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长钻孔定向钻进工艺技术试验研究
摘  要: 本文经过对“沿煤层长钻孔定向钻进工艺技术”现场工业性试验研究分析, 具体介绍了该技术施工设备和技术方法, 对该技术在中国对应地质条件下推广应用提供了可靠依据。
1 概述
瓦斯抽放是预防瓦斯灾难有效手段, 多年来, 伴随中国煤炭综采技术推广和应用, 对瓦斯抽放量和抽放效率提出了更高要求。在煤炭开采过程中, 通常采取专用巷道和底板穿层密集钻孔相结合综合瓦斯抽放技术, 虽能够增加瓦斯抽放量, 提升瓦斯抽放效率。不过其钻掘工作量大、 工作面准备时间长、 采掘成本高, 不能适应高产高效综采技术要求。
为了处理这些问题, 在晋城寺河矿进行“沿煤层长钻孔定向钻进工艺技术”开发研究, 取得了突破性进展。基础掌握了在高瓦斯矿区进行煤层长钻孔定向钻进工艺方法, 这不仅为晋煤集团寺河矿处理了煤层长钻孔施工设备选型及成孔工艺方法问题, 而且为在中国类似地质条件下推广应用煤层长钻孔钻进工艺提供了可靠依据。
2 煤层地质条件
寺河矿关键可采3#煤层, 位于二叠系下统山西组下部, 煤层平均厚度6.5米, 煤质为层状、 坚硬、 性脆, 可钻性4~6级, 煤层下部内生裂隙发育, 瓦斯含量较大。煤层上下底板均为深灰色泥岩和细粒砂岩, 细粒砂岩可钻性7~8级。
3 设备和机具
3.1 钻探设备
试验采取煤炭总院西安钻探研究所研制生产MK-6型全液压坑道钻机和衡阳探矿机械厂生产BW-320型泥浆泵。
3.2 关键钻具:
钻头选择三种钻头: Φ94mm内凹金刚石复合片钻头、 Φ94mm支柱型球面金刚石复合片钻头和Φ94mm三翼刮刀式金刚石复合片钻头。
钻杆在试验中采取了两种: Φ73mm外平高强钻杆和钻孔测斜时放置测量仪器无磁钻杆。
稳定器: 试验中采取了加工简单、 使用效果理想Φ94±0.2mm直槽型稳定器。
3.3 测斜仪
试验选择成都探矿工艺研究所研制CQ—1A型磁球式单点测斜仪。
4 钻进工艺
4.1 钻孔定位
钻孔定位是钻探施工中非常关键一步。在进行钻孔结构设计、 钻孔定位之前, 必需全方面系统掌握煤层地质资料, 了解煤层走向和倾角, 结合钻孔设计参数, 正确合理选择开孔方位角和倾角, 并尽可能选择煤层较稳定地段施工沿煤层长钻孔。
4.2 钻进工艺参数
钻进工艺参数关键是指钻压、 转速和冲洗液量, 三者在一定条件下相互影响。
⑴ 在不考虑其它影响原因及转速不变情况下, 加大钻压会使水平孔偏斜趋势加强, 尤其是在钻孔已出现显著弯曲情况下, 大钻压对近水平孔影响不仅表现在倾角改变上, 而且也表现在方位角改变上;
⑵ 钻压对钻孔方向影响程度与钻杆抗弯强度有着亲密关系, 在相同钻压作用下, 因为钻杆抗弯强度与直径相关, 所以小直径钻杆弯曲强度要大于粗径钻杆;
⑶ 在钻压作用之下, 孔内前20m钻杆置放状态以及钻杆接头强度对钻孔方向也有着关键影响;
⑷ 冲洗液量大小影响钻孔轨迹, 泵量小时孔内煤岩粉不易被冲出孔外, 在钻孔下方形成堆积, 钻杆在堆积物支撑作用下, 迫使钻头切削钻孔上侧, 所以使钻孔轨迹上斜。
⑸ 不管是在均质地层还是在非均质地层内, 钻头转速高低均对钻孔轨迹产生一定影响。在采取低转速进行近水平钻进时, 因为重力作用, 钻头总是处于钻孔下侧孔壁, 使下侧孔壁岩石切削时间多于上侧孔壁, 这么就使钻孔轨迹向下偏斜。若采取高转速进行钻进, 因为高转速所产生离心效应比较大, 所以对于钻孔可起到一定稳向作用。
⑹ 要有效控制钻孔轨迹, 在合理使用稳定组合钻具同时, 必需注意调整钻进工艺参数, 这么才能达成理想钻进效果。
孔 段(m )
钻具组合
地层
转速(rpm)
压力（MPa）
冲洗液量
P给
P系
