煤矿井下复合定向钻进技术优势探讨

许超

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077)

近年来，随着我国煤炭产业的迅速发展，国内煤矿井下随钻测量定向钻进技术(以下简称“定向钻进技术”)及装备得到飞速发展，且已广泛应用于煤矿井下本煤层瓦斯抽采，并取得了显著成效。随着煤矿井下定向钻进技术及装备不断改进和完善，其应用领域也不断扩大，目前，该项技术已逐渐应用于煤层顶板高位钻孔、顶底板梳状瓦斯抽采钻孔、地质勘探钻孔、长距离探放水钻孔以及煤层顶底板注浆加固钻孔等其他煤矿井下钻孔工程，钻进地层由原来纯粹的煤层拓展到煤、岩层。在这种情况下，现有煤矿井下定向钻进技术逐渐暴露出一些问题和不足，诸如:①岩层钻进效率偏低;②大倾角下斜钻孔排粉不畅以及局部孔壁坍塌，易发生埋钻、卡钻等钻孔事故;③钻进系统压力高，不利于实现深孔钻进。

复合钻进工艺最早应用于石油钻井工程，具有钻进效率高、井(孔)壁光滑、钻压低等优势［1-2］。将煤矿井下定向钻进技术与复合钻进技术结合有利于实现安全、高效和深孔钻进。

1 煤矿井下定向钻进技术

1.1 煤矿井下定向钻进系统及钻进工艺

煤矿井下定向钻进系统由定向钻机、泥浆泵、通讯钻杆、测量探管、单弯螺杆钻具、定向钻头、孔口监视器、通缆送水器等组成［3］，钻进系统连接如图1所示。

图1 煤矿井下定向钻进系统连接示意Fig.1 Directional drilling system connection diagram in underground coalm ine

煤矿井下定向钻进工艺最显著的特点就是钻孔轨迹的人为可控，现场操作人员可根据孔口监视器显示的钻孔轨迹状态信息，通过调整螺杆钻具弯头朝向和继续钻进，来实现钻孔轨迹定向控制［4］。煤矿井下定向钻进技术根据具体的实现方式划分为孔底电机滑动定向钻进技术和复合定向钻进技术。

1.2 孔底电机滑动定向钻进技术

钻进过程中，根据需要将工具面向角调整后，通过泥浆泵向孔底泵入高压冲洗液驱动孔底电机转子和钻头转动，钻机只向钻具施加轴向力(钻压)，从而实现钻头碎岩的钻进技术就是孔底电机滑动定向钻进技术。该定向钻进技术特点有:①钻进过程中钻头回转碎岩动力仅由泥浆泵提供;②钻进过程中只由钻头和孔底电机转子转动，钻具其他部分只产生轴向滑动。孔底电机滑动定向钻进技术原理如图2所示。

图2 孔底电机滑动定向钻进工艺原理Fig.2 The sliding directional drilling technology princip le diagram

由上述可知，孔底电机滑动定向钻进中，孔底电机工具面可保持一个稳定的方向，从而实现钻孔轨迹连续人工控制［5］。

1.3 复合定向钻进技术

钻进过程中，泥浆泵向孔底泵送高压水驱动孔底电机带动钻头转动，同时，钻机带动钻具回转并向钻具施加钻压，从而实现复合碎岩的钻进方法为复合钻进［6］。复合钻进工艺技术原理如图3所示。

图3 复合钻进工艺原理Fig.3 The compound drilling technology principle diagram

复合钻进中，螺杆钻具的工具面向角随着其定子不断旋转在不断变化，无法实现钻孔轨迹的连续人工控制。

然而，复合钻进中钻孔轨迹的变化是有一定的规律的。通过现场试验得知，采用1.25°单弯螺杆电机进行近水平复合钻进时，钻孔轨迹倾角呈下降趋势，方位角呈上升趋势，但是钻孔轨迹弯曲曲率明显小于滑动定向钻进，钻孔轨迹平滑。

钻进过程中，可采用滑动定向钻进工艺与复合钻进工艺结合的方法实现钻孔轨迹的人工控制的同时体现复合钻进的技术优势。本研究将这种组合式的钻进工艺称为复合定向钻进工艺。复合定向钻进工艺在煤矿井下近水平定向钻孔施工中有着非常广泛的应用前景。复合定向钻进应用实例如图4所示，图中实曲线代表滑动定向钻进钻孔轨迹，虚曲线代表复合钻进钻孔轨迹。

