順煤層超長孔定向鉆進關鍵裝備及應用效果分析

王 鮮，許 超，劉 飛，姜 磊，畢志琴

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

順煤層定向長鉆孔是進行煤層瓦斯治理的有效手段。隨著煤礦大型自動化綜采設備的發(fā)展進步，各大礦區(qū)開始采用超長工作面來提高煤炭開采效率，并獲得了良好的經(jīng)濟效益。超長工作面瓦斯治理對順煤層定向長鉆孔的需求增大，對鉆孔深度和鉆孔軌跡精度的要求也越來越高。

近年來，我國先后引進、自主研發(fā)了一系列長鉆孔定向鉆進技術與配套裝備，并在井下瓦斯抽采中進行了大量的現(xiàn)場試驗和應用，取得了顯著的成果[1-3]。目前在一些煤層賦存條件較好的礦區(qū)，順煤層瓦斯抽采定向鉆孔深度可普遍達到1500m以上，對于長度3000m左右的超長工作面，采用對接式鉆孔施工方案，即在工作面形成前，從其兩端的盤區(qū)大巷分別朝工作面內(nèi)施工順煤層定向長鉆孔，利用兩個相向施工的定向長鉆孔覆蓋工作面長度范圍，可基本實現(xiàn)超長工作面瓦斯區(qū)域超前抽采。但對接式施工方案存在設備頻繁搬遷、抽采系統(tǒng)成本投入大、工作面開采后切眼一側鉆孔即失效等問題。為此，有必要開展順煤層超長定向鉆孔技術與裝備研究和工程實踐、探索超長工作面瓦斯治理新模式?；诖?，本文分析了施工順煤層超長定向鉆孔對關鍵鉆進裝備的技術要求，總結對比了國內(nèi)外幾款典型的順煤層超長定向鉆孔關鍵裝備性能特點，結合工程實踐分析了關鍵裝備應用效果和局限性，并對進一步提高順煤層超長定向鉆孔裝備能力進行了展望，以期促進超長工作面瓦斯治理水平發(fā)展進步。

1 順煤層超長孔定向鉆進關鍵裝備

1.1 定向鉆機

定向鉆機是施工定向鉆孔的重要執(zhí)行機構，為孔內(nèi)鉆具提供給進、起拔、回轉(zhuǎn)及制動作用力。煤礦井下順煤層超長孔定向鉆進主要采用復合定向鉆進工藝技術，即在造斜時采用滑動定向鉆進，在穩(wěn)斜時采用復合鉆進。鉆進過程中，隨著鉆孔深度和孔內(nèi)鉆具長度增加，鉆具與孔壁間摩阻力增大，鉆進危險性提高、鉆進效率降低。因此，根據(jù)煤礦井下順煤層超長孔定向鉆進需要，定向鉆機需具備以下功能：①具備輸出大扭矩和大給進/起拔力的能力，可克服超長孔鉆進時孔內(nèi)摩阻為孔底持續(xù)加壓；②滿足回轉(zhuǎn)鉆進、滑動定向鉆進和復合鉆進等多種鉆進工藝，符合超長孔定向鉆進工藝要求；③可配套常規(guī)鉆桿、通纜鉆桿和打撈鉆桿等多種規(guī)格鉆具，提高工藝適應性和超長孔鉆進安全性。目前，國內(nèi)外用于施工順煤層超長孔的定向鉆機均采用履帶式結構，幾款典型鉆機及其參數(shù)見表1[4-6]。

表1 典型鉆機及其主要性能參數(shù)

1.2 泥漿泵

目前煤礦井下主要通過泥漿泵提供高壓沖洗液驅(qū)動螺桿馬達帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)碎巖，該高壓沖洗液同時具有冷卻孔內(nèi)鉆具和攜帶孔內(nèi)鉆渣等多重作用。泥漿泵輸出的高壓沖洗液經(jīng)孔口管路和孔內(nèi)鉆具到達孔底，受沖洗液沿程水壓損耗影響，到達孔底的沖洗液能量隨鉆孔深度增加而逐漸降低，這將直接影響深孔鉆進時孔底螺桿馬達動力輸出和孔內(nèi)排渣效果。因此，施工順煤層超長定向鉆孔要求泥漿泵具有：①額定流量大，滿足孔底螺桿馬達旋轉(zhuǎn)及孔內(nèi)排渣需要；②額定壓力高，可為超長定向鉆孔施工提供強勁動力；③運行平穩(wěn)，避免對螺桿馬達動力輸出和無線隨鉆測量儀器信號傳輸造成影響。

