顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律研究.pdf

工矿自动化 I n d us trya n d Min eAuto ma tio n 第45卷第8期 2019年8月 Vo l. 45 No . 8 Aug.2019 文章编号1671-251X201908-0097-04DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 17456 顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律研究 刘飞，许超，王鲜，姜磊，毕志琴 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077 扫码移动阅读 摘要为进一步增加顺煤层定向钻孔深度、提高超长定向钻孔钻进效率，分析了顺煤层超长定向钻孔钻 压传递影响因素，包括钻孔轨迹、钻孔深度、孔内沉渣和钻遇地层；以保德煤矿2 570 m顺煤层超长定向钻孔 为工程背景，对复合定向钻进状态下钻压传递规律进行了研究％研究结果表明① 随着钻孔深度的增加，滑 动定向钻进给进压力呈指数型上升，最终达到钻机额定给进压力，钻压传递效率降低；复合钻进状态下，随着 钻孔深度的增加，复合钻进给进压力始终保持在较低水平，且远低于钻机额定给进压力，钻机回转压力近似 呈线性增长，但低于钻机额定回转压力，钻压传递效率高％②泥浆泵泵压和泵量越高，排渣效率越高，钻具 摩擦阻力越小，钻压传递效率越高，反之钻压传递效率越低。 关键词煤炭开采；瓦斯抽采；顺煤层定向钻孔；钻压传递；复合定向钻进 中图分类号TD712 文献标志码A Researchof weight on bit transmission law of ultra-long directional borehole along coal seam LI U Fei, XU Cha o , WANG Xia n , JI ANG Lei, BI Zhiqin CCTEG Xln Resea rc h I n stitute, Xln 710077, Chin a AbstractI n o rd er to further in c rea se d irec tio n a l bo reho le d epth a lo n g c o a l sea m a n d impro ve d ril in g e fic ien c y o f ultra -lo n g d irec tio n a l bo reho le, in fluen c in g fa c to rs o f weight o n bitWOB tra n smissio n o f ultra -lo n g d irec tio n a l bo reho le a lo n g c o a l sea m werea n a lyzed ,in c lud in g bo reho letra jec to ry,bo reho le d epth, sed imen t in bo reho le a n d d rillin g stra ta . Ba sed o n en gin eerin g ba c kgro un d o f 2 570 m ultra -lo n g d irec tio n a l bo reho le a lo n g c o a l sea m in Ba o d e Co a l Min e, la w o f WOB tra n smissio n un d erc o mpo un d d irec tio n a l d rillin g wa s resea rc hed . The resea rc h results sho w tha t with the in c rea se o f bo reho le d epth, feed pressureo fslid in gd irec tio n a ld rilin gin c rea sesexpo n en tialy,a n d fin alyrea c hesra ted feed pressure o f d rillin g rig, whic h lea d s to d ec rea se o f tra n smissio n effic ien c y o f WOB. Un d er c o n d itio n o f c o mpo un d d