煤矿井下定向钻进技术.pdf

目 录 目 录 第一章 煤矿井下随钻测量定向钻进技术1 第二章 钻探工艺及坑道钻探11 第三章 定向钻进原理与应用23 第四章 ZDY6000LD 履带式全液压坑道钻机的结构33 第五章 ZDY6000LD 型履带式全液压坑道钻机操作规程35 第六章 螺杆钻具简介47 第七章 孔口监视器组成及监测软件的应用57 第八章 随钻测量系统探管65 第九章 煤矿井下定向钻孔轨迹设计73 第十章 煤矿井下定向钻进轨迹控制83 第十一章 ZDY 系列全液压钻机89 第十二章 矿用地质钻杆97 第十三章 钻头分类及其合理选择与应用101 第十四章 煤矿井下定向钻进系统使用与操作规程109 中煤科工集团西安研究院钻探所中煤科工集团西安研究院钻探所 煤矿井下随钻测量定向钻进技术煤矿井下随钻测量定向钻进技术 定向钻进定义定向钻进定义 石油钻井中定向钻进的定义沿着预先设计的井 眼轴线钻达目的层的钻井方法。 地质勘探中定向钻进的定义利用钻孔自然弯曲 规律或采用人工造斜工具，使钻孔按设计要求进 行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。 与常规钻进的区别定向钻进设计有特殊的轨 迹；应研究和利用地层自然弯曲规律、钻孔控制 理论。 随钻测量定义随钻测量定义 随钻测量简称MWD，是定向钻进中一种先进的技 术手段，可以不间断定向钻进而测量近钻头孔底 某些信息，并将信息即刻传送到孔口的过程。 煤矿井下随钻测量定向钻进技术煤矿井下随钻测量定向钻进技术 技术定义技术定义 在煤矿井下利用随钻测量获取近钻头孔底信 息，采用专用造斜工具使近水平钻孔轨迹按设计要 求延伸钻进至预定目标煤层的一种钻探方法，即根 据随钻测量获取的孔底信息有目的地将钻孔轴线由 弯变直或由直变弯的钻进技术。 煤矿井下随钻测量定向钻进分类煤矿井下随钻测量定向钻进分类 本煤层定向孔本煤层定向孔 煤矿井下随钻测量定向钻进技术适用于普氏硬度系数大 于等于1（f≥1）的较完整煤层，但不能在煤层断层带或煤层 陷落柱区域内钻进。 a 单孔抽放b 主孔与分支孔联合抽放（羽状分支孔） 煤矿井下随钻测量定向钻进分类煤矿井下随钻测量定向钻进分类 梳状定向孔梳状定向孔 煤层硬度系数较小，煤质松软，在煤层中难以成孔，采用 梳状钻孔进行瓦斯抽放。 梳状钻孔技术是通过在目标煤层上（下）较稳定岩层施工 水平长钻孔，并进行分支穿入煤层，实现对难成孔松软煤层的 瓦斯长期有效抽采。。 1 煤矿井下随钻测量定向钻进分类煤矿井下随钻测量定向钻进分类 穿层定向孔穿层定向孔 煤层硬度系数大于1，上下两煤层的夹岩厚度小于5m，岩 层可钻性好，岩性完整不易出现缩径、卡钻、塌孔埋钻等现象。 采用穿层定向孔可节省开掘巷道等开支，创造可观的经济效益。 技术用途技术用途 技术用途技术用途技术用途技术用途 安全生产安全生产安全生产安全生产 瓦斯为能源瓦斯为能源瓦斯为能源瓦斯为能源 节能高效节能高效节能高效节能高效 障碍探查障碍探查障碍探查障碍探查 为什么要施工煤矿井下随钻测量定向钻孔为什么要施工煤矿井下随钻测量定向钻孔 安全安全 瓦斯抽放 瓦斯抽放 通过定向钻孔有效的抽放瓦斯，可以确 保在较短的时间内完成瓦斯抽放任务，减少和避免 潜在的事故，保障煤矿安全生产。 安全安全 节能高效节能高效 相对普通瓦斯抽采钻孔，定向钻孔具有煤层段长、 可开分支孔等优点，瓦斯抽采区域大，抽采效率 高。 降低生产成本降低生产成本 在煤层条件允许的情况下，可进行穿层定向孔施 工，节省开掘巷道等开支，创造可观的经济效益。 -14.00 -12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00 0.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400.00 2 探查障碍探查障碍 定向钻进技术是在 现存或废弃的老工 作区域与新的开发 区域之间中探索障 碍最有效的工具。 可绕过陷落柱、断 层等危险区域，进 入瓦斯抽采区。 定向钻进技术可探查煤层地质情况。 探查障碍探查障碍 利用瓦斯作为能源利用瓦斯作为能源 与常规钻进技术相比，定向钻进技术配合有效的 瓦斯抽放技术可以从煤层中抽采较高浓度的瓦斯， 作为能源使用，而不是排放到大气中。 随钻测量定向钻进设备组成随钻测量定向钻进设备组成 设备组成 1.