定向钻进技术在松软煤层瓦斯抽放中的应用

第!卷第!期#$%年!月&’()*+,-./’01,-)23/04!56/7!1’+89$%!#$%&’()*+,-./0123王建强（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安!##!!）摘要：为了提高松软煤层瓦斯抽采钻孔深度、增大钻孔煤层进尺，利用定向钻进技术钻孔轨迹可控的优势，通过优化定向钻孔布置形式和采用定向钻进用冲洗液，试验钻孔深度超过:99;，煤中连续进尺超过99;，在一定程度上提高了松软煤层瓦斯抽采钻孔深度和煤中进尺，也使得定向钻进技术在松软煤层瓦斯抽采钻孔施工中具有更好的应用与推广价值。关键词：定向钻进；松软煤层；定向钻进用冲洗液；布孔形式；瓦斯抽放中图分类号：=:$?文献标志码：@文章编号：$99?A%BC（89D%）9!A9$8A9!#$%&’$()(*+$,-%’$()./+,$//$)01-23)(/(04$)5.67,.$).0-+,$//$)06$)8(9’:(./;-&6EF6GH,’-I,’-J（!#$%!&%’()*$&’&+,%$-.$+#$))/#$+0/&123#’%$4)5)%/*6$57#717)83#’%$:$99::8!#$%）=6’,.?’@K-/LM)L*/,;NL/O)*P)M)N*P/(J’2)Q*L’R*,/-ML,00,-J2’-M,-RL)’2)*P)(//*’J)/(S/L)P/0),-2/(*R/’02)’;T*’U,-J’MO’-*’J)/(*P)R/-*L/00’S0)ML,00,-J*L’V)R*/L+/(M,L)R*,/-’0ML,00,-J*)RP-/0/J+TJ//ML)2W0*2X)L)/S*’,-)MS+/N*,;,Y,-J*P)’LL’-J);)-*/(M,L)R*,/-’0ML,00,-J’-M’M/N*,-J*P)(0W2P,-J(0W,M(/LM,L)R*,/-’0ML,00,-J7=P)*)2*ML,00,-JM)N*P,2;/L)*P’-:99;T’-M*P)R/-*,-W/W2(//*’J),-R/’0,2;/L)*P’-99;TXP,RP*/2/;))Q*)-*,;NL/O)2*P)M)N*P/(J’2)Q*L’R*,/-’-M(//*’J),-2/(*R/’02)’;7K*’02/P’2S)**)L’NN0,R’*,/-’-MNL/;/*,/-O’0W)(/L*P)M,L)R*,/-’0ML,00,-J*)RP-/0/J+,-*P)2/(*R/’02)’;J’2)Q*L’R*,/-ML,00,-JR/-2*LWR*,/-7A-4B(,C6@M,L)R*,/-’0ML,00,-JZ2/(*R/’02)’;ZML,00,-J(0W,M(/LM,L)R*,/-’0ML,00,-JZP/0)(/L;ZJ’2ML’,-’J)松软煤层由于自身结构特点，导致瓦斯抽采钻孔钻进过程中孔壁稳定性差，常常发生塌孔现象，引起钻孔深度浅，严重制约着松软煤层瓦斯的高效抽采。针对该问题，国内外研究学者都作了大量研究工作，应用效果较好的主要有$种钻进工艺：螺旋钻进工艺和中风压空气钻进工艺，螺旋钻进工艺主要采用螺旋钻杆回转进行排渣，而螺旋翼片容易对孔壁造成扰动，不利于孔壁稳定；中风压空气钻进主要采用风力排渣，配合螺旋钻杆回转钻进，螺旋钻杆回转辅助排渣，该工艺施工的钻孔深度受风压影响较大，而且采用风力排渣现场工作环境差，影响劳动者的身体健康[DA!\。针对目前松软煤层钻进工艺方法存在的不足，现将定向钻进技术引入，利用定向钻进技术轨迹可控的优势，一方面通过选择合理的钻孔布孔形式，另一方面采用定向钻进用冲洗液来达到提高松软煤层瓦斯抽采钻孔深度的目的。通过现场试验，钻孔深度最深达!%&，其中，煤中连续进尺超过%##&，现场试验效果较好，进一步促进了定向钻进技术在松软煤层瓦斯抽采钻孔施工中应用与推广。