rilin g,feed pres sureo fc o mpo un d d rilin gkeepsa -a lo wlevelwih-hein c rea seo fbo reho led ep-h,whic h is fa r lo wer tha n ra ted feed pressure o f d rillin g rig. Ro ta ry pressure o f d rillin g rig a lmo st in c rea ses lin ea rly withthein c rea s eo fbo reho led epth,butitis lo wertha n ra ted ro ta rypres s ureo fd rilin grig,whic hlea d sto high tra n smissio n effic ien c y o f WOB. The higher the pump pressure a n d pump vo lume o f mud pump a re, -he higher-he sla g d isc ha rge e fic ien c y is, -he lo wer-he fric io n resis-a n c e o f d ril in g-o o l is, a n d -he higher the t ra n smissio n effic ien c y o f WOB is. Co n versely, the lo wer the t ra n smissio n effic ien c y o f WOB is. Key words c o a l min in g ； ga s d ra in a ge; d irec tio n a l bo reho le a lo n g c o a l sea m ； weight o n bit tra n ,mi,,io n ;c o mpo un d d irec tio n a ld rilin g 收稿日期收稿日期2019-05-29修回日期修回日期2019-07-14责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目国家科技重大专项项目2016ZX05045-003-001中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新项目019XAYZD01。 作者简介作者简介刘飞1989 男，陕西永寿人，助理研究员，从事煤矿井下定向钻进工艺技术研发工作,E-ma illfxike163. c o m。 引用格式引用格式刘飞，许超，王鲜，等.顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律研究工矿自动化2019,45897-100. LI U Fei,XU Cha o ,WANG Xia n ,et a l. Resea rc h o f weight o n bt tra n smissio n la w o f ultra -lo n g d irec tio n a l bo reho le a lo n g c o a l sea m I n d ustry a n d Min e Auto ma tio n ,2019,45 8 97-100. 98 工矿自动化 2019 45 0引言引言 采用顺煤层定向钻孔进行瓦斯抽采是预防煤与 瓦斯突出、瓦斯爆炸的关键措施，已成为国内外煤矿 瓦斯治理的重要手段「T。随着中国大型高瓦斯煤 矿工作面走向长度不断增加和采煤强度增大，对顺 煤层定向钻孔深度和钻进施工效率的要求越来越 高。在顺煤层定向钻孔施工中常采用滑动定向钻进 工艺，即泥浆泵输出的高压水经过钻杆内通孔至孔 底，驱动螺杆钻具带动钻头碎岩钻进，钻杆不旋转, 仅依靠孔口定向钻机主动加压钻进。但该工艺存在 钻孔弯曲曲率大、排渣效果差、钻进效率低等问题。 为解决滑动定向钻进钻孔深度受限的难题，采用复 合钻进工艺，即利用钻机动力头带动孔内钻具回转 的同时，通过高压水驱动孔底螺杆钻具带动钻头旋 转，从而实现钻头旋转速度的叠加。由于复合钻进 时孔内钻具处于回转状态，所以钻孔轨迹平滑、排渣 效率高、机械钻速高，可有效降低孔内钻具摩擦阻 力，促使钻孔向深部延伸46 ,但复合钻进时不能对 钻孔轨迹进行精确调控。因此，提出了滑动定向钻 进和复合钻进相结合的复合定向钻进710］，即当实 钻轨迹与设计轨迹偏差较小时采用复合钻进，当偏 差较大时采用滑动定向钻进进行轨迹纠偏。 