定向钻机2.钻杆3.钻头4.泥浆泵 5.螺杆钻具6.随钻测量系统 定向钻机定向钻机 定向钻机 ZDY6000LD、ZDY6000LDA、ZDY4000LD 3 定向钻机定向钻机 ZDY6000LDA钻机为整体式布局，由主机、电机泵 组、操纵装置、履带车体、稳固装置、电磁起动器、 泥浆泵八大部分组成，各部分之间用高压胶管和螺栓 连接。 定向钻机特点定向钻机特点 定向钻进钻机一体化设计； 先进的负载敏感液压控制技术，优化油路设计，可以 同时满足大直径回转钻进6000Nm和定向钻进 3000Nm的需要 ； 关键液压件引进，保证钻机的工作可靠性。 ZDY6000LD（A）型钻机主要技术参数ZDY6000LD（A）型钻机主要技术参数 该钻机研制主要针对施工800m以内近水平大直径瓦斯抽放孔。为适应 用户对精确定向钻进的需求，设计了孔底动力钻进时主轴制动装置。 整机 配套钻杆直径/mm73/89/95 钻机质量/kg10000 运输状态外形尺寸（长宽高） /mm 350022001900 回转器 额定转速/r/min50～190 定向钻进主轴制动力矩/Nm1000 额定扭矩/Nm4000 额定转速/r/min70～240 主轴制动转矩/Nm1000 ZDY6000LDA型钻机主要技术参数型钻机主要技术参数 行走装置 最大行走速度/km/h2.5 爬坡能力/20 给进装置 主轴倾角/-10～20 最大给进/起拔力/kN180 行程/mm1000 额定压力/MPa21 电动机额定功率/kW90 泥浆泵 流量/L/min120～350 压力/MPa10～5.5 钻 杆钻 杆 φ73通缆钻杆、φ73mm无磁钻杆 钻 杆钻 杆 钻杆尺寸钻杆尺寸 外径为73mm，内径为59 mm， 而两端接头的外径为75mm，内径为55mm 主要技术参数主要技术参数 1 能够进行螺杆钻具定向钻进 内径≥55mm； 2 具有传输随钻测量信号的能力； 3 能够进行大直径钻孔回转钻进扭矩≥3000Nm； 4 具有施工近水平分支孔的能力； 5 钻杆抗拉强度 ≥950 kN ，抗扭强度 ≥6000 Nm 。。 4 钻 头钻 头 Φ96mm胎体式金刚石复合片钻头Φ94mm/Φ153mm扩孔钻头 泥浆泵泥浆泵 3NB300型泥浆泵3NB300型泥浆泵 泥浆泵泥浆泵 3NB300型泥浆泵型泥浆泵 主要技术参数主要技术参数 121296 压力（MPa） 96149194300 流量（L/min） 6094122189 泵速（r/min） 慢档快档档位 卧式三缸单作用往复柱塞泵型式 螺杆钻具螺杆钻具 螺杆钻具主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总 成、传动轴总成三部分组成。泥浆泵高压水驱动马达回转，马达 带动钻头回转碎岩。 在导向钻进时，钻杆不转，仅钻头回转碎岩，钻机提供钻压。 螺杆钻具结构螺杆钻具结构螺杆钻具特点螺杆钻具特点 a. 能够满足定向钻进的需要； b. 工作性能稳定，工作基本参数能够满足配套机 具的要求； c. 使用寿命长。 5 随钻测量系统随钻测量系统 孔底马达和钻 头 下无磁钻 杆 送水器 上无磁钻杆钻杆测量 探管 监视器 高压送水胶管 通讯电缆 YHD1-1000随钻测量系统连接示意图随钻测量系统连接示意图 测量探管测量探管 测量探管短节及电池筒功能 测量探管参数倾角、方位角、工具面倾角、方位角、工具面等 探管测量参数探管测量参数 项目测量范围测量精度限制条件 倾角－90～900.2水平为0，低于水平为- 方位角0～3601.5倾角-80～80 工具面向角 （弯头方向）0～3601.5倾角-80～80 探管工作条件探管工作条件 环境温度0 ℃～40 ℃； 平均相对湿度≤95％（25 ℃）； 大气压力80 kPa～106 kPa； 耐水压力12MPa； 允许在甲烷和煤尘，但无破坏绝缘的腐蚀性气体 的场合中使用； 在无剧烈振动和冲击的地方使用。 孔口监视器孔口监视器 孔口监视器及匹配电源孔口监视器及匹配电源 孔口监视器主要性能参数孔口监视器主要性能参数 显示器16cm TFT液晶平板显示器 显示分辨率640 x480象素 人机交互触摸鼠标 电源镍氢电池组，具有过压、过流、欠压的保护功能。 防爆形式矿用本质安全型，防爆标志为EXibI ； 工作温度0℃～40℃ ； 存贮温度-20℃～55℃ 。 