沿煤层长钻孔定向钻进工艺技术试验研究

摘  要：本文通过对“沿煤层长钻孔定向钻进工艺技术”现场工业性试验的研究分析，详细介绍了该技术的施工设备和技术方法，对该技术在国内相应地质条件下推广应用提供了可靠的依据。

关键词：沿煤层长钻孔 预抽瓦斯 定向钻进

吴  璋：煤炭科学研究总院西安分院工程师，从事定向钻进工艺技术和岩土工程研究

1 概述

瓦斯抽放是防止瓦斯灾害的有效手段，近年来，随着我国煤炭综采技术的推广和应用，对瓦斯抽放量和抽放效率提出了更高的要求。在煤炭的开采过程中，一般采用专用巷道和底板穿层密集钻孔相结合的综合瓦斯抽放技术，虽能够增加瓦斯抽放量，提高瓦斯抽放效率。但是其钻掘工作量大、工作面准备时间长、采掘成本高，不能适应高产高效综采技术的要求。

为了解决这些问题，在晋城寺河矿进行的“沿煤层长钻孔定向钻进工艺技术”的开发研究，取得了突破性进展。基本掌握了在高瓦斯矿区进行煤层长钻孔定向钻进的工艺方法，这不仅为晋煤集团寺河矿解决了煤层长钻孔施工设备选型及成孔工艺方法的问题，而且为在国内类似地质条件下推广应用煤层长钻孔钻进工艺提供了可靠的依据。

2 煤层地质条件

寺河矿主要可采3#煤层，位于二叠系下统山西组下部，煤层平均厚度6.5米，煤质为层状、坚硬、性脆，可钻性4~6级，煤层下部内生裂隙发育，瓦斯含量较大。煤层上下底板均为深灰色泥岩和细粒砂岩，细粒砂岩可钻性7~8级。

3 设备和机具

3.1 钻探设备

试验采用煤炭总院西安钻探研究所研制生产的MK-6型全液压坑道钻机和衡阳探矿机械厂生产的BW-320型泥浆泵。

3.2 主要钻具：

钻头选用三种钻头：Φ94mm内凹金刚石复合片钻头、Φ94mm的支柱型球面金刚石复合片钻头和Φ94mm三翼刮刀式金刚石复合片钻头。

钻杆在试验中采用了两种：Φ73mm的外平高强钻杆和钻孔测斜时放置测量仪器的无磁钻杆。

稳定器：试验中采用了加工简单、使用效果理想的Φ94±0.2mm直槽型稳定器。

3.3 测斜仪

试验选用成都探矿工艺研究所研制的CQ—1A型磁球式单点测斜仪。

4 钻进工艺

4.1 钻孔定位

钻孔定位是钻探施工中非常关键的一步。在进行钻孔结构设计、钻孔定位之前，必须全面系统的掌握煤层地质资料，了解煤层走向和倾角，结合钻孔设计参数，正确合理的选择开孔方位角和倾角，并尽可能选择煤层较稳定地段施工沿煤层长钻孔。

4.2 钻进工艺参数

钻进工艺参数主要是指钻压、转速和冲洗液量，三者在一定条件下相互影响。

⑴ 在不考虑其它影响因素及转速不变的情况下，加大钻压会使水平孔的偏斜趋势加强，特别是在钻孔已出现明显弯曲的情况下，大钻压对近水平孔的影响不仅表现在倾角的变化上，而且也表现在方位角的变化上；

⑵ 钻压对钻孔方向的影响程度与钻杆的抗弯强度有着密切的关系，在同等钻压作用下，由于钻杆的抗弯强度与直径有关，因此小直径钻杆的弯曲强度要大于粗径钻杆；

⑶ 在钻压的作用之下，孔内前20m钻杆的置放状态以及钻杆接头的强度对钻孔方向也有着重要的影响；

⑷ 冲洗液量大小影响钻孔轨迹，泵量小时孔内煤岩粉不易被冲出孔外，在钻孔下方形成堆积，钻杆在堆积物的支撑作用下，迫使钻头切削钻孔上侧，因而使钻孔轨迹上斜。

⑸ 无论是在均质地层还是在非均质地层内，钻头转速的高低均对钻孔轨迹产生一定的影响。在采用低转速进行近水平钻进时，由于重力的作用，钻头总是处于钻孔的下侧孔壁，使下侧孔壁岩石的切削时间多于上侧孔壁，这样就使钻孔轨迹向下偏斜。若采用高转速进行钻进，由于高转速所产生的离心效应比较大，因而对于钻孔可起到一定的稳向作用。

