抽放瓦斯顺煤层长钻孔施工技术.pdf

第 3 1 卷 第 2期 2 0 0 3年 4月 煤 田地质 与勘探 C 0A L G E 0 U GY E XP L ORA T I ON 61 文章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 o o 3 0 2 - 0 o 6 1 0 2 抽 放瓦斯顺 煤层长钻孔施 工技术 郝世俊 ， 石智军， 孙荣军， 刘卫东 煤炭科学研究总院西安分院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 介绍 了抽放 瓦斯顺煤层长钻孔试验情况。在试验 中使用定向钻进技术施工 了 3个钻孔 ， 有 1 个试验孔深度达 5 0 9 ． 0 3 m， 是 目前 国内最深的全煤层长钻孔 ， 平均纯钻进 时效 2 4 ． 4 m ／ h 。这些抽放 孔的瓦斯涌 出量均达到 2 ． 0 ～2 ． 5 ／ ra i n 。 关键词 抽放 瓦斯 ； 顺煤层长钻孔 ； 定向钻进 中图分类号 1 ％3 4 ． 5 文献标识码 A 1 引 言 与传统的底板穿层密集钻孔进行区域性瓦斯预 抽相比较 ， 采用顺煤层长钻孔进行本煤层模块 瓦斯 预抽， 可减少钻探工作量 ； 缩短工作面准备周期； 降 低成本； 提高瓦斯抽放效率； 满足高产高效综采技术 的要求 。为了在晋城矿区高瓦斯矿井实现本煤层模 块瓦斯预抽 ， 作者于2 0 0 1 年 9 ～1 0月在晋煤集团寺 河矿进行了“ 抽放瓦斯顺煤层长钻孔定 向钻进技术 研 究 ” 的工业 试验 ， 共 完成 3 个试 验钻 孔 ， 总进 尺 1 1 6 3 ． 5 3 m， 最大孔深 5 1 9 ． 5 i n 。其 中 1 号孔深度为 5 0 9 ． 0 3 i n ， 全孔在煤层中延伸， 是 目前国内最深的全 煤层长钻孔 ， 施工该孔纯钻进 时间 2 0 ． 8 5 h ， 平均纯 钻进时效 2 4 ． 4 m ／ h 。 2 钻场和地质条件 山西省沁水县寺河矿是晋煤集团的新型现代化 矿井。试验钻场位于寺河矿东二盘区 1 0 2 0 1 7 s 巷道 南侧 ， 巷道宽 4 ． 5 m、 高 3 ． 5 m， 钻 场西侧 有 1个 和 1 0 2 0 1 5 s 巷道相连的横贯， 通风顺畅， 交通便利， 水电 供应充足。试验钻孔位于 3 号煤层， 该煤层平均厚 度 6 ． 5 i n 。煤质坚硬 、 性脆 ， 呈光亮型 ， 可钻性 4～6 级。煤层含夹矸 0～4层 ， 夹矸 厚度 0 ． 1～0 ． 8 i n不 等 ， 一般为 1 ～2层。煤层下部内生裂 隙发育 ， 煤层 中瓦斯含量较大 ， 上下底板均 为深灰色泥岩和细粒 砂岩 ， 细粒砂岩可钻性t 7～8 级 。 3 施工装备 3 ． 1 施工设备及仪器 所有设备有 MK一6型全液压坑道钻机和 B W一 3 2 0型泥浆泵。M K一6型钻机可施工孔深为 6 0 0 i n 、 终孔直径为 8 0～2 0 0 m m的钻孔。该钻机 由主机 、 泵 站和操纵台 3 部分组成， 其解体性好， 搬迁方便， 适 合煤矿坑道有限空 间施工 ； 采用全液压动力头式结 构 ， 转速和扭矩调节范围大 ， 钻进 工艺适应能力强； 给进起拔能力达到 2 1 0 k N， 处理夹钻、 卡钻等孔内事 故能力强 ； 钻具拧卸实现 了机械化。B W 一3 2 0型泥 浆泵泵量 6 6～3 2 0 L ／ ra i n 和泵压 4～1 0Ⅶ a 的调 节范围较宽 ， 可满足保直钻进和造斜钻进的要求 。 测斜仪选用 c Q一1 A型磁球定向测斜仪， 该仪 器用于非磁性钻孔孔段单点测量倾角和方位角， 可 同时实现倾角和方位角的测量， 具有结构简单、 耐 震、 精度高、 测程大、 功能多、 测量结果直观等特点。 该仪器由仪器和探管两部分组成， 其倾角测量误差 为 1 。 。 3 ． 