操作系统Windows Millennium Edition简称Windows Me 6 确定钻孔空间轨迹确定钻孔空间轨迹 确定钻孔轴线空间位置的几何参数确定钻孔轴线空间位置的几何参数 1、倾角、倾角钻孔轨迹上某点的倾角是该点的切线与水平面之间 的夹角，用α表示。 2、方位角、方位角钻孔轨迹上某点的方位角是该点的切线在水平面 上的投影与磁北方向之间的夹角，用θ表示，并且从磁北方向 开始按顺时针方向计算。 3、孔深、孔深钻孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻孔轴线的 长度。 钻孔轨迹计算方法钻孔轨迹计算方法 11 0 1 11 0 1 1 1 cos cos 22 cos sin 22 sin 2 n iiii i i n iiii i i n ii i i XL YL HL ααθθ θ ααθθ θ αα −− −− − Δ− Δ− Δ ∑ ∑ ∑ 钻孔轨迹控制原理钻孔轨迹控制原理 螺杆钻具的“工具面向角工具面向角”就是我们通常所说的马达马达“弯头弯头”朝向朝向。钻进过程中 通过改变弯头的朝向，使钻孔实现定向弯曲变化。螺杆钻具工具面向角与弯头 朝向对应关系。 工具面向角0（360） 弯头向上 工具面向角270 弯头向左 工具面向角90 弯头向右 工具面向角180 弯头向下 陕西彬长大佛寺煤矿 陕西长武亭南煤矿一、二期 神华宁煤汝箕沟煤矿、金能公司二矿 山西焦煤西山煤电屯兰矿、杜儿坪矿 晋城煤业集团成庄矿、寺河矿 阳泉煤业集团石港煤矿 山西焦煤汾西矿务局贺西矿、双柳矿 陕西彬长大佛寺煤矿 陕西长武亭南煤矿一、二期 神华宁煤汝箕沟煤矿、金能公司二矿 山西焦煤西山煤电屯兰矿、杜儿坪矿 晋城煤业集团成庄矿、寺河矿 阳泉煤业集团石港煤矿 山西焦煤汾西矿务局贺西矿、双柳矿 推广应用情况推广应用情况 实 例实 例陕西彬长亭南煤矿试验陕西彬长亭南煤矿试验 东翼轨道巷 113工作面二号联络巷 东翼回风巷 东翼胶带巷 113回风顺 槽运料道 113运输顺槽 113回风顺槽 113工作面一号联络巷 1-3分支孔1-1分支孔 1主孔 2主孔 2-1分支孔 1-2分支孔 1 主孔终孔深度1046m，创造了当时我国煤矿井下瓦斯抽放水平定向钻孔的最高记 录，并施工3个分支孔，1-1分支和1-3分支从回顺巷道中靶穿出； 2 主孔深度822m，施 工1个分支孔，从运顺巷道中部中靶穿出。 钻进最高时效26.4m/h， 平均进尺 160m/d，终孔直径 96mm 。在1000m的设计目标 位置，钻孔纵向偏差不足1m，横向摆动不超过8m，体现出了我国定向钻进装备和工艺 的最高水平。 4.2 4.2 陕西长武亭南煤矿一期陕西长武亭南煤矿一期陕西长武亭南煤矿一期陕西长武亭南煤矿一期 7 4.2 4.2 陕西长武亭南煤矿一期陕西长武亭南煤矿一期陕西长武亭南煤矿一期陕西长武亭南煤矿一期 2008年6月，在陕西长武亭南煤矿二盘区107工 作面2＃联络巷的现场 ，完成主孔一个，分支孔两 个。主孔深度810m,分别从524m和414m侧钻开分支 孔，分支孔深度190m和186m，终孔孔径96mm。整个 钻孔施工由矿方人员操作，基本按设计轨迹定向钻 进。 陕西长武亭南煤矿二期陕西长武亭南煤矿二期 2008年8月至2009年6月在神华宁煤汝箕沟煤矿534工作面、 32213工作面和32215工作面利用随钻测量定向钻进技术施工 定向钻孔，总进尺19868.5m。 在534和32213工作面施工钻孔总进尺为12868.5m，共施工 了1号、2号和3号三个钻场中的47个孔，最大月进尺2308米， 最深孔深457米（2号钻场2钻孔），最大单班进尺108米，最 大穿煤率96.7（2号钻场5钻孔，且实钻轨迹与设计轨迹吻 合良好），单孔连续穿煤最长距离为369米（2号钻场3钻 孔）。 在32215工作面施工总进尺7000米，施工10个主孔，14个 分支孔，最深孔深762m，穿煤率100。 宁煤汝箕沟煤矿宁煤汝箕沟煤矿宁煤汝箕沟煤矿宁煤汝箕沟煤矿 534534534534工作面工作面工作面工作面2222钻场设计与实钻轨迹平面图钻场设计与实钻轨迹平面图钻场设计与实钻轨迹平面图钻场设计与实钻轨迹平面图 金能公司二矿金能公司二矿 2008年10月至2009年1月金能公司在3262工作面南端 1钻场施工2个主孔和25个分支孔，其中主孔分别是13 孔和补12孔，在13主孔中施工13个分支孔，在补12 主孔中施工12个分支孔。