破碎松軟煤層高螺旋復(fù)合排渣定向鉆進技術(shù)

溫忠黨

（棗莊礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277000）

破碎松軟煤層受強烈的構(gòu)造擠壓、巖體層間滑動等影響，采用定向鉆進時，容易出現(xiàn)孔壁強度較弱、局部存在形變以及孔內(nèi)聚集大量瓦斯等情況，進而造成成孔后結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、煤渣無法有效排出孔外等卡鉆和埋鉆事故。本文設(shè)計了一種適用于破碎松軟煤層的高螺旋復(fù)合排渣定向鉆進技術(shù)，旨在提高煤層排渣率，優(yōu)化排渣效果。

1 定向鉆進鉆渣運移特性分析

破碎松軟煤層具有易變形、透水性強以及抗侵蝕性弱等特點，在鉆井施工中對鉆井深度和鉆井穩(wěn)定性要求較高。然而，在破碎松軟煤層定向鉆進過程中，在有水和無水條件下，鉆渣具有不同的運移特性[1]。因此，必須在充分分析鉆渣輸送特性的基礎(chǔ)上，合理研究和設(shè)計除渣定向鉆進技術(shù)。

1.1 煤層出水時的鉆渣運移特性

當(dāng)煤層中的含水量達到60%以上時，則認為該煤層處于出水工況。此工況的煤層由于表面濕度大，表層水易被空氣帶走而形成霧狀水滴，而鉆渣與水滴結(jié)合后形成濕度較大的鉆渣顆粒。當(dāng)水量足夠高，且鉆渣濕度達到閾值時，鉆渣顆粒之間由于水分的存在而出現(xiàn)“液橋”現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆渣結(jié)塊，使得鉆渣的聚集性增大[2]。鉆渣的聚集性C0主要取決于顆粒之間的相互作用力與自身重力，計算公式如下：

式中：C0表示鉆渣顆粒的聚集性；Fi表示鉆渣相互作用力；m表示鉆渣自身重量；g為重力加速度。

1.2 煤層未出水時鉆渣運移特性

當(dāng)煤層中的水量極少或者不存在水分時，壓力空氣作為鉆渣與煤層之間的介質(zhì)，使得鉆渣先懸浮后沉降，并通過“躍進”的方式沿著鉆桿與鉆頭間的孔隙漂浮到鉆孔周邊，形成均勻流和阻塞流的運移方式，如圖1。

圖1 煤層未出水時鉆渣運移狀態(tài)

從圖1 可以看出，均勻流動模式下的鉆渣處于均勻懸浮狀態(tài)；在阻塞流中，鉆渣基本上沉積在孔壁上，并間歇輸送。根據(jù)圖1 和公式（1）可知，不同工況下煤層鉆渣的運動主要受產(chǎn)水量的影響。因此，為了減小鉆渣團聚對鉆渣運動的阻力，在除渣鉆進過程中，可采用增加孔口回風(fēng)量和旋轉(zhuǎn)掃氣的方式，加強孔內(nèi)除渣。

2 破碎松軟煤層排渣定向鉆進方案設(shè)計

2.1 裝備研究與選型

為提高鉆進效率和排渣效果，對施工所需設(shè)備器械進行合理選型是重中之重。結(jié)合破碎松軟煤層的特點，對施工中的定向鉆桿與定向鉆機進行比對與選型。

2.1.1 定向鉆桿

為防止鉆桿與配套設(shè)備在鉆進過程中由于液體沖刷和鉆進速度不可控等因素導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)，研究中的定向鉆桿采用Φ98 mm 焊接螺旋鉆桿。通過增大螺旋翼的垂直高度與展寬，以實現(xiàn)提高單位鉆渣的排除體積，同時，其對孔壁的沖刷影響較小，可有效提升排渣能力[3]。Φ98 mm 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

Φ98 mm 焊接螺旋鉆桿的外徑為63 mm，內(nèi)徑為45 mm，環(huán)孔間隙的孔徑為140 mm，能夠雙向排渣；壁厚5.6 mm，內(nèi)通孔與排渣槽之間的距離為3.2 cm。如圖2 所示，鉆桿整體銑削在強度與抗壓度極強的厚孔管中，孔管沿排渣槽以等間隔布設(shè)，對鉆桿起到二次加固作用，保證了鉆桿煤塵的清除能力。在鉆進過程中，鉆桿的螺旋翼通過高速旋轉(zhuǎn)來擾動聚集在鉆孔中的煤渣與碎屑，將其運移到孔外。