图4 复合定向钻进工艺应用实例Fig.4 Com pound directional drilling technology app lications

2 复合定向钻进技术优势分析

2.1 提高钻进效率

在复合钻进工艺条件下，孔底电机定、转子分别以不同的速度同时、同向运动，钻头的绝对转速明显提高，本研究假设复合钻进时，定子转速为钻机转速(忽略钻机转速传递过程中的损失)，可得出钻头绝对转速为［7］

式中，n为钻头绝对转速，r/min;n1为螺杆钻具转子在液力驱动下的转速，r/min;n2为螺杆钻具定子转速(钻机转速)，r/min。

因此，复合钻进的钻头绝对转速较滑动定向钻进有明显提高，机械钻速也随之显著提高。

实践证明，复合定向钻进较滑动定向钻进可有效提高综合钻进效率，尤其在煤层顶、底板岩层中钻进，复合钻进较滑动定向钻进可提高机械钻速2～3倍。

2.2 预防孔内事故

滑动定向钻进过程中，钻具只产生轴向运动，钻具在钻孔中在某一时间段内基本保持固定位置，不利于钻具安全。

而复合钻进过程中钻具在轴向运动的同时也进行转动，在转动时钻杆在轴向力(钻压)、钻机扭矩、离心力的共同作用下在孔内不断地进行着复杂的空间运动。钻具的这种运动对于钻进安全具有重要意义:①钻具不断地搅动钻孔孔壁下缘堆积的钻屑，使其便于被冲洗液携出钻孔，以预防埋钻事故发生;②钻具在运动中可碾碎孔壁掉块，避免大块碎屑堆积，预防卡钻事故发生;③钻具不断地与孔壁碰撞、摩擦，使孔壁变得完整、光滑，有利于降低孔壁摩阻和预防卡钻事故［8］。

2.3 实现深孔钻进

滑动定向钻进采用螺杆钻具工具面在某一定向孔段稳定的朝向，实现钻孔轨迹连续控制;而复合定向钻进中的复合钻进孔段遵循钻孔轨迹自然变化规律实现钻孔轨迹控制。实践证明，复合钻进钻孔轨迹平均弯曲强度(曲率)明显小于滑动定向钻进钻孔轨迹，2种钻进工艺钻孔轨迹弯曲强度对比如图5所示。

由图5可知，复合钻进较滑动定向钻进钻孔轨迹更加平滑，因此，复合钻进中钻具摩阻要小于滑动定向钻进。

滑动定向钻进钻孔孔壁粗糙、孔壁沉渣多、钻孔曲率大。钻进过程中，钻进系统正常给进、起拔、回转、泥浆泵压等系统压力随钻孔深度的不断加深迅速上升，当系统压力过早达到设备极限时，便无法继续向前钻进，因此滑动定向钻进不利于深孔钻进。

图5 相同地层条件下2种钻进工艺钻孔轨迹连续测点弯曲强度对比Fig.5 Contrast of drilling trajectory bending strength of two kinds of d rilling technology in the same stratum

复合钻进钻孔孔壁光滑、孔壁沉渣少、钻孔曲率小，钻进系统压力相对较低;同时钻具在回转状态下，钻进系统压力较静止状态明显降低。实践证明，相同钻进条件下，复合钻进系统压力要明显低于滑动定向钻进。因此，复合钻进有利于实现深孔钻进。

3 复合定向钻进技术应用

3.1 保德煤矿本煤层长钻孔施工

2011年5月，中煤科工集团西安研究院与神华神东保德煤矿合作，在该矿81306回撤通道2号钻场8#煤层中施工定向长钻孔。该地区煤层厚度稳定，结构完整，呈致密块状，适于定向钻孔施工。

此次试验于5月12日开钻，耗时仅6 d便完成了主孔800 m孔段的施工，钻进总进尺达到966 m。由于钻孔施工完全采用滑动定向钻进工艺，钻进系统给进、回转压力急剧上升，当孔深达到800 m左右时，钻进系统给进压力达到13 MPa以上，回转压力达到11 MPa以上，并且钻进缓慢，机械钻速仅不到1.5 m/h。考虑到钻机稳定以及钻具安全等问题，现场采用了提钻开分支、回转冲孔、提钻顺孔等技术措置，但是均未能有效解决问题。