补12孔共施工进尺1100米， 其中主孔深为582米，分支孔深度为518米。13孔共施 工进尺1294.3米，其中主孔深度为680.7米，分支孔深度 为613.6米。 截至2009年4月底在金能公司二矿已完成定向钻孔 11782.5m，平均纯钻速可达25m/h以上，钻孔瓦斯浓度 均大于50％。 晋城煤业集团成庄矿晋城煤业集团成庄矿 2009年1月至2009年6月晋城煤业集团成庄矿在 5309工作面2巷、3巷施工14个定向钻孔，78个分支 孔，施工总进尺15939米，开孔孔径153mm，终孔孔 径96mm，其中主孔最大深度540米，分支孔最大深 度411m。 8 施工305-1钻孔，2010年5月29日 中班开孔，6月9日早班终孔，主孔孔深 为744米，共探顶6次，探到煤层底板3 次，2个分支孔，孔深分别为54米，102 米，总计孔深 1242米，穿煤率为98 （且实钻轨迹与设计轨迹吻合良好）。 山西焦煤汾西矿务局双柳矿山西焦煤汾西矿务局双柳矿 12501运料措施巷共定向施工1个主孔，2个分支 孔，探底2次，试验总进尺1008m。其中主孔孔深 627m，1分支孔孔深90m，2分支孔深为291m。 山西焦煤集团西山煤电屯兰矿山西焦煤集团西山煤电屯兰矿 主要性能参数主要性能参数ZDY6000LDAVLD-1000 最大转矩/Nm6000/30003000 主轴倾角/-10～～20-5～～10 最大给进/起拔力/kN180150 给进行程/mm1000900 电动机额定功率/kW9090 外形尺寸（长宽高） /mm 350022001900 40002000 2340 1600 钻机质量/kg100008500 适合钻进方式 常规回转钻进常规回转钻进、孔底螺杆马达 钻进 孔底螺杆马达钻进 主要液压件（泵、阀）派克 力士乐派克力士乐 钻机特点 负载敏感液压控制、三泵系 统，一体式设计 负载敏感液压控制、三 泵系统，一体式设计 钻机钻机 与国外定向装备主要技术性能对比与国外定向装备主要技术性能对比与国外定向装备主要技术性能对比与国外定向装备主要技术性能对比 配套机具配套机具 主要性能参数主要性能参数ZDY6000LDAVLD-1000 钻 杆 钻 杆 配套钻杆直径 /mm73/89/9569.9 强度 抗拉/kN≥≥950≤≤500 抗扭/Nm≥≥6000≤≤3000 材质牌号/壁厚G105/7.1相当R780/5.5 数据传输方式钻杆孔内埋缆钻杆孔内埋缆 测 斜 仪 测 斜 仪 探管研制开发配套amt公司 主要传感器/产地磁通门、加速度计/美国磁通门、加速度计/美国 孔口监视器/方式计算机/触摸鼠标触摸鼠标计算机/简易键盘 操作系统Win me 供电方式电池/外接电源电池 探管电池续航能力30-45天天15天 配套螺杆马达配套螺杆马达美国进口美国进口 与国外定向装备主要技术性能对比与国外定向装备主要技术性能对比 整体优势整体优势 ●国内煤炭行业最大的钻探装备研发生产基地 ●近30年井下近水平定向钻进技术的研究应用 ●相对优惠的价格机制 ●快捷的机具和配件供应 ●强大迅捷的技术支持和售后服务 9 10 1 钻探工艺及坑道钻探钻探工艺及坑道钻探 中煤科工集团西安研究院钻探所中煤科工集团西安研究院钻探所 概述概述 首先从岩石破碎机理入手，阐明钻探过程 中如何选用钻头和相应的钻进工艺；接着主要 介绍与煤矿相关的坑道钻探；最后讨论钻探施 工中所遇问题及其处理方法。 第一章 岩石的性质及分级第一章 岩石的性质及分级 第一节岩石的组成及力学性质 一、 岩石的组成 岩石是矿物的集合体。矿物是具有一定物理 性质和确定化学成分的无机物质。 第一节岩石的组成及力学性质第一节岩石的组成及力学性质 二、 岩石的力学性质 （一）岩石的强度 岩石强度是岩石在载荷作用下抵抗破坏的能力。 （二）岩石的硬度 岩石硬度是岩石抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力， 其衡量单位是Pa（帕）或MPa（兆帕）。 （三）岩石的研磨性 在钻进过程中，钻头在轴压和转速的作用下破碎岩石，钻 头本身也因受岩石的研磨而变钝。岩石磨损钻头的能力称为岩 石的研磨性。 第二节 岩石破碎效果指标及可钻性分级第二节 岩石破碎效果指标及可钻性分级 一、岩石的破碎效果指标 碎岩效果指标通常用钻进速度衡量，常用的钻进 速度有以下六种表达方式。 