2 钻具 施工中选用 了 3种钻 头 9 4 n l l n内凹式复合 片钻头 ， 用于钻孔保直钻进 ； 9 4 n l l n支柱型球面复 合片钻头， 用于钻孔造斜、 纠斜钻进； 9 4 n lln三翼 刮刀复合片钻头， 用于钻进软岩或易发生钻孔坍塌、 埋钻现象的地层。使用钻杆为 7 3 m m的外平高强 钻杆。试验 中使用 了保 直组合钻具 和下斜组合钻 具 保直组合钻具由 7 3 m m钻杆、 稳定器和 9 4 m m内凹式 复合片钻头组成 ； 下斜组合 钻具 由 7 3 m m钻杆 、 稳定器和 9 4 m m支柱型球面复合片钻头 组成。稳定器也称扶 正器 ， 是外径接近于钻头外径 且焊有合金外保径的接手。 4 工业性试验 试验采用小孔段跟踪法 ， 根据孔 口排渣及测斜 数据推断钻孔在煤层中的位置， 决定使用保直钻进 工艺或造斜 、 纠斜钻进工艺。施工工艺流程如图 1 。 4 ． 1 保直钻进工艺 根据地质资料 ， 钻孔开孔后孔深 1 5 0 i n内煤层 薯 县 ； 7o _ - ，男 ， 内 蒙 古 凉 城 县 人 ，煤 炭 科 学 研 究 总 院 西 安 分 院 工 程 师 ， 在 读 博 士 生 ，从 事 近 水 平 孔 定 向 钻 进 作 者 筒 介 郝 世 俊 1 7O 一 ，男 ， 内 蒙 古 凉 城 县 人 ，煤 炭 科 学 研 究 总 院 西 安 分 院 工 程 师 ， 在 读 博 士 生 ，从 事 近 水 平 孔 定 向 钻 进 技术的研究及推广工作 ． 维普资讯 6 2 煤 田地质 与勘探 第 3 1 卷 图 1 施工 工艺流程 倾角变化不大， 因此采用保直组合钻具开孔。在钻 进过程中根据钻孔排渣情况和测斜数据， 再更换使 用造斜、 纠斜组合钻具。保直组合钻具工作机理是 根据钻进工艺中“ 满” 、 “ 刚” 、 “ 直” 的要求 ， 钻进过程 中在 内凹式复合片钻头岩心柱 的导向和等间距布置 的稳定器的作用下 ， 钻头不会或很少切削孔壁 ， 以便 使钻孔轨迹沿原方向延伸。在煤层中使用组合钻具 保直钻进时， 应采用中等钻压和泵量， 使岩煤屑形成 的堆积桥对钻具的支撑作用和钻具 自重实现平衡， 从而实现钻孔保直钻进。试验中使用的保直组合钻 具见图 2 。根据 1号孔 的测斜数 据 ， 在试验煤层该 钻具有良好 的保直效果 。 4 ． 2 造斜和纠斜钻进工艺 根据造斜、 纠斜对钻孔轨迹所产生的效果 ， 可以 将这类组合钻具分为使钻孔倾角增大的上斜钻具和 使钻孔倾角减小的下斜钻具， 该类组合钻具和支柱 式球面复合片钻头配合使用。根据钻进过程中钻孔 轨迹变化情况， 本次试验中只使用了下斜组合钻具 图 2 。下斜组合钻具 的基本工作原理就是通过合 理布置稳定器， 使钻头后部所接钻杆产生向上挠曲， 而钻头产生 向下的转角。正常钻进时在钻压和钻具 自重的影响下， 上述作用加剧， 钻头切削孔壁下侧力 量加强， 从而使钻孔轨迹下斜。使用组合钻具调整 钻孔轨迹下斜时， 应采用小钻压和大泵量， 这可保持 孔内干净， 避免岩煤屑对钻具的支撑作用。在试验 中， 1号钻孔在孔深 2 8 0 m时使用下斜组合钻具钻 进 7 0 m， 取得了预期的造斜效果 。 4 ． 3 施工概况 试验孔开孔直径 1 5 3 n l r n ， 进尺 8 m， 终孔直径 9 4 m m； 设计孔深 5 0 0 m 。由于开孔采用保直钻进工艺， 为了定位准确和更好地保直， 先用 9 4 111 1／ 1 保直组 合钻具一次成孔 ， 然后 再用 1 5 3 1 1 1 1／ 1 的钻 头扩 孔 ， 以满足封孔要求 。 4 钻头 稳定器 7 3钻杆 ／一／一厂一 4 钻头 稳定器 7 3钻杆 ／一／一厂一 图 2 组合钻具示意图 上 保直钻具 ； 下 下斜钻具 表 l 1 号钻孔操作规程参数表I 地层均为煤层 珊m 嚣鼎 } 0 1 0 0 保直9 01 2 0 2 ． 0 2 ． 5 0 ． 3 0 1 1 8 1 0 02 8 0 保直9 01 2 0 2 ． 5 2 ． 5 0 ． 3 1 ． 0 1 1 8 2 8 0 3 5 0 下斜1 2 01 6 0 3 ． 