2311m顺煤层超长定向钻孔高效钻进技术

　第４６卷第４期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰４　　２０１８年４月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｐｒ􀆰２０１８　２３１１ｍ顺煤层超长定向钻孔高效钻进技术李泉新１ꎬ石智军１ꎬ许　超１ꎬ陈殿赋２(１􀆰中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安　７１００７７ꎻ２􀆰神华神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿ꎬ山西保德　０３６６００)摘　要:针对保德煤矿超长工作面瓦斯区域治理需要ꎬ提出采用国产大功率定向钻进技术与装备进行顺煤层超长定向钻孔施工ꎮ根据工作面布置情况及钻遇煤层地质特征ꎬ优化钻孔设计、优选钻进装备ꎬ利用复合定向钻进技术减小孔内摩阻ꎬ实现深孔钻进钻压的传递ꎻ利用煤层钻孔递进式延伸技术和钻孔轨迹控制技术提高煤层钻遇率ꎬ实现深孔精准钻进ꎮ结合保德煤矿生产需要施工完成了主孔深度２３１１ｍ、孔径ø１２０ｍｍ的顺煤层超长定向钻孔ꎮ钻进结果表明:钻进装备稳定可靠ꎬ钻进工艺技术先进ꎬ钻孔日平均进尺达到２００ｍ以上ꎬ孔深２０００ｍ以上单班进尺达到９０ｍꎮ研究可为顺煤层超长定向钻孔施工和超长工作面区域瓦斯治理提供重要借鉴ꎮ关键词:钻进技术ꎻ钻进装备ꎻ定向钻孔ꎻ钻进效率ꎻ超长钻孔中图分类号:ＴＤ４１ꎻＰ６３４　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０４－００２７－０６Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆ２３１１ｍｕｌｔｒａ－ｌｏｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅａｌｏｎｇｃｏａｌｓｅａｍＬＩＱｕａｎｘｉｎ１ꎬＳＨＩＺｈｉｊｕｎ１ꎬＸＵＣｈａｏ１ꎬＣＨＥＮＤｉａｎｆｕ２(１􀆰ＣＣＴＥＧＸｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａꎻ２􀆰ＢａｏｄｅＣｏａｌＭｉｎｅꎬＳｈｅｎｈｕａＳｈｅｎｄｏｎｇＣｏａｌＧｒｏｕｐＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢａｏｄｅ　０３６６００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｎｅｅｄｆｏｒｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｈｅｕｌｔｒａ－ｌｏｎｇｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎＢａｏｄｅＣｏａｌＭｉｎｅꎬｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｏｕｓｅｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｕｌｔｒａ－ｌｏｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｎｄｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌｓｅａｍꎬｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ.Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｃｏｍｐｏｕｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｂｏｒｅｈｏｌｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｅｓ￣ｓｕｒｅｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｄｅｅｐｂｏｒｅｈｏｌｅｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｘｔｅｎｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｏａｌｓｅａｍａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｃｏｎｔｒｏｌꎬｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｒａｔｅｏｆｃｏａｌｓｅａｍｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｎｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｄｅｅｐｂｏｒｅｈｏｌｅｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ.Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｐｒｏ￣ｄｕｃｔｉｏｎｎｅｅｄｏｆＢａｏｄｅＣｏａｌＭｉｎｅꎬａｎｕｌｔｒａ－ｌｏｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅａｌｏｎｇｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｗｉｔｈｄｅｐｔｈｏｆ２３１１ｍａｎｄｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ１２０ｍｍｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ.Ｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅꎬｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｄｖａｎｃｅｄꎬｔｈｅａｖｅｒａｇｅｄａｉｌｙｄｒｉｌｌｉｎｇｆｏｏｔａｇｅｉｓｕｐｔｏｍｏｒｅｔｈａｎ２００ｍꎬａｎｄｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｆｏｏｔａｇｅｗｉｔｈｉｎｓｉｎｇｌｅｓｈｉｆｔｒｅａｃｈｅｄ９０ｍｆｏｒｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｗｉｔｈｄｅｐｔｈｍｏｒｅｔｈａｎ２０００ｍ.Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｎｂｏｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａ－ｌｏｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅａｌｏｎｇｃｏａｌｓｅａｍａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｇａｓｉｎｔｈｅｕｌｔｒａ－ｌｏｎｇｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｄｒｉｌｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎻｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇꎻｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎻｕｌｔｒａ－ｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅ收稿日期:２０１８－０１－０３ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０４􀆰００５基金项目:国家科技重大专项资助项目(２０１１ＺＸ０５０６１)作者简介:李泉新(１９８０—)ꎬ男ꎬ黑龙江齐齐哈尔人ꎬ副研究员ꎬ博士研究生ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:李泉新ꎬ石智军ꎬ许　超ꎬ等􀆰２３１１ｍ顺煤层超长定向钻孔高效钻进技术[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(４):２７－３２􀆰ＬＩＱｕａｎｘｉｎꎬＳＨＩＺｈｉｊｕｎꎬＸＵＣｈａｏꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆ２３１１ｍｕｌｔｒａ－ｌｏｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅａｌｏｎｇｃｏａｌｓｅａｍ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(４):２７－３２􀆰０　引　　言煤矿井下顺煤层定向钻孔具有轨迹精确可控、钻进深度大、瓦斯抽采效率高等优点ꎬ已成为国内外煤矿区中硬煤层瓦斯高效抽采的主要手段[１－５]ꎮ２００３年ꎬ国内多家煤矿企业陆续引进澳大利亚ＶＬＤ１０００定向钻进装备ꎬ并成功应用于中硬煤层顺层瓦斯抽采定向钻孔施工ꎬ瓦斯抽采定向钻孔深度７２２０１８年第４期煤炭科学技术第４６卷最大达到１００２ｍꎬ钻孔终孔孔径ø９４ｍｍ[６－７]ꎬ初步实现了井下瓦斯区域抽采ꎮ２００７年ꎬ我国首台套具有自主知识产权的定向钻进装备问世ꎬ“十一五”期间ꎬ国产定向钻进技术与装备得到不断改进、完善ꎬ最大钻孔深度达到１２００ｍ以上ꎬ钻孔终孔孔径ø９８ｍｍ[８]ꎮ“十二五”期间ꎬ为了实现顺煤层瓦斯抽采定向钻孔孔深１５００ｍ以上高效钻进ꎬ满足煤矿区井上、井下区域联合立体化瓦斯抽采的需要ꎬ解决国内大型矿井超长工作面瓦斯区域治理难题ꎬ开展了中硬煤层大功率定向钻进技术与装备研究ꎬ首次将复合定向钻进技术应用于煤矿井下近水平钻孔施工ꎬ并于２０１４年在晋煤集团寺河煤矿施工完成孔深１８８１ｍ、终孔孔径ø１２０ｍｍ的顺煤层定向钻孔[８－９]ꎮ２０１７年ꎬ为了进一步提高煤矿井下顺煤层定向钻孔深度ꎬ验证井下顺煤层近水平钻孔复合定向钻进的技术优势ꎬ在神华神东煤炭集团保德煤矿二盘区８１２１０工作面成功施工完成了２个２０００ｍ以上的顺煤层超长定向钻孔ꎬ其中最大钻孔深度达到２３１１ｍ、终孔孔径ø１２０ｍｍꎬ打破了由澳大利亚Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ煤矿保持的顺煤层定向钻孔最大孔深２１５１ｍ、终孔孔径ø９９ｍｍ的世界纪录[１０]ꎬ这也彰显了我国煤矿井下定向钻进技术与装备的先进性与优越性ꎬ研究成果对于探索煤矿井下超长工作面瓦斯治理新模式具有重要意义ꎮ１　