机械钻速、 回次钻速、技术钻速、经济钻速、循环钻 速、总平均钻速 第二节 岩石破碎效果指标及可钻性分级第二节 岩石破碎效果指标及可钻性分级 二、岩石的可钻性分级 岩石的可钻性是决定钻进效率的基本因素，反应 了钻进时岩石破碎的难易程度。它是合理选择钻头结 构、钻进方法和规程参数的重要依据。 按实际钻进速度划分岩石可钻性级别，按长期使 用的硬质合金钻进速度岩石可分为十二级。 11 2 第二节 岩石破碎效果指标及可钻性分级第二节 岩石破碎效果指标及可钻性分级 0.160.05未风化致密石英岩、碧玉岩最坚硬的ⅫⅫ 0.320.09刚玉岩、石英岩ⅪⅪ 0.500.15细粒花岗岩、花岗片麻岩 坚硬的 ⅩⅩ 0.650.25高硅化花岗岩、粗粒花岗岩ⅨⅨ 0.850.38夕卡岩、微风化花岗岩 硬的 ⅧⅧ 1.100.57硅质石灰岩、砂岩、石英二长石ⅦⅦ 1.300.82微硅化石灰岩、石英云母片岩、辉长石 中等硬度的 ⅥⅥ 1.501.15泥质板岩、无烟煤稍硬的ⅤⅤ 1.701.60页岩类、较致密泥灰岩、岩盐较软的ⅣⅣ 2.002.45风化变质岩、千枚岩、褐煤、烟煤软的ⅢⅢ 2.404.00黄土、粘土、冰较软疏散的ⅡⅡ 2.807.50次生土、土、硅藻土松软疏散的Ⅰ 回次长度（m）机械钻速（m/h）代表岩石岩石类别岩石等级 Ⅰ 回次长度（m）机械钻速（m/h）代表岩石岩石类别岩石等级根据不同的分类方式 按碎岩材质 按取心方式 按施加外力的性质和方式 按冲洗液循环路径 按冲洗介质种类 第二章钻进方法第二章钻进方法 第一节按碎岩材质分类第一节按碎岩材质分类 钻粒钻进 硬质合金钻进 金刚石钻进 金刚石复合片钻进 牙轮钻进 一 、硬质合金钻进 1 使用条件及优缺点 钻进1～4级软的沉积岩、中硬的5～7级及部 分8级岩浆岩和变质岩。 2 硬质合金钻头分类 按是否取心取心、不取心钻头 按使用范围磨锐式钻头、自磨式钻头 3 硬质合金钻进规程参数的确定 钻压（P） 转速（n） 泵量（Q） 二、金刚石（金刚石复合片）钻进 1 金刚石钻进的优缺点和适应条件 钻进效率高，成孔质量好。主要用于稳定硬岩层。 2 金刚石钻头的类型 （一）金刚石钻头及扩孔器 （二）ＰＤＣ钻头 12 3 不取心钻头 钢体式多翼内凹、圆弧支柱、多翼刮刀 胎体式平底、多翼内凹 取心钻头 钢体式、胎体式 扩孔钻头 锚杆钻头 取心钻进 a 绳索取心钻进 b 单管取心钻进 c 双管取心钻进 单动双管 双动双管 不取心钻进 第二节按取心方式分类第二节按取心方式分类 第三节按施加外力的性质和方式分类第三节按施加外力的性质和方式分类 冲击式钻进 回转式钻进 冲击回转式钻进 风动冲击回转式钻进 液动冲击回转式钻进 13 4 第四节按冲洗液循环路径分类第四节按冲洗液循环路径分类 正循环钻进 反循环钻进 局部反循环钻进 第五节按冲洗介质种类分类第五节按冲洗介质种类分类 泥浆钻进 清水钻进 空气钻进 空气泡沫钻进 一、钻孔类型 按施工目的分类 a. 地质勘探孔 b. 瓦斯抽放孔如本煤层、临近层、穿层孔 等） c. 工程孔如排放水孔、煤层注水孔、注浆 孔等 按钻孔倾角分类 a. 垂直孔上垂、下垂 b. 近水平孔 第三章坑道钻探第三章坑道钻探 二、坑道钻进方法 1. 常规钻进（钻杆回转） 2. 定向钻进 （钻杆不回转，孔底动力单元回转， 可控制钻孔轨迹） 概念钻机回转器所产生的动力通过外平钻杆传递给 钻头，使钻头切削孔底岩石，孔底及孔壁产生的岩粉 或煤粉由冲洗介质携带至孔外。 按冲洗介质分类 a.清水钻进（1）静压水适应于孔浅，煤层较稳定 的抽放孔；（2）压力水极力提倡的排屑方式，泥浆 泵大小可根据钻孔直径和孔深所需泵量和泵压配置。 b.空气钻进技术适于瓦斯高、喷孔严重、煤质松软 易坍塌地层的抽放孔系统风压和中风压。 c.螺旋钻杆 适合松软煤层钻进。 第四章常规钻进第四章常规钻进 按钻具组合分类 a.钻杆钻头（所钻地层相对稳定） b.钻杆多级钻头（瓦斯大易突出的煤层） c.