隨管護孔及氮氣輔助排渣聯(lián)合鉆進工藝的研究與應用

冀 凱

河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦 河南永城 476600

通過鉆孔進行煤層瓦斯抽采是我國目前瓦斯治理的主要方法之一，可以有效降低煤層瓦斯含量和壓力[1-2]。受制于煤層破碎、地應力大、地質(zhì)構(gòu)造復雜等因素，在鉆孔過程中經(jīng)常會出現(xiàn)卡鉆、塌孔、排渣困難等現(xiàn)象，導致成孔困難[3-4]。根據(jù)巖石力學相關(guān)理論[5]，巷道形成以后，垂直于巷道方向由近至遠依次形成破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應力區(qū)。在鉆孔施工過程中，鉆孔將依次穿過上述區(qū)域。根據(jù)實際觀察和相關(guān)資料[6-7]，當鉆孔穿過塑性區(qū)和彈性區(qū)時，更容易出現(xiàn)卡鉆、塌孔、排渣困難等現(xiàn)象，不僅不利于成孔，也給后續(xù)的封孔工作帶來極大的不便，成孔、封孔效果不佳，抽采效果不理想。

針對上述問題，國內(nèi)外不少學者都開展了相關(guān)的研究，并開發(fā)了相應的技術(shù)及裝備[8-11]，但是破碎煤層鉆進效率低、成孔效果差的問題依然普遍存在[12-13]。為了解決陳四樓煤礦遇到的類似問題，結(jié)合該礦的實際特點，提出了在鉆孔過塑性區(qū)和彈性區(qū)時，采用隨管護孔的鉆進技術(shù)。同時對比分析螺旋鉆進氮氣輔助排渣和干式螺旋排渣的優(yōu)劣，得出最適合該礦的鉆進工藝。

1 瓦斯抽采鉆孔成孔難問題分析

21210 工作面北為 DNF14 正斷層及其保護煤柱，南為北部西翼集中膠帶運輸巷、北部西翼軌道下山、北部西翼回風下山及其保護煤柱，西為 21211 工作面采空區(qū)，東為尚未開采的 21209 工作面實體煤，走向長度為 855～897 m。

該礦以往采用的鉆機型號為 ZDY6000LR 和ZYW-1900R，鉆桿直徑均為 73 mm，排渣工藝為干式螺旋排渣。在破碎區(qū)，雖然煤體破碎較為嚴重，但是距離孔口距離短，因此排渣較為正常。當鉆進至塑性區(qū)和彈性區(qū)時，由于應力增大，加上干式螺旋排渣效率低，因此排渣困難。此外，塑性區(qū)煤體較為破碎，因此容易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，造成鉆進困難，難以成孔。當鉆頭穿過塑性區(qū)和彈性區(qū)，由于該區(qū)域塌孔，會給鉆桿增加額外的阻力，隨著鉆孔深度的增加，鉆進阻力增大，導致難以進行長距離鉆進。

2 隨管護孔及氮氣輔助排渣聯(lián)合鉆進工藝研究

21210 工作面煤層破碎，地應力高，為了解決鉆孔成孔難的問題，需從 2 個方面入手：①護孔，防止鉆孔塌孔；②優(yōu)化鉆具組合，提高鉆機轉(zhuǎn)矩，增加鉆進深度?；诖?，筆者研究了隨管護孔及氮氣輔助排渣聯(lián)合鉆進工藝。

2.1 隨管護孔工藝研究

隨管護孔工藝是指在鉆進過程中，若由于地應力高、煤層破碎等原因無法一次鉆進成孔時，可采用特定的多級套管鉆具，對塌孔孔壁進行徑向支護，從而減小塌孔對鉆進造成的影響。不采用護孔進行鉆進時，稱為一級成孔；在一級成孔的基礎(chǔ)上進行護孔時，稱為二級護孔鉆進；在二級護孔鉆進的基礎(chǔ)上再進行護孔的，稱為三級護孔鉆進，依次類推。結(jié)合21210 工作面的實際情況，一般采用二級護孔鉆進和三級護孔鉆進。

(1) 二級護孔鉆進 根據(jù)實踐得出，在鉆頭剛經(jīng)過塑性區(qū)和彈性區(qū)時，并不會立刻出現(xiàn)塌孔。而隨著鉆進的不斷進行，受到外力的擾動，鉆孔開始塌孔。加上鉆進深度大，鉆桿阻力增大，排渣能力差，容易造成積渣。此時可采用二級套管，如圖1 所示。

