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第 48 卷第 1 期煤 炭 科 学 技 术Vol. 48 No. 1 2020 年1 月Coal Science and Technology Jan.2020 移动扫码阅读 石智军,许 超,李泉新,等 . 煤矿井下 2 570 m 顺煤层超深定向孔高效成孔关键技术[J]. 煤炭科学技术, 2020,481196-201.doi10. 13199/ j. cnki. cst. 2020. 01. 025 SHI Zhijun,XU Chao,LI Quanxin,et al. Key technology of high efficeiency hole ation for ultra deep directional hole with long 2 570 m along seam in underground coal mine[J]. Coal Science and Technology,2020,481196- 201.doi10. 13199/ j. cnki. cst. 2020. 01. 025 煤矿井下 2 570 m 顺煤层超深定向孔高效成孔关键技术 石智军1,许 超1,李泉新1,陈殿赋2,郝世俊1,姚 克1 中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077；2.神华神东煤炭集团有限责任公司 保德煤矿,山西 保德 036600 摘 要针对现有定向钻进技术装备不能满足超长工作面瓦斯大区域治理对井下顺煤层定向钻孔深度 要求的问题,提出利用泥浆脉冲无线随钻测量系统替代有线随钻测量系统进行钻进参数测量,避免了有 线随钻测量系统信号传输受通缆钻杆影响的问题；基于近水平钻孔回转钻进的“岩屑楔”理论,通过优化 螺杆钻具结构及调整钻进工艺参数实现复合钻进状态下钻孔增、降、稳倾角调节,进一步提高了复合钻 进进尺比例,使钻进系统压力明显降低。 结合保德煤矿生产需要施工完成主孔深度 2 570 m、孔径 120 mm 的顺煤层超长定向钻孔,钻孔平均日进尺达到 200 m 以上,通过对该超深孔施工关键装备适应性分 析可知钻进装备稳定可靠,无线随钻测量系统信号在超深钻孔中传输稳定,复合钻进倾角控制效果良 好,系统压力参数下降明显,说明该套技术装备能满足煤矿井下 2 500 m 顺煤层超深定向钻孔的施工要 求。 研究成果可为顺煤层超深定向钻孔施工和超长工作面瓦斯超前治理提供重要借鉴。 关键词泥浆脉冲；测量系统；定向钻孔；复合钻进；超深钻孔 中图分类号TD41；P634 文献标志码A 文章编号0253-2336202001-0196-06 Key technology of high efficeiency hole ation for ultra deep directional hole with long 2 570 m along seam in underground coal mine SHI Zhijun1,XU Chao1,LI Quanxin1,CHEN Dianfu2,HAO Shijun1,YAO Ke1 1.Xi’an Research Institute,China Coal Technology Engineering Group Corp.,Xi’an 710077,China；2.Baode Coal Mine,Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Baode 036600,China 收稿日期2019-07-29；责任编辑赵 瑞 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,男,陕西省富平人,研究员,博士生导师,硕士。 AbstractIn view of the problem that the existing directional drilling technology and equipment can not meet the requirements for the depth of in-seam directional borehole in the large area of gas control in the ultra long working face. It is proposed to use the mud pulse wireless MWD system instead of the wired MWD system to measure the drilling parameters, so as to avoid the problem that the signal transmission of the wired MWD system is affected by the cable