頂板復(fù)雜巖層無線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)

王 鮮，李泉新，許 超，方 俊

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

我國(guó)煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大，嚴(yán)重影響了煤炭安全高效開采。針對(duì)采空區(qū)及工作面上隅角瓦斯抽采的需要，基于頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律和煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)，形成了高位定向鉆孔抽采瓦斯技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)在全國(guó)范圍推廣應(yīng)用并取得了顯著效果[1-2]。實(shí)踐證明，高位定向鉆孔抽采瓦斯技術(shù)具有鉆孔軌跡可控、工程量小、施工周期短、瓦斯抽采效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。隨著該技術(shù)應(yīng)用范圍擴(kuò)大，在頂板復(fù)雜巖層中逐漸顯現(xiàn)出以下2 點(diǎn)不足：

1）以往高位定向鉆孔施工多采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，形成的鉆孔彎曲曲率全孔連續(xù)變化，導(dǎo)致鉆進(jìn)阻力較大、鉆探裝備壓力大[5]，并且在鉆進(jìn)頂板硬巖時(shí)，受螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)矩限制，滑動(dòng)定向鉆進(jìn)效率低。

2）目前煤礦井下隨鉆測(cè)量裝置主要采用有線傳輸，須配套中心通纜式隨鉆測(cè)量鉆桿，受制于中心通纜結(jié)構(gòu)及鉆桿級(jí)配和強(qiáng)度要求，一般采用薄壁、大通孔、外平結(jié)構(gòu)，這種鉆桿結(jié)構(gòu)排渣效果差，在頂板復(fù)雜巖層鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生鉆孔事故。

基于以上原因，研究形成了基于螺旋鉆桿的無線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，包括泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量技術(shù)、復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)和寬翼片螺旋鉆桿復(fù)合排渣技術(shù)，在淮南顧橋礦開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)效率高、配套寬翼片螺旋鉆桿復(fù)合排渣效果好、通過復(fù)雜地層能力強(qiáng)。

1 無線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)

無線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)的原理是：鉆進(jìn)過程中，利用孔內(nèi)泥漿脈沖探管測(cè)量鉆孔軌跡參數(shù)（傾角和方位角）及螺桿馬達(dá)工具面向角并傳遞至孔口計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)內(nèi)軟件處理后得到實(shí)際鉆孔軌跡及其與設(shè)計(jì)鉆孔軌跡偏差情況；司鉆人員分析偏差情況，在需要糾斜時(shí)通過調(diào)整螺桿馬達(dá)工具面向角實(shí)施滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，在穩(wěn)斜時(shí)實(shí)施復(fù)合鉆進(jìn)；復(fù)合鉆進(jìn)的同時(shí)利用螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)結(jié)合水力循環(huán)復(fù)合排渣，實(shí)現(xiàn)在頂板復(fù)雜巖層中精確、高效、安全定向鉆進(jìn)。

1.1 泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量技術(shù)

泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由孔底的泥漿脈沖探管（包括測(cè)量短節(jié)、電池筒短節(jié)、驅(qū)動(dòng)短節(jié)）和脈沖發(fā)生器以及孔口的壓力變送器和防爆計(jì)算機(jī)組成，其工作原理為：鉆進(jìn)一定距離后（一般3 m 或6 m），停止向孔內(nèi)供水，探管測(cè)量短節(jié)檢測(cè)到停水的信號(hào)后即開始測(cè)量所在位置鉆孔軌跡參數(shù)并進(jìn)行編碼，待編碼完畢后向孔內(nèi)供水，測(cè)量短節(jié)檢測(cè)到開水信號(hào)后即將測(cè)量的鉆孔軌跡參數(shù)連同此時(shí)螺桿馬達(dá)工具面向角值發(fā)送給驅(qū)動(dòng)短節(jié)，通過驅(qū)動(dòng)短節(jié)內(nèi)電磁驅(qū)動(dòng)閥動(dòng)作控制脈沖發(fā)生器內(nèi)水流通道面積，從而在水流中產(chǎn)生壓力脈沖將數(shù)據(jù)傳輸至孔口；孔口安裝的壓力變送器檢測(cè)到水流中壓力脈沖信號(hào)后，通過線纜將數(shù)據(jù)傳輸至防爆計(jì)算機(jī)，防爆計(jì)算機(jī)內(nèi)專用測(cè)量軟件對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和顯示，同時(shí)得到實(shí)際鉆孔軌跡及其與設(shè)計(jì)鉆孔軌跡偏差情況。數(shù)據(jù)傳輸完畢后，泥漿脈沖探管停止工作，孔內(nèi)水流壓力恢復(fù)正常，可以繼續(xù)鉆進(jìn)[6]。

泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)無特殊要求，可選配螺旋鉆桿或三棱鉆桿用于復(fù)雜煤巖層鉆進(jìn)，提高了地層適應(yīng)性和鉆進(jìn)安全性、減低了鉆具成本。

1.2 復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)

復(fù)合定向鉆進(jìn)中的“復(fù)合”包含2 層含義：一是“滑動(dòng)造斜”與“回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜”2 種鉆進(jìn)模式的復(fù)合；二是回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)與螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)2 種碎巖動(dòng)力的復(fù)合[7]。復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)的核心是鉆進(jìn)過程中對(duì)“滑動(dòng)造斜”與“回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜”2 種模式轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)的把握，其技術(shù)原理為：在鉆孔造斜段采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)，此時(shí)鉆機(jī)動(dòng)力頭和鉆桿不回轉(zhuǎn)，僅向孔內(nèi)施加鉆壓，保持螺桿馬達(dá)彎頭朝向一個(gè)方向，通過泵送高壓水驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)碎巖，實(shí)現(xiàn)“滑動(dòng)造斜”；在鉆孔穩(wěn)斜段采用復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，高壓水驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，鉆機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)并向孔內(nèi)施加鉆壓，這兩者旋轉(zhuǎn)碎巖動(dòng)力復(fù)合鉆進(jìn)，在此過程中，鉆機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)具有3 種作用：①消除螺桿馬達(dá)定向造斜功能實(shí)現(xiàn)“回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜”；②提高孔底鉆頭碎巖動(dòng)力；③鉆具不斷旋轉(zhuǎn)碾碎和攪動(dòng)孔內(nèi)碎屑以利于排渣[8]。

復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)效率高、鉆孔排渣效果好、鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力低，有利于在頂板復(fù)雜巖層中高效、安全和深孔鉆進(jìn)。

1.3 寬翼片螺旋鉆桿復(fù)合排渣技術(shù)

目前煤礦井下定向鉆進(jìn)多采用清水進(jìn)行水力循環(huán)排渣，所用鉆桿一般為外平結(jié)構(gòu)，隨著孔深增加或在下斜孔內(nèi)，排渣通道增長(zhǎng)、排渣阻力增大、排渣效果減弱。寬翼片螺旋鉆桿復(fù)合排渣技術(shù)原理是：在采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)動(dòng)力頭及鉆桿柱不旋轉(zhuǎn)，單純依靠水力循環(huán)排渣；在采用復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，利用水力循環(huán)排渣結(jié)合螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)排渣，實(shí)現(xiàn)復(fù)合排渣。復(fù)合排渣技術(shù)不僅可在正常鉆進(jìn)時(shí)提高孔內(nèi)排渣效果，在孔壁坍塌時(shí)，通過螺旋鉆桿高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)排渣并磨碎較大顆粒，提高水流對(duì)碎屑攜帶能力，使孔內(nèi)碎屑及時(shí)排出孔外，保證鉆孔返水通道暢通，防止卡、埋鉆事故；在鉆進(jìn)軟弱巖層時(shí)，旋轉(zhuǎn)排渣的同時(shí)螺旋鉆桿翼片不斷刮削鉆孔孔壁，有利于保證孔內(nèi)清潔和提高成孔質(zhì)量。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于淮南顧橋礦南區(qū)1212(3)工作面，開采13-1#煤，煤層平均厚度4.42 m，傾角1°～12°，預(yù)計(jì)瓦斯含量3.19～5.1 m3/t。工作面回采期間計(jì)劃采用高位定向鉆孔抽采采空區(qū)及上隅角瓦斯，鉆孔施工中需穿越f1211（3）-7 和FSN69 2 個(gè)正斷層。地質(zhì)資料顯示，煤層直接頂為煤線、炭質(zhì)泥巖、泥巖、和砂質(zhì)泥巖；基本頂由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖、中粗砂巖組成，大部分為泥巖或砂質(zhì)泥巖。

