關(guān)于松軟低透氣性煤層成孔工藝的研究

張盼 李恒忠 馮天祥 李飛

摘?要：近些年，很多煤礦和科研院所對松軟低透氣性煤層的成孔工藝做了相對深入的研究，也已積累了不少經(jīng)驗，包括螺旋鉆桿與壓風(fēng)排粉鉆進技術(shù)、三棱鉆桿打孔鉆進技術(shù)、套管鉆進技術(shù)、扒孔鉆桿結(jié)合風(fēng)排粉技術(shù);筆者對現(xiàn)有的一些有代表性的鉆桿、鉆進方式和排粉方式進行了深入淺出的闡釋，希望進一步加深相關(guān)領(lǐng)域研究者對松軟低透氣性煤層成孔工藝的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：松軟煤層、低透氣性煤層、成孔工藝

引言

隨著我國煤礦的開采規(guī)模增大，開采深度增加，很多煤礦都面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層松軟，透氣性低、瓦斯含量高等惡劣的開采條件，而在這樣惡劣的開采條件下，瓦斯的治理成為避免瓦斯事故、保障煤礦安全必須思考的問題。

目前，公認(rèn)的對瓦斯治理最為有效的方式就是采用鉆孔施工進行區(qū)域瓦斯的抽采，影響瓦斯抽采效果的主要因素是煤層透氣性和鉆孔施工的成孔狀況，因此，鉆孔施工中的成孔工藝成為松軟低透氣性煤層的瓦斯抽采治理的關(guān)鍵技術(shù)。

近些年來，很多企業(yè)及科研院所在松軟低透氣性煤層鉆孔施工中的成孔工藝方面積累了不少經(jīng)驗，包括螺旋鉆桿與壓風(fēng)排粉鉆進技術(shù)、三棱鉆桿打孔鉆進技術(shù)、套管鉆進技術(shù)、扒孔鉆桿結(jié)合風(fēng)排粉技術(shù)。

1.螺旋鉆桿與壓風(fēng)排粉鉆進技術(shù)

1.1概念

螺旋鉆桿與壓風(fēng)排粉鉆進是在高瓦斯、松軟低透氣性煤層中鉆進成孔的有效施工方式。螺旋鉆桿的旋轉(zhuǎn)可以排除孔內(nèi)煤屑，壓風(fēng)就是采用壓縮空氣經(jīng)過鉆桿進入鉆進孔底，在孔內(nèi)形成高速風(fēng)，將孔內(nèi)煤屑吹向孔口，實現(xiàn)冷卻鉆頭和高效排粉。

1.2螺旋鉆進的關(guān)鍵參數(shù)選擇

螺旋鉆進的關(guān)鍵參數(shù)包括鉆孔深度、成孔直徑、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆進速度、螺旋鉆桿螺旋葉片的升角等。

根據(jù)瓦斯抽放的需要，鉆孔施工的鉆孔深度通常要能達(dá)到100m以上，成孔直徑在80mm上下，鉆進的速度控制在0.5-1.0m/min。

對于鉆桿轉(zhuǎn)速的高低會影響鉆進排粉效果，高轉(zhuǎn)速有利于松軟煤層煤屑快速排出，而低轉(zhuǎn)速時，螺旋鉆桿螺旋葉片上的煤屑不能自行快速排出，而是靠煤屑相互擠壓推動排出，當(dāng)煤屑的水分增大時，煤屑與螺旋葉片間的摩擦力增大，容易發(fā)生阻塞而卡鉆。

由相關(guān)文獻(xiàn)可知，鉆桿轉(zhuǎn)速可以根據(jù)如下公式確定

是修正后的鉆桿臨界轉(zhuǎn)速;K是常數(shù)，與煤層的性質(zhì)、成孔直徑、鉆進速度有關(guān)，隨著K的增大，鉆孔輸送煤屑的效率和成孔時間是下降，功耗則在上升，K值通常取0.2-0.3。是理論計算的臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速與螺旋葉片的升角、成孔直徑關(guān)系很大，成孔直徑越大，臨界轉(zhuǎn)速要求就越低，成孔直徑越小，則臨界轉(zhuǎn)速要求就越高。