drill pipe.Based on the theory of “cuttings wedge” in rotary drilling of near horizontal borehole, the inclination of increase, decrease and balance borehole angle under the condition of compound drilling is adjusted through op- timizing the structure of DHM and adjusting the drilling parameters,which further improves the proportion of compound drilling footage and makes the drilling system pressure significantly lower.In combination with the production needs of Baode Coal Mine, the in-seam ultra- deep directional borehole with the depth of 2 570 m and the diameter of 120 mm is completed, and the average daily drilling footage is more than 200 m.According to the adaptability analysis of the key equipment of the ultra-deep borehole, it can be seen that the drilling equipment is stable and reliable, the signal transmission of wireless MWD system is stable in the ultra deep drilling, the angle control effect under the condition of compound drilling is good, and the system pressure parameter drops obviously, which shows that the technical equipment can meet the construction requirements of the ultra deep directional drilling of 2 500 m coal seam under the full coal mine.It provides an important reference for the construction of ultra deep directional drilling along the coal seam and the advanced gas control in the ultra long working face.The drilling process shows that the drilling equipment is stable and reliable, the signal of wireless MWD system is stable in the ultra-deep borehole, the angle of control inclination of compound drilling is effective, and the pressure parameters of the drilling system is obviously reduced. It shows that the technology and equipment can meet the construction requirements of the in-seam ul- 691 万方数据 石智军等煤矿井下 2 570 m 顺煤层超深定向孔高效成孔关键技术2020 年第 1 期 tra-deep directional borehole beyond 2 500 m underground coal mine.The research can provide an important reference for the construction of in-seam ultra-deep directional borehole and the comprehensive advanced control of gas in the area of ultra-long working face. Key wordsmud pulse； measurement system； directional borehole； compound drilling； ultra-deep borehole 0 引 言 为降低矿井掘进率,增加资源采出率,尽可能减 少搬家倒面,缓解工作面接续紧张状况,现阶段综采 工作面推采长度不断增加,多数煤矿工作面推采长 度达 3 000 m 以上。 