张集煤矿灰岩顺层定向钻进托压效应及影响因素分析_豆旭谦.pdf
第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 张集煤矿灰岩顺层定向钻进托压效应 及影响因素分析 豆旭谦, 王力, 王毅, 徐保龙 (中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西 西安 710077) 摘要 针对张集煤矿坚硬灰岩顺层定向钻进中发现的钻孔孔深与孔口给进压力之间的变化规 律, 在 400~500 m 孔深时出现托压现象, 运用钻柱弹性送钻理论对托压效应产生的机理进行了 分析, 能够很好地解释张集煤矿坚硬灰岩顺层定向钻进中发现的规律, 托压效应的产生主要是 受到了钻孔摩阻的影响。在此基础上, 对托压效应的影响因素进行了分析, 主要影响因素有 地 层岩性、 曲率和位移、 垂深与岩屑、 孔深、 自重与给进压力, 并从减小坚硬岩层滑动定向钻进托压 效应影响的角度出发, 从减小钻柱与孔壁的摩阻、 研发减阻降摩工具和复合钻进方面给出了优 化建议。 关键词 托压效应; 滑动定向钻进; 坚硬岩层定向钻进; 钻孔摩阻; 托压机理 中图分类号 TD321文献标志码 A文章编号 1003-496X (2020 ) 03-0168-05 Back Pressure Effect of Limestone Consequent Landslide Directional Drilling and Analysis of Influencing Factors in Zhangji Coal Mine DOU Xuqian, WANG Li, WANG Yi, XU Baolong (China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China) Abstract According to variation laws between borehole depth and orifice feed pressure found in consequent landslide directional drilling of hard limestone in Zhangji Coal Mine, back pressure phenomenon appeared at 400 m to 500 m hole depth. Theory of the drill string elastic feeding theory was used to analyze the mechanism of back pressure effect, which explained the law found in the consequent landslide directional drilling of the hard limestone in Zhangji Coal Mine. The main effect of the generating back pressure effect was due to the influence of drilling friction. On this basis, the influencing factors of the back pressure effect were analyzed. The main influencing factors were ation lithology, curvature and displacement, vertical depth and cuttings, hole depth, self-weight and feeding pressure. And from the perspective of reducing