螺旋钻杆螺旋钻头（松软煤层） 14 5 钻进用设备 钻机ZDY1200S（L）及以上钻机 辅助设备空压机、除尘器、集尘器、压风流量计 空压机MLGF17.5/12.5-132G型井下防爆移动空压机 除尘器多级无动力复合除尘器 集尘器复合集尘器 压风流量计CX100MA旋进漩涡流量计 钻具钻杆、钻头 钻杆矿用外平坑道钻杆（φ63.5、φ73、φ89mm） 钻头特制超薄合金全面钻头或脱芯式合金钻头 第一节空气钻进技术第一节空气钻进技术 空气钻进用钻头空气钻进用钻头 φ133mmPDC 全面钻头 φ85mm特制超薄 合金钻头 φ85mm特制脱芯 合金钻头 φ133mmPDC 全面钻头 φ85mm特制超薄 合金钻头 φ85mm特制脱芯 合金钻头 第一节空气钻进技术第一节空气钻进技术 大通孔钻杆结构示意图大通孔钻杆结构示意图 Ⅰ Ⅱ 大通孔钻杆在试验现场大通孔钻杆在试验现场 空气钻进用大通孔钻杆空气钻进用大通孔钻杆 第一节空气钻进技术第一节空气钻进技术 空气钻进用空压机空气钻进用空压机 第一节空气钻进技术第一节空气钻进技术 空气钻进用流量计空气钻进用流量计 第一节空气钻进技术第一节空气钻进技术 钻进专用除尘器钻进专用除尘器 第一节空气钻进技术第一节空气钻进技术 15 6 空气钻进用孔口集尘器空气钻进用孔口集尘器 第一节空气钻进技术第一节空气钻进技术 钻进工艺参数P、n、Q风 原则低钻压（P≤5MPa） 中转速（60rpm≤n≤140rpm） 中风量（ Q风≥4 m3/min） 钻进过程中要时刻观察流量计风压、风量的 变化，根据孔内工况随时调整供风参数。 钻进工艺参数 第一节空气钻进技术第一节空气钻进技术 定义螺旋钻进就是在钻进过程中，钻机回转器所 产生的动力通过主动钻杆传递给螺旋钻杆至钻头， 孔底及孔壁产生的钻屑则由螺旋叶片推移前进，钻 屑自身的重力、钻屑之间的粘滞力、以及钻屑与叶 片和外壳之间的摩擦力阻止了它和螺旋叶片一起旋 转，从而实现钻屑在叶片推动下挤压直线前进。 工艺参数P、n 第二节螺旋钻进技术第二节螺旋钻进技术 螺旋钻进的特点 1无重复破碎现象, 钻进效率高。 2不需要冲洗介质，且螺旋钻杆在钻进过程中振动、 噪音小，改善了现场人员的工作环境，同时也减少了 因钻杆振动而对孔壁的影响，减少了孔壁的破坏机 率，成孔率高。 3钻进辅助设备少，减少了搬迁、维修、保养等一 系列工作，减少了工人的劳动强度，提高了钻进效率。 但钻进中起下钻具工人劳动强度较大。 第二节螺旋钻进技术第二节螺旋钻进技术 钻进用设备ZDY1200S（L）及以上钻机。 钻具钻杆 89150 130 73120 可以根据 客户要求 定做 备注 110 100 63.5 90 平扣 锥扣 插接式扣 750 1000 1500 50 78 接头形式 钻杆长度 mm 芯杆直径 mm 钻杆直径 mm 螺旋钻杆参数一览表螺旋钻杆参数一览表 第二节螺旋钻进技术第二节螺旋钻进技术 螺旋钻杆螺旋钻杆 第二节螺旋钻进技术第二节螺旋钻进技术 16 7 插 接 式 螺 纹 式 插 接 式 螺 纹 式 可以反转，处理 事故方便容易，不 方便配风 不可以反转，处理 事故困难，可配风 第二节螺旋钻进技术第二节螺旋钻进技术 钻具钻头 普通型加强型类型 可根据客户要求定做备注 130125120110100959085 规格 mm 螺旋钻头一览表螺旋钻头一览表 第二节螺旋钻进技术第二节螺旋钻进技术 斜三翼螺旋钻头 （普通型） 直三翼螺旋钻头 （加强型） 斜三翼螺旋钻头 （普通型） 直三翼螺旋钻头 （加强型） 第二节螺旋钻进技术第二节螺旋钻进技术 孔深钻具组合钻机煤层名称孔深钻具组合钻机煤层名称 102m 150m 150m 120m Φ92mm Φ110mmZDY-1900S3松软突出煤层 潞安矿务局 常村煤矿 Φ110mm Φ120mmZDY-3200S3松软突出煤层 晋城煤业集 团赵庄矿 Φ110mm Φ120mmZDY-4000L 15松软突出煤 层 山西开元公 司开元矿 Φ120mm Φ130mmZDY-4000S3松软突出煤层 山西新元公 司新元矿 180mΦ130mm Φ150mmZDY-4000S3松软突出煤层 山西阳泉煤 业集团三矿 工程实例工程实例 第二节螺旋钻进技术第二节螺旋钻进技术 小螺旋复合钻进技术是指用小螺旋钻杆配合中风压压风 （ 0.8MPa ≤ P风＜1.3MPa）进行空气钻进的一种钻进工艺。 