在煤矿区域瓦斯治理中,一般 在工作面形成前,从其两侧的盘区大巷向工作面内 部沿走向施工顺煤层定向长钻孔进行瓦斯抽采,并 要求两侧钻孔能够全面覆盖工作面,避免因钻孔深 度不够造成工作面中间部位出现抽采盲区,从而大 幅度提高工作面瓦斯抽采效率,有效缓解工作面抽 -掘、抽-采接替矛盾[1]。 超长工作面瓦斯大区域超前治理,要求顺煤层 定向钻孔深度普遍达到 1 800 m 以上,为实现该目 标,2017 年在保德矿二盘区 81210 工作面成功试验 完成了 2 个深度 2 000 m 以上的顺煤层超深定向钻 孔,最大钻孔深度达到 2 311 m、孔径 120 mm,创造 了当时井下定向钻孔孔深世界纪录[1-3]。 但在后期的生产中,随着定向钻杆服役期限延 长,其中心通缆密封零件逐渐出现老化、变形等现 象,导致随钻测量信号传输能力逐渐降低,最终难以 满足实际生产需要[4]；另外,现有的单弯无稳螺杆 钻具在复合钻进中对钻孔轨迹倾角、方位角保持效 果良好,钻孔轨迹基本呈直线延伸,这样便需要一定 量的滑动钻进进尺来纠正轨迹,但过多的滑动定向 进尺不利于实现深孔与高效钻进[5-6]。 针对上述 2 个问题,此次工程示范分别采用泥 浆脉冲无线随钻测量系统与复合钻进倾角控制技 术,成功完成了深度 2 570 m 顺煤层超深定向钻孔, 再次创造了井下定向钻孔最深世界纪录,对于促进 井下超长工作面瓦斯治理技术发展具有重要 意义[7]。 1 工程概况 为实现保德煤矿超长工作面煤层瓦斯超前治 理,此次工程示范在总结原 2 311 m 超深定向钻孔 成功经验的基础上,通过技术改进、完善,解决有线 系统信号传输以及滑动钻进影响钻进深度和效率的 问题,使顺煤层超深定向孔深度普遍能够达到 2 000 m以上, 工程示范目标深度达到 2 500 m 以上。 1.1 工作面概况 钻孔布置在保德煤矿二盘区规划的 81209 工作 面,该工作面为远期规划工作面,基本沿南北走向, 呈东高、 西低趋势； 工作面规划区走向长度 约 3 340 m,倾向长 240 m,位于二叠系山西组下部,开 采 8 号煤层,煤层厚约 8 m,走向两端的盘区大巷已 形成,为超深定向孔施工提供了良好条件。 该工作面煤层原始瓦斯含量为4.878.96 m3/ t,钻 孔所在81209 工作面推算原始瓦斯含量为 8.48 m3/ t。 工作面直接顶为砂质泥岩,灰色至深灰色,水平层理, 层厚约 8 m,可作为钻孔探顶的标志层；伪底为灰褐 色薄层泥岩,遇水膨胀变软,厚 0.100.20 m,直接 底为泥岩、砂质泥岩,半坚硬,泥质胶结,厚2.0 m,可 作为钻孔探底的标志层。 1.2 钻孔设计 钻场位于保德矿 81209 工作面北侧的五盘区集 中一号回风大巷,钻孔设计长度 2 500 m,水平至 81209 工作面运输巷平距约 42 m,钻孔水平位移约 135 m,如图 1 所示。 图 1 2 500 m 超深钻孔平面设计 Fig.1 Plane design of 2 500 m ultra-deep borehole 1.3 施工装备配套 根 据 以 往 超 深 定 向 孔 施 工 经 验, 选 配 ZDY12000LD 大功率定向钻机,该钻机最大输出转 矩 12 000 Nm、给进/ 起拔力 250 kN,可满足滑动 定向钻进、回转定向钻进以及复合定向钻进等多种 钻进工艺要求[8]；配套 BLY460/13 泥浆泵车可实现 泵量 0460 L/ min 无级调节,泥浆泵额定输出压力 13 MPa[9]；采用 YHD2-1000 有线随钻测量系统,装 备配套 89 mm 通缆定向钻具,定向钻进一次成孔 120 mm,具体配套如下 定向钻机ZDY12000LD 泥浆泵车BLY460/13 随钻测量装置YHD2-1000A 螺杆马达直径/ mm89 791 万方数据 2020 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 定向钻杆直径/ mm89 定向钻头直径/ mm120 2 泥浆脉冲无线随钻测量系统 为解决通缆钻杆影响有线随钻测量系统信号传 输质量问题,利用 YHD3-1500 泥浆脉冲无线随钻 测量系统进行施工,并对泥浆脉冲无线随钻测量系 统在超深钻孔中信号传输的稳定性进行检验。 YHD3-1500 泥浆脉冲无线随钻测量系统总体 分为孔口单元和孔底单元,其中孔底单元由测量短 接、电池筒、驱动、脉冲发生器、过滤钻杆等组成,孔 口单元包括防爆计算机、防爆键盘、防爆存储器、压 力变送器以及随钻测量软件等[11-12]。 