0 3 ． 0 0 ． 4 2 ． 0 2 3 0 3 5 05 0 0 保直1 2 01 6 0 3 ． 5 3 ． 5 0 ． 4 2 ． 5 2 3 0 1 号钻孔布置在煤层底板 以上 1 ． 5 m， 开孔倾角 1 ． 5 o 。采用保直组合钻具、 9 4 R Il TI 内凹式钻头钻进 至2 8 0 m时， 钻压升高、 进尺缓慢， 经测斜钻孔倾角 为 1 。 ， 提钻后发现钻头严重磨损。由测斜数据知道 钻孔保直钻进 2 8 0 m， 钻孔位置接近煤层顶板， 因此 换用下斜组合钻具、 9 4 1 1 1 1 ／ 1 球 面支柱 式复合片钻 头继续钻进 ， 孔深 3 5 0 m测斜得钻孔倾 角 一1 。 。以 后钻进过程 中钻压 、 钻 速、 泵压及排渣均正常 ， 直至 5 0 9 ． 0 3 m终孔。具体操作规程参数如表 1 。 2 号钻孔开孔倾角 3 ． 5 。 ， 采用保直组合钻具钻 进至 1 3 5 m时， 瓦斯浓度剧增， 顶钻现象严重， 从安 全角度考 虑 ， 寺河矿建议停钻封孔。3号钻 孔开孔 倾角 3 o ， 采用保直组合钻具在煤层中钻进 1 6 0 m， 钻 孔进入夹矸 ， 据地质资料 ， 沿钻孔方 向煤层夹矸厚度 约 0 ． 8 m， 且孔深 1 6 0 m后 煤 层 倾 角 由 3 o 变 化 为 一 2 o ， 因此换用下斜组合钻具钻进至 5 1 9 ． 5 m终孔， 钻孔一直在夹矸 中延伸。 5 结语 研究推广适用 于我国煤矿钻进顺煤层长钻孔用 的钻机及钻进工艺将产生明显的经济效益和社会效 益。本次试验为晋煤集 团寺河矿实现长钻孔本煤层 模块式预抽瓦斯奠定了良好的技术基础 ， 也为国内 类似地质条件下采前煤层瓦斯抽放以及井下工作面 地质勘探和煤层气开发提供 了先进的技术思路 。 参考文献 [ 1 ] 孙荣军编著 ． 顺煤层 长钻孔 定向钻进工 艺技术开发 研究 [ R ] 煤科总院西安分院科研报告， 2 0 0 1 ． 1 l ll n g t e c h n o l o g y o f l o n g h o l e g f o r d i s c h ；l r g i n g g a s fi o m o 0 a l a ms H A O S h i - j u n ， S H I Z h i j u n ， S U N R o n g - j u n ， L I U We i d o n g x i a r I B r a n c h ， C C R I ， X i a r I 7 1 0 0 5 4 ， C h i n a A b 醴 耐 I t i 8 i I l h o 【 l l l c e d t h a t t h e t e s t o f l o n g i U iI 1 g h o l e咖f o r d i s c l l l 咖g a s f r o m e o a l s e 日 鹏 ． E x e c u t e d 3 h o l e l 玛 i d i r e c t i o n a l t e e h n o l o ， 0 n e由i l l i I l g h o l e i s u p t o 5 0 9 ． 0 3 I n ， d a i e h is t h e l o n g e s t 击i u i I 1 g h o l e i n c o a l 湖璐 ， a v e r a g e s h e e t i l l i I l g i s叩 t o 2 4 ． 4 m ／ h ． Di 8 c l m l 0 fa l l t h e s e h o l e i 8叩 t o 2 ． 0～2 ． 5 ， mtm． K呵 W I I l d j s c l Ia r g i I l g g a s ； l o n g商m I l g h o l ei n c o a l s e a m； d i r e c a o ml 击d l i I l g 维普资讯