软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备_张杰.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY gas drainage; pneumatic screw motor; directional drilling; completion technology with screen pipe; Huainan 高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井占我国煤矿总数的 三分之一左右，其中约 60的开采煤层属于松软、 低渗煤层，典型的两淮、平煤、焦作、阳泉等矿区 以及六盘水含煤区都广泛分布着松软煤层。长期以 来，松软低渗煤层瓦斯治理是诸多矿井安全高效生 产面临的最大障碍之一。 井下钻孔抽采一直是瓦斯治理最有效的技术手 段，但在松软煤层中钻进存在喷孔、塌孔严重、卡 钻事故多、成孔难等系列问题[1-6]。液动螺杆钻具定 向钻进工艺由于高压水冲刷孔壁而成孔难，中风压 空气钻进技术优势明显，较水对煤层冲刷小、渗透 性弱，在煤层裂隙内“冲刷”作用不明显，有利于松 软煤体孔壁稳定。但井下顺层钻孔仍不能完全满足 松软煤层瓦斯高效抽采需要，最根本的原因是常规 钻进轨迹不可控，顺煤层长距离延伸难，容易进入 顶底板，无法保证成孔率；此外，钻孔轨迹不可控 ChaoXing 第 2 期 张杰等 软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备 37 制且无法测量， 易形成瓦斯抽采空白带和治理盲区， 存在严重安全隐患[7-9]。 因此，结合中风压钻进技术和液动螺杆钻具定 向钻进技术优点[10-12]，开发气动螺杆钻具定向钻进 技术与装备，以实现松软煤层钻进轨迹可控且能够 顺煤层长距离延伸，适应薄煤层、起伏煤层钻进成 孔，提高成孔率、消除治理盲区，实现松软煤层瓦 斯高效治理的目的。 1 技术原理 根据松软煤层顺层定向钻孔施工需要，以工作 面巷道为钻场，利用窄体定向钻机垂直工作面进行 施工，采用气动螺杆钻具为孔底动力钻具，配套随 钻测量系统进行定向钻进，从而使瓦斯抽采钻孔沿 松软煤层延伸并覆盖工作面和待掘巷道，钻孔成孔 后采用筛管完孔，钻具实现全孔段安设筛管[10]。 采用井下防爆空压机或制氮机作为动力源，提 供压缩空气氮气作为动力介质和排渣介质，压缩 空气通过供风管路和钻杆到达孔底后，驱动气动螺 杆钻具回转从而带动钻头回转，实现对孔底煤体的 切削破碎；同时，压缩气体将运转和钻进过程中产 生的热量带走，并将孔内产生煤渣沿钻具与孔壁之 间环空间隙排出孔外[13-14]。 钻进过程中，电磁波随钻测量系统将钻孔轨迹参 数如倾角、方位角等数据通过电磁波传输至孔口，孔 口接收装置接收数据并处理后，将钻孔数据和钻孔轨 迹显示出来，根据轨迹变化情况进行调整和控制。当 滑动定向钻进时，通过定向钻机转动钻杆，改变气动 螺杆钻具工具面向角，来改变钻头切削方向，此时整 个钻杆不回转，仅钻头回转，在钻机给进作用下，实 现轨迹定向控制；复合钻进时，钻机带动钻杆回转， 此时钻孔按照原来轨迹延伸，钻具回转有利于排渣。 钻进完成后，提出定向钻具，重新下入筛管完 孔钻具，然后通过钻杆内部安设护孔筛管，最后提 出钻具，筛管留在孔内并封孔，最终实现定向顺层 钻孔的可靠护孔和有效利用。 2 钻进装备 2.1 气动螺杆钻具 研制出适用于煤矿井下松软煤层钻进用小直 径气动螺杆钻具，气动螺杆钻具直径 73/82 mm， 螺杆马达外管为螺旋结构，提高软煤排渣效率， 芯杆直径 73 mm，螺旋结构外径 82 mm，转矩 256 Nm，转速 165 r/min，满足回转复合钻进和滑 动定向钻进工艺要求，填补了国内外空白[15]。