煤礦井下復(fù)雜巖層跟管定向鉆進(jìn)技術(shù)研究

張 杰

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

0 引言

目前煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下瓦斯災(zāi)害治理、水害防治等鉆探工程中得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于成孔條件限制，只能應(yīng)用于極少數(shù)煤層硬度f(wàn)＞1、成孔性好的順層瓦斯抽采鉆孔、穩(wěn)定巖層高位定向鉆孔、探放水鉆孔、精準(zhǔn)地質(zhì)勘探鉆孔以及頂（底）板注漿加固鉆孔等巖層鉆孔施工［1-9］。

巖層定向鉆孔施工過(guò)程中，常常會(huì)遇見(jiàn)煤系地層中斷層破碎帶、泥巖、高地應(yīng)力軟巖等復(fù)雜地層，在這些復(fù)雜地層施工中，易出現(xiàn)塌孔、卡鉆等事故，施工難度大、成孔難，鉆孔深度淺，達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)而導(dǎo)致應(yīng)用效果不理想。當(dāng)鉆遇這類(lèi)地層時(shí)，主要采取鉆分支孔避讓不穩(wěn)定地層、孔內(nèi)注漿和下套管護(hù)孔等幾種方法嘗試處理，現(xiàn)實(shí)使用中往往難以取得理想的效果。

為了解決破碎坍塌不穩(wěn)定地層鉆進(jìn)護(hù)孔問(wèn)題，地面鉆探領(lǐng)域研究了偏心跟管鉆進(jìn)、雙管鉆進(jìn)、氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝等［10-12］多種工藝方法，取得了一定的應(yīng)用效果。但由于煤礦井下鉆孔為近水平鉆孔施工，鉆具水平狀態(tài)主要受重力作用雙管同軸度難、偏心分布，且沖洗液無(wú)法充滿孔段來(lái)支撐破碎孔壁穩(wěn)定，現(xiàn)有的跟管鉆進(jìn)技術(shù)無(wú)法直接在煤礦井下應(yīng)用。此外地面跟管鉆進(jìn)無(wú)法定向鉆進(jìn)，因此這些方法尚無(wú)法應(yīng)用于井下定向鉆孔施工。受到地層條件限制，煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)不能充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，對(duì)于煤礦井下采空區(qū)瓦斯治理、防治水害等，則只能采取其它技術(shù)方法和手段來(lái)解決問(wèn)題，如開(kāi)拓巷道、鉆場(chǎng)，增加鉆孔施工量等方法，這就直接增加了工程量和施工成本。在這種情況下，研究一種跟管定向鉆進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖層定向長(zhǎng)鉆孔施工具有重要意義［9-15］。

1 技術(shù)原理

煤礦井下跟管定向鉆進(jìn)技術(shù)方法是采用有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)與螺桿鉆具帶著套管進(jìn)行定向鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中，高壓沖洗介質(zhì)驅(qū)動(dòng)螺桿鉆具回轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)跟管定向鉆頭回轉(zhuǎn)，跟管定向鉆帶動(dòng)跟管擴(kuò)孔套鉆頭一起回轉(zhuǎn)破碎孔底巖石，而中心鉆具（通纜鉆桿、有線隨鉆測(cè)量鉆具、螺桿鉆具）與外部套管（套管、鉸接接頭、套管靴、跟管擴(kuò)孔套）均不回轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整工具面即改變螺桿鉆具彎頭朝向來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡控制，在給進(jìn)力作用下外部套管隨中心鉆具一同進(jìn)入孔內(nèi)（如圖1 所示）。當(dāng)鉆進(jìn)至預(yù)定深度時(shí)，中心鉆具與外部套管分離，將中心鉆具提出孔外，外部套管則留在孔內(nèi)起到護(hù)孔作用。跟管定向鉆進(jìn)完成后可從孔口下入小一級(jí)直徑的螺桿鉆具、隨鉆測(cè)量鉆具和鉆頭繼續(xù)進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工直至設(shè)計(jì)深度［16］。

圖1 跟管定向鉆進(jìn)施工原理Fig.1 Principle of casing while directional drilling

2 跟管定向鉆具設(shè)計(jì)