煤矿井下顺煤层超长孔定向钻进过程中，钻压 只能由孔口钻机施加，而孔内钻具受钻孔尺寸、弯曲 曲率、孔壁摩擦因数、冲洗液性能等影响，使得钻压 损失严重，产生托压现象。本文在分析超长定向钻 孔钻压传递影响因素的基础上，结合2 570 m顺煤 层超长定向钻孔实钻情况，揭示复合定向钻进条件 下顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律，以期为进一 步增加钻孔深度、提高超长定向钻孔钻进效率提供 依据。 1超长定向钻孔钻压传递影响因素超长定向钻孔钻压传递影响因素 1. 1 钻孔轨迹 煤矿井下顺煤层定向钻孔钻进过程中，钻孔轨 迹需要根据煤层起伏变化情况调整，以保证其在煤 层中有效延伸，孔内钻具要随钻孔轨迹弯曲情况而 变化。滑动定向钻进时，钻孔轨迹不平滑，孔内钻具 全弯曲强度较大，表明钻孔轨迹倾角和方位角变化 明显，孔内钻具摩擦阻力大；复合钻进时，孔内钻具 全弯曲强度相比滑动定向钻进时显著降低，孔内钻 具摩擦阻力较低，有利于实现深孔钻压高效传递。 1. 2 钻孔深度 随着钻孔深度的增加，钻杆的连接长度也逐步 增加，而多根连接的钻杆呈现出显著“柔性”特征，由 于钻杆在孔内发生屈曲，产生与孔壁间的附加接触 应力，造成孔内钻具摩擦阻力增大，导致钻进过程中 钻压传递效率降低,11-。在顺煤层超长定向钻孔钻 进过程中，钻进摩擦阻力主要来自孔内钻具自重，随 着钻杆长度的增加，孔内钻具质量越大，钻具与孔壁 的接触面积越大，因此钻进摩擦阻力越大、钻压传递 效率越低。 1. 3 孔内沉渣 在连续钻进过程中，钻头切削煤层产生的钻渣 随冲洗液清水排出钻孔，而清水携渣能力弱，同时 由于顺煤层定向钻孔结构特点，钻渣容易在孔壁下 部沉积，造成钻渣排除困难［11］ „此外，随着钻孔深 ， 泥浆 导致钻孔 渣 弱， 钻渣在孔内沉积会导致钻具与孔壁之间环空面积减 小，局部孔段钻具与钻渣充分接触，造成摩擦阻力增 大,消耗部分钻压。 1. 4 钻遇地层 钻遇地层地质条件是影响钻压传递的重要因 素孔壁粗糙程度越大,孔壁与钻具之间的摩擦因数 越大，对应的摩擦阻力也越大，不利于钻压传递；当 钻遇地质异常体时，受泥岩缩径、塌孔卡钻等影响， 会造成局部孔 钻 阻， 钻 部分 的钻压减小,12。 2工程实践工程实践 2. 1 地质概况 保德煤矿绝对瓦斯涌出量为95. 25 m3 /min，相 对瓦斯涌出量为10. 19 m3/t,属于高瓦斯矿井，主 采煤层为二叠系下统山西组8号煤层，煤层厚度为 8 m左右，瓦斯含量高、压力大，原始瓦斯含量为 4. 87〜 96 m3/t,煤层普氏系数为0. 72,地质构造 发育程度较弱。 2. 2 钻孔施工情况 利用ZDY12000LD大功率定向钻机、BLY460/13 泥浆泵车、YHD2- 1000 A有线随钻测量系统、 YHD3-1500泥浆脉冲无线随钻测量系统,13-、 89 mm螺杆钻具等装备，采用复合定向钻进工艺, 在保德煤矿二盘区某工作面施工完成了钻孔深度为 2 570 m的顺煤层超长定向钻孔，钻孔施工参数见 表1,钻孔轨迹剖面如图1所示。 表1顺煤层超长定向钻孔施工参数 Ta ble1 Co n struc tio n pa ra meters o fultra -lo n g d irec tio n a lbo reho lea lo n gc o a lsea m 煤层钻遇率/纯钻进时间/d日均进尺/m复合钻进比例/ 971619876 2019 8 刘飞等顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律研究 ・99・ -201-------------1-------------1-------------1-------------1-------------1-------------1 0 500 1000 1500 2 000 2 500 3 000 钻孔深度/m 图1顺煤层超长定向钻孔剖面轨迹 Fig.1 Pro filetra jec to ryo fultra -lo n gd irec tio n a l bo reho lea lo n gsea m 2.3 超长 向 传 规 2.3.1 钻 液 目前，煤矿井下无法直接测得孔底钻头部分的 钻压，因此一般通过钻机液压系统压力来表征钻压, 钻机液压系统压力包括钻机给进压力滑动定向钻 进给进压力、复合钻进给进压力和回转压力。顺煤 层超长孔定向钻进情况下钻机液压系统压力随钻孔 深度变化曲线如图2所示。 - - - - - - - - 0 5 0 5 0 5 0 5 3 2 2 1 3 2 2 1 复合钻进给进压力 滑动定向钻进给进压力 回转压力 105105 0 500 1000 1500 2 000 2 500 3 000 钻孔深度/in 图2钻机液压系统压力随钻孔深度变化曲线 Fig.2 Va ria tio n c urve o f hyd ra ulic system pressure o f d ril in g rig with bo reho le d epth 由图2可看出 1滑动定向钻进给进压力与钻孔深度呈指数 关系 夕0. 32exp 54, 24 9 5- 99 ⑴ 式中小为滑动定向钻进给进压力G为钻孔深度。 ①当钻孔深度为0〜1 000 m时，滑动定向钻 进给进压力从6. 5 MPa增大至8. 0 MPa ,增长幅度 为0.15 MPa /hm,呈缓慢增长模式。这是由于在 0〜1 000 m孔段,孔内钻具摩擦阻力增长幅度较小, 而大功率定向钻机提供的最大给进压力较大，能克服 该孔段钻具摩擦阻力进行定向钻进。②当钻孔深度 为1 000〜2 000 m时，滑动定向钻进给进压力从 8 MPa增大至18 MPa增长幅度为1. 0 MPa /hm,呈 稳定增长模式。这是由于随着钻孔深度的增加，孔 内钻具摩擦阻力持续增大，消耗大部分钻压。③当 钻孔深度超过2 000 m时，滑动定向钻进给进压力 从18 MPa迅速增大至28 MPa ,达到钻机额定给进 压力，增长幅度约为3. 3 MPa /hm,呈急剧增长模 式。这是由于当钻孔深度超过2 000 m后，钻机提 供的最大给进压力不足以克服孔内钻具摩擦阻力, 导致滑动定向钻进受阻。 2 复合钻进状态下，随着钻孔深度的增加，复 合钻机给进压力始终较小，最大不超过7 MPa,远低 于钻机额定给进压力。这是由于当孔内钻具开始回 转时，孔内钻具与孔壁的接触状态从连续接触转变 为间断接触”15-，孔内钻具摩擦阻力状态从静摩擦 转变为动摩擦，导致钻具摩擦阻力快速下降，复合钻 进给进压力能有效传递到钻头部分，为孔底碎岩提 供持续动力。 3 复合钻进状态下，随着钻孔深度的增加，钻 机回转压力从4 MPa增大至14 MPa ,近似呈线性 增长 x 0. 004g 9 2. 93 2 式中x为钻机回转压力。 这是由于随着钻孔深度增加，钻具摩擦阻力不 断增大，当钻机动力头回转时，不断克服孔内钻具摩 擦阻力，所以需要孔口钻机能提供较高的输出转矩, 钻 回 随 大 于钻 定回 2. 3. 2 泥浆泵泵压和泵量 泥浆泵泵压和泵量随钻孔深度变化曲线如图3 所示。为保证孔底螺杆钻具快速旋转和孔内排渣顺 畅，当钻孔深度不超过1 700 m时，泥浆泵泵压一直 处于增长状态，并逐渐接近泥浆泵额定泵压 13 MPa，泵量维持在300 L/min ,此时孔内沉渣 少，钻具摩擦阻力小，钻压传递效率高。随着钻孔深 度不断增加，泥浆泵输出的高压冲洗液不仅要驱动 孔底螺杆钻具启动和旋转，还要克服孔内循环阻力 并携带钻渣返出孔口，冲洗液沿程能量损失不断增 大o为避免长时间高负荷运转对泥浆泵造成损害, 当钻孔深度大于1 700 m,泵压维持在10〜12 MPa , 泵量快速下降并最终稳定在250 L/min,但泵量降 低会使得螺杆钻具输出转速和排渣效率降低，导致 钻压传递效率降低。 14 12 1028 6 4 2 14 12 1028 6 4 2 O O 500 1000 1500 2 000 2 500 钻孔深度/m -320 -300 -280 -260 240 3 000 图3泥浆泵泵压和泵量随钻孔深度变化曲线 Fig.3 Va ria tio n c urveo fpumppressurea n d pump vo lume o f mud pump with bo reho le d epth 3结论结论 1随着钻孔深度的增加，滑动定向钻进给进 100 . 工矿自动化 2019 45 压力呈指数型上升，即呈先缓慢增长、后稳定增长、 再急剧增长趋势，最终达到钻机额定给进压力，钻压 传递效率降低；复合钻进状态下，随着钻孔深度的增 加，复合钻进给进压力始终保持在较低水平,且远低 于钻机额定给进压力，钻机回转压力近似呈线性增 长，但低于钻机额定回转压力，孔口钻压能有效传递 至钻头，钻压传递效率高’ 2泥浆泵泵压和泵量越高，排渣效率越高，钻 具摩擦阻力越小，钻压传递效率越高，反之钻压传递 效率越低。 参考文献“References [1] 石智军，胡少韵，姚宁平，等.煤矿井下随钻测量定向 钻进使用手册[M].北京地质出版社,2012. 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