4#56&定向钻进技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求钻进至预定目标的一种钻探方法，该技术具有钻孔轨迹可控的优点及侧钻开分支孔功能，通过开分支可以有效避开障碍区或地层破碎带，能够实现深孔钻进[B\。试验选用的设备是由中煤科工集团西安研究院有限公司研制生产的’()*###+(（,）钻机、)-(.###随钻测量系统、!!/&&中心通缆钻杆、!0*&&1(2钻头、!0%]3/&&扩孔钻头和单弯4$35螺杆马达。具体设备及钻具组合示意图如图。$#7879:;试验在采用定向钻进技术的基础之上，根据现场具体地层条件，合理优化钻孔布孔形式。对于煤层瓦斯抽放钻孔，传统的钻孔布孔形式主要有：本煤层钻孔、梳状钻孔和穿层钻孔[:A^\。由于试验目标层$6煤层平均厚度/40&，其中，上部&厚煤层相_K‘D57D??:aV7R-U,7;U’I789$%79!79?B$8!!!#$%&’$%()*+&,-第%&卷第%期+&,-年%月.)/01*23456(7389对较稳定，!以下煤层松软破碎，针对该煤层条件，试验进行了以下几种布孔形式：梳状钻孔、穿插钻孔和接替型梳状钻孔。#$!梳状钻孔梳状钻孔是指先在煤层顶板或底板稳定岩层中布置水平定向长钻孔，然后在水平定向孔中由内向外或由外向内布置向下或向上多分支孔，分支孔进入煤层进行瓦斯抽采的一种布孔形式，该布孔形式要求分支孔快速穿透目标煤层。该类钻孔适合于松软破碎煤层，即主孔在煤层中无法成孔，只能采取大角度穿越。它可以有效避免直接在松软煤层中钻进出现塌孔、不成孔、深度受限等问题。该类钻孔煤层段比例低，对施工要求相对简单，尤其是钻孔轨迹控制相对比较简单。一般每间隔%&’(&开!个分支孔。梳状钻孔布置示意图如图)，梳状钻孔轨迹剖面图如图%。)$)穿插钻孔穿插钻孔是指钻孔在煤层和煤层顶板岩层中交替穿插前进而成的钻孔。该类钻孔适合于顶板附近煤层相对较稳定较硬的地层。该类钻孔要求钻孔轨迹控制精度高，在较硬煤层和岩层中来回穿越。煤层段和岩层段比例可以控制在)*!。该类型钻孔可以有效提高钻孔穿煤率，提高煤层孔段有效进尺。穿插钻孔示意图如图+，穿插钻孔轨迹剖面图如图(。)$%接替型梳状钻孔接替型梳状钻孔是指先在煤层顶板岩层中布置水平定向长钻孔，然后在水平定向孔中由内向外向下布置多各分支孔，各分支孔以小角度进入相对较稳定煤层段并在该层位水平延伸，要求前一个分支孔的终孔点和后一个分支孔的入煤点要衔接上。该类钻孔特点是钻孔穿煤率高，可以增加钻孔在煤中的有效进尺。但是对钻孔轨迹控制要求高。对目标煤层要求煤层中存在某一层位相对较稳定较硬。接替型梳状钻孔示意图如图,，接替型梳状钻孔实钻轨迹剖面图如图-。)$+%类钻孔效果对比对煤层瓦斯抽放钻孔来说，其中.个重要指标是钻孔煤中有效进尺:-;，这里可以用钻孔穿煤率来表示，钻孔穿煤率是指,个钻孔煤层孔段深度占总钻孔深度的比例。理论上假设主孔深(&&，煤层厚+，每(&图.设备及钻具组合示意图图%梳状钻孔实钻轨迹剖面图图)梳状钻孔示意图图(穿插钻孔实钻轨迹剖面图图+穿插钻孔示意图,=!!第!卷第!期#$%年!月&’()*+,-./’01,-)23/04!56/7!1’+89$%图:%;钻孔钻进工艺参数统计曲线图$;8;;=;!;;?;:;%;合计$$?998?$=?!$=!9=!%%?$=8=9孔号主孔深度@A$8$%$=?!$8$$!%!888煤中进尺@A累计进尺@A冲洗介质$%8?:%$=?!$!$%:!%%$8=8$清水清水清水清水清水清水清水清水冲洗液表8各钻孔实钻数据统计表!个分支孔为例进行比较。梳状孔分支孔个，以!#$进行穿煤，每个分支孔穿煤长度为!%&，累计穿煤长度为’()&，钻孔累计进尺%*)&，穿煤率为(+,；穿插孔煤层段和岩层段比例以(-’进行计算，穿煤率为.*/；接替型梳状孔按照理论设计每个分支孔都接替上，这样煤孔段进尺为0#)&，钻孔累计进尺为1))&，穿煤率为#)/。由此可以得出穿煤率由高到低依次为穿插孔、接替型梳状孔和梳状孔。