復(fù)雜頂板高位定向長鉆孔鉆完孔技術(shù)

景長寶 ，張寶第 ，褚志偉 ，孫文亮 ，王 飛

（1.陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 長武 731602；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

頂板高位定向鉆孔是進(jìn)行工作面采空區(qū)和上隅角瓦斯治理的有效技術(shù)手段，通過在回風(fēng)巷道內(nèi)開掘鉆場，在工作面回采之前，以大傾角上仰開孔鉆進(jìn)至煤層頂板；然后，以先進(jìn)的隨鉆測量技術(shù)為依托施工先導(dǎo)孔，利用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行造斜鉆進(jìn)，通過對(duì)實(shí)鉆鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量和精確控制，使鉆孔進(jìn)入工作面回采后的采空區(qū)“O”型圈內(nèi)裂隙帶并沿其延伸；先導(dǎo)孔完成后，下入擴(kuò)孔鉆具組合增大鉆孔直徑，提高與裂隙帶接觸面積[1-2]。由于其施工鉆孔深度大，且主要孔段均在“O”型圈裂隙帶內(nèi)延伸，鉆孔可長期穩(wěn)定存在，以工作面回采時(shí)采動(dòng)壓力形成的頂板裂隙作為通道，能夠有效抽采工作面煤壁釋放的瓦斯，從而實(shí)現(xiàn)了工作面采空區(qū)瓦斯區(qū)域抽采。

頂板高位定向鉆孔可以實(shí)現(xiàn)采動(dòng)區(qū)頂板瓦斯的穩(wěn)定高效抽采，有效降低工作面上隅角及回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)[3-5]。目前，已在晉城、陽泉、淮南、淮北和彬長等全國多個(gè)礦區(qū)推廣應(yīng)用，顯著提高了回采效率和煤炭產(chǎn)量，為高瓦斯礦井安全高效生產(chǎn)提供了有力保障，促進(jìn)了“以孔代巷”技術(shù)的發(fā)展[6-7]。

亭南煤礦煤層厚度大，雖然采前瓦斯預(yù)抽可使煤層達(dá)到開采條件，但是高強(qiáng)度開采會(huì)產(chǎn)生大量采動(dòng)卸壓瓦斯，易導(dǎo)致回風(fēng)巷和上隅角瓦斯超限。以往雖然開展過頂板高位定向鉆孔成孔試驗(yàn)，但受頂板巖層復(fù)雜破碎影響，鉆進(jìn)過程中塌孔卡鉆事故多發(fā)，鉆進(jìn)效率低，成孔質(zhì)量差[8-9]。因此，有必要針對(duì)亭南煤礦采動(dòng)卸壓瓦斯治理需要，開展復(fù)雜頂板高位鉆完孔技術(shù)的應(yīng)用研究，以解決亭南煤礦頂板高位定向鉆孔無法高效成孔的技術(shù)難題。

1 頂板高位定向鉆孔成孔技術(shù)難點(diǎn)

亭南煤礦煤層和頂板復(fù)雜破碎，施工頂板高位定向鉆孔主要面臨以下技術(shù)難點(diǎn)：

1）開孔段地層破碎。頂板高位定向鉆孔在煤層中開孔，以大角度向上依次穿過煤層、煤巖界面后進(jìn)入煤層頂板預(yù)定層位，由于亭南煤礦地層應(yīng)力高，煤層孔段和煤巖界面附近孔段均存在地層破碎塌孔嚴(yán)重的現(xiàn)象，鉆進(jìn)過程中極易發(fā)生塌孔卡鉆孔內(nèi)事故，嚴(yán)重影響著開孔段成孔安全性，以及定向孔段高效鉆進(jìn)[10]。塌孔卡鉆示意圖如圖1。

圖1 塌孔卡鉆示意圖Fig.1 Schematic diagram of collapse sticking

2）定向孔段泥巖縮頸。亭南煤礦煤層頂板巖性主要為泥巖和砂巖，且以泥巖為主，砂巖厚度在1 m 左右，雖然終孔層位布置在砂巖中，但在鉆孔爬升孔段和砂巖厚度變化孔段仍會(huì)鉆遇泥巖。泥巖孔段在沖洗液的沖刷作用下會(huì)發(fā)生縮頸現(xiàn)象，減小了鉆孔直徑，容易發(fā)生泥巖縮頸卡鉆孔內(nèi)事故，降低了鉆進(jìn)的安全性[11]。泥巖縮頸卡鉆示意圖如圖2。

