我国煤矿区钻进技术装备发展与应用

　第４６卷第４期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰４　　２０１８年４月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｐｒ􀆰２０１８　煤矿区钻进技术与装备专题【编者按】煤矿区钻探工程在矿井建设、生产中扮演着重要角色ꎬ服务于煤炭资源勘探、井巷掘进、煤层气地面开发/煤矿瓦斯井下抽采、各类灾害防治等ꎮ经过数十年的发展ꎬ特别是进入２１世纪以来ꎬ在国家科技重大专项等项目的支持下ꎬ我国煤矿区地面、井下钻探技术取得显著进步ꎬ配套装备能力水平不断提升ꎬ最具代表性的是煤矿井下大功率定向钻进技术装备达到了国际领先水平ꎬ创造了沿煤层定向钻进最大孔深２３１１ｍ的世界纪录ꎮ随着我国煤矿开采深度逐年增加、开采范围不断扩大ꎬ钻探工程对防范煤矿瓦斯、水害等事故ꎬ促进煤矿安全生产发挥着越来越重要的保障作用ꎮ为交流推广近年来煤矿区钻探工程领域的新理论、新技术、新装备ꎬ我刊与中国煤炭学会钻探工程专业委员会联合ꎬ于２０１８年第４期策划了“煤矿钻进技术与装备”专题ꎬ邀请行业知名专家、学者撰稿ꎬ报道了地面煤层气开发井、大直径救援孔等钻进技术装备新进展及工程实践ꎻ井下顶板岩层、中硬煤层、松软突出煤层中不同用途的各类钻孔施工新技术ꎮ本次专题征稿８３篇ꎬ共录用３６篇ꎬ限于版面ꎬ本期刊登１５篇ꎬ其余２１篇将择期刊登ꎬ敬请关注ꎮ我国煤矿区钻进技术装备发展与应用石智军ꎬ刘建林ꎬ李泉新(中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安　７１００７７)摘　要:基于“十一五”期间以来地面、井下钻进技术装备取得的代表性成果ꎬ总结了煤矿区煤层气(煤矿瓦斯)“时空一体化”高效开发模式ꎻ介绍了地面、井下钻进技术装备的最新发展现状ꎬ结合现场应用分析了地面远端对接井、井下大直径及超长定向孔配套钻进技术装备的特点与应用前景ꎻ最后针对煤矿区生产需求ꎬ进一步剖析了煤矿井下钻进施工面临的问题ꎬ提出煤矿区钻进技术装备发展方向ꎬ以期为煤矿区钻进技术装备的研发应用提供参考ꎮ关键词:煤矿区ꎻ钻进技术装备ꎻ地面远端对接井ꎻ井下定向钻进ꎻ大直径工程孔中图分类号:ＴＤ２３１　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０４－０００１－０６ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｒｅａｏｆＣｈｉｎａＳＨＩＺｈｉｊｕｎꎬＬＩＵＪｉａｎｌｉｎꎬＬＩＱｕａｎｘｉｎ(ＣＣＴＥＧＸｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄｏｎｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆｂｏｔｈｓｕｒｆａｃｅａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｉｎｃｅ“１１ｔｈＦｉｖｅ－ＹｅａｒＰｌａｎ”ꎬｎｅｗｐａｔｔｅｒｎｏｆｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ“ｓｐａｔｉａｌ－ｔｅｍｐｏｒａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ”ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ(ｇａｓ)ｉｎｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｓｓｕｍ￣ｍａｒｉｚｅｄ.Ｔｈｅｎｔｈｅｌａｔｅｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｂｏｔｈｓｕｒｆａｃｅａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎬｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｇｒｏｕｎｄｒｅｍｏｔｅｂｕｔｔｅｄｗｅｌｌｓꎬａｎｄｕｎｄｅｒ￣ｇｒｏｕｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅｗｉｔｈｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｌｅｎｇｔｈꎬｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬＦｉｎａｌｌｙꎬｉｎｌｉｇｈｔｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｄｅｍａｎｄｉｎｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｒｅａꎬｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｆａｃｅｄｗｉｔｈｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｉｓｆｕｒｔｈｅｒａｎａｌｙｚｅｄꎬａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｗｈｉｃｈｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｒｅａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｒｅａꎻｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎻｒｅｍｏｔｅｂｕｔｔｅｄｗｅｌｌｓｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄꎻｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇꎻｅｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇｈｏｌｅｗｉｔｈｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒ收稿日期:２０１８－０２－２８ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０４􀆰００１基金项目:国家科技重大专项资助项目(２０１６ＺＸ０５０４５－００３－００１)作者简介:石智军(１９５５—)ꎬ男ꎬ陕西富平人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ现任中煤科工集团西安研究院有限公司副总工程师ꎮ引用格式:石智军ꎬ刘建林ꎬ李泉新􀆰我国煤矿区钻进技术装备发展与应用[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(４):１－６􀆰ＳＨＩＺｈｉｊｕｎꎬＬＩＵＪｉａｎｌｉｎꎬＬＩＱｕａｎｘｉｎ.ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｒｅａｏｆＣｈｉｎａ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉ￣ｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(４):１－６􀆰１２０１８年第４期煤炭科学技术第４６卷０　引　　言煤矿区钻探工程在煤矿生产中发挥着重要作用ꎬ服务于煤炭资源地面勘探、煤层气地面开发/煤矿瓦斯井下抽采、井下灾害防治等ꎮ经过数十年的发展ꎬ特别是进入２１世纪以来ꎬ在国家科技重大专项等项目的支持下ꎬ我国煤矿区地面、井下钻进技术取得显著进步ꎬ配套装备能力水平不断提升ꎬ形成了相对完备的钻进技术装备体系[１－５]ꎮ目前ꎬ煤矿区地面、井下钻探工程以煤层气开发/煤矿瓦斯抽采为主要应用领域ꎬ其次在煤矿水害防治、隐蔽致灾地质因素探查、煤矿应急救援、工程孔施工等领域应用也较为普遍ꎬ所配套的钻进技术装备数量及相应的钻进工程量占比最大ꎬ基本代表了煤矿区钻探技术装备的发展水平ꎮ煤矿区煤层气开发/煤矿瓦斯抽采具有增加清洁能源供给、保障煤矿安全生产、减少温室气体排放等多重效益ꎬ国家高度重视煤矿区煤层气(煤矿瓦斯)的开发利用ꎬ相继出台了一系列鼓励政策[６]ꎮ在煤矿区ꎬ地面钻井和井下钻孔是开发煤层气(煤矿瓦斯)的主要途径ꎬ由于我国煤层赋存地质条件复杂、盆地原型及构造样式多变ꎬ使煤层气成藏地质条件与国外有很大差别ꎬ开发难度大ꎬ国外现有的以地面开发为主的煤层气开发模式和技术在国内不能完全适应ꎮ长期以来ꎬ行业相关科技工作者积极探索适合我国自身煤层特点的煤层气开发道路ꎬ实行煤层气地面开发与煤矿瓦斯井下抽采相结合的方式ꎬ走煤层气与煤炭协调开发的道路[７－９]ꎮ笔者基于“十一五”期间以来地面、井下钻进技术装备取得的系列成果ꎬ总结了煤矿区煤层气(煤矿瓦斯)“时空一体化”高效开发模式ꎬ介绍了地面煤层气开发井钻进、煤矿井下随钻测量定向钻进、煤矿区大直径孔钻进技术装备的最新发展及典型应用情况ꎬ并剖析了地面、井下钻进施工面临的问题ꎬ提出煤矿区钻进技术装备发展方向ꎮ１　煤矿区煤层气(煤矿瓦斯)“时空一体化”高效开发模式　　“十一五”期间以来ꎬ国家高度重视煤层气开发利用的科技创新工作ꎬ在“大型油气田及煤层气开发”国家科技重大专项等科技计划项目的支持下ꎬ煤矿区煤层气开发钻进技术装备取得了系列新进展ꎬ据此总结提出了煤矿区煤层气(煤矿瓦斯)“时空一体化”高效开发模式ꎬ如图１所示ꎮ图１　煤矿区“时空一体化”高效开发模式示意Ｆｉｇ.