the influence of slide directional drilling on the hard rock layer, the optimization suggestions were given in reducing the friction of the drill string and the hole wall, developing the anti-friction and drag reduction tool, compound drilling. Key words back pressure effect; slide directional drilling; hard rock bed directional drilling; drilling friction; back pressure mechanism 煤矿井下近水平定向钻进技术在全国范围内广 泛地推广应用,主要得益于该技术在钻孔过程中轨 迹可以实现人为控制, 可以在某一指定的层位延伸, 可以满足煤矿在探放水、 瓦斯防治、 地质构造探测及 顶底板岩层注浆改造等工程应用中的需要[1-4]。由于 定向钻进技术在坑道钻探领域的先进性,加之煤矿 在长距离瓦斯抽放钻孔、探放水钻孔方面的迫切需 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.037 豆旭谦, 王力, 王毅, 等.张集煤矿灰岩顺层定向钻进托压效应及影响因素分析 [J] .煤矿安 全, 2020, 51 (3) 168-172, 177. DOU Xuqian, WANG Li, WANG Yi, et al. Back Pressure Effect of Limestone Consequent Landslide Direc- tional Drilling and Analysis of Influencing Factors in Zhangji Coal Mine[J] . Safety in Coal Mines, 2020, 51 (3) 168-172, 177. 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 (2016ZX05045- 003- 002) ;中煤科工集团西安研究院有限公司技 术创新资助项目 (2017XAYMS13) 移动扫码阅读 168 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 求,使得近水平定向钻孔向着更深、更远的方向发 展。2017 年 12 月中煤科工集团西安研究院有限公 司承担的国家科技重大专项课题成果“大功率定向 钻进技术与装备”在神东保德煤矿成功完成主孔深 度 2 311 m 的顺煤层超长定向钻孔,刷新了世界纪 录; 2019 年 1 月,在神东保德矿顺煤层超长定向钻 孔示范工程中完成 2 570 m 孔深的顺煤层超长定向 钻孔,创造了新的世界纪录。随着钻孔深度越来越 深,滑动定向钻进在岩层中,特别是在硬岩地层中 钻进时出现了给进压力越来越大的现象,随之带来 了钻孔钻进效率迅速降低、钻机系统负荷加重、 油 温升高易出现漏油、钻机稳固装置拔断、易发生钻 孔事故等系列问题。目前,通过升级钻机能力可以 在一定程度上提高钻孔深度[5], 但是不能从根本上 解决问题; 复合钻进工艺[6]可以解决部分问题, 在硬 岩地层中的适应性还有待进一步研究。 “托压效应” 研究出现在石油和煤层气钻井工程中,通常出现在 定向井、水平井、大位移井以及分支井等复杂结构 井弯曲井段以下的滑动钻进过程中,通常产生钻柱 托压效应[7]。目前, 在石油和煤层气钻井工程中认为 托压的产生是由于井眼轨迹差、 井眼岩屑床、 泥饼虚 厚、 钻井液的摩阻系数大等因素造成的[8]。