破碎松软煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术.pdf

782023 年第 8 期收稿日期 2023-01-17作者简介 温忠党（1987），男，山东滕州人，2010 年毕业于山东科技大学机械电子工程专业，本科，工程师，研究方向：煤炭开采。破碎松软煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术温忠党（枣庄矿业（集团）有限责任公司，山东 枣庄 277000）摘 要 为了改善破碎松软煤层钻孔排渣效果较差的问题，设计煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术。分析钻渣在不同煤层工况下的运移特性，结合破碎松软煤层特点，合理定向钻杆与定向钻机等关键设备的选型，设计高螺旋复合排渣定向钻进方案。实验结果表明，在破碎松软煤层中应用此钻进方案，返渣量在200 kg/m以上，排渣效果较好。关键词 碎软煤层；钻孔；排渣；定向钻进中图分类号 P634.5 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.026Directional Drilling Technology for High Spiral Composite Slag Discharge in Broken Soft Coal SeamsWen Zhongdang(Zaozhuang Mining Industry(Group)Co.,Ltd.,Shandong Zaozhuang 277000)Abstract:In order to improve the poor drilling holes slag discharge effect in broken soft coal seams,a high spiral composite slag discharge directional drilling technology is designed for coal seams.Analyze the transport characteristics of drilling slag under different coal seams working conditions,combined with the characteristics of broken soft coal seams,reasonably select key equipments such as directional drill rods and directional drills,and design a high spiral composite slag discharge directional drilling scheme.The experimental results show that the application of this drilling scheme in broken soft coal seams results in a slag return amount of over 200 kg/m and good slag discharge effect.Key words:broken soft coal seam;drilling hole;slag discharge;directional drilling温忠党：破碎松软煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术破碎松软煤层受强烈的构造挤压、岩体层间滑动等影响，采用定向钻进时，容易出现孔壁强度较弱、局部存在形变以及孔内聚集大量瓦斯等情况，进而造成成孔后结构不稳定、煤渣无法有效排出孔外等卡钻和埋钻事故。本文设计了一种适用于破碎松软煤层的高螺旋复合排渣定向钻进技术，旨在提高煤层排渣率，优化排渣效果。1 定向钻进钻渣运移特性分析破碎松软煤层具有易变形、透水性强以及抗侵蚀性弱等特点，在钻井施工中对钻井深度和钻井稳定性要求较高。然而，在破碎松软煤层定向钻进过程中，在有水和无水条件下，钻渣具有不同的运移特性1。因此，必须在充分分析钻渣输送特性的基础上，合理研究和设计除渣定向钻进技术。1.1 煤层出水时的钻渣运移特性当煤层中的含水量达到 60%以上时，则认为该煤层处于出水工况。此工况的煤层由于表面湿度大，表层水易被空气带走而形成雾状水滴，而钻渣与水滴结合后形成湿度较大的钻渣颗粒。当水量足够高，且钻渣湿度达到阈值时，钻渣颗粒之间由于水分的存在而出现“液桥”现象，导致钻渣结块，使得钻渣的聚集性增大2。钻渣的聚集性 C0主要取决于颗粒之间的相互作用力与自身重力，计算公式如下：C0=Fi/（mg ）（1）式中：C0表示钻渣颗粒的聚集性；Fi表示钻渣相互作用力；m 表示钻渣自身重量；g 为重力加速度。1.2 煤层未出水时钻渣运移特性当煤层中的水量极少或者不存在水分时，压力空气作为钻渣与煤层之间的介质，使得钻渣先悬浮792023 年第 8 期温忠党：破碎松软煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术后沉降，并通过“跃进”的方式沿着钻杆与钻头间的孔隙漂浮到钻孔周边，形成均匀流和阻塞流的运移方式，如图 1。（a）均匀流 （b）阻塞流图 1 煤层未出水时钻渣运移状态从图 1 可以看出，均匀流动模式下的钻渣处于均匀悬浮状态；在阻塞流中，钻渣基本上沉积在孔壁上，并间歇输送。根据图 1 和公式（1）可知，不同工况下煤层钻渣的运动主要受产水量的影响。因此，为了减小钻渣团聚对钻渣运动的阻力，在除渣钻进过程中，可采用增加孔口回风量和旋转扫气的方式，加强孔内除渣。