圖1 二級護孔鉆進示意Fig.1 Diagram of drilling with second-stage hole protection

(2) 三級護孔鉆進 如果遇到破碎嚴重或者地應力較大的煤層，采用二級護孔鉆進時，隨著鉆孔的不斷加深，在鉆孔的某個區(qū)域又會出現(xiàn)塌孔。此時二級護孔鉆進已無法滿足鉆進需求，需要在二級護孔的基礎(chǔ)上采用三級護孔裝置，從而改善二級套管的作業(yè)環(huán)境，使其可以隨著一級鉆頭前進至更深位置，改善一級鉆頭的作業(yè)環(huán)境，如圖2 所示。

圖2 三級護孔鉆進示意Fig.2 Diagram of drilling with third-stage hole protection

2.2 氮氣輔助排渣工藝研究

氮氣輔助排渣工藝是對該礦原有的干式螺旋鉆機鉆桿進行改進升級，使其可以輸水、輸氣。該工藝配備 1 套制氮裝置，將具有一定壓力的氮氣輸入鉆桿，使氮氣具備沖洗排渣的作用，此外還能夠?qū)︺@頭、鉆桿進行降溫，避免煤自燃[14-15]。

2.3 鉆機改進

為了滿足隨管護孔鉆進的需求，對該礦原有的ZDY6000LR 鉆機進行改進。

(1) 增大傳動比 對回轉(zhuǎn)器齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)進行改造，將一級傳動改為行星齒輪進行傳動，增大了傳動比。

(2) 加大鉆機轉(zhuǎn)矩 將鉆機最大轉(zhuǎn)矩由 6 500 N·m提高至 10 000 N·m，同時對夾持器的夾緊力和托板進行校核，從而保證鉆機在高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下穩(wěn)定運行。

(3) 提高鉆機機動性 采用中心通孔的結(jié)構(gòu)，能夠進行中間和后方加桿，從而實現(xiàn)先導鉆具和跟管鉆具加卸，提高了鉆機的機動性。

采取以上改進措施后，提高了鉆桿和鉆頭的轉(zhuǎn)速，增加了煤渣離心力，以利于排渣；同時，當出現(xiàn)卡鉆時，改造后的鉆機具備大轉(zhuǎn)矩，采用強力起拔、快速加壓和釋放給進力、強力回轉(zhuǎn)等措施，對鉆桿進行振動，以解除卡鉆狀態(tài)。

2.4 鉆具選型

在松軟破碎煤層中鉆進時，經(jīng)常出現(xiàn)塌孔的情況，導致排渣量大。若煤渣無法及時排出，則容易出現(xiàn)卡鉆，影響鉆進施工。因此，需要選配高效、耐用的鉆具。結(jié)合該礦原有的鉆機和煤層特點，選取 4 種鉆桿進行試驗：①φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋鉆桿+氮氣輔助排渣；②φ89 mm 三棱螺旋鉆桿+氮氣輔助排渣；③φ60.3/95 mm 插接式螺旋鉆桿+干式螺旋排渣；④φ73/89 mm 寬翼片螺旋鉆桿+氮氣輔助排渣。

根據(jù)鉆進現(xiàn)場卡鉆情況來判斷是否采用二級護孔和三級護孔。如果無卡鉆情況，則直接采用一級成孔鉆具進行鉆進。

在一級成孔鉆具鉆進困難時，采用二級套管鉆具鉆進至一級成孔鉆具鉆頭位置支護孔壁，一級成孔鉆具繼續(xù)鉆進；若再次出現(xiàn)鉆進困難，采用三級套管鉆具鉆進至二級套管鉆具鉆頭位置進行孔壁支護，改善二級套管鉆具鉆進環(huán)境，使其能跟管鉆進至一級成孔鉆具鉆頭位置支護孔壁，一級成孔鉆具繼續(xù)向深部鉆進至目標孔深。

考慮到鉆孔直徑和各級鉆具間隙排渣效果，一級成孔鉆具為φ89～100 mm，二級套管選用φ127 mm套管鉆桿和φ146 mm 鉆頭，三級套管選用φ160 mm套管鉆桿和φ179 mm 鉆頭。