钻进装备为实现２０００ｍ以上超长定向钻孔钻进作业ꎬ配套的关键装备包括:ＺＤＹ１２０００ＬＤ大功率定向钻机、ＢＬＹ３９０泥浆泵以及ＹＨＤ２－１０００(Ａ)随钻测量系统ꎮ１.１　ＺＤＹ１２０００ＬＤ型大功率深孔定向钻机ＺＤＹ１２０００ＬＤ型大功率深孔定向钻机集主机、泵站、履带车体、操作台、防爆计算机、流量计等于一体ꎬ具备独立行走功能ꎮ最大输出转矩达到１２０００Ｎ􀅰ｍꎬ给进/起拔力达到２５０ｋＮꎬ主轴ø１３５ｍｍ大通孔设计可配套多种规格钻具ꎬ满足井下顺煤层超长定向钻孔、顶板大直径高位定向孔、探放水定向长钻孔、大直径常规钻孔等多种钻孔工程需要ꎮ钻进回转系统和给进系统分别配套设计快、慢２档操作模式ꎬ满足滑动定向钻进、复合定向钻进以及回转钻进等多种钻进工艺要求ꎮ１.２　ＢＬＹ３９０/１３泥浆泵车ＢＬＹ３９０/１３泥浆泵车集成了泥浆泵、液压泵站、履带车体、电磁起动器、机车灯组件、甲烷传感器、操纵台等ꎬ具备独立行走功能ꎮ泥浆泵采用液压驱动ꎬ可实现泵量在０~３９０Ｌ/ｍｉｎ范围内无级调速ꎬ泥浆泵额定输出压力达到１３ＭＰａꎬ满足ø８９ｍｍ螺杆马达驱动以及ø１２０ｍｍ定向钻孔钻进排渣需要ꎮ１.３　ＹＨＤ２－１０００(Ａ)随钻测量系统ＹＨＤ２－１０００(Ａ)随钻测量系统由孔底随钻测量探管、测量数据线、防爆计算机、防爆键盘、防爆存储器以及随钻测量软件等组成ꎬ随钻测量系统采用孔口供电ꎬ系统工作时间不受限制ꎮ２　复合定向钻进技术复合定向钻进技术最早应用于油气勘探开发领域ꎬ是使用比较普遍、高效的钻进技术ꎬ其原理是采用转盘或顶驱装置与井下滑动式造斜钻具相配合ꎬ在定向造斜孔段采用滑动式造斜钻具进行定向造斜ꎻ在稳斜段采用转盘带动钻柱和螺杆马达一起回转ꎬ以“减压吊打”的钻进方式成孔ꎮ煤矿井下复合定向钻进与地面复合定向钻井在施工环境和钻压给进方式上存在较大差异ꎬ煤矿井下定向钻孔多以近水平为主ꎬ钻进过程中靠坑道钻机给进机构主动加压钻进ꎬ在定向钻机动力头带动孔内钻杆转动的同时ꎬ冲洗液驱动单弯螺杆马达带动钻头旋转形成复合定向钻进ꎮ２.１　滑动定向钻进工艺滑动定向钻进是螺杆马达定向钻进的一个显著特点ꎬ钻进过程中钻机给孔内钻具施加近水平方向的钻压ꎬ产生滑动给进力ꎬ而螺杆马达转子带动钻头旋转碎岩ꎬ其弯头稳定朝向预定方向ꎬ从而实现钻孔轨迹连续人工控制ꎬ因此滑动定向钻进是连续性的造斜钻进ꎬ这也是煤矿井下常用的定向钻进方式ꎮ连续造斜造成钻孔轨迹平滑性差、钻孔排渣效果差、钻孔轨迹弯曲严重ꎬ导致孔内钻具摩阻显著增大、钻压传递效率降低ꎬ钻进系统压力随孔深增加快速升高ꎬ不利于实现深孔钻进[１１－１２]ꎮ２.２　复合定向钻进工艺复合定向钻进过程中钻机带动钻杆进行旋转和轴向滑动给进ꎬ同时螺杆马达转子带动钻头旋转碎岩ꎬ如图１所示ꎮ相对于滑动定向钻进ꎬ在复合定向钻进工况下ꎬ钻头转速高、碎岩动力强、钻进效率明８２李泉新等:２３１１ｍ顺煤层超长定向钻孔高效钻进技术２０１８年第４期显提高ꎻ同时ꎬ复合定向钻进时由于钻杆持续旋转ꎬ使钻孔内沉渣少、孔壁光滑ꎬ大幅降低了孔内钻具摩阻ꎬ钻孔弯曲强度较滑动定向钻进大幅度降低ꎬ如图２所示ꎬ有利于实现深孔钻进钻压的传递ꎬ显著提高钻孔深度[１２]ꎮ图１　复合钻进工艺原理Ｆｉｇ.１　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｐｏｕｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ图２　滑动和复合钻进钻孔弯曲强度对比Ｆｉｇ.２　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｌｉｄｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｏｕｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇ因此ꎬ在定向钻孔施工中ꎬ在保证钻孔轨迹精度控制的情况下ꎬ应尽量增大复合钻进进尺比例ꎬ提高轨迹平滑性ꎬ降低钻具摩阻ꎬ提高钻进效率和实现超深孔钻进ꎮ３　钻孔轨迹控制技术钻孔轨迹控制技术是保障井下顺煤层超长定向钻孔安全、高效施工的关键技术ꎬ其主要包括:复合定向钻进轨迹控制技术、煤层钻孔递进式延伸钻进技术、分支点选取原则、顶板趋势预测技术和钻孔轨迹剖面控制技术等ꎮ３.１　复合定向钻进轨迹控制技术复合定向钻进过程中最关键环节是钻孔轨迹控制ꎬ复合钻进时螺杆马达弯头朝向不断变化ꎬ钻孔轨迹基本处于稳斜状态ꎬ但为提高复合定向钻进效率ꎬ发挥复合钻进技术优势ꎬ可通过钻具组合和钻进参数优化ꎬ