煤矿井下 近水平定向钻进具有其特殊性,有必要研究托压产 生的基本规律及主要影响因素,揭示托压产生的基 本原因,指导煤矿井下定向钻孔向更深更远发展, 因此,以张集煤矿灰岩顺层定向钻进生产实践为 例,根据实际应用中出现的现象和问题,对定向钻 孔的托压效应进行分析。 1施工概况 1.1矿井概况 张集煤矿位于淮河中游, 淮北平原南部, 属于淮 南煤田。区内地形平坦, 构造位于陈桥背斜南翼, 矿 井构造主要受背斜形成有关,多发育正断层,构造 复杂程度中等。井田内地层有寒武系、 奥陶系、 石炭 系、 二叠系、 新近系和第四系, 石炭系假整合于奥陶 系之上,二叠系整合于石炭系太原组之上,新近系 不整合于二叠系之上。其中,石炭系含煤岩层均不 稳定, 不可采, 二叠系含煤地层 32 层, 有 7 个含煤 段。由于 A 组煤开采时, 石炭系太原组灰岩岩溶裂 隙含水层成为直接的充水含水层组,而且太原组灰 岩与下伏奥陶灰岩水局部联系密切,太原组灰岩岩 溶裂隙含水层是矿井主要水害之一[9-10], 因此, 张集 煤矿使用定向钻进技术主要用于底板灰岩探放水钻 孔施工。 1.2施工设备及工艺 施工设备采用 ZDY12000LD 大功率深孔定向钻 机, 具备 12 000 N m 输出扭矩, 给进/起拔能力 250 kN, 配套 BLY390 泥浆泵车, 最大泵量 390 L/min, 额 定压力可达到 12 MPa[5]。配套 YHD2-1000 (A) 随钻 测量系统和 5 级螺杆钻具, 用于坚硬灰岩地层钻进。 配备孔口防喷器在孔内出水的情况下可以抱紧钻 杆, 以防钻孔出水, 保证钻孔施工安全。主要施工设 备、 型号及用途见表 1。 施工工艺采用煤矿井下成熟的近水平定向钻进 关键技术, 包括轨迹控制技术、 开分支技术、 复合钻 进技术和层位控制技术[11-13]。针对探放水生产实际, 施工流程主要包括准备钻场、 设计轨迹、 开孔、 下套 管、 注浆固管、 打压试验、 孔口装置安装、 定向钻进、 终孔等[4]。 1.3灰岩钻进层位轨迹 施工地点位于张集煤矿 (北区) 西三采区, A 组 煤(又称 1煤) 倾角 7~12,平均倾角 10,煤厚 3.7~9.3 m, 平均 7.4 m。C3Ⅰ组灰岩含水层是该采区 底板直接充水含水层, C3Ⅰ组灰岩自上而下含 C31、 C32、 C33上、 C33下灰岩 4 层, 中间夹砂岩和泥质砂岩。 钻场布置在 1煤底板和 C31灰岩层之间,钻孔设计 钻进层位都要穿越 C31、 C32、 C33上 3 层灰岩,然后进 入主延伸层位 C33下灰岩。底板 C3Ⅰ组灰岩抗压强 度 31.4~98.6 MPa, 大多在 50 MPa 以上, 其中, 在定 向钻进技术应用的 C33下灰岩中采集的 3 个试验样 本得到的平均抗压强度值为 76 MPa, 属于坚固性岩 层。轨迹示意图如图 1,根据钻孔勘探线方位的不 同, 钻孔在 C33下灰岩内钻进的轨迹不同, 终孔点距 离开孔点的垂深和位移各异。 名称规格型号主要作用 定向钻机ZDY12000LD提供钻进动力 泥浆泵车BLY 390提供高压冲洗液, 驱动螺杆马达 螺杆马达7LZ897.0-5孔内定向钻进机具 定向钻头φ120 mmPDC切削孔底岩石 通缆钻杆φ89 mm/L3 m传递给进力、 冲洗液及信号 测量探管YHD2-1000T (A )测量钻孔参数 防爆计算机YHD-1000J测量数据处理及显示 孔口防喷器SFZ140/89孔口安全装置 表 1主要施工设备、 规格型号及用途 Table 1Main construction equipment, specifications, models and uses 169 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 1钻进层位示意图 Fig.1Schematic diagram of drilling horizon 2定向钻进托压效应 2.1张集煤矿定向钻进托压规律 张集煤矿在灰岩顺层定向钻进过程中,在普遍 认为随着钻进孔深的增加钻机需要提供的给进力要 持续增大的规律基础上,发现钻孔在达到某一孔深 时钻机给进力会迅速增大,随之钻进效率会快速降 低,这种较为普遍的规律会随着不同钻孔轨迹而具 有差异性, 但经过数据统计发现, 这种 “转折点” 出 现在 400~500 m 孔深范围内。 