2.1 鉆具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

跟管定向鉆進(jìn)工藝的關(guān)鍵在于鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中心鉆具主要由中心通纜鉆桿、有線隨鉆測(cè)量鉆具和孔底螺桿鉆具（帶彎接頭）、跟管定向鉆頭等組成，外部跟管套管由高強(qiáng)度的PE 管、鉸接接頭、套管靴、跟管擴(kuò)孔套等組成。

首先為實(shí)現(xiàn)跟管時(shí)孔底鉆頭回轉(zhuǎn)而外部套管結(jié)構(gòu)不隨跟管定向鉆頭回轉(zhuǎn)，外部套管與跟管定向鉆頭（中心定向鉆頭、跟管擴(kuò)孔套）之間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一套滾珠鉆具結(jié)構(gòu)；另外為了保證跟管定向鉆孔軌跡控制，調(diào)整螺桿鉆具彎頭朝向時(shí)不影響造斜鉆具的造斜，在螺桿鉆具彎頭部分對(duì)應(yīng)套管部分設(shè)計(jì)成一套鉸接接頭結(jié)構(gòu)，使套管跟隨螺桿鉆具彎頭朝向全方位調(diào)節(jié)。

2.2 滾珠鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）為了滿足工藝要求，設(shè)計(jì)了滾珠鉆具，其主要由套管靴、跟管擴(kuò)孔套和中心定向鉆頭組成（見(jiàn)圖2）。

圖2 滾珠鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the racing ball type drill

（2）中心定向鉆頭（見(jiàn)圖3）與跟管擴(kuò)孔套通過(guò)旋轉(zhuǎn)滑槽連接，連接時(shí)，中心定向鉆頭先沿著軸向滑槽滑動(dòng)，滑到一定位置后再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)滑槽，中心定向鉆頭與跟管擴(kuò)孔套配合連接，中心定向鉆頭回轉(zhuǎn)能夠帶動(dòng)跟管擴(kuò)孔套回轉(zhuǎn)。

圖3 中心定向鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the concentric directional bit

（3）套管靴與跟管擴(kuò)孔套（見(jiàn)圖4）之間采用滾珠軸承連接，實(shí)現(xiàn)中心定向鉆頭回轉(zhuǎn)時(shí)外部套管部分不回轉(zhuǎn)；另外，在給進(jìn)作用下，對(duì)外部套管部分施加一個(gè)拉力作用，使外部套管隨著鉆具一同進(jìn)入孔內(nèi)。

2.3 鉸接接頭設(shè)計(jì)

由于中心鉆具組合中螺桿鉆具底部有1.25°的彎角結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)鉆孔定向造斜，對(duì)應(yīng)套管部分采用鉸接結(jié)構(gòu)保障套管隨螺桿鉆具向?qū)?yīng)方向調(diào)整。

圖4 套管靴與跟管擴(kuò)孔套結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of the casing shoe and reaming sleeve

鉸接接頭由外接頭和內(nèi)接頭組成（見(jiàn)圖5），內(nèi)外接頭之間采用鉸接，二者之間能夠相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，同時(shí)，鉸接接頭能夠傳遞一定大小的軸向拉力。鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)部螺桿鉆具調(diào)整工具面向角時(shí)，由于鉸接接頭的存在，使套管跟隨螺桿鉆具彎頭朝向全方位調(diào)節(jié)，從而不影響螺桿鉆具的造斜效果。

圖5 鉸接接頭結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of the articulated joint

2.4 PE 套管

跟管鉆進(jìn)用套管采用特殊PE 管材，外徑130 mm，兩端分別加工公扣和母扣，單根長(zhǎng)度1000 mm。

3 跟管定向鉆進(jìn)工藝

3.1 跟管定向鉆進(jìn)鉆具組合

鉆具組合由中心鉆具、外部套管等內(nèi)外兩套鉆具串組成（參見(jiàn)圖1）。

（1）外部套管：?102 mm／?140 mm 跟管擴(kuò)孔套+?102 mm套管靴+鉸接接頭+?130 mmPE管。

（2）中心鉆具：?102 mm／?140 mm 中心定向鉆頭+?89 mm 螺桿鉆具+?73 mm 有線隨鉆測(cè)量鉆具+?73 mm 通纜鉆桿。

3.2 跟管定向鉆進(jìn)