螺旋鉆桿的螺旋葉片的升角與螺旋半徑相關(guān)，螺旋半徑越大，螺旋葉片的升角越小，靠近鉆桿桿芯處升角最大，螺旋葉片的升角必須小于等于煤屑與螺旋葉片之間的摩擦角。

鉆進速度的選值與煤的性質(zhì)、成孔直徑、鉆桿轉(zhuǎn)速有關(guān)，綜合考慮，通常采用高鉆桿轉(zhuǎn)速小鉆進速度。

1.3壓風(fēng)排粉的關(guān)鍵參數(shù)選擇

壓風(fēng)排粉的關(guān)鍵參數(shù)包括最小風(fēng)速和最佳風(fēng)量，要保證高鉆進速度，就要保證鉆桿和孔壁之間的返風(fēng)速度。實踐證明，返風(fēng)速度最小15.5m/s，最佳25m/s。而風(fēng)量可以根據(jù)鉆桿直徑和鉆孔孔徑及風(fēng)速通過相應(yīng)的算式計算求得，在同等地層同等供風(fēng)量下，鉆孔深度和風(fēng)壓大小成正比，和鉆桿的沿程阻力、局部阻力成反比。

目前壓風(fēng)排粉方式通常配合有降塵除塵的密封除塵裝置，裝置包括設(shè)置于孔口的防塵擋圈、防塵擋板和孔內(nèi)的防塵套管、引粉膠管以及導(dǎo)水管，正常鉆進時鉆頭和鉆桿通過裝置前端的防塵擋圈和防塵擋板進入鉆孔，壓風(fēng)通過鉆桿到達(dá)孔底，之后攜帶煤粉返回孔口，在導(dǎo)水管導(dǎo)出的壓力水霧作用下，壓風(fēng)和煤粉初步分離，在防塵擋圈和防塵擋板的作用下，煤粉沿引粉膠管至煤粉沉淀池。

壓風(fēng)排粉相比常規(guī)的水力排粉，對孔壁的沖擊小，不易破壞孔壁，能有效防止水力排粉液壓過大對孔壁煤塊的劈裂而造成垮孔和噴孔，而且還可以避免水力排粉由于氣、液、固三流態(tài)的不穩(wěn)定而造成的卡鉆，壓風(fēng)還不會影響煤層中瓦斯的解吸，瓦斯能夠快速釋放到壓風(fēng)中，并迅速將壓力傳遞到孔外，減少瓦斯的聚集和壓力增加造成的噴孔。

2.三棱鉆桿打孔鉆進技術(shù)

三棱鉆桿顧名思義鉆桿的桿體具有三個棱角，鉆進過程中鉆桿與鉆孔壁之間形成三個半圓形的空間，相比螺旋鉆桿擴大了排除煤粉和瓦斯的通道，鉆桿的三棱把多余的煤粉、煤渣持續(xù)的向孔壁旋轉(zhuǎn)膩抹，起到強化孔壁的作用，提高了鉆孔施工的效率和成孔率，大大降低了松軟煤層塌孔，鉆桿抱死卡鉆損壞的機率。

3.套管鉆進技術(shù)

3.1概念

套管鉆進是把鉆進和套管施工一次完成，在鉆進過程中，直接采用套管取代鉆桿，一邊鉆進一邊下套管，井下鉆具組合在套管內(nèi)，鉆進完成后套管就留在了井內(nèi)，由于套管鉆進從始至終有套管伴隨下到孔底，套管鉆進在起下鉆具時進行鉆井液的循環(huán)和套管旋轉(zhuǎn)，從而消除了施工中的煤層膨脹、孔壁坍塌、卡鉆等意外事故，提高施工鉆進速度。