煤礦井下定向鉆進用泥漿泵分為電驅(qū)式和液驅(qū)式兩種形式，額定流量主要介于200～500L/min，額定壓力介于10～13MPa。近年來，為適應井下大直徑、長鉆孔施工對沖洗液流量和壓力的需求，同時為了井下移動搬遷方便，相關機構研制出系列化履帶式液驅(qū)泥漿泵車，其型號和主要性能參數(shù)見表2[7]。

表2 系列化泥漿泵車及其主要性能參數(shù)

1.3 隨鉆測量系統(tǒng)

煤礦井下隨鉆測量系統(tǒng)按照信號傳輸方式分為有線隨鉆測量系統(tǒng)和無線隨鉆測量系統(tǒng)兩種類型。

1)有線隨鉆測量系統(tǒng)。有線隨鉆測量系統(tǒng)是指利用通纜鉆桿傳輸測量數(shù)據(jù)的隨鉆測量系統(tǒng)，按照測量系統(tǒng)供電形式分為孔內(nèi)電池筒供電和孔口計算機供電。目前，煤礦井下有線隨鉆測量系統(tǒng)已普遍采用孔口供電形式，即通過孔口的防爆計算機經(jīng)通纜鉆桿向孔底測量探管供電并下達工作指令，探管測量鉆孔參數(shù)后通過通纜鉆桿傳輸測量信號給防爆計算機存儲和顯示[8]。有線隨鉆測量系統(tǒng)工作時間不受限制、信號傳輸速度快、穩(wěn)定性好，但必須配套特制的通纜鉆桿。

2)無線隨鉆測量系統(tǒng)?，F(xiàn)有礦用無線隨鉆測量系統(tǒng)主要有泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)和電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)。泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)利用孔底探管測量鉆孔數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)編碼，以水壓脈沖的形式通過沖洗液傳輸至孔口，由孔口水壓傳感器將數(shù)據(jù)傳遞給防爆計算機解碼并顯示[9]；電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)由孔底探管測量鉆孔數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)以電磁波的形式通過鉆桿和煤系地層傳輸至孔口，由孔口接收電極傳遞給防爆計算機解碼和顯示[10]。無線隨鉆測量系統(tǒng)擺脫了對通纜鉆桿的依賴，適配鉆具類型更廣，但因均采用孔內(nèi)電池筒供電，一次使用時間有限，且信號傳輸速度慢于有線傳輸系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)外煤礦井下定向鉆進主要采用有線隨鉆測量系統(tǒng)，近年來無線隨鉆測量系統(tǒng)在國內(nèi)煤礦井下開始逐步推廣，并取得了良好的應用效果。幾款典型隨鉆測量系統(tǒng)及其性能參數(shù)見表3[11，12]。

表3 典型隨鉆測量系統(tǒng)及其主要性能參數(shù)

2 工程實踐

2.1 工程概況

保德煤礦是神東煤炭集團下屬的現(xiàn)代化大型礦井之一，屬高瓦斯礦井，目前主采8#煤層，煤厚約8m，含兩層夾矸，單層夾矸最大厚度約0.4m。保德煤礦規(guī)劃的二、三盤區(qū)工作面走向長度普遍超過3000m，煤層普氏硬度系數(shù)f≈0.72，原始瓦斯含量4.87～8.96m3/t。為了在工作面形成前預抽煤層瓦斯，保德煤礦積極尋求利用順煤層超長定向鉆孔解決超長工作面瓦斯問題[13]。