在这种情况下，重新提钻至150 m处开分支孔，施工方案是根据已探测的煤层走向趋势，现将钻孔倾角缓缓上调，再采用复合钻进工艺进行钻孔施工，当倾角下降到预计极限值前，再次上调倾角，然后再进行复合钻进，如此反复交替钻进。这种钻进工艺方法的实施有效解决了钻进系统压力上升过快的问题，当钻进孔深达到800 m时，钻进系统滑动给进压力约为8 MPa，复合钻进给进压力仅约为5 MPa，回转压力约为7 MPa，较纯滑动定向钻进系统压力有明显降低。并且复合钻进机械钻速较滑动定向钻进速度有明显提高，据统计，在孔深达到800 m左右时，复合钻进机械钻速达到5～6 m/h，较滑动定向钻进提高2～3倍。

6月3日试验结束，最终钻孔主孔最大深度达到1 111.6 m，开分支孔7个，探顶5次，钻进总进尺2 412.6 m，创造了当时国内同类钻孔的最长记录。钻孔轨迹剖面如图6所示。

图6 保德煤矿定向长钻孔轨迹剖面Fig.6 Directional borehole profile trajectory in Baode colliery

3.2 大佛寺煤矿煤层长钻孔施工

2011年7月，中煤科工集团西安研究院再次在大佛寺煤矿40109工作面1#钻场进行了本煤层定向长钻孔试验，该区域主采煤层为4号煤层，属特厚煤层，平均11.65 m，煤层结构完整，适于定向钻孔施工。

此次试验，吸取了保德煤矿长钻孔试验的经验教训，采用和保德煤矿相同的滑动定向钻进和复合钻进交替的钻进方案。钻机过程顺利，7月15日—8月2日便完成了钻孔的施工，钻孔主孔深度达到1 212 m，总进尺1 623 m，开分支孔5个，探顶2次，探底1次，再次刷新了国内煤矿井下定向钻孔深度的记录。钻孔轨迹剖面如图7所示。

图7 大佛寺煤矿定向长钻孔轨迹剖面Fig.7 Directional borehole profile trajectory in Dafosi colliery

整个钻进过程中钻孔返水、排渣顺畅，钻进系统给进压力最大为11 MPa，回转压力最大为8 MPa。

3.3 下石节煤矿高位钻孔施工

2011年4月—2012年3月，中煤科工集团西安研究院与陕西陕煤下石节煤矿合作进行煤层顶板高位大直径定向钻孔试验，试验分为2个阶段。

第一阶段于2011年5月—7月在219工作面灌浆巷进行，钻孔设计数量3个，深度300 m，孔径∅96 mm，采用滑动定向钻进，由于顶板中存在破碎软夹层，钻进过程中卡钻事故频发，孔深300 m以后机械钻速明显下降，仅为1 m/h。最终完成钻孔5个，其中1#、2#和4#钻孔深度分别达到408、360和318 m，达到了设计要求，但是3#和5#钻孔由于孔壁坍塌、掉块卡钻被迫终孔，孔深分别为144和150 m。

第二阶段于2012年4月—6月在2301工作面回顺进行，钻孔设计数量4个，深度400 m，孔径∅153 mm。试验采用滑动定向钻进与复合钻进结合的定向钻进方法，最终4个试验钻孔均顺利完成，深度均达到402 m，孔径均达到∅153 mm，机械钻速也显著提高，圆满完成了设计任务。钻孔轨迹剖面如图8所示。

图8 下石节煤矿高位大直径定向长钻孔轨迹剖面Fig.8 Large diam eter and high position directional borehole profile trajectory in Xiashijie colliery

4 结论

(1)复合定向钻进技术可有效降低钻进系统压力，有利于实现深孔钻进。

(2)复合定向钻进可有效改善孔内环境，预防孔内事故发生。

(3)复合钻进的钻头的机械钻速要明显高于常规滑动定向钻进，其钻进效率也显著提高;然而对于复合钻进的提高钻进效率仅从钻头绝对转速提高的解释不够全面，应进行包括转速、扭矩、碎岩功率等与钻进效率关系的全方位研究。

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