由于不同的鉆進工序，一級成孔鉆具選用正絲，則二級套管鉆具選用反絲絲扣連接，三級套管鉆具選用正絲絲扣連接。

3 隨管護孔及氮氣輔助排渣聯(lián)合鉆進工藝現(xiàn)場應用

3.1 工作面概況

21210 工作面走向長度為 855～897 m，煤層厚度為 0.3～ 4.0 m，平均厚度為 2.37 m，煤層傾角為 3°～12°，平均為 8°。煤層斷層較多，煤體發(fā)脆，煤體強度低，自身承載能小。

3.2 鉆孔布置

鉆孔垂直于巷道沿煤層走向布置，綜合考慮煤體滲透系數(shù)、瓦斯賦存情況和抽采時間，鉆孔布置間距為 4.0 m，設計孔深 130 m，鉆孔傾角為 -10°～ 3°，開孔高度為 1.6 m。本次試驗共施工鉆孔 70 個。

3.3 不同鉆進工藝效果分析

采用該礦原有鉆進工藝時，鉆孔的最大深度僅為43 m，終孔原因均為塌孔卡鉆。采用隨管護孔鉆進工藝后，鉆孔的最大深度達到 130 m，平均深度為 84.7 m。其中有 50 個鉆孔采用二級護孔，二級護孔管平均深度為 24.9 m，鉆孔平均深度為 90.2 m；30 個鉆孔采用三級護孔，三級護孔鉆管平均深度為 19.8 m，二級護孔管平均深度為 40.5 m，鉆孔平均深度為 79.1 m。

二級護孔工藝比傳統(tǒng)鉆進工藝深度平均提高168%，三級護孔工藝比傳統(tǒng)鉆進工作深度平均提高135%。由此說明，隨管護孔工藝可以提高鉆孔成孔率，有利于瓦斯抽采。

二級護孔鉆孔平均深度之所以大于三級護孔，是由于在煤層更為破碎或地應力更高的位置，二級護孔難以鉆進至更深的區(qū)域時，方采用三級護孔工藝。該區(qū)域成孔困難，向深處鉆進時，容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆，因此鉆孔深度小于二級護孔。

采用不同鉆孔工藝試驗結(jié)果如表1 所列。

表1 采用不同鉆孔工藝試驗結(jié)果Tab.1 Experiment results of different drilling technologies

由表1 可以看出，φ100/63.5-28 mm+氮氣輔助排渣工藝鉆進效率最高，鉆孔平均深度最大。這主要是因為氮氣輔助排渣效率明顯高于干式螺旋排渣，且插接式鉆桿在遇到卡鉆時，可以進行強力回轉(zhuǎn)，使鉆桿脫卡。因此，今后將選擇φ100/63.5-28 mm 插接式螺旋鉆桿+氮氣輔助排渣工藝施工 21210 工作面其他鉆孔。

3.4 瓦斯抽采效果分析

為了驗證鉆桿選型的合理性，對采用不同鉆桿施工的鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進行對比分析。鉆孔采用相同的抽采工藝，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 采用不同鉆孔工藝鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison of gas extraction data using different drilling technologies

由圖3 可以看出，采用φ100/63.5-28 mm 插接式螺旋鉆桿+氮氣輔助排渣的鉆孔瓦斯抽采體積分數(shù)、單孔瓦斯平均抽采量均高于另外 3 種鉆孔，且衰減速率較小。這是由于該鉆孔的平均深度最大且鉆孔直徑大，因此鉆孔影響范圍大，抽采瓦斯體積分數(shù)和單孔抽采量都更高。

4 結(jié)語

通過分析陳四樓煤礦巷道圍巖應力和不同區(qū)域煤體破壞情況，找出了該礦鉆孔成孔難的原因，在此基礎(chǔ)上，研究應用了隨管護孔和氮氣輔助排渣聯(lián)合鉆進工藝。采用該工藝后，鉆孔的最大深度可以達到 130 m，鉆孔的平均深度可以達到 84.7 m，比傳統(tǒng)工藝提高了 152%。經(jīng)試驗對比，采用鉆桿型號為φ100/63.5-28 mm 的插接式螺旋鉆桿和氮氣輔助排渣組合工藝取得的鉆進效果及瓦斯抽采效果最好。