2.1.2 定向鉆機

考慮到破碎松軟煤層的特殊性，選用能夠360°旋轉(zhuǎn)的ZDY4000LD定向鉆機。該鉆機采用“T”型前懸體、底部磁性轉(zhuǎn)盤可隨意調(diào)節(jié)角度的窄體結(jié)構(gòu)，使用簡便、便于輸運，且開孔角度與鉆進速度可根據(jù)實際施工需求進行設(shè)置，有效解決傳統(tǒng)定向鉆機需要開發(fā)特殊鉆井場地的問題。鉆機性能參數(shù)見表1。

表1 定向鉆機性能參數(shù)

定向鉆機是煤層鉆進施工的最重要設(shè)備，主要為鉆孔提供足夠的鉆進、擾動、旋轉(zhuǎn)動力，也可對孔內(nèi)體積較小的鉆具進行夾緊與松動處理，克服直桿鉆機的反扭矩影響[4]。

2.2 鉆進方案確定

考慮到煤層出水量對鉆進有一定的阻力，為了減少鉆渣在孔底的沉積，提高鉆渣的輸送能力，采用高螺旋復(fù)合除渣定向鉆進技術(shù)，如圖3。

圖3 高螺旋復(fù)合排渣定向鉆進工藝

高螺旋復(fù)合除渣定向鉆進工藝的施工流程為：當(dāng)鉆機進入到煤層的淺孔區(qū)時，由于煤層處于未出水狀態(tài)，鉆渣運移時所受阻力較小，故僅采用螺旋機械排渣即可滿足施工要求；隨著鉆孔深度的增加，逐漸鉆進煤層出水區(qū)域時，鉆渣運移阻力不斷增大，為提高排渣能力，采用螺旋機械為主、水力輔助的復(fù)合排渣方式排出含水鉆渣[5]。

此外，為了解決成孔問題、提高鉆具效率，在確定不同工況下鉆渣的運移特征后，選擇定向鉆施工所需的設(shè)備和機械，最大限度地提高除渣能力。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工程概況

棗莊礦業(yè)（集團）付村煤業(yè)有限公司煤層15號與18 號聯(lián)絡(luò)巷之間存在面積較大的破碎松軟煤層，強度低、發(fā)育狀態(tài)差，利用有線鉆進技術(shù)進行了定向鉆進試驗，均未能成功成孔，排渣效果沒有達到預(yù)期要求，研究決定采用高螺旋復(fù)合排渣定向鉆進技術(shù)。

3.2 試驗鉆孔設(shè)計

現(xiàn)場進行了4 個鉆孔試驗，編號為1#～4#，用到的鉆具包括YSDC 礦用電磁波無線MWD 系統(tǒng)、Φ73 mm 空氣螺桿電機、大型通孔鼓風(fēng)機、Φ98 mm 整體螺旋鉆、Φ98 mm 三角螺旋鉆和Φ98 mm焊接螺旋鉆，Φ73 mm 大直徑三角螺旋鉆桿、Φ73 mm 非磁性鉆桿、Φ73 mm 定向鉆頭等。數(shù)據(jù)見表2 和圖4。

圖4 煤層實鉆平面

3 號鉆孔設(shè)計軌跡剖面如圖5。

3.3 試驗結(jié)果分析

基于以上鉆進裝備與鉆進方案，在試驗場地共完成了4 個定向鉆孔，累計進尺2356 m。鉆孔的最小垂直深度為12.52 m，落差超過13 m，鉆孔軌跡在煤層中延伸。為了測試定向鉆進技術(shù)的除渣效果，根據(jù)項目相關(guān)設(shè)計指標(biāo)的要求，以每進尺返渣200 kg/m 的理論值作為項目的控制標(biāo)準(zhǔn)，計算了煤層每進尺返渣量，并對其施工應(yīng)用效果進行了評價。返渣量隨鉆進時間的變化曲線如圖6。

圖6 返渣量隨鉆進時間變化曲線

分析圖6 可知，施工期間煤層的單位進尺返渣量均在200 kg/m 以上，其中第8 天達到最大返渣量350 kg/m，是理論值的1.75 倍，設(shè)計的定向鉆進技術(shù)取得良好排渣效果。

4 結(jié)語

針對在破碎松軟煤層中鉆孔排渣效果較差的問題，根據(jù)鉆渣運移特性，開發(fā)高螺旋復(fù)合排渣定向鉆進技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用試驗證明了設(shè)計鉆進方案的可行性，排渣效果達到預(yù)期要求。未來應(yīng)繼續(xù)改進鉆具結(jié)構(gòu)，進一步提高煤層排渣量。