2.2 鉆進(jìn)裝備組成

施工中采用煤礦井下大功率定向鉆進(jìn)裝備系統(tǒng)，該套裝備具有鉆進(jìn)及事故處理能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠和工藝適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)[9]，其主要裝備組成為：①ZDY12000LD 定向鉆機(jī)；②BLY390/12 泥漿泵車；③YHD3－1500 隨鉆測(cè)量裝置；④φ89 mm/1．25°－4 孔底馬達(dá)；⑤φ89 mm/1．75°－4 孔底馬達(dá)；⑥φ89/73mm×1．5 m 寬翼片螺旋鉆桿；⑦φ89mm×1．5 m 常規(guī)外平鉆桿；⑧φ120 mm 定向鉆頭；⑨φ120/153 mm 擴(kuò)孔鉆頭。

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)1212（3）工作面頂板巖性狀況及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，考慮在定向鉆進(jìn)過程中，可能因破碎帶、斷層、泥質(zhì)軟巖等復(fù)雜地層影響，導(dǎo)致鉆孔局部孔段異常，甚至誘發(fā)卡、埋鉆事故，為此制定了2 種定向鉆進(jìn)技術(shù)方案：①方案1：有線隨鉆測(cè)量裝置配套中心通纜式隨鉆測(cè)量鉆桿；②方案2：泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量裝置配套寬翼片螺旋鉆桿。施工中采用“定向先導(dǎo)孔+正向擴(kuò)孔”的成孔工藝。

定向鉆進(jìn)鉆具組合為：φ120 mm 定向鉆頭+φ89 mm 單彎螺桿馬達(dá)+φ89 mm 下無磁鉆桿+φ89 mm 隨鉆測(cè)量探管外管（內(nèi)含有線/無線隨鉆測(cè)量探管）+φ89 mm 有線/無線隨鉆測(cè)量鉆桿+送水器。

擴(kuò)孔鉆具組合為：φ120 mm/153 mm 擴(kuò)孔鉆頭+φ89 mm 常規(guī)外平鉆桿+送水器。

2.4 鉆孔施工情況

按既定方案，共施工了7 個(gè)高位定向鉆孔，最大孔深536 m，鉆孔總進(jìn)尺3 789 m，孔徑φ153 mm。其中在5 個(gè)鉆孔中試驗(yàn)了泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，試驗(yàn)最大鉆孔深度530 m，累計(jì)鉆孔進(jìn)尺1 673 m。高位定向鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖1。

圖1 高位定向鉆孔實(shí)鉆軌跡

3 試驗(yàn)效果分析

3.1 泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用效果

分別在2#、3#、4#、6#、7#鉆孔中使用了泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，最大測(cè)量鉆孔深度530 m，累計(jì)測(cè)量鉆孔進(jìn)尺1 673 m，累計(jì)測(cè)量次數(shù)557 次，其中測(cè)量誤碼4 次，綜合誤碼率0.72%。使用過程中系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠，滿足煤礦井下定向鉆進(jìn)軌跡控制要求。

3.2 復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)效果分析

鉆進(jìn)過程中，有線隨鉆測(cè)量定向鉆具與泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆具均使用了復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，從鉆進(jìn)時(shí)效和復(fù)雜孔段鉆進(jìn)效果2 個(gè)方面對(duì)2種鉆具組合形式下復(fù)合定向鉆進(jìn)效果進(jìn)行分析。