圖2 泥巖縮頸卡鉆示意圖Fig.2 Schematic diagram of mudstone shrinkage and sticking

3）兩級(jí)擴(kuò)孔效率低。頂板高位鉆孔一般多采用擴(kuò)孔的方式增大鉆孔直徑，以提高采動(dòng)卸壓瓦斯的抽采效果。目前，主要使用兩級(jí)擴(kuò)孔方式，即完成?120 mm 先導(dǎo)孔施工之后，首先應(yīng)用?153 mm 擴(kuò)孔鉆具組合將先導(dǎo)孔擴(kuò)至?153 mm，之后采用?200 mm 擴(kuò)孔鉆具組合將鉆孔擴(kuò)至?200 mm。兩級(jí)擴(kuò)孔存在擴(kuò)孔效率低和施工周期長的問題，同時(shí)孔內(nèi)事故發(fā)生概率大幅升高。

4）瓦斯抽采通道易堵塞。頂板高位鉆孔完成施工后一般以裸眼方式完孔，在煤層頂板復(fù)雜破碎的情況下，瓦斯抽采周期內(nèi)抽采通道易堵塞，特別是在采動(dòng)影響下，進(jìn)一步加劇了抽采通道堵塞的程度，降低了頂板高位定向鉆孔利用效率。

2 復(fù)雜頂板高位定向鉆孔鉆完孔技術(shù)

2.1 技術(shù)方案

針對(duì)亭南煤礦頂板高位定向鉆孔成孔面臨的技術(shù)難題，提出了復(fù)雜頂板高位定向鉆孔鉆完孔技術(shù)。開孔段采用多級(jí)回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔工藝施工，下入大直徑套管護(hù)孔，下入深度超過煤巖界面復(fù)雜破碎地層，注漿固孔；定向孔段應(yīng)用復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)控制鉆孔沿著設(shè)計(jì)軌跡長距離延伸，采用異形鉆具組合復(fù)合排渣技術(shù)增強(qiáng)定向鉆進(jìn)排渣能力，鉆遇泥巖縮頸孔段憋泵嚴(yán)重?zé)o法正常鉆進(jìn)時(shí)，利用擴(kuò)孔方式增加鉆孔直徑，以減弱泥巖縮頸的影響；定向先導(dǎo)孔完成施工后，應(yīng)用雙級(jí)雙速擴(kuò)孔工藝實(shí)現(xiàn)鉆孔?120 mm 至?200 mm 的一次擴(kuò)孔成孔；擴(kuò)孔完成后下入鋼篩管完孔，保證瓦斯抽采通道的通暢[12]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）大直徑套管護(hù)孔工藝。開孔段煤層和煤巖界面地層破碎塌孔嚴(yán)重，如果在裸眼完孔情況下施工定向孔段會(huì)有塌孔卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，不利于后期成孔。因此，采用大直徑套管護(hù)孔工藝對(duì)開孔復(fù)雜破碎孔段實(shí)時(shí)有效護(hù)孔，即完成套管孔段多級(jí)回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔之后，下入?244.5 mm 鋼套管，下入深度超過煤巖界面[13]。鋼套管下入后注漿固孔，先從鉆孔與套管環(huán)狀間隙內(nèi)插入注漿管，然后使用攪拌好的水泥砂漿（將孔口處密封，待水泥砂漿凝固后形成水泥塞），封固孔口段；再打開注漿截止閥，從注漿管內(nèi)注入水泥漿，待水泥漿從套管內(nèi)流出后，停止注漿，關(guān)閉截止閥。候凝完成后安裝孔口裝置，連接瓦斯抽采負(fù)壓管路。