采用?96 mm 復(fù)合片鉆頭回轉(zhuǎn)開(kāi)孔，并逐級(jí)擴(kuò)孔至?193 mm 后下入?178 mm 孔口管護(hù)孔，然后下入定向鉆具至孔底。

根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡，調(diào)整工具面后開(kāi)始跟管定向鉆進(jìn)。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)通纜鉆桿帶動(dòng)螺桿鉆具回轉(zhuǎn)改變螺桿鉆具彎頭朝向，即可改變中心定向鉆頭和跟管擴(kuò)孔套在孔底的造斜方向，實(shí)現(xiàn)定向鉆孔軌跡控制。調(diào)整給進(jìn)壓力大小，確?？椎茁輻U鉆具平穩(wěn)高效鉆進(jìn)；在給進(jìn)力作用下，套管隨鉆具一同進(jìn)入孔內(nèi)；沖洗介質(zhì)從通纜鉆桿中進(jìn)入，驅(qū)動(dòng)螺桿鉆具碎巖，鉆渣隨沖洗介質(zhì)從中心定向鉆頭與跟管擴(kuò)孔套中間返入導(dǎo)流槽，通過(guò)外部套管和中心鉆具之間環(huán)空間隙返出孔外。

每鉆進(jìn)一段深度，采用有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量鉆孔數(shù)據(jù)，根據(jù)鉆孔軌跡情況選擇合理的工具面向角來(lái)控制鉆孔軌跡，使鉆孔沿著預(yù)定的方向延伸。

3.3 提出中心鉆具

采用跟管定向鉆具鉆進(jìn)到預(yù)定深度后，停止鉆進(jìn)，慢慢逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)通纜鉆桿，中心定向鉆頭與跟管擴(kuò)孔套分離，將中心鉆具（通纜鉆桿、螺桿鉆具和中心定向鉆頭）提出孔外，外部套管（套管、鉸接接頭、套管靴和跟管擴(kuò)孔套）則留在孔內(nèi)，起到對(duì)復(fù)雜巖層孔段護(hù)孔的作用（見(jiàn)圖6）。

圖6 跟管定向鉆進(jìn)提出中心鉆具Fig.6 Tripping out the concentric drilling tool in casing while directional drilling

3.4 小直徑定向鉆具鉆進(jìn)

連接小直徑定向鉆具：?96 mm 小直徑定向鉆頭+?73 mm 螺桿鉆具+?73 mm 有線隨鉆測(cè)量+?73 mm 通纜鉆桿。

將小直徑定向鉆具從套管內(nèi)下到孔底，此時(shí)外部套管作為護(hù)孔管保護(hù)孔壁，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)方法繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。沖洗介質(zhì)從中心鉆具中心進(jìn)入孔底，攜帶鉆渣沿著鉆桿與孔壁間隙外返至套管位置后，再沿著外部套管與鉆桿之間環(huán)空間隙返出孔外（參見(jiàn)圖7）。

圖7 小直徑定向鉆具定向鉆進(jìn)Fig.7 Directional drilling at smaller diameter

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 地層條件

試驗(yàn)地點(diǎn)位于淮北某礦工作面風(fēng)抽聯(lián)巷高位鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)底位于9 號(hào)煤層頂板5 m 位置。該鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)B 組孔2 個(gè)，穿過(guò)7 號(hào)煤層沿其頂板5 m 位置鉆進(jìn)施工，解決由于9 號(hào)煤層回采后7 號(hào)煤層上溢瓦斯。鉆進(jìn)施工地層主要為中砂巖，塊狀，其間穿過(guò)7號(hào)煤層、部分煤線和泥巖薄層，局部存在斷層破碎帶。鉆進(jìn)地層情況如圖8 所示。

4.2 試驗(yàn)裝備和鉆具

試驗(yàn)裝備采用ZDY12000LD 型定向鉆機(jī)，具有?135 mm 大通孔結(jié)構(gòu)，滿足配套鉆具尺寸結(jié)構(gòu)要求。配套BLY460 型泥漿泵，排量大，滿足施工的要求。

圖8 鉆進(jìn)地層柱狀圖Fig.8 Drilling formation geology

跟管鉆進(jìn)試驗(yàn)鉆具和材料主要包括?102 mm/?140 mm 滾珠鉆具、?89 mm 螺桿鉆具、鉸接接頭、?130 mmPE 管、有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和?89 mm 通纜鉆桿等。護(hù)孔后定向鉆進(jìn)鉆具為?73 mm 螺桿定向鉆具，主要鉆具實(shí)物見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 ?102 mm／?140 mm 滾珠鉆具實(shí)物Fig.9 ?102mm／?140mm racing ball type drill