3.2套管鉆進的工藝設(shè)計

套管鉆進設(shè)備的套管由頂部驅(qū)動裝置帶動旋轉(zhuǎn)，由套管傳動扭矩，帶動套管底部的鉆具鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進;同時在鉆具中安裝有可張開或收縮的擴孔鉆頭，鉆進時擴孔鉆頭張開，鉆出直徑大于套管外徑的井孔。鉆進液從套管內(nèi)部進，從套管與孔壁之間的環(huán)形空間返回。

鉆具通過絞車控制在套管中起下，并可在套管底部松開與鎖定;鉆頭的鉆進過程也就是下套管的過程，套管打入煤層不再提起，鉆進完成后即可進行固井作業(yè)。

套管鉆進施工的設(shè)計與其他鉆進技術(shù)設(shè)計在很多方面都有相似性，明顯區(qū)別是套管鉆進時套管會承受附加應(yīng)力，設(shè)計時需對彎曲、疲勞和洗井問題特別考慮。

3.3套管鉆進技術(shù)中的固井方法

套管鉆進完成后，多采用兩種固井方式，一種是采用特殊固井塞座配合常規(guī)的固井工藝進行固井，這種固井塞座座放時成套爪狀，固井塞可以座放于座放接箍內(nèi)，鎖定后與套管成為一體。固井塞是可鉆的，需要繼續(xù)套管鉆進時，下入較小直徑的套管鉆進系統(tǒng)，鉆掉固井塞和水泥環(huán)后即可繼續(xù)鉆進。

另一種固井方式是采用柔性刮塞和頂替塞。固井時先向套管內(nèi)泵入一個能刮去管壁濾餅的柔性刮塞，通過加壓，柔性刮塞可剪斷并從套管底端泵出。注入固井水泥后，再泵入頂替塞將水泥的上返壓力密封在頂替塞下。需繼續(xù)鉆進時，用較小直徑的套管鉆進系統(tǒng)，將刮塞、固井浮箍和水泥環(huán)鉆掉后繼續(xù)鉆進。

4.扒孔鉆桿結(jié)合風(fēng)排粉技術(shù)

4.1概念

扒孔鉆桿是在壁厚加厚的光面鉆桿表面刻制螺旋槽，以實現(xiàn)鉆桿本身的機械排渣效果。風(fēng)排粉技術(shù)已在前述中有所提及，這里不再重復(fù)贅述。

4.2扒孔鉆桿的特點

扒孔鉆桿具有較好的排渣功能，能一定程度的解決夾鉆問題，繼續(xù)在煤層鉆進，同時扒孔鉆桿具有快速穿越高應(yīng)力易塌孔區(qū)的能力，鉆桿先依靠鉆桿表面加工的螺旋槽機械排渣，再結(jié)合壓風(fēng)協(xié)同配合，減少出現(xiàn)塌孔、堵孔、卡鉆、抱鉆等現(xiàn)象，提高鉆孔鉆進深度和鉆進效率。

5.綜述

上述成孔工藝技術(shù)已經(jīng)在松軟低透氣性煤層的長鉆孔施工中得到了較為廣泛的應(yīng)用，但對于f值在0.2以下的松軟煤層，采用上述工藝技術(shù)仍然不能完全解決塌孔、夾鉆等成孔工藝技術(shù)難題，我們還需要繼續(xù)對松軟低透氣性煤層的成孔工藝進行深入研究，在改進鉆具和排粉方式的同時找到新的研究突破口，提升成孔率、降低塌孔、卡鉆風(fēng)險，徹底解決松軟低頭氣性煤層的成孔工藝技術(shù)難題。

參考文獻(xiàn)

[1]?林府進.突出松軟煤層螺旋鉆進技術(shù)的研究

[2]?楊曉剛.螺旋鉆進鉆屑運移規(guī)律及臨界轉(zhuǎn)速的研究[j].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994（4）

[3]?孫景武.長螺旋鉆孔機臨界轉(zhuǎn)速的確定[j].工程機械，1992（8）