2）縮頸地層擴(kuò)孔技術(shù)。定向鉆孔孔口段施工鉆遇泥巖縮頸地層時(shí)，采用擴(kuò)孔方案將鉆孔孔徑擴(kuò)大。鉆孔擴(kuò)大后，泥巖再次縮頸時(shí)由于鉆孔孔徑已變大，預(yù)留了泥巖縮頸減小鉆孔孔徑的空間，顯著提高了沖洗液和鉆渣有效流通通道的直徑，避免了縮頸引起憋泵和鉆渣無法排出的問題?？s頸地層擴(kuò)孔技術(shù)原理圖如圖3。

圖3 縮頸地層擴(kuò)孔技術(shù)原理圖Fig.3 Schematic diagram of shrinkage formation and reaming

3）雙級(jí)雙速一次擴(kuò)孔技術(shù)。常規(guī)擴(kuò)孔工藝主要采用孔口鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)孔底擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行碎巖，其擴(kuò)孔動(dòng)力傳遞效率低、單次擴(kuò)孔直徑小。因此提出了雙級(jí)雙速一次擴(kuò)孔技術(shù)，在定向先導(dǎo)孔施工完成后，退出孔內(nèi)定向鉆具，下入雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆具組合；高壓沖洗液驅(qū)動(dòng)雙級(jí)雙速擴(kuò)孔工具轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)孔內(nèi)鉆桿柱帶動(dòng)雙級(jí)雙速擴(kuò)孔工具定子回轉(zhuǎn)，初級(jí)鉆頭在雙回轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下一級(jí)擴(kuò)孔，次級(jí)鉆頭在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下二級(jí)擴(kuò)孔，實(shí)現(xiàn)定向鉆孔的單次雙級(jí)大直徑增擴(kuò)。雙級(jí)雙速一次擴(kuò)孔技術(shù)原理圖如圖4。

圖4 雙級(jí)雙速一次擴(kuò)孔技術(shù)原理圖Fig.4 Schematic diagram of one-shot reaming

4）鋼篩管完孔技術(shù)。為了防止頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采周期內(nèi)抽采通道被堵塞，采用下鋼篩管方式完孔。同時(shí)，為提高篩管下入成功率，可采用鋼篩管導(dǎo)向頭進(jìn)行引導(dǎo)。鋼篩管連接方式為絲扣，通過鉆機(jī)動(dòng)力加接和向孔內(nèi)推送，下入效率高。鋼篩管完孔鉆具組合：?108 mm 導(dǎo)向頭+?89 mm 鋼篩管+ ···+?89 mm 鋼篩管。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

亭南煤礦位于彬長礦區(qū)中南部，井深400 m，屬于高瓦斯礦井，煤層平均厚度8.29 m，年核定生產(chǎn)能力450 萬t/a，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤或放頂煤。

現(xiàn)場應(yīng)用鉆場設(shè)置在3410 運(yùn)料道SK26 導(dǎo)點(diǎn)以南26.5 m 處，3410 工作面可采煤層為4#煤，工作面傾向長度120 m，設(shè)計(jì)回采長度為785 m。4#煤層平均厚度6.47 m，煤瓦斯含量為3.867～4.391 m3/t，頂板為泥巖和砂巖，以泥巖為主。

3.1 施工方案

1）鉆孔設(shè)計(jì)。應(yīng)用復(fù)雜頂板高位定向長鉆孔鉆完孔技術(shù)施工頂板高位定向鉆孔，設(shè)計(jì)單孔孔深500 m，孔徑?200 mm，目標(biāo)層位位于煤層頂板以上20 m 裂隙帶內(nèi)。鉆孔由套管孔段、穿層孔段和目標(biāo)孔段組成。

2）配套裝備。頂板高位鉆孔施工配套裝備主要包括ZDY20000LD 型大功率定向鉆機(jī)、BLY500型泥漿泵車、YHD3-3000 隨鉆測量裝置、?89 mm液動(dòng)螺桿鉆具、?95 mm 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔螺桿鉆具、?89 mm 整體式寬翼片螺旋鉆桿、?89 mm 高強(qiáng)度高韌性外平鉆桿、?120 mm 定向鉆頭、擴(kuò)孔鉆頭、?244.5 mm 鋼套管和?89mm 鋼篩管等。

