松軟煤層定向長鉆孔施工工藝

侯文光　史春生　李達(dá)　馬志強(qiáng)　秦金輝　張盼　李恒忠

摘 要：松軟低透氣性煤層的瓦斯抽采技術(shù)關(guān)鍵在于長鉆孔施工，而影響長鉆孔施工進(jìn)行瓦斯抽采效果的主要因素是煤層透氣性和長鉆孔施工的鉆孔狀況，煤層透氣性和鉆孔狀況又受煤層深度和松軟程度及褶皺分叉等復(fù)雜惡劣地質(zhì)條件所影響。近些年很多企業(yè)及科研院所對(duì)松軟低透氣性煤層長鉆孔施工中的成孔工藝已積累了不少經(jīng)驗(yàn)，筆者結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)工藝和鉆桿鉆頭結(jié)構(gòu)提出了采用千米定向鉆機(jī)運(yùn)用“一卸二鉆三排”的成孔工藝進(jìn)行長鉆孔施工的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：松軟煤層;定向長鉆孔;一卸二鉆三排

引言

隨著我國開采工業(yè)的不斷發(fā)展，很多煤礦都面臨地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層松軟，瓦斯含量高等問題，而如何解決這些問題成為保障煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

目前，很多煤炭企業(yè)和相關(guān)科研院所都在不遺余力的進(jìn)行著瓦斯治理技術(shù)的研究，其中公認(rèn)最為有效的瓦斯治理方式就是采用定向長鉆孔施工進(jìn)行區(qū)域瓦斯的抽采。而影響定向長鉆孔施工進(jìn)行瓦斯抽采效果的主要因素是煤層透氣性和定向長鉆孔施工的鉆孔狀況，煤層透氣性和鉆孔狀況又受煤層深度和松軟程度及褶皺分叉等復(fù)雜惡劣地質(zhì)條件所影響。因此，定向長鉆孔施工工藝成為松軟煤層的瓦斯抽采治理的關(guān)鍵技術(shù)。

針對(duì)在松軟煤層中普通鉆進(jìn)設(shè)備成孔長度短、鉆進(jìn)方向不易控制，鉆進(jìn)軌跡混亂、瓦斯預(yù)抽期短，工程量大等局限性，為了確保礦井抽掘采合理銜接，提高松軟煤層的瓦斯抽采治理效率，應(yīng)采用千米定向長鉆孔配套鉆進(jìn)設(shè)備。

1.定向長鉆孔成孔技術(shù)流程

2.鉆頭的改進(jìn)

目前被大量使用的普通PDC復(fù)合片鉆頭，在松軟低透氣性煤層中施工定向鉆孔時(shí)存在工作面欠穩(wěn)定、方位易漂移等問題，使得鉆進(jìn)成孔長度短、鉆孔方向無法控制、軌跡混亂，嚴(yán)重影響抽放效果。

普通PDC鉆頭前面為三個(gè)出水口，這種鉆頭出水量大，在水壓一定的情況下，對(duì)孔壁的沖刷強(qiáng)度大，經(jīng)常造成鉆孔內(nèi)排渣量過大，出現(xiàn)卡鉆事故，影響鉆孔施工效率。

為了減小水壓對(duì)孔壁的沖刷影響，我們?cè)诂F(xiàn)有鉆頭的基礎(chǔ)上，將三個(gè)出水孔改進(jìn)為單孔出水，即鉆頭頂端設(shè)置有一個(gè)噴水出口，在噴水出口四周分層設(shè)置七個(gè)切割齒.

實(shí)踐證明奇數(shù)的刀翼更適合于定向鉆進(jìn)，這樣有利于橫向削割地層，更利于增斜和造斜;另一個(gè)方面由三個(gè)噴水出口改為一個(gè)噴水出口，適當(dāng)?shù)臏p少了水壓對(duì)孔壁的沖刷，避免造成排渣量大形成卡鉆，同時(shí)保證適量的排渣效果。

3.“一卸二鉆三排”成孔技術(shù)

3.1“一卸”-卸壓成孔

施工區(qū)域瓦斯壓力較大、煤質(zhì)松軟，長鉆孔難成孔，需要先在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)鉆進(jìn)較短分支鉆孔，對(duì)煤體內(nèi)瓦斯壓力進(jìn)行卸壓，然后再施工分支進(jìn)行長鉆孔鉆進(jìn)。

涉及的鉆進(jìn)技術(shù)有頂、底板“梳狀”穿層鉆進(jìn)技術(shù)和本煤層“樹狀”鉆進(jìn)技術(shù);頂、底板“梳狀”穿層鉆進(jìn)技術(shù)即在目標(biāo)煤層上（下）較穩(wěn)定的巖層中鉆進(jìn)水平長鉆孔，在鉆進(jìn)的過程中每間隔一定距離向煤層開分支，以釋放煤層中的瓦斯壓力，為下一步在煤層中施工定向長鉆孔創(chuàng)造有利條件。