⑹ 要有效控制钻孔轨迹，在合理使用稳定组合钻具的同时，必须注意调节钻进工艺参数，这样才能达到理想的钻进效果。

1# 钻孔操作规程参数表

4.3 钻孔轨迹控制

为了使钻孔尽可能多的在煤层中延伸，采用稳定组合钻具作为控制钻孔方向的钻具。稳定组合钻具主要有：上仰下斜保直三种组合形式，通过调整稳定器数量及安放位置来实现钻具组合效果。通过试验证明其控制效果是行之有效的，并能减少塌孔和夹钻等孔内事故的发生。在钻进过程中，应随时根据孔口排渣及压力仪表判断孔内情况，发现异常及时处理。除此之外，钻孔方向的控制还从以下方面进行：

⑴系统掌握煤层地质资料，结合钻孔设计参数、煤层走向和倾角，正确合理的选择开孔方位角和倾角，并尽可能选择煤层较稳定地段施工顺煤层长钻孔。

⑵开孔前，将钻机摆放平稳，固定好，并校验开孔参数无误后方可开钻。

⑶采用钻孔跟踪设计方法，即根据前一个钻孔施工情况，选择确定下一个钻孔的开孔参数。

⑷在钻进过程中，严格按照钻机操作规程及工艺规程参数进行，如果钻机因各种原因产生挪位，应及时重新稳固钻机。

4.4 钻孔测斜

钻孔轨迹的测量是受控定向钻进技术的关键之一。在近水平孔钻进过程中，为了使钻孔尽可能的按照预定方向延伸，应定时对钻孔进行测斜，并根据测量结果及时调整钻具组合方式和钻进工艺参数。

1#钻孔参数一览表

5 孔内事故预防及措施

通常深孔钻进，尤其是在瓦斯富集的煤层中钻进，易发生塌孔、埋钻、卡钻、喷孔等事故，同时诱发断钻杆事故。在钻进过程中,对于各种孔内事故应以预防为主。

⑴钻杆折断。在钻进过程中如果发生钻杆折断事故，可采用公锥进行打捞。

⑵卡钻事故。由于煤层松散、瓦斯富集极易造成卡埋钻事故。发生这类事故时，首先看孔口是否返水及钻杆能否活动。如果孔口返水正常，钻杆也可以活动，可先用水冲孔，然后利用钻杆和钻具上的反切削合金切削钻具后的煤（岩）块，边回转边提钻。如果孔口不返水，或返水很小，钻杆卡死，不能回转时，可先用钻机强力起拔使钻具松动，再适当调大钻机泵量，增加钻机扭矩，利用钻杆和钻具上的反切削合金切削钻具后的煤（岩）块，边回转边提钻。

⑶掉钻事故。发生掉钻时先可试着对接，如果对接不上可改用丝锥打捞，方法和断钻杆事故处理方法相同。

⑷喷孔。对于高瓦斯矿区，喷孔现象时有发生。当喷孔不严重或喷孔断较浅时，采用“高转速、低钻压”的工艺措施。这样可通过钻具在孔内高速转动，保证孔内排渣畅通，并释放喷出的瓦斯，降低孔内的瓦斯压力。当发生严重喷孔时，可采用“平行孔交替法”施工，直至其中一个钻孔达到设计孔深为止。

6 结论

对于高产高效高瓦斯工作面，根据具体开采技术条件，采用沿煤层长钻孔进行瓦斯抽放相对于采用专用巷道和密集短钻孔抽放瓦斯，可减少钻探工作量、缩短工作面准备时间、降低成本、提高瓦斯抽放量和抽放效率，具有巨大的经济优势和推广应用前景，为瓦斯灾害治理提供了新的技术途径。

参考文献：

[1] 韩广德主编.中国煤炭工业钻探工程学[M].北京:煤炭工业出版社.2000.

[2] 孙荣军等编.煤层长钻孔定向钻进工艺技术开发研究报告.西安:煤炭科学研究总院西安分院.2001.