实际试验2类钻孔施工数据统计见表+，穿插钻孔穿煤率最高，梳状钻孔穿煤率最低，因此，在目标地层条件下，建议优先采用穿插钻孔的布孔形式。2!#$%&’(钻孔孔壁失稳主要是由于在钻进过程中地层原始力学平衡被破坏，钻孔内缺乏有效支撑力，在地应力的作用下导致孔壁失稳。因此，为了解决孔壁失稳，就需要提供一个有效支撑力来平衡地应力。定向钻进用冲洗液是在水中加入化学处理剂而形成的一种具有适应钻孔性能的液体B$9C。它相对于清水具有较好的携粉排渣能力，且在井壁上能形成薄的吸附膜，具有一定保护孔壁的能力，有较好的润滑性和减阻作用。此外，对于下斜孔和垂直孔，冲洗液的存在能够产生一定的静液柱压力，从而可以平衡部分地应力，也可以起到保护孔壁的作用。现场共施工1个钻孔，+3D4钻孔采用清水作为冲洗介质，14钻孔采用冲洗液作为冲洗介质。其中，14钻孔主孔深度*+0&，累计进尺+25)&，煤中累计进尺1)%&，该钻孔在2++A处见煤，终孔深度*+6A，煤中连续进尺0)2&，创造了本次试验主孔深度最深和一次性连续煤中进尺最深5项记录。各钻孔实钻数据统计见表5。在钻进过程中发现，当钻孔深度较深时，采用冲洗液一方面能够提高冲洗介质排渣能力，另一方面能够降低给进压力、起拔压力和泵压，降低比例达到%/左右，14钻孔钻进工艺参数统计曲线如图。0)*+）在松软煤层瓦斯治理中，结合地层条件选择合适的钻孔布孔形式，可以有效发挥定向钻进技术优势，提高松软煤层瓦斯抽采钻孔深度，提高钻孔瓦图*接替型梳状钻孔实钻轨迹剖面图图.接替型梳状钻孔示意图梳状钻孔穿插钻孔接替型梳状孔=!8??$=布孔形式主孔深度@A$8?%9!煤中进尺@A累计进尺@A实际穿煤率@E理论穿煤率FG%9%9H89H%?8H?!9表H类钻孔数据统计表H==!!!#$%&’$%()*+&,-第%&卷第%期+&,-年%月.)/01*23456(7389斯抽采效果。!）采用定向钻进用冲洗液钻进可以有效提高冲洗液携粉排渣能力，同时，可以降低钻具摩阻力，降低钻进工艺参数，有助于提高松软煤层钻孔深度。）为了进一步提高定向钻孔分支孔穿煤深度，可以考虑煤层段钻进换用螺旋钻具回转钻进。!#$%［#］王敬国，莫海涛，金新$松软煤层中螺旋钻进技术应用［%］$煤矿安全，!&&’，(（##）：!’)!*$［!］殷新胜，刘建林，冀前辉$松软煤层中风压空气钻进技术与装备［%］$煤矿安全，!&#!，+（’）：,),-$［］秦刚伟，秦法秋$突出煤层瓦斯抽采钻孔技术探讨［%］$煤炭技术，!&&*，!(（##）：#()#(-$［+］孙玉宁，王永龙，翟新献，等$松软突出煤层钻进困难的原因分析［%］$煤炭学报，!&#!，’（#）：##’)#!#$［-］冀前辉，殷新胜，王毅$松软煤层空气钻进工艺试验［%］$煤田地质与勘探，!&&*，’（）：’()(&$［,］许超，李泉新，刘建林，等$煤矿瓦斯抽采定向长钻孔高效成孔工艺研究［%］$金属矿山，!&##（,）：*)+#$［’］姚宁平，张杰，李乔乔$煤矿井下近水平定向钻技术研究与应用［%］$煤炭科学技术，!&##，*（#&）：-)-’$［(］姚宁平$我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展［%］$煤田地质与勘探，!&&(，,（+）：’()(&$［*］俞启香$矿井瓦斯防治［.］$北京：煤炭工业出版社，#**!$［#&］马效鸣，胡郁乐，贺冰新，等$钻井液与岩土工程浆液［.］$武汉：中国地质大学出版社，!&&’$!!!!!!&’()%王建强（,-:%—），男，陕西延安人，助理研究员，硕士，+&,+年毕业于中国地质大学（北京），现从事煤矿井下钻进工艺技术与装备研究。（收稿日期：+&,:;&;&=；责任编辑：王福厚）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!#$%［#］潘国营，杜鹏卓，陈国胜$基于/0)1234的煤层底板承压水突水危险评价［%］$水文地质工程地质，!&#’，++（#）：##)#,$［!］张军建$层次分析)