本煤層“樹狀”鉆進(jìn)技術(shù)即根據(jù)目標(biāo)煤層產(chǎn)狀沿層鉆進(jìn)長鉆孔，在鉆進(jìn)的過程中每間隔一定距離向各個(gè)方向開分支，以增加單個(gè)鉆孔與煤體的接觸面積，提高抽采效率。如圖1所示。

3.2“二鉆”-雙驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)配合注漿再鉆進(jìn)

雙驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)采用孔底馬達(dá)與鉆桿旋轉(zhuǎn)雙驅(qū)動(dòng)，這樣鉆頭扭矩更大，轉(zhuǎn)速更快，可快速穿過松軟破碎煤層區(qū)域，另外，鉆桿旋轉(zhuǎn)也有利于鉆內(nèi)煤渣返出。

注漿再鉆進(jìn)即在松軟煤層施工過程中出現(xiàn)嚴(yán)重塌孔，形成危害型“鉆穴”，無法鉆進(jìn)時(shí)，利用獨(dú)特的孔內(nèi)注漿彎頭裝置，進(jìn)行噴射注漿，把塌孔區(qū)段進(jìn)行加固處理，然后再進(jìn)行鉆進(jìn)，可成功穿過塌孔區(qū)域。

3.3“三排”-綜合排渣

現(xiàn)有定向鉆機(jī)大都采用水力排渣，在遇到“鉆穴”時(shí)，這種流體排渣就會(huì)失效。通過不斷試驗(yàn)改進(jìn)排渣方式，我們采用了綜合排渣的技術(shù)，即采用水力排渣、風(fēng)力排渣和機(jī)械排渣相結(jié)合的方式，根據(jù)不同的煤層和孔內(nèi)情況，采用對(duì)應(yīng)的排渣方式，減小普通“鉆穴”對(duì)施工的威脅，大大提高了在松軟煤層中的成孔率。

4.其他問題的研究

4.1開孔傾角的選擇

開孔傾角的選擇直接關(guān)系到鉆孔前100米的成孔率;傾角選定太小不利于鉆孔的排渣，有聚集抱鉆的風(fēng)險(xiǎn);傾角選定太大不利于設(shè)備操作，甚至可能對(duì)設(shè)備造成損壞。

4.2低壓低速給進(jìn)

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的煤層，調(diào)整鉆進(jìn)施工標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，把鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)壓力、驅(qū)動(dòng)壓力等參數(shù)科學(xué)優(yōu)化，在施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行施工標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的返渣情況，采用不同的鉆機(jī)速度、鉆進(jìn)時(shí)流體的壓力和洗孔時(shí)間、次數(shù)，以降低煤屑粒度，從而高效、快速的達(dá)至鉆孔設(shè)計(jì)深度。

4.3關(guān)于鉆井沖洗液

進(jìn)口沖洗液并不能完全適用于我省的復(fù)雜煤層，并且也對(duì)成孔后鉆孔抽采效果有一定的影響。我們針對(duì)性的對(duì)試驗(yàn)區(qū)域松軟煤層性能進(jìn)行了分析，在工藝中重點(diǎn)從乳化劑和穩(wěn)定劑方面對(duì)油包水反相微乳液型鉆井液基本配方進(jìn)行優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，研制適合于我省松軟低透氣性煤層中應(yīng)用的高效油包水反相微乳液型鉆井沖洗液。

油包水反相微乳液型沖洗液體系密度低、對(duì)儲(chǔ)層傷害小，能防止井漏事故的發(fā)生，并提高機(jī)械鉆速;體系抗溫能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，流動(dòng)性好，維持井壁穩(wěn)定性較好;性能易控制、監(jiān)測(cè)和調(diào)整;潤滑效果好等優(yōu)點(diǎn)。

5.結(jié)論

筆者通過對(duì)松軟煤層定向長鉆孔施工工藝的研究，總結(jié)創(chuàng)新出了“一卸二鉆三排”的成孔技術(shù)，對(duì)配套鉆具和鉆井沖洗液進(jìn)行了升級(jí)，保證了千米定向長鉆孔設(shè)備的定向鉆進(jìn)和鉆孔長度優(yōu)勢(shì)，有效防治鉆進(jìn)過程中塌孔，使得千米定向鉆孔的成孔率大幅提升至大于80%，鉆孔的主孔長度延長到不低于450m，分支數(shù)目增加到不低于15個(gè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 俞啟香.中國礦業(yè)大學(xué).《松軟突出煤層及定向長鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)與裝備》

[2] 吳兵.李旭.商榮亞等.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院《松軟煤層千米鉆機(jī)成孔技術(shù)研究》.煤炭技術(shù)

[3] 徐寧.何宇雄.葉川.潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司.《千米鉆機(jī)在松軟煤層中的應(yīng)用與研究》。煤炭技術(shù).