第三节小螺旋复合钻进技术第三节小螺旋复合钻进技术 钻进用设备 钻机ZDY1200S（L）及以上钻机 辅助设备空压机、除尘器、集尘器、压风流量计 空压机MLGF17.5/12.5-132G型井下防爆移动空气压缩机 除尘器多级无动力复合除尘器 集尘器特制复合集尘器 压风流量计CX100MA旋进漩涡流量计 钻具钻杆、钻头 钻杆特制小螺旋钻杆（φ63.5/73mm） 钻头φ85mm特制超薄合金全面钻头 小螺旋复合钻进用孔口集尘器小螺旋复合钻进用孔口集尘器 第三节小螺旋复合钻进技术第三节小螺旋复合钻进技术 17 8 小螺旋复合钻进用钻杆小螺旋复合钻进用钻杆 第三节小螺旋复合钻进技术第三节小螺旋复合钻进技术 钻进工艺参数 P、n、Q风 原则低钻压（P≤5MPa）、中转速 （60≤n≤140rpm）、中风量（ Q风≥4 m3/min） 钻进过程中要时刻流量计风压、风量的变化，压力 一般随孔深有相应改变。同常规中风压钻进相似。 第三节小螺旋复合钻进技术第三节小螺旋复合钻进技术 由两种或两种以上两种或两种以上规格的钻头和钻杆钻头和钻杆组成。 应用状况应用状况主要用于裂隙发育、易坍塌、稳定性差以 及瓦斯富集、强突 裂隙发育、易坍塌、稳定性差以 及瓦斯富集、强突条件下的钻孔钻进。 钻进原理钻具前端一级钻头先钻进一个小孔，释放 部分瓦斯，后面连接的二级或三级钻头跟着扩孔，释 放另一部分瓦斯。通过瓦斯分期释放，达到拟制喷孔 和减弱瓦斯突出强度的目的。 特点减小钻头级差或加长钻头之间的距离可抑制喷 孔强度。 第四节多级组合钻具钻进原理第四节多级组合钻具钻进原理 利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水 平钻孔按设计轨迹要求中靶的一种钻进方法，即有 目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。 应用范围主要用于岩层、较稳定煤层、瓦斯含量 适中的地质勘探孔、工程孔和瓦斯抽放孔，而且多 以清水作为冲洗介质。 第五章定向钻进第五章定向钻进 定向钻孔设计有特殊的轨迹，钻进中必须研究和利 用地层自然弯曲规律、钻孔控制理论或人工造斜工具控 制钻孔轨迹，最终钻达预定目标要求。 第一节定向钻孔分类第一节定向钻孔分类 自然弯曲定向钻孔（初级定向孔）自然弯曲定向钻孔（初级定向孔） 根据地层自然弯曲条件进行钻孔轨迹的设计或 移动孔位、改变钻孔倾角或方位角、调整钻进工艺 参数，使钻孔基本按设计轨迹钻进延伸或达到钻进 目的的钻孔。 人工弯曲定向钻孔（受控定向钻孔）人工弯曲定向钻孔（受控定向钻孔） 采用专用钻具和技术措施，使钻孔基本按设计 轨迹钻进延伸，达到钻进目的的钻孔。 18 9 稳定组合钻具主要由钻杆、钻头和稳定器组成。 在近水平状态下稳定器相当于支点，稳定组合钻具在 重力、给进力的作用下产生变形，对钻杆和钻头产生 作用，使钻孔上仰、下倾或基本保直。 由于稳定组合钻具结构简单、便于操作、使用效 果好、价格便宜等优点，目前国内多使用其进行近水 平受控定向钻进；缺点是只能用于调整钻孔倾角。 第二节 稳定组合钻具定向钻进第二节 稳定组合钻具定向钻进 稳定组合钻具 稳定器结构示意图 刮刀形PDC钻头圆弧支柱形PDC钻头 第三节螺杆钻具定向钻进第三节螺杆钻具定向钻进 钻具组成螺杆钻具主要由螺杆马达（定子、转 子）、万向轴、传动轴三大部分组成。 螺杆马达结构特征螺杆马达结构特征螺杆马达结构特征螺杆马达结构特征 第三节螺杆钻具定向钻进第三节螺杆钻具定向钻进 19 10 螺杆钻具工作原理螺杆钻具工作原理 螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量容积式螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量容积式 正排量动力转换装置，主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万正排量动力转换装置，主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万 向轴总成、传动轴总成三大部分组成。向轴总成、传动轴总成三大部分组成。 采用螺杆钻具进行钻进，不需要钻杆旋转，泥浆泵输出冲洗采用螺杆钻具进行钻进，不需要钻杆旋转，泥浆泵输出冲洗 液进入螺杆钻具，在马达进出口形成一定压差，推动马达转子旋液进入螺杆钻具，在马达进出口形成一定压差，推动马达转子旋 转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎 岩的目的。岩的目的。 