3）施工流程。頂板高位定向鉆孔施工流程如圖5。首先，采用多級(jí)回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔工藝施工套管孔段，下入套管注漿固孔；候凝完成后，應(yīng)用定向鉆具組合施工?120 mm 先導(dǎo)孔，鉆具組合為?120 mm定向鉆頭+?89 mm 螺桿鉆具+?89 mm 螺旋無磁鉆桿（內(nèi)部安裝有泥漿脈沖隨鉆測量探管）+?89 mm寬翼片螺旋鉆桿 + ···+?89 mm 寬翼片螺旋鉆桿+普通水便；定向先導(dǎo)孔完成施工后，應(yīng)用雙級(jí)雙速擴(kuò)孔鉆具組合實(shí)現(xiàn)?200 mm 一次擴(kuò)孔成孔，擴(kuò)孔鉆具組合為?165/?120 mm 擴(kuò)孔鉆頭+?200 mm 擴(kuò)孔鉆頭+?95 mm 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔工具+?89 mm 高強(qiáng)度高韌性鉆桿 + ···+?89 mm 高強(qiáng)度高韌性鉆桿+普通水便；擴(kuò)孔完成后下入?89 mm 鋼篩管完孔。

圖5 頂板高位定向鉆孔施工流程圖Fig.5 Drilling flow chart of roof borehole

3.2 施工情況

在3410 工作面鉆場完成了2 個(gè)頂板高位定向鉆孔施工，鉆孔成孔深度分別為511、610 m，總進(jìn)尺1 121 m，孔徑?200 mm，全孔下入?89 mm護(hù)孔鋼篩管。1 號(hào)鉆孔軌跡剖面圖如圖6，2 號(hào)鉆孔軌跡剖面圖如圖7。

圖6 1 號(hào)鉆孔軌跡剖面圖Fig.6 Profile of No.1 borehole track

圖7 2 號(hào)鉆孔軌跡剖面圖Fig.7 Profile of No.2 borehole track

3.3 施工分析

1）1 號(hào)、2 號(hào)鉆孔套管孔段分別下入深度28、28.5 m 的?244.5 mm 鋼套管，有效防護(hù)了套管孔段破碎地層，后期定向鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中，套管孔段未發(fā)生嚴(yán)重塌孔，實(shí)現(xiàn)了安全施工。

2）1 號(hào)鉆孔定向鉆進(jìn)至367 m 時(shí)鉆遇泥巖地層，泥巖縮頸造成無法正常鉆進(jìn)，采用縮頸地層擴(kuò)孔技術(shù)將該孔段鉆孔直徑擴(kuò)大后，鉆進(jìn)參數(shù)恢復(fù)正常，最終順利施工至511 m。

3）應(yīng)用雙級(jí)雙速一次擴(kuò)孔工藝實(shí)現(xiàn)了?200 mm一次擴(kuò)孔成孔，單班擴(kuò)孔進(jìn)尺在60 m 以上，避免了兩級(jí)擴(kuò)孔提鉆作業(yè)，顯著提高了擴(kuò)孔效率。

4）應(yīng)用鋼篩管完孔技術(shù)在1 號(hào)鉆孔和2 號(hào)鉆孔全孔段下入了?89 mm 鋼篩管，達(dá)到了保持瓦斯抽采通道通暢的目標(biāo)。

4 結(jié) 語

1）應(yīng)用復(fù)雜頂板高位定向長鉆孔鉆完孔技術(shù)在亭南煤礦3410 工作面鉆場順利施工了2 個(gè)頂板高位定向鉆孔，成孔深度分別為511、610 m，孔徑?200 mm，全孔下入?89 mm 鋼篩管完孔，攻克了亭南煤礦頂板高位定向鉆孔成孔面臨的技術(shù)難題。

2）在套管孔段和泥巖縮頸孔段分別采用大直徑套管護(hù)孔和縮頸地層擴(kuò)孔技術(shù)，解決了套管孔段地層破碎塌孔和泥巖孔段縮頸憋泵問題，實(shí)現(xiàn)了鉆孔全周期安全鉆進(jìn)。

3）應(yīng)用雙級(jí)雙速一次擴(kuò)孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)了?200 mm 一次擴(kuò)孔成孔，避免了?120 mm 至?153 mm、?153 mm 至?200 mm 兩級(jí)擴(kuò)孔和提鉆作業(yè)，簡化了施工流程，顯著提高了擴(kuò)孔效率。