2.2 施工情況

針對保德煤礦二盤區(qū)規(guī)劃的81210和81209工作面瓦斯治理需要，結合保德煤礦現(xiàn)有鉆進裝備情況，經(jīng)鉆進裝備性能對比，優(yōu)選了ZDY12000LD定向鉆機、BLY460/13泥漿泵車、YHD2-1000(A)有線隨鉆測量系統(tǒng)和YHD3-1500泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)等關鍵裝備，配套Ф89mm中心通纜式鉆桿、Ф89mm螺桿馬達和Ф120mm定向鉆頭，完成了3個孔徑120mm、孔深超過2000m的順煤層超長定向鉆孔，其中2#鉆孔深度達到2570m，創(chuàng)造了煤礦井下順煤層定向鉆孔深度的新紀錄。鉆孔平面圖如圖1所示，鉆孔信息見表4。

圖1 鉆孔軌跡平面圖

2.3 應用效果分析

2.3.1 定向鉆機

ZDY12 000LD定向鉆機性能優(yōu)越、運行穩(wěn)定，在孔深超過2000m后，采用滑動定向鉆進時給進壓力接近鉆機額定給進力，而采用復合鉆進時給進壓力和回轉(zhuǎn)壓力分別低于額定壓力的25%和50%，說明鉆進系統(tǒng)壓力儲備富余，具備施工深度2500m順煤層超長定向鉆孔的鉆進能力。但隨著定向鉆孔深度繼續(xù)增加，孔內(nèi)摩阻效應持續(xù)增強，最終將超過鉆機所能提供的最大給進力而無法繼續(xù)實施滑動定向鉆進，如2#鉆孔鉆進至2274m后，滑動鉆進已無法有效進尺，雖通過復合鉆進可在一定范圍內(nèi)調(diào)控鉆孔軌跡繼續(xù)鉆進，但若軌跡偏離過大，則只能停止鉆進，這成為限制順煤層超長定向鉆孔深度的關鍵因素。

表4 順煤層超長定向鉆孔信息表

2.3.2 泥漿泵

泥漿泵輸出的高壓沖洗液是定向鉆進的重要動力來源。受中心通纜式鉆桿特殊結構和沖洗液管路損耗影響，開始鉆進時，控制泥漿泵流量300L/min，泵壓已達2.5～3MPa，并隨孔深增長按0.5MPa/hm呈線性增長；當孔深達到1700m時，泥漿泵壓接近額定壓力13MPa，為避免泥漿泵長時間高負荷運轉(zhuǎn)，人為降低流量至250～280L/min，泵壓維持在10～11MPa，能夠滿足深度2500m定向鉆孔對螺桿馬達啟動和正常運轉(zhuǎn)以及鉆孔排渣需要。但降低流量對螺桿馬達動力輸出和孔內(nèi)排渣有不利影響，這可能成為限制超長鉆孔深度的重要因素。

2.3.3 隨鉆測量系統(tǒng)

1#和1-1#鉆孔施工采用YHD2-1000(A)有線隨鉆測量系統(tǒng)完成，2#鉆孔施工中受通纜鉆桿影響，有線隨鉆測量系統(tǒng)無法穩(wěn)定傳輸測量信號，更換YHD3-1500泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)測量至2570m。1#和2#鉆孔采用YHD2-1000(A)有線隨鉆測量系統(tǒng)施工期間測量信號電壓隨孔深變化關系如圖2所示，由圖2可看出，1#和2#鉆孔測量信號電壓均隨鉆孔深度的遞增而遞減，且表現(xiàn)出明顯的線性分布規(guī)律。究其原因，YHD2-1000(A)有線隨鉆測量系統(tǒng)采用多根相互連接的通纜鉆桿進行信號傳輸，隨著鉆孔深度的延伸，傳輸線路中的阻抗逐漸增大，導致電壓信號傳輸強度逐漸衰減，各鉆桿連接點出現(xiàn)的不均勻、不連續(xù)的接觸也會導致信號傳輸強度損耗；其次，通纜鉆桿內(nèi)部結構零件磨損老化和密封性下降，相當于傳輸線路中產(chǎn)生若干個電阻源，造成電壓信號在傳輸過程中在局部連接點被分壓，也會導致測量信號電壓衰減[8]。