P回
泵压（MPa）
泵量（L/min）
0~100
保直组合钻具
煤层
90~120
 2.0
2.5
0.3
0
118
100~280
保直组合钻具
煤层
90~120
2.5
2.5
0.3
1.0
118
280~350
下斜组合钻具
煤层
120~160
3.0
3.0
0.4
2.0
230
350~500
下斜组合钻具
煤层
120~160
3.5
3.5
0.4
2.5
230
1# 钻孔操作规程参数表
4.3 钻孔轨迹控制
为了使钻孔尽可能多在煤层中延伸, 采取稳定组合钻具作为控制钻孔方向钻具。稳定组合钻具关键有: 上仰下斜保直三种组合形式, 经过调整稳定器数量及安放位置来实现钻具组合效果。经过试验证实其控制效果是行之有效, 并能降低塌孔和夹钻等孔内事故发生。在钻进过程中, 应随时依据孔口排渣及压力仪表判定孔内情况, 发觉异常立刻处理。除此之外, 钻孔方向控制还从以下方面进行:
⑴系统掌握煤层地质资料, 结合钻孔设计参数、 煤层走向和倾角, 正确合理选择开孔方位角和倾角, 并尽可能选择煤层较稳定地段施工顺煤层长钻孔。
⑵开孔前, 将钻机摆放平稳, 固定好, 并校验开孔参数无误后方可开钻。
⑶采取钻孔跟踪设计方法, 即依据前一个钻孔施工情况, 选择确定下一个钻孔开孔参数。
⑷在钻进过程中, 严格根据钻机操作规程及工艺规程参数进行, 假如钻机因多种原因产生挪位, 应立刻重新稳固钻机。
4.4 钻孔测斜
钻孔轨迹测量是受控定向钻进技术关键之一。在近水平孔钻进过程中, 为了使钻孔尽可能根据预定方向延伸, 应定时对钻孔进行测斜, 并依据测量结果立刻调整钻具组合方法和钻进工艺参数。
孔号
方位角(°)
倾角(°)
孔径(mm）
孔深m)
备 注
开孔
280m
350m
开孔
280m
350m
1
170
180

1.5
1.0
-1.0
94
509.03
测点位于钻孔280m和350m处
1#钻孔参数一览表
5 孔内事故预防及方法
通常深孔钻进, 尤其是在瓦斯富集煤层中钻进, 易发生塌孔、 埋钻、 卡钻、 喷孔等事故, 同时诱发断钻杆事故。在钻进过程中,对于多种孔内事故应以预防为主。
⑴钻杆折断。在钻进过程中假如发生钻杆折断事故, 可采取公锥进行打捞。
⑵卡钻事故。因为煤层松散、 瓦斯富集极易造成卡埋钻事故。发生这类事故时, 首先看孔口是否返水及钻杆能否活动。假如孔口返水正常, 钻杆也能够活动, 可先用水冲孔, 然后利用钻杆和钻具上反切削合金切削钻具后煤（岩）块, 边回转边提钻。假如孔口不返水, 或返水很小, 钻杆卡死, 不能回转时, 可先用钻机强力起拔使钻具松动, 再合适调大钻机泵量, 增加钻机扭矩, 利用钻杆和钻具上反切削合金切削钻具后煤（岩）块, 边回转边提钻。
⑶掉钻事故。发生掉钻时先可试着对接, 假如对接不上可改用丝锥打捞, 方法和断钻杆事故处理方法相同。
⑷喷孔。对于高瓦斯矿区, 喷孔现象时有发生。当喷孔不严重或喷孔断较浅时, 采取“高转速、 低钻压”工艺方法。这么可经过钻具在孔内高速转动, 确保孔内排渣通畅 并释放喷出瓦斯, 降低孔内瓦斯压力。当发生严重喷孔时, 可采取“平行孔交替法”施工, 直至其中一个钻孔达成设计孔深为止。
6 结论
对于高产高效高瓦斯工作面, 依据具体开采技术条件, 采取沿煤层长钻孔进行瓦斯抽放相对于采取专用巷道和密集短钻孔抽放瓦斯, 可降低钻探工作量、 缩短工作面准备时间、 降低成本、 提升瓦斯抽放量和抽放效率, 含有巨大经济优势和推广应用前景, 为瓦斯灾难治理提供了新技术路径。
参考文件:
[1] 韩广德主编.中国煤炭工业钻探工程学[M].北京:煤炭工业出版社..
[2] 孙荣军等编.煤层长钻孔定向钻进工艺技术开发研究汇报.西安:煤炭科学研究总院西安分院..