该钻 具性能参数见表 1。 图 1 气动螺杆钻具实物 Fig.1 Physical map of air screw motor 表 1 气动螺杆钻具性能参数 Table 1 Perance parameters of air screw motor 规格/ mm 排量/ m3min–1 压降/ MPa 转速/ rmin–1 扭矩/ Nm 73/82 58 0.5 165 256 2.2 巷道“T”型窄体定向钻机 适用于狭窄巷道内垂直巷道施工的 ZDY4000 LDB型窄体定向钻机图 2，采用“T”型前挂机身、 转盘多角度调节、窄机身结构，该钻机体积小、能 力大，其开孔倾角、开孔方位和开孔高度均可根据 需要调节，解决了常规定向钻机不适合垂直巷道施 工、需开拓专用钻场的难题。钻机性能参数见表 2。 图 2 ZDY4000LDB型窄体定向钻机 Fig.2 ZDY4000LDB narrow directional drilling rig 表 2 ZDY4000LDB窄体定向钻机性能参数 Table 2 Perance parameters of ZDY4000LDB directional drilling rig 项 目 数 值 配套钻杆直径/mm 73 额定转矩/Nm 4 000900 额定转速/rmin–1 45190 主轴倾角/ –9090 开孔高度/m 0.781.48 额定给进/起拔力/kN 80/120 给进起拔行程/mm 950 电机功率/kW 75 最大行走速度/km˙h–1 1.2 最大爬坡能力/ 15 钻机质量/kg 9 400 钻机外形尺寸/mm 4 4901 1002 000 ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 48 卷 2.3 气动电磁波随钻测量仪器 根据气动螺杆钻具钻进施工需要，改造设计低 压气体检测装置、流量开关和减振装置，研制出气 动螺杆钻具定向钻进用电磁波随钻测量系统。 该系 统由测量探管、孔口装置和无磁钻杆等部分组 成图 3。测量系统的电池采用智能管理技术，通过 压力检测智能控制仪器休眠或工作，降低电源电量 消耗，工作时间由原来连续工作 80 h 延长为 260 h。 探管内设计主动减振装置，抑制振动振幅，减小钻 进时对仪器的振动，保证测量精准，抗振能力由一 般抗振设计要求的 8 g 提升为 24 g。测量系统性能 参数见表 3。 图 3 电磁波随钻测量系统 Fig.3 Electromagnetic wave MWD system 表 3 电磁波随钻测量系统性能参数 Table 3 Perance parameters of electromagnetic wave MWD system 测量精度/ 倾角 方位角 工具面向角 传输 距离/m 续航 能力/h 抗振 能力/g 0.2 1.2 1.2 ≥300 260 24 2.4 配套软煤钻具 针对松软煤层压风钻进特点，对气动螺杆定向 钻具进行配套研制和选型。其中，外径 82 mm 大 通孔整体螺旋钻杆图 4满足定向钻进和筛管完孔 需求，外螺旋结构有利于排渣，大通孔结构减少风 阻，同时能够实现钻杆内下筛管。 图 4 82 mm 整体螺旋钻杆 Fig.4 82 mm integral spiral pipe 钻头采用 108 mm 定向钻头图 5，合理钻具 级配，有利于钻进排渣；通过优化钻头水眼和切削 齿的布置，利于钻头冷却、保径并减少孔壁扰动， 满足定向钻进施工和开分支工艺要求。 图 5 108 mm 定向钻头 Fig.5 108 mm directional bit 2.5 空压机/制氮机 由于气动螺杆钻具钻进要求的风压风量均较 高，因此，采用井下防爆空压机或制氮机进行供风。 为确保深孔钻进和排渣需要，采用矿用空压机的额 定风压为 1.25 MPa，额定排量 17 m3/min。 3 软煤定向钻进成孔与护孔工艺 3.1 定向成孔工艺 气动螺杆钻具定向钻进不同于液动马达定 向钻孔施工，在松软煤层钻进过程中，由于煤层 松软破碎、钻渣较多，为保证排渣和成孔效率， 采用复合钻进与滑动定向钻进相结合的方式， 其 中以复合钻进方式为主、 滑动定向纠偏为辅的施 工方法。 a. 复合钻进 钻进时，钻机带动钻杆回转，同 时孔内压风驱动气动螺杆钻具运转，从而带动钻头 回转图 6a。此时，在整体式螺旋钻杆螺旋翼片搅 动作用下，提高排渣效果，确保孔内畅通。 仿真分析表明，细颗粒煤粉，其沉渣程度主要 受风量影响；一定直径大颗粒煤粉，沉积程度受风 量和转速双重影响。当风量为 600 m3/h 时，转速达 80 r/min 才没有沉渣；当风量为 350 m3/h 时，转速 达 120 r/min 才没有沉渣；当风量为 300 m3/h 时，转 速 120 r/min 时，底部有少量沉渣。因此，采用复合 钻进回转速度 60120 r/min，是液动螺杆钻具复合 钻进转速的两倍甚至三倍以上。为保证排渣效果， 减少煤粉沉积，风量要求达到 350 m3/h 以上。 复合钻进时，由于螺杆钻具工具面随着钻杆回 转不断变化，在一定给进压力和速度下，钻具不起 造斜作用，钻孔大致沿原轨迹方向延伸；当采用较 ChaoXing 第 2 期 张杰等 软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备 39 快的给进速度时，由于煤层堆积和支撑作用，会出 现倾角上升；给进很慢时，由于充分排渣，在自重 作用下会有一定降斜效果。 b. 滑动定向钻进 当钻孔偏离设计轨迹时， 采用滑动定向钻进方式钻进施工，即通过调整气 动螺杆钻具工具面来进行轨迹调整或纠偏图 6b。为了保证充分排渣，不造成堆积及不返风情 况出现，一般滑动定向钻进 3 m 后需要回转排渣， 再进行滑动定向钻进，如此依次循环钻进。定向 纠偏完成后，则停止滑动定向钻进，更换复合钻 进方式钻进。 滑动定向钻进时，钻杆不回转，煤粉依靠压风 向孔外排出，要求保证大风量减少沉积，确保一定 的排渣能力，风量应达到 600 m3/h 以上，当风量低 于 350 m3/h 时，应当充分回转扫孔排渣，确保孔内 顺畅和施工安全。 图 6 复合钻进与滑动定向钻进工艺原理 Fig.6 Technical principle of compound drilling and sliding directional drilling 3.2 筛管完孔工艺 针对松软煤层筛管护孔问题，主要存在筛管完 孔钻具在坍塌钻孔能否沿主孔轨迹顺利下入及筛管 防堵塞两方面难题。为了防止二次下入开出新分支 孔，研制设计了“子弹头”形可开闭式导向钻头，保 障钻具重入；针对圆筛管易堵塞难题，研究煤粉特 性，开发了缝宽 2 mm缝长 30 mm 割缝筛管，在同 等过流面积条件下，煤粉通过量仅为常规圆眼筛管 的 1/10，解决传统常规的圆形筛眼因煤粉堵塞抽采 通道影响抽采效率的问题。 下筛管钻具组合89 mm 可开闭式导向钻头 73/63.5 mm 整体式大通孔螺旋钻杆。 定向钻孔的筛 管安设工艺定向钻孔成孔后，提出孔内定向钻具， 然后下入筛管完孔钻具至孔底，再从筛管完孔钻具 内部下入筛管，筛管下到位后提出钻具，筛管留在 孔内图 7。该技术实现了定向钻孔全孔段安设筛 管，提高了瓦斯抽采效果。 