泥浆脉冲无线随钻测量系统工作流程如图 2 所 示,单回次钻进完成后,停止泥浆泵向钻杆内供水, 测量短接的流量开关复位,探管判断确认停泵,开始 采集钻孔轨迹倾角、方位角以及工具面向角等参数 并进行编码；当泥浆泵启动向孔内供水时,测量短节 流量开关打开,探管判断确认开泵,将测量的数据传 递给驱动短节,驱动短节根据数据信号编码控制电 磁阀的动作使脉冲发生器改变钻杆内水力通道的流 道面积,限制部分冲洗液流入钻杆内通孔,从而产生 泥浆压力正脉冲,并被安装在泥浆泵的出水口的压 力变送器检测出来,传递到防爆计算机,防爆计算机 内系统软件按预先设定的编码规则对压力脉冲信号 进行解调,得出正确的钻孔轨迹和定向钻具状态数 据。 数据传输完成后,探管测量短节自动停止供电, 脉冲发生器复位钻具内部通道恢复原状,泥浆泵压 力恢复到正常值,开始正常钻进[11-12]。 图 2 井下泥浆脉冲随钻测量系统工作流程 Fig.2 Workflow diagram of downhole mud pulse while drilling measurement system 井下泥浆脉冲随钻测量系统采用水压脉冲的方 式进行信号传输,摆脱了测量系统信号传输对通缆 钻杆的依赖,但是当前井下泥浆脉冲随钻测量系统 最大传输距离仅为 1 566 m[13-14],能否满足 2 500 m 以上钻孔随钻测量有待现场验证。 3 超深孔高效定向钻进工艺 3.1 复合定向钻进技术 当前煤矿井下随钻测量定向钻进技术主要是基 于螺杆钻具孔底动力碎岩。 早期井下定向钻进采用 纯滑动定向钻进工艺,钻进过程中泥浆泵泵送高压 水通过钻杆内通孔进入螺杆马达,从而驱动螺杆马 达转子带动钻头旋转碎岩,同时钻机推动钻具向孔 内滑动,这样螺杆钻具弯头保持稳定朝向,实现钻孔 轨迹连续人工定向控制,因此它是一种连续造斜的 定向钻进技术。 滑动定向钻进工艺具有钻孔轨迹平 滑性差、钻孔排渣效果差等局限性,相比较传统回转 钻进,滑动定向钻进孔内钻具摩阻显著增大、钻压传 递效率大幅降低,钻进系统压力随孔深增加快速升 高,不利于深孔安全、高效钻进[15-16]。 为了解决滑动定向钻进的技术局限,提出了复 合钻进,复合钻进过程中螺杆马达转子带动钻头旋 转碎岩,钻机施加轴向给进力的同时还带动钻杆进 行回转。 相对滑动定向钻进而言,复合钻进钻头转 速更高、碎岩动力更强、辅助作业更简单,因此综合 钻进效率更高；同时,复合钻进钻具的持续转动发挥 着辅助排渣作用,孔内钻屑堆积更少、孔壁更加光 滑,复合钻进孔段弯曲强度显著降低,从而有效低了 孔内钻具摩阻力,提高了深孔钻进钻压传递效率,降 低了钻进风险[15-16]。 复合钻进过程中,钻杆的持续转动导致螺杆钻 具弯头朝向不断变化,因此无法进行钻孔轨迹控制, 通过力学计算以及试验数据分析得知,采用单弯无 稳螺杆钻具在复合钻进时钻孔轨迹倾角、方位角基 本保持不变,钻孔保直效果良好,为了充分发挥复合 钻进技术优势,同时实现定向钻进,利用复合钻进轨 迹自然弯曲规律,形成了“滑动纠偏＋复合保直”的 钻进工艺技术,即复合定向钻进技术[5-6,16]。 3.2 复合定向钻进倾角控制技术 现有复合定向钻进技术的滑动纠偏,既包括方 位角的纠偏,也包括倾角的纠偏。 为实现井下定向 钻孔深度的更大突破,在保证钻孔轨迹控制精度的 情况下,应尽量增大复合钻进进尺比例,为了实现这 一目标,提出了复合钻进倾角控制技术,即利用复合 钻进代替滑动钻进进行倾角纠偏控制。 倾角控制包 括增倾角、降倾角和稳倾角 3 种工况。 3.2.1 增倾角控制机理 为了实现复合钻进增倾角,对现有单弯无稳螺 891 万方数据 石智军等煤矿井下 2 570 m 顺煤层超深定向孔高效成孔关键技术2020 年第 1 期 杆钻具结构进行改进,如图 3 所示,新螺杆钻具定子 弯接头上设置 1 个螺旋稳定器,直径 114 mm,略小 于定向钻头。 根据煤矿井下近水平钻孔回转钻进岩 屑对钻孔轨迹弯曲影响的“岩屑楔”理论,在以较高 的钻进速度和较低的钻杆转速钻进时,钻屑粒径、钻 屑量增大,易在钻孔下缘发生堆积,当工具面旋转至 0,90和270,360区间时,螺杆弯头朝上,稳 定器受堆积钻屑的支撑形成支点,增加钻头向上造 斜的趋势,当工具面旋转至90,270区间时,受 钻屑支撑作用,限制了钻头向下侧向切削能力,从而 总体上产生了增倾角的效果[17]。 图 3 新型螺杆钻具结构示意 Fig.3 Structural sketch of new screw drill tool 3.2.2 降倾角控制机理 复合钻进中,螺杆钻具在转动过程中,弯头朝向 周期变化,工具面向角旋转至90,270区间时, 钻头正面切削孔底煤岩体的同时,钻具组合在重力 作用下,钻头外出刃[18-20]图 4会切削孔壁下缘煤 岩体,使钻孔有向下偏斜的趋势,此时可以通过降低 钻进速度、提高钻杆回转速度的方法,提高钻头下切 位移量与正向进尺量的比值,从而达到降低钻孔倾 角的目的。 