运输巷和疏水巷 2 个不同钻场滑动定向钻孔深 度和给进压力变化的趋势图如图 2,钻孔套管下深 30 m,在 30 m 以深开始在孔内下入定向钻具进行 滑动定向钻进。 从图 2 可以看出, 2 个不同钻场钻孔给进压力 的变化趋势是非常相似的,随着钻孔深度的增加, 给进压力呈现 “递进台阶式” 增大的趋势, 在某一段 孔深范围内,在保持相对匀速钻进速度的情况下, 给进压力可以维持相对稳定的水平,继续钻进, 给 进压力会在某一孔深位置增大,即需要增大一定增 量的给进压力才能维持相对稳定的钻进速度。这种 给进压力相对稳定的水平会随着孔深的增大逐渐变 短,同时给进压力的增量会随钻孔深度的增大逐渐 变大,在深孔时表现的尤为明显。就张集煤矿运输 巷和疏水巷 2 个钻场而言, 在超过 500 m 的灰岩顺 层深孔中,给进压力的增量在 450 m 左右快速变 大,随之继续增大给进压力钻进效率也会迅速降 低。从图 2 可见,疏水巷钻孔给进压力趋势线在运 输巷钻孔之上,主要是由于 2 个钻场钻孔轨迹差异 所致, 终孔方位不同, 钻孔主延伸轨迹不同, 运输巷 钻孔轨迹在剖面上沿 C33下灰岩层位持续下降, 垂 深为负;疏水巷钻孔轨迹在剖面上沿 C33下灰岩层 先下降后升高, 垂深多为正。 2.2托压效应产生的机理 托压是指在定向钻井过程中,由于钻具与井壁 之间的摩擦力太大而导致钻压不能有效传递到钻头 的现象[14-15]。石油钻井领域对托压产生的机理已做 了较多的研究工作, 主要在现有摩阻扭矩模型, 即软 杆模型和刚杆模型的基础上, 考虑实际环境条件, 得 到相应的钻具摩阻预测模型[16-19]。煤矿井下近水平 定向钻进中,产生托压效应的本质与石油钻井中是 相同的;区别在于煤矿井下近水平定向钻孔没有 垂直孔段, 开始定向钻进时, 钻具就在重力作用下贴 靠在钻孔下孔壁,一般需要在距离孔口较近的位置 开始倾角和方位角的调整,使钻孔轨迹变化到设计 主延伸方向上。 根据石油钻井相关文献,在大位移水平井钻井 过程中,水平段钻具由于欧拉效应失稳后与井壁产 生多个接触点,在钻柱与井壁接触点摩擦力的作用 下钻柱容易产生自锁现象[20]。 在煤矿井下, 定向钻孔 钻进过程中,当孔口的给进力传递到孔底的部分无 法实现碎岩或者由于钻孔太深孔口给进力被钻孔摩 阻消耗无法传递到孔底的时候,会导致钻杆柱发生 屈曲,孔口给进力的继续增大会使钻杆柱的屈曲变 形更大,从而引起钻杆柱与孔壁的接触点增多, 接 触点上的正压力增大,整个钻杆柱的摩阻力相应增 大,会将增大的孔口给进力抵消,整个孔内钻具同 样会出现 “自锁现象” 。根据生产实践经验, 在井下 坚硬岩层定向钻进过程中更容易出现托压效应。 为了分析托压效应产生的机理,结合煤矿井下 定向钻孔的特殊性,基于李子丰教授等的钻柱弹性 送钻原理[21], 孔内钻具组合送到孔底加上钻压后, 孔 口停止送钻,钻柱依靠其弹性实现送钻。长度为 L 的钻柱, 在推力 F 的作用下向孔底运动时, 在分布 滑动摩擦力 f0N 的作用下, 加到钻头上钻压为 W0 F W0 f0NL(1 ) 式中 F 为推力; W0为初始钻压; f0为送钻摩擦 系数; N 为钻柱与孔壁的线接触压力; L 为钻柱的 长度。 