1）鉆進(jìn)時(shí)效對(duì)比。1#~7#鉆孔采用滑動(dòng)定向與復(fù)合鉆進(jìn)2 種鉆進(jìn)模式的應(yīng)用比例與平均鉆進(jìn)時(shí)效見表1?？梢钥闯?，復(fù)合鉆進(jìn)的鉆進(jìn)時(shí)效明顯優(yōu)于滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，前者機(jī)械鉆速最高可達(dá)到后者機(jī)械鉆速的近2 倍。在保證鉆孔軌跡施工精度的同時(shí)，合理控制滑動(dòng)定向鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)2 種模式應(yīng)用比例，對(duì)于提高定向鉆孔施工效率，縮短成孔周期具有積極意義[10]。

表1 2 種鉆進(jìn)模式應(yīng)用比例與鉆進(jìn)時(shí)效對(duì)比

2）復(fù)雜孔段鉆進(jìn)效果分析。鉆進(jìn)中，3#和4#鉆孔分別在孔深386 m 和376 m 處因鉆孔與FSN69斷層斷裂帶貫通導(dǎo)致孔內(nèi)返水量小或無返水。3#鉆孔鉆遇此情況時(shí)，為確?？變?nèi)定向鉆具安全，退鉆更換了常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆具組合對(duì)剩余孔段實(shí)施頂漏鉆進(jìn)直至達(dá)到設(shè)計(jì)孔深，之后下入有線隨鉆測(cè)量裝置對(duì)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)孔段軌跡進(jìn)行了復(fù)測(cè)。4#鉆孔鉆遇此情況時(shí)，利用有線隨鉆測(cè)量定向鉆具采用滑動(dòng)定向方式頂漏鉆進(jìn)困難，結(jié)合3#鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，退鉆更換了泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量定向鉆具采用復(fù)合定向鉆進(jìn)成功鉆至設(shè)計(jì)孔深?？梢姡瑥?fù)合定向鉆進(jìn)較滑動(dòng)定向鉆進(jìn)具有更強(qiáng)的鉆進(jìn)能力，提高了復(fù)雜地層中鉆孔成孔率。

3.3 寬翼片螺旋鉆桿復(fù)合排渣效果分析

保障鉆孔清潔是鉆孔正常施工和預(yù)防鉆孔事故的重要因素。本次試驗(yàn)了水力正循環(huán)和螺旋鉆桿攪動(dòng)的復(fù)合排渣方式，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合排渣方式的孔段返渣量可達(dá)單純水力排渣的2~3 倍，排渣效果明顯提高，鉆進(jìn)過程中沒有發(fā)生卡、埋鉆事故；在因沖孔不充分導(dǎo)致孔內(nèi)鉆屑淤積造成滑動(dòng)定向難以鉆進(jìn)時(shí)，采取“停鉆、倒桿、復(fù)合排渣”的方式，可快速將鉆屑排出孔外，有效提高鉆孔清潔度、降低鉆機(jī)系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)正常定向鉆進(jìn)。水力正循環(huán)和螺旋鉆桿攪動(dòng)的復(fù)合排渣方式減少了鉆進(jìn)過程輔助沖孔時(shí)間，提高了鉆孔綜合效率、鉆孔作業(yè)安全和成孔率。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于螺旋鉆桿的泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)既實(shí)現(xiàn)了煤礦井下隨鉆測(cè)量方式由“有線”向“無線”的跨越，擺脫了中心通纜式鉆桿結(jié)構(gòu)的束縛，又提高了復(fù)雜巖層中鉆進(jìn)效率、鉆進(jìn)能力和排渣效果，滿足頂板復(fù)雜巖層中定向鉆孔施工要求。通過優(yōu)選適用鉆桿，還可用于碎軟煤層和軟硬復(fù)合煤層，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)，減小鉆桿與孔壁間摩擦阻力，提高復(fù)合排渣效果和深孔鉆進(jìn)能力。