１　Ｄｉａｇｒａｍｏｆｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐａｔｔｅｒｎｏｆｓｐａｔｉａｌ－ｔｅｍｐｏｒａｌｉｎｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｒｅａ“时空一体化”高效开发模式在时间上包含区域超前、掘采前和回采过程中３个阶段ꎬ在空间上包含本煤层与煤层顶板２种抽采空间、地面与井下２种作业空间[１０－１１]ꎬ具体组合为:①在地面利用各类钻井进行煤层气区域超前开发ꎻ②在井下利用本煤层钻孔进行煤矿瓦斯掘采前预抽ꎻ③在地面、井下利用采动井、顶板高位孔进行工作面回采卸压瓦斯抽采ꎮ“时空一体化”高效开发模式采用的典型技术手段包括地面远端对接井、多分支水平井、Ｌ型井、井下本煤层超长定向孔、顶板大直径高位定向孔等ꎮ２　地面煤层气开发井钻进技术装备我国自２０世纪８０年代以来ꎬ将煤层气(煤矿瓦斯)作为一种资源进行勘探评价研究ꎬ而利用地面钻井开发煤层气是基于常规天然气开发技术ꎬ在借鉴和引进美国的煤层气地面钻井、完井技术基础上发展起来的[１２]ꎮ在煤矿区ꎬ主要利用垂直井和多分支水平井ꎬ结合套管(筛管)完井、裸眼洞穴完井、套管射孔压裂完井等工艺技术进行地面煤层气开发ꎻ在配套装备上ꎬ起初以石油钻机和水井钻机为主ꎬ随后陆续引进了多种型号国外先进的煤层气钻机ꎬ具有代表性的有美国雪姆公司ＴＸＤ系列钻机、德国宝峨公司ＲＢ型钻机和瑞典阿特拉斯－科普柯公司ＲＤ系列钻机ꎬ它们在自动化、钻进效率、安全可靠性、移运性等方面均较成熟ꎮ２.１　地面远端对接井钻进技术及应用“十一五”期间ꎬ针对煤矿区地面煤层气开发面临的井型、成井方法单一难题ꎬ提出了对接点两侧带分支的远端对接井新井型ꎬ如图２所示ꎮ它由１口目标垂直井与１口或多口水平连通井组成ꎬ其中目标垂直井在目标煤层段造洞穴ꎬ水平连通井在目标２石智军等:我国煤矿区钻进技术装备发展与应用２０１８年第４期煤层中长距离延伸后与目标垂直井洞穴连通形成远端(一般井口距离大于５００ｍ)对接井ꎬ主井过洞穴继续钻进一定长度ꎬ根据需要在对接点两侧施工分支井ꎮ开发了远端对接井钻进成井工艺[１３－１４]ꎬ并根据不同类型目标煤储层的特点ꎬ研究了裸眼完井、筛管完井、填砂完井、分段压裂完井等多种对接井完井工艺ꎬ解决了易坍塌、碎软及低渗复杂煤储层完井难题ꎬ形成了对接井系列完井工艺技术体系ꎮ图２　对接点两侧带分支的远端对接井Ｆｉｇ.２　Ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｅｌｌｓｗｉｔｈｂｒａｎｃｈｅｓｏｎｂｏｔｈｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔ地面远端对接井及配套钻进技术装备首先在山西晋城矿区潘庄井田进行了工业性试验ꎬ建成了我国煤矿区第一个高产的远端对接井(ＳＨ－Ｕ２/Ｕ３)ꎬ最高日产气量达到了２.１万ｍ３ꎮ随后地面远端对接井及配套钻进技术装备在多个煤层气勘探开发工程中得到推广应用ꎬ相继建成了多个不同类型的远端对接井组(包括Ｕ形远端对接井、Ｖ形远端对接井、多井连通远端对接井等)ꎬ其中最具代表性的是郭南Ｕ形对接井组ꎬ它位于晋城矿区潘庄井田ꎬ目标层为１５号煤层ꎬ井组所在区域的煤层厚度为１.０８~５.４５ｍꎬ平均厚度为２.６７ｍꎮ郭南Ｕ形对接井组的目标垂直井与水平连通井井口之间的平面间距为７７１.４５ｍꎬ对接点两侧共施工了４个分支井ꎬ煤层段总进尺２０８３.５３ｍꎻ采用滑套分段压裂方式完井ꎻ投产排采３个月后日产气量达到了２.０万ｍ３ꎬ后期最高日产气量达到了３.２万ｍ３ꎬ是沁水盆地１５号煤层第一个高产的远端对接井ꎬ其良好的产气效果ꎬ为进一步推广应用远端对接井钻完井工艺技术奠定了基础ꎮ２.２　地面煤层气开发国产钻机装备针对我国煤矿区煤层气地面钻井开发配套车载钻机国产化不足的难题ꎬ基于远端对接井施工工艺特点ꎬ在消化吸收国外车载钻机先进设计思想的基础上ꎬ中煤科工集团西安研究院有限公司成功研制了ＺＭＫ５５３０ＴＺＪ６０型和ＺＭＫ５５３０ＴＺＪ１００型全液压车载机[１５]ꎬ实现了远端对接井关键钻进装备国产化ꎬ该型钻机的特点是:设计有多种保护功能、多冗余度的电液控制系统ꎻ配套的双速马达回转装置通孔直径大ꎬ转速与额定转矩可调节范围大ꎬ能够适应多种工艺要求ꎻ设