图 2给进压力变化趋势图 Fig.2Variation trend of feed pressure 170 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 随着钻头破岩的进行,钻头钻出的空间会使钻 压下降为 W, 钻压下降会使钻柱伸长△L, 此时依靠 弹性释放向前运动的钻柱长度为 S, S 段内钻柱与孔 壁的摩擦系数已经由 f0增加到 f, 此时推力为 F Wf0N (L-S) fNS(2) 式中 W 为瞬时钻压; S 为弹性伸长段长度; f 为 瞬时滑动摩擦系数。 从式 (1) 和式 (2) 得 S= W0-W N (f-f0) (3) 根据材料力学得 △L= (W0-W) 2 2EAN (f-f0) (4) 式中 E 为弹性模量; A 为钻柱截面积。 依钻柱弹性送钻原理, 在钻进过程中, 每次送钻 获得的进尺△L 与初始钻压 W0有关, 这与滑动定向 钻进的基本原理是相吻合的,该初始钻压会根据所 选用螺杆钻具的性能具有一定的范围,如果钻压过 大导致钻头上的负载超过螺杆钻具的最大能力, 可 能会造成螺杆钻具制动,甚至损坏。但是在该钻压 范围内,适当的提高初始钻压可以增大每次送钻获 得的进尺, 从而提高钻速。 送钻摩擦系数 f0与钻进岩层岩性、 钻孔孔深、 钻 孔曲率、 钻孔位移、 钻孔垂深、 钻具自重、 孔内岩屑 干净程度都有紧密的关系。在同一岩层内,随着钻 孔孔深的增加, 在钻孔曲率、 钻孔位移、 钻孔垂深、 钻具自重、孔内岩屑共同复杂的作用力下,送钻摩 擦系数也会随着变大, 在钻进过程中, 要实现送钻, 瞬时滑动摩擦系数同样变大,这样,为了维持相对 稳定的钻进速度,就需要增大每次送钻初始压力, 可以有效解释随着钻进孔深的增加,孔口需要增大 给进力的原因。在孔口给进力增大的同时,钻柱与 孔壁的线接触压力 N 会变大, 接触压力变大同时会 引起摩阻力增大。因此,孔深的增大会造成摩阻力 的增大变快,这样,会形成在同一给进压力下可以 维持的钻进孔深段逐渐变短,孔口给进力的增大会 变得更快。 此外, 当孔口给进压力增大到 1 个极限值后, 将 导致受压钻柱在孔内发生屈曲变形。由于受到孔壁 的限制,钻柱发生屈曲会使孔内接触点增多,钻柱 与孔壁之间的接触压力增大,从而导致整个钻柱出 现很大的摩阻力,当达到某一临界力时甚至会发生 钻柱在孔内的自锁现象。 因此, 在滑动定向钻进过程中, 随着孔深的不断 增加, 孔口给进力需要逐渐增大, 引起孔内复杂作用 下产生的摩阻力越来越大,当钻孔达到一定孔深出 现孔口给进力传递困难钻进效率降低的现象即出现 托压效应。 3影响因素分析 3.1地层岩性的影响 煤矿井下定向钻进的主要地层有煤层、泥岩地 层、砂岩地层和灰岩地层。目前螺杆钻具以清水为 冲洗介质时在松软煤层 (硬度系数<1) 中易出现塌 孔较难成孔;易发生缩颈塌孔的泥岩地层不适用定 向钻进; 在硬煤地层 (一般硬度系数≥1) 、 不缩颈不 塌孔泥岩和较软砂岩地层中可以成孔,钻头位置的 钻压比较小就可以实现钻进, 不易发生托压效应。 在坚硬砂岩和灰岩地层中, 易发生托压效应。 要 在坚硬地层中实现钻进,钻头位置需要施加较大的 扭矩, 需要配置大扭矩螺杆钻具, 同时, 孔口需要提 供较大的给进压力,钻柱与孔壁间正压力也较大, 另外, 由于坚硬地层致密, 地层与钻杆柱之间的摩擦 系数要大, 所以, 坚硬地层中钻进的摩阻大, 易发生 托压效应。张集煤矿灰岩顺层定向钻进层位 C33下 灰岩平均抗压强度值为 76 MPa,属于坚固性岩层, 在 400~500 m 孔深范围内开始出现托压效应。 3.2曲率与位移的影响 以孔口为起始位置, 钻孔轨迹具有近水平、 正角 度和负角度。为了达到某一设计目的,在同一钻孔 内可能同时出现正角度和负角度, 如图 1, 张集煤矿 为了尽快让钻孔延伸层位进入 C33下灰岩层位, 采 用大的负角度开孔穿层钻进,进入主延伸层位后又 变为正角度顺层钻进,类似于这种钻孔轨迹会形成 大的钻孔曲率。在大曲率和大位移钻孔中,钻杆弯 曲变形严重,钻杆柱与孔壁接触位置的接触压力会 随着孔口给进压力的增大而不断增大,进而使摩阻 增大,滑动定向钻进发生托压效应的几率增加。