圖2 測量信號電壓與孔深變化關系

實踐表明：YHD2-1000(A)有線隨鉆測量系統(tǒng)信號傳輸速度快、測量數(shù)據(jù)精確，但隨著通纜鉆桿長度的增加和使用時間延長，信號傳輸強度逐漸衰減；YHD3-1500泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)信號傳輸穩(wěn)定，但隨著泥漿泵壓力逐漸接近額定值，測量信號傳輸強度和穩(wěn)定性逐漸下降。因此，隨鉆測量系統(tǒng)的信號傳輸強度也是超長孔定向鉆進值得高度關注的問題。

3 展 望

現(xiàn)階段，制約順煤層超長孔定向鉆進的最大因素是深孔段滑動鉆進時鉆壓的傳遞問題，其實質(zhì)是滑動鉆進給進力與孔內(nèi)摩阻力相抗衡的問題，解決這一問題應從增大傳遞至孔底的鉆進壓力、降低孔內(nèi)摩阻效應、減小鉆具拖壓等角度出發(fā)，從鉆進裝備方面考慮，近期可從以下三方面開展研究。

1)現(xiàn)有裝備升級改造?，F(xiàn)有煤礦井下定向鉆進裝備中，定向鉆機向鉆具施加的給進力是孔底鉆壓的主要來源，因此首先應研制能提供更大給進力的定向鉆機，增大孔口輸入端給進壓力；其次，應研制更大額定流量和額定壓力的泥漿泵，同時優(yōu)化沖洗液孔口管路并研發(fā)大通孔隨鉆測量鉆桿，增強泥漿泵輸出能力并降低沖洗液在流通過程中的能量損耗，以提高孔內(nèi)清潔效果，降低孔內(nèi)摩阻效應。

2)研制孔內(nèi)加壓減阻工具。針對深孔水平段滑動定向鉆進困難的問題，石油鉆井領域研究形成了水力加壓器、水力振蕩器和液動沖擊器等孔內(nèi)加壓減阻工具，并在實際應用過程中取得了良好效果，目前已有大規(guī)模商業(yè)應用的產(chǎn)品[14]。但限于石油鉆井中使用的相關工具直徑較大，無法直接應用于煤礦井下，因此急需研制適用于煤礦井下的配套孔內(nèi)工具，改善深孔鉆進時鉆壓傳遞效果。

3)研發(fā)新型鉆具扭擺系統(tǒng)。鉆具扭擺系統(tǒng)是石油鉆井領域近年來形成的一種新型鉆進系統(tǒng)，其基本原理是在鉆機頂驅(qū)上增設自動控制機構，在深孔段滑動鉆進時利用該機構控制孔口鉆具小幅度持續(xù)正反轉(zhuǎn)，并保證正反轉(zhuǎn)扭矩能傳遞至孔內(nèi)一定距離的拖壓段而不傳遞至孔底，從而使部分鉆具的靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒幽Σ亮σ詼p緩拖壓現(xiàn)象[15]。鉆具扭擺系統(tǒng)不需改變現(xiàn)有定向鉆具組合結構，且煤礦井下定向鉆機常用的液壓動力頭形式類似于石油鉆機的頂驅(qū)，因此將該系統(tǒng)引入煤礦井下具有較高的可移植性，對于減小鉆具拖壓和降低孔內(nèi)摩阻將起到顯著作用。

4 結 語

順煤層超長定向鉆孔可減少超長工作面瓦斯抽采鉆孔工程量、降低瓦斯治理周期和成本、提高瓦斯抽采效率和抽采量，是進行超長工作面瓦斯區(qū)域超前治理的有效技術手段。煤礦井下定向鉆進裝備是施工順煤層超長定向鉆孔的重要保障，隨著國內(nèi)外相關企業(yè)和科研單位在該領域的長期投入和持續(xù)研發(fā)，井下定向鉆進裝備型式、性能都有了很大進步，代表鉆進裝備優(yōu)越性的鉆孔深度記錄也不斷被刷新，但在工程應用和實踐中也遇到了新的問題，需要繼續(xù)加大資源投入和研發(fā)力度，突破技術裝備瓶頸，為煤礦企業(yè)安全高效生產(chǎn)提供有力支撐。