图 7 筛管完孔工艺原理 Fig.7 Principle diagram of screen pipe completion technology 4 现场试验 在安徽淮南某矿开展了松软煤层气动螺杆钻具 定向钻进试验，施工定向钻孔横穿工作面，同时对 待掘巷道条带和工作面预抽消突，探索松软煤层气 动螺杆钻具定向孔横穿工作面递进式瓦斯抽采模式 可行性。 a. 试验目的 试验点选择 171023工作面，以 工作面长宽为 100 m200 m 为试验区域，不再施 工穿层孔进行条带预抽，试验采用横穿工作面顺层 钻孔对掘进巷道和工作面进行瓦斯预抽以实现消 突， 通过掘进和回采检验定向孔区域瓦斯抽采效果， 验证该瓦斯抽采模式的可行性。 试验煤层为 13-1 煤，煤层平均厚度 4.0 m，硬 度 f 系数 0.30.5，属于突出危险区，实测瓦斯压力 2.8 MPa、含量 8.4 m3/t。钻孔设计穿过工作面和另 一侧运输巷道后继续钻进 20 m，因而，钻孔设计深 度 220 m。 b. 钻孔瓦斯抽采 试验共施工 22 个钻孔，18 个 220 m 以上钻孔，钻孔平均见煤率 92.9；终孔 段 60 m，见煤率 100，钻孔全孔段安设筛管。 钻孔施工完成后连接管路进行瓦斯抽采，巷道掘 进前考察其中14个钻孔累计抽采瓦斯纯量32.2万m3。 通过施工的 6 个校验孔测得运顺巷道平均瓦斯含量 由 8.4 m3/t 降至 3.4 m3/t，瓦斯预抽率达 60，瓦斯 压力由 2.8 MPa 降至 0.38 MPa。 ChaoXing 40 煤田地质与勘探 第 48 卷 c. 煤巷掘进和工作面回采 2018 年 5 月， 试验 区域内 101.9 m 巷道掘进贯通，平均日进尺 9.3 m， 实现了安全高效掘进。 巷道掘进期间执行循环预测， 回风瓦斯及预测指标“两不超”，T2探头最大瓦斯体 积分数 0.23图 8。 图 8 煤巷掘进 T2最大瓦斯体积分数和绝对瓦斯涌出量 Fig.8 T2 maximum gas concentration and absolute gas emis- sion during coal roadway excavation 11 月，试验区域工作面开始回采，平均日回采 原煤产量 8 750 t，配风量 2 320 m3/min，回风最大 瓦斯体积分数 0.29、风排瓦斯 6.73 m3/min，满足 安全回采需要。回采期间回采产量与回风瓦斯体积 分数曲线如图 9 所示。 结果表明，气动螺杆钻具定向孔可对工作面和 待掘进巷道进行区域瓦斯预抽消突，其横穿工作面 递进式瓦斯抽采模式具有可行性。 图 9 回采期间日回采进尺与最大瓦斯体积分数 Fig.9 Mining speed per day and maximum gas concentration 5 结 论 a. 针对碎软煤层常规回转钻进瓦斯治理效率 低、成本高等问题，提出气动螺杆钻具定向钻进技 术，并开发了由气动螺杆钻具、窄体定向钻机、随 钻测量系统等组成的煤矿井下气动定向钻进技术装 备，解决了松软煤层顺层定向钻孔长距离定向成孔 和可靠护孔难题。 b. 试验表明，松软煤层中气动螺杆钻具定向成 孔和筛管护孔工艺可行，瓦斯抽采效果好，可高效 掩护煤巷掘进和工作面瓦斯预抽，满足软煤井下瓦 斯高效治理需要。 c. 气动螺杆钻具定向钻进技术为松软煤层采 前瓦斯预抽治理提供了新的技术手段， 对提高瓦斯 抽采效果和保障煤矿安全高效生产起到积极推动 作用。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 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[J]. 煤炭学报，2012，371117–121. 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