(fù)雜地層孔段長度，提高了孔壁穩(wěn)定性。