第三节螺杆钻具定向钻进第三节螺杆钻具定向钻进 实际特性曲线示意图实际特性曲线示意图实际特性曲线示意图实际特性曲线示意图 可知通过控制泥浆泵的排量Q和泵压P 可控制螺杆钻具的输出转速n和扭矩M n 0⊿p N η η,M,n,N M 第三节螺杆钻具定向钻进第三节螺杆钻具定向钻进 Y 螺杆钻具测试螺杆钻具测试 安装螺杆钻具安装螺杆钻具 设计定向钻孔设计定向钻孔 定向钻进定向钻进 是否偏离 设计轨迹 是否偏离 设计轨迹 准备配套机具准备配套机具 调整工具面向角调整工具面向角 终孔终孔 定向钻进定向钻进 调整弯外管弯角调整弯外管弯角 N 钻孔测量钻孔测量 螺杆钻具定向钻进螺杆钻具定向钻进工艺流程 第三节螺杆钻具定向钻进第三节螺杆钻具定向钻进 分支孔 重入技术 分支孔 重入技术 分支孔 重入技术 分支孔 重入技术 分支孔分支孔分支孔分支孔 侧钻开 分支孔技术 侧钻开 分支孔技术 侧钻开 分支孔技术 侧钻开 分支孔技术 分支孔成孔工艺分支孔成孔工艺 第三节螺杆钻具定向钻进第三节螺杆钻具定向钻进 定向精度较高的较稳定地层瓦 斯抽采长钻孔、地质异常条件 探测钻孔 结构较为复杂、价格相对昂贵、 对钻工整体素质要求较高 对倾角、方位角均能调节、实 时随钻测量精确高、定向效果 好 螺杆钻具螺杆钻具 定向精度要求不高的较稳定地层较 大口径长钻孔 不能控制钻孔方位角，倾角只能在 一定范围内调节，对设备机具能力 要求较高、钻工劳动强度相对较大 成本低、结构简单、易于操作、 对冲洗液性能要求较低 稳定组合钻具 应用范畴 缺 点 优 点 名 称稳定组合钻具 应用范畴 缺 点 优 点 名 称 第三节螺杆钻具定向钻进第三节螺杆钻具定向钻进 螺杆钻具与稳定组合钻具对比 第四节钻孔轨迹的测量第四节钻孔轨迹的测量 国内现状 单点CQ-1磁球测斜仪 多点BQX-2全方位钻孔测斜仪 YHD1-1000随钻测斜仪 国外现状 随钻测量技术MWD/LWD 随钻地震技术SWD 地质导向技术GST 20 11 第六章近水平定向钻进技术的应用第六章近水平定向钻进技术的应用 一、 地质勘探 a. 测煤厚 、圈定采煤工作面 1993年11月，在大同四 台矿， 选用ZDY1500TMK-5钻机、BW-250泵、 Φ71mm绳索取心钻杆、螺杆钻具和稳定组合钻具，采用 一次成孔工艺，施工了2个孔深300m、直径Φ80mm的沿 煤层受控定向钻孔。 b. 综合探测地质条件 19911992月，在徐州夹河矿， 选用ZDY650MK-3钻机、BW-250泵、Φ42mm外平钻杆、 螺杆钻具和Φ60mm稳定组合钻具，采用一次成孔工艺， 施工了14个孔深50150m的沿煤层受控定向钻孔。 二、瓦斯抽放 a. 沿煤层瓦斯抽放 （一） 2002年12月，在铜川矿务局某矿， 选用ZDY10000SMK-7型钻机、BW-320泵、 Φ89mm摩擦焊外平钻杆和Φ113mm稳定组合 钻具、 Φ113mm～Φ193mm复合片钻头以三 次成孔工艺，施工了2个孔深分别为802m和 865m的沿煤层受控定向钻孔，对该煤层进行 瓦斯抽放。 掘进时采用短钻孔抽放瓦斯示意图掘进时采用短钻孔抽放瓦斯示意图掘进时采用短钻孔抽放瓦斯示意图掘进时采用短钻孔抽放瓦斯示意图 掘进时采用大直径长钻孔抽放瓦斯示意图掘进时采用大直径长钻孔抽放瓦斯示意图掘进时采用大直径长钻孔抽放瓦斯示意图掘进时采用大直径长钻孔抽放瓦斯示意图 a. 沿煤层瓦斯抽放 （二）晋煤集团某矿为高瓦斯矿井，具有本煤层瓦斯 含量大，压力高，透气性好，煤质较硬，f系数2～3，厚度 适中，整体性好，适合在本煤层布孔抽放的特点，采取了 本煤层抽放。 使用钻机为ZDY6000SMK-6型全液压钻机、BW-320 泵、Φ73mm摩擦焊外平钻杆和Φ113mm稳定组合钻具、 Φ113mm～Φ153mm复合片钻头以二次成孔工艺，施工孔 深400～600m的沿煤层受控定向钻孔，对该煤层进行瓦斯 抽放。 b. 邻近层瓦斯抽放 1998年10月，以岩石大直径钻孔代替高抽巷抽放 瓦斯，选用ZDY6000SMK-6型钻机、BW-320泥浆 泵、Φ89mm外平钻杆和Φ113mm稳定组合钻具、 Φ113mm Φ193mm复合片钻头以三次成孔工艺， 在阳泉一矿某工作面顶板中施工了2个孔深分别为 508m和603m的受控定向钻孔，终孔位置的偏差小于 孔深1。 21 12 C.穿层瓦斯抽放孔 1994～1996年，选用ZDY650MK-3型钻机、 Φ42mm外平钻杆、Φ75mm稳定组合钻具和活接头钻 具，在鹤壁某矿，以一次成孔工艺、1.08/m弯强造 斜