2 破碎松软煤层排渣定向钻进方案设计2.1 装备研究与选型为提高钻进效率和排渣效果，对施工所需设备器械进行合理选型是重中之重。结合破碎松软煤层的特点，对施工中的定向钻杆与定向钻机进行比对与选型。2.1.1 定向钻杆为防止钻杆与配套设备在钻进过程中由于液体冲刷和钻进速度不可控等因素导致孔壁失稳，研究中的定向钻杆采用 98 mm 焊接螺旋钻杆。通过增大螺旋翼的垂直高度与展宽，以实现提高单位钻渣的排除体积，同时，其对孔壁的冲刷影响较小，可有效提升排渣能力3。98 mm 螺旋钻杆结构示意图如图 2。图 2 98 mm 螺旋钻杆截面图98 mm 焊接螺旋钻杆的外径为 63 mm，内径为 45 mm，环孔间隙的孔径为 140 mm，能够双向排渣；壁厚 5.6 mm，内通孔与排渣槽之间的距离为3.2 cm。如图 2 所示，钻杆整体铣削在强度与抗压度极强的厚孔管中，孔管沿排渣槽以等间隔布设，对钻杆起到二次加固作用，保证了钻杆煤尘的清除能力。在钻进过程中，钻杆的螺旋翼通过高速旋转来扰动聚集在钻孔中的煤渣与碎屑，将其运移到孔外。2.1.2 定向钻机考虑到破碎松软煤层的特殊性，选用能够360旋转的ZDY4000LD定向钻机。该钻机采用“T”型前悬体、底部磁性转盘可随意调节角度的窄体结构，使用简便、便于输运，且开孔角度与钻进速度可根据实际施工需求进行设置，有效解决传统定向钻机需要开发特殊钻井场地的问题。钻机性能参数见表 1。表 1 定向钻机性能参数项目配套钻杆直径/mm额定转矩/（Nm）额定转速/（r/min）主轴倾角/（）开孔高度/m额定给进/起拔力/kN给进起拔行程/mm电机功率/kW最大行走速度/（km/h）最大爬坡能力/（）钻机质量/kg钻机外形尺寸/mm数值73400090045190+90-90 0.781.4880/120950751.2189400449011002000定向钻机是煤层钻进施工的最重要设备，主要为钻孔提供足够的钻进、扰动、旋转动力，也可对孔内体积较小的钻具进行夹紧与松动处理，克服直杆钻机的反扭矩影响4。2.2 钻进方案确定考虑到煤层出水量对钻进有一定的阻力，为了减少钻渣在孔底的沉积，提高钻渣的输送能力，采用高螺旋复合除渣定向钻进技术，如图 3。高螺旋复合除渣定向钻进工艺的施工流程为：当钻机进入到煤层的浅孔区时，由于煤层处于未出水状态，钻渣运移时所受阻力较小，故仅采用螺旋机械排渣即可满足施工要求；随着钻孔深度的增加，逐渐钻进煤层出水区域时，钻渣运移阻力不断增大，为提高排渣能力，采用螺旋机械为主、水力辅助的复合排渣方式排出含水钻渣5。图 3 高螺旋复合排渣定向钻进工艺此外，为了解决成孔问题、提高钻具效率，在802023 年第 8 期确定不同工况下钻渣的运移特征后，选择定向钻施工所需的设备和机械，最大限度地提高除渣能力。3 现场应用3.1 工程概况枣庄矿业（集团）付村煤业有限公司煤层 15号与 18 号联络巷之间存在面积较大的破碎松软煤层，强度低、发育状态差，利用有线钻进技术进行了定向钻进试验，均未能成功成孔，排渣效果没有达到预期要求，研究决定采用高螺旋复合排渣定向钻进技术。3.2 试验钻孔设计现场进行了 4 个钻孔试验，编号为 1#4#，用到的钻具包括 YSDC 矿用电磁波无线 MWD 系统、73 mm 空气螺杆电机、大型通孔鼓风机、98 mm 整体螺旋钻、98 mm 三角螺旋钻和 98 mm焊接螺旋钻，73 mm 大直径三角螺旋钻杆、73 mm 非磁性钻杆、73 mm 定向钻头等。数据见表2 和图 4。表 2 钻孔实钻数据钻具孔号累计进尺/m施工班次/班施工效率/（m/班）岩性98 mm整体螺旋钻杆18744021.6煤98 mm三棱螺旋钻杆25683223.5煤98 mm焊接螺旋钻杆35722428.4煤98 mm整体螺旋钻杆411254132.4煤图 4 煤层实钻平面3 号钻孔设计轨迹剖面如图 5。图 5 3#钻孔设计轨迹剖面3.3 试验结果分析基于以上钻进装备与钻进方案，在试验场地共完成了 4 个定向钻孔，累计进尺 2356 m。钻孔的最小垂直深度为 12.52 m，落差超过 13 m，钻孔轨迹在煤层中延伸。为了测试定向钻进技术的除渣效果，根据项目相关设计指标的要求，以每进尺返渣 200 kg/m 的理论值作为项目的控制标准，计算了煤层每进尺返渣量，并对其施工应用效果进行了评价。返渣量随钻进时间的变化曲线如图 6。图 6 返渣量随钻进时间变化曲线分析图 6 可知，施工期间煤层的单位进尺返渣量均在 200 kg/m 以上，其中第 8 天达到最大返渣量350 kg/m，是理论值的 1.75 倍，设计的定向钻进技术取得良好排渣效果。4 结语针对在破碎松软煤层中钻孔排渣效果较差的问题，根据钻渣运移特性，开发高螺旋复合排渣定向钻进技术，现场应用试验证明了设计钻进方案的可行性，排渣效果达到预期要求。未来应继续改进钻具结构，进一步提高煤层排渣量。【参考文献】1 张宏杰，张杰，杨帅，等.碎软煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术试验研究 J.煤炭工程，2022，54（10）：62-67.2 褚志伟，龙威成，贾秉义，等.煤层底板孔多分支点取样钻进技术及应用研究 J.煤田地质与勘探，2022，50（05）：153-158.3 董小明，褚志伟，张垒，等.顺煤层随钻测量定向钻进技术在金泰煤矿的应用研究J.煤炭技术，2022，41（01）：92-96.4 李泉新，褚志伟，许超，等.煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术 J.煤矿安全，2021，52（07）：116-120.5 孔庆军，褚志伟.碎软煤层气动定向钻进技术在青龙煤矿的应用J.工矿自动化，2020，46（10）：14-18+37.