圖10 跟管鉆進(jìn)護(hù)孔套管Fig.10 Screen pipe for borehole protection

4.3 跟管試驗(yàn)

4.3.1 第一次試驗(yàn)

試驗(yàn)鉆孔為B1 鉆孔，鉆孔開(kāi)孔傾角+6°，距離回風(fēng)巷側(cè)幫距離40 m。開(kāi)孔擴(kuò)孔12 m 后下入? 178 mm 孔口管護(hù)孔。鉆至孔深22 m 處見(jiàn)煤線、泥巖破碎帶無(wú)法通過(guò)。采用跟管定向鉆具開(kāi)始鉆進(jìn)施工，正常跟管鉆進(jìn)至38 m 時(shí)發(fā)現(xiàn)套管不前進(jìn)，提鉆發(fā)現(xiàn)套管與管靴之間脫開(kāi)，導(dǎo)致套管無(wú)法繼續(xù)跟進(jìn)。分析認(rèn)為PE 套管接頭強(qiáng)度較低，因而出現(xiàn)脫扣情況。

4.3.2 第二次試驗(yàn)

改進(jìn)套管結(jié)構(gòu)，在PE 管之間設(shè)計(jì)為鋼接頭連接后繼續(xù)鉆進(jìn)B1 鉆孔，按照設(shè)計(jì)軌跡順利穿過(guò)煤層和泥巖層。采用跟管定向鉆進(jìn)工藝，給進(jìn)壓力為空載壓力+2～4 MPa，鉆進(jìn)過(guò)程全滑動(dòng)鉆進(jìn)，泥漿泵流量選用350 L/min，驅(qū)動(dòng)?89 mm 螺桿馬達(dá)帶動(dòng)中心定向鉆頭和跟管擴(kuò)孔套碎巖，其中68～92 m 孔段為7 號(hào)煤，當(dāng)跟管鉆進(jìn)至103.5 m 進(jìn)入穩(wěn)定目標(biāo)巖層，鉆具摩擦阻力逐漸增大，使得鉆進(jìn)給進(jìn)壓力達(dá)到12 MPa，護(hù)孔過(guò)破碎帶。后慢慢反轉(zhuǎn)鉆桿，將中心鉆具與跟管擴(kuò)孔套分離，提出中心鉆具，外部套管留在孔內(nèi)起到護(hù)孔作用。

4.4 護(hù)孔定向鉆進(jìn)

下入小直徑定向鉆具“?96 mm 小直徑定向鉆頭+?73 mm 螺桿鉆具+?73 mm 有線隨鉆測(cè)量+?73 mm 通纜鉆桿”進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工，給進(jìn)壓力為空載壓力+1～2 MPa，鉆進(jìn)過(guò)程采用滑動(dòng)鉆進(jìn)或復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝，泥漿泵流量選用250 L/min，驅(qū)動(dòng)?73 mm 螺桿馬達(dá)帶動(dòng)?96 mm 鉆頭碎巖，該孔最終正常鉆進(jìn)至530 m，達(dá)到了設(shè)計(jì)的深度。試驗(yàn)鉆孔軌跡剖面如圖11 所示。

圖11 鉆孔軌跡剖面示意Fig.11 Section view of the drilling trajectory

5 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)煤礦井下復(fù)雜巖層，開(kāi)展了跟管定向鉆進(jìn)技術(shù)研究，研制了一套跟管定向鉆具組合，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步形成了跟管定向鉆進(jìn)工藝方法。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中最終順利實(shí)現(xiàn)103.5 m 定向跟管鉆進(jìn)，并利用外層套管護(hù)孔。試驗(yàn)表明，該技術(shù)工藝原理可行。

（3）尚需研究改善套管結(jié)構(gòu)、連接強(qiáng)度和跟管方式，采取推拉結(jié)合的方式跟入孔內(nèi)，改善套管受力形式，從而提高跟管工藝的可靠性，增加跟管深度，提高該技術(shù)的推廣應(yīng)用范圍。