钻 孔曲率和位移越小, 轨迹就越平滑, 孔口给进压力能 够更多地传递到孔底。 3.3垂深与岩屑的影响 以正角度开孔进入目标层后近水平顺层钻进钻 孔的垂深一般为正, 冲洗液能够有效地洗孔, 同时将 钻头切削的钻屑携带出孔口;以负角度开孔进入目 标层近水平顺层钻进钻孔的垂深一般为负,钻头切 削的钻屑在重力作用下易向下孔壁沉积,冲洗液需 要较大的水量和流速将钻屑带出孔口,如果洗孔不 彻底,钻屑易在轨迹下凹位置沉积,钻屑的粘附作 171 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 用会加大钻柱的摩阻。大曲率钻孔且轨迹为下凹状 如图 1, 若洗孔不彻底, 岩屑容易堆积在钻孔轨迹最 低点, 岩屑对托压效应的影响会比较大。 3.4孔深和自重与给进压力的影响 随着孔深的增加, 钻柱的连接长度增加, 单根钻 杆的刚性变为钻杆柱的柔性,在钻进过程中依靠弹 性送钻原理实现送钻,钻压传递能力下降,同时钻 杆柱越长与孔壁的接触点越多,其受到的摩阻也越 大。当孔深达到一定值时, 在自重和摩阻的影响下, 钻柱会发生不同程度的屈曲, 随之出现托压现象。 对于上斜钻孔,孔口给进压力要克服钻杆柱自 重在轴向的分力,使给进力相对增大;对于下斜钻 孔,钻杆柱在轴向的分力一定程度补充了部分孔口 给进压力,孔口给进压力相对降低,自重对托压效 应的影响主要跟钻孔设计以及实际轨迹相关。 4优化建议 4.1减小钻柱与孔壁的摩阻 1 ) 合理选择钻进层位, 在设计允许范围内降低 地层岩性对钻柱的摩擦系数。 2 ) 优化钻孔轨迹设计, 同一钻孔目的会有多种 轨迹设计可选, 尽可能减少拐点, 降低造斜率, 提 高钻孔轨迹的光滑度, 减小钻柱与孔壁之间的接触 压力。 3) 做好轨迹控制, 在造斜段避免强造斜, 稳斜段 尽量避免沿设计左右或上下发生摆动,减少孔内钻 柱与孔壁的接触点。 4) 合理选择钻进参数, 在获得较高的钻速的同 时, 避免钻柱在孔内出现屈曲变形。 4.2研发减阻降摩工具 研究开发减阻降摩工具,减小钻柱与孔壁之间 的摩阻,石油钻井中已开发了水力振荡器、降摩阻 短节、井下振动减摩器等减阻降摩工具,随着煤矿 井下更深更远定向钻进技术的发展,也需要研究钻 柱力学和摩阻理论[22], 指导研发适用于煤矿井下滑 动定向钻进技术的减阻降摩工具。 4.3复合钻进建议 采用滑动定向钻进与复合钻进相结合的方法能 够一定程度地降低钻孔摩阻,提高钻进效率,实钻 轨迹相对平滑,提高了排渣效果,但是带弯头螺杆 钻具回转时与钻柱不同轴线的转动会引起孔底钻头 的不稳定,会造成螺杆钻具损坏、钻头磨损加快和 崩齿等现象,目前建议选择最小转速达到减阻效 果, 提高钻具寿命[23]。 5结论 1) 针对张集煤矿坚硬灰岩顺层定向钻进过程中 钻孔孔深与孔口给进压力之间的变化规律,发现当 孔深达到 400~500 m 时会出现托压现象, 并对这种 现象的规律进行了分析。 2) 运用弹性送钻理论对托压效应产生的机理进 行了分析,能够很好地解释张集煤矿坚硬灰岩顺层 定向钻进中发现的规律,托压效应的产生主要是受 到了钻孔摩阻的影响。 3) 在研究托压效应产生机理的基础上, 对托压 效应的影响因素进行了分析, 主要影响因素有 地层 岩性, 曲率和位移, 垂深与岩屑, 孔深、 自重与给进 压力。 4) 从减小坚硬岩层滑动定向钻进托压效应影响 的角度出发, 分别从减小钻柱与孔壁的摩阻、 研发减 阻降摩工具和复合钻进方面给出了优化建议。 参考文献 [1] 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 [J] .煤炭科学技术, 2011, 39 (10) 53-57. 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