图 4 120 mm 定向钻头结构示意 Fig.4 Structural sketch of 120 mm directional drill bit 3.2.3 稳倾角控制机理 增倾角控制的“低转速、高钻速”工艺特点与降 倾角控制的“高转速、低钻速”正好相反,因此它们 之间必然存在一个稳倾角的中间状态。 4 施工情况及效果分析 2019 年 1 月,在保德煤矿 81209 工作面,历时 20 天,成功完成了主孔深度 2 570 m 的顺煤层超深 定向钻孔,又一次创造了井下顺煤层定向钻孔孔深 纪录。 单孔施工总进尺 3 164 m,开分支孔 9 个,钻 孔探顶 8 次、探底 4 次,煤层钻遇率 97％,孔径 120 mm,正常钻进情况下平均日进尺达到 200 m 以 上,钻孔轨迹剖面如图 5 所示。 1-11-9 为分支孔编号 图 5 2 570 m 顺煤层超深定向钻孔轨迹剖面 Fig.5 Track Profile of ultra-deep directional borehole drilling along coal seam of 2 570 m 4.1 关键装备适应性分析 4.1.1 钻机 钻进过程中,钻机主要作用是提供回转动力和 给进、起拔力。 当孔深达到 2 000 m 以上时,钻机复 合回转压力、滑动给进压力和复合给进压力最高分 别为14、26 和6.1 MPa,除了滑动给进压力接近极限 压力 28 MPa,其他 2 项参数均有较大的富余量,分 别达到 50％和 78％。 4.1.2 泵车 泥浆泵流量和压力随孔深变化如图 6 所示,在 等流量条件下,受沿程阻力影响,泥浆泵压随孔深增 加基本呈线性增长,当孔深达到 1 700 m 时,泥浆泵 压接近额定值压力 13 MPa,为避免泥浆泵压力达到 极限,将流量下调至 300 L/ min 以下,孔深达到 2 100 m以上时钻进流量稳定在 250 L/ min,能够满 足钻进及排渣需要。 图 6 泥浆泵泵量和压力随孔深变化曲线 Fig.6 Variation curves of pump volume and pressure of mud pump with hole depth 4.1.3 测量系统 钻进开始采用 YHD2-1000A有线随钻测量 991 万方数据 2020 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 系统,当钻进至 1 824 m 时,受通缆钻杆影响,有线 随钻测量系统已无法稳定传输信号,信号电压随孔 深变化曲线如图 7 所示,信号衰减系数为新钻杆的 2.65 倍[1]。 图 7 信号电压随孔深变化曲线 Fig.7 Signal voltage variation curve with hole depth 随后起钻更换 YHD3-1500 泥浆脉冲无线随钻 测量系统并完成后续孔段施工,成功测量至 2 570 m,期间测量解调误码率低于 3％,信号传输稳定。 4.2 复合钻进效果分析 通过试验得出利用复合钻进动力头转速和给进 速度的调节实现钻孔轨迹倾角的调节模式。 根据试 验数据,在煤层中,当复合钻速高于 60 r/ min、给进 速度低于 0.25 m/ min,倾角降低；当复合钻速低于 40 r/ min、给进速度低于 0.4 m/ min,倾角上升；当复 合钻速约 40 r/ min、给进速度约 0.3 m/ min,倾角基 本保持不变。 复合钻进控制倾角造斜率可以达到 0.15/ m,完全可以满足定向钻进轨迹控制的需要。 通过复合钻进倾角控制,复合钻进比例明显提 高,该钻孔复合钻进占比达到 76％,较 2 311 m 钻孔 提高 11％,回转压力也由 19 MPa 降低至 14 MPa,有 效降低了钻进摩阻。 4.3 瓦斯抽采数据分析 钻孔施工过程中,定期对钻孔的瓦斯涌出量进 行统计,如图 8 所示,随着钻孔深度增加,钻孔瓦斯 涌出量也逐渐增大。 图 8 瓦斯流量随孔深增加变化趋势 Fig.8 Trend of gas flow rate with increase of hole depth 5 结 论 1采用大功率定向钻进装备及泥浆脉冲无线 随钻测量系统,配合使用复合定向钻进工艺完成了 煤矿井下 2 570 m 顺煤层超深定向钻孔,对于解决 超长工作面瓦斯超前治理提供了可靠的技术与装备 保障。 2通过优化螺杆钻具结构及调整钻进工艺参 数实现了复合钻进倾角有效控制,提高了复合钻进 孔段长度占比,使钻进系统压力明显降低,对超深孔 安全、高效钻进发挥了重要作用。 3对超深孔施工关键装备适应性分析可知,除 了钻机滑动给进压力接近极限外,其他压力参数均 有较大的富余量,说明该套技术装备能满足 2 500 m 超深定向钻孔施工要求。 参考文献References [1] 李泉新,石智军,许 超,等.2 311 m 顺煤层超长定向钻孔高效 钻进技术[J].煤炭科学技术,2018,46427-32. 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