千米鉆機(jī)在煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用分析

高楠楠

（晉能控股潘家窯礦，山西大同 037003）

我國煤層地質(zhì)條件比較復(fù)雜，瓦斯突出較多，煤層開采深度越高，瓦斯的處理就越困難。近幾年，煤礦安全生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的各種安全隱患，而煤礦安全、高效生產(chǎn)的制約就是瓦斯治理。而鉆孔抽放是一項關(guān)鍵技術(shù)手段，可以有效地化解煤礦的瓦斯問題，已為絕大部分礦井所接受，但在瓦斯高、高地應(yīng)力大、煤層破碎、瓦斯治理難度大、瓦斯治理周期長、效果差等問題上，因此，尋求合理有效的瓦斯防治技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。

近幾年，由于設(shè)備和施工技術(shù)的不斷提高，在高瓦斯突出礦井中廣泛應(yīng)用了千米定向鉆井。山西晉城寺河、成莊煤礦在煤礦井下應(yīng)用了一組長達(dá)1000m 的井巷預(yù)抽氣井，并對礦井的瓦斯防治工作起到了很好的作用。針對這一情況，公司積極開展了千米定向鉆井技術(shù)的研制，并在此基礎(chǔ)上，提出了一種適用于井下井下千米定向鉆井技術(shù)的新技術(shù)。為煤礦深層地區(qū)的瓦斯防治工作提供了有益的經(jīng)驗和參考。

1 礦井瓦斯治理概況

晉能煤炭集團(tuán)公司某煤礦3號煤層，其煤層氣儲量為5.02～18.77m3/t，平均為11.9m3/t，是一種高瓦斯突出的煤礦。煤礦在開展瓦斯抽采后，采取了一種利用分層抽、鉆的方式進(jìn)行煤層氣的處理。然而，傳統(tǒng)的鉆井設(shè)備往往存在能力不足、施工鉆孔長度短、鉆孔分布不均衡的缺點(diǎn)。鉆井的有效預(yù)抽期短，抽水效率低，鉆機(jī)搬遷頻繁。在煤礦生產(chǎn)中，由于鉆進(jìn)量大，影響到正常生產(chǎn)，因此，如何迅速、高效地減少煤層的瓦斯，已是一個十分突出的問題。為此，針對礦井的具體條件，探討了一種新的瓦斯防治方法，對千米級鉆頭的定向鉆孔技術(shù)進(jìn)行了深入的探討，采用了千米定向鉆機(jī)進(jìn)行了分區(qū)分段開采，并使煤層的瓦斯含量得到了明顯的下降[1]。

2 千米定向鉆孔施工原理及工藝

千米定向鉆井位置鉆井，實質(zhì)上就是將高壓水流經(jīng)鉆桿送入孔底部，在高壓水流的驅(qū)動下，通過U型接頭，前端軸承帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆進(jìn)過程中，鉆桿是不旋轉(zhuǎn)的，只有鉆頭才能旋轉(zhuǎn)，這與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)完全不同，這也是為什么它可以進(jìn)行定向鉆井基本原理。二是由于井下電機(jī)彎接頭與鉆桿不在一條線上，而存在一個夾角，所以，可以通過調(diào)節(jié)彎曲接頭的方向來調(diào)節(jié)鉆頭的角度，從而達(dá)到彎曲的目的，從而準(zhǔn)確地控制鉆進(jìn)軌跡。在一定的條件下，能夠使井眼沿著預(yù)定的軌道進(jìn)行鉆井，而且還能在合適的地方進(jìn)行開支。千米鉆孔定位鉆進(jìn)原理如圖1所示。

圖1 千米鉆孔定位鉆進(jìn)原理圖

隨鉆測量系統(tǒng)是鉆機(jī)在設(shè)計軌道上進(jìn)行鉆井的重要保障，它由三個主要環(huán)節(jié)構(gòu)成：孔底測量探管、通纜鉆桿、探孔監(jiān)測。每次鉆孔一次（通常是3m)，用鉆孔底部對探針進(jìn)行測井的各種參數(shù)進(jìn)行了測試，再用導(dǎo)纜將數(shù)據(jù)傳輸至孔眼監(jiān)控設(shè)備，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，就可以得到井眼的平面和斷面圖?？椎讌?shù)包括孔深、方位、傾角、彎管方向等（見圖2）。

圖2 彎接頭方向的定義

在定向鉆井時，按預(yù)定的鉆孔軌道進(jìn)行彎接頭的調(diào)整。為了防止地磁場的擾動，應(yīng)采用非磁性的鉆頭。在鉆井時，根據(jù)實際鉆井軌道與預(yù)先確定的軌道偏差情況，對鉆井的各項指標(biāo)進(jìn)行修正，以保證鉆井的真實軌道盡量貼近預(yù)定的軌道鉆進(jìn)。

3 千米定向鉆孔應(yīng)用試驗

自2014 年末，晉能煤炭集團(tuán)公司某煤礦引入了一臺千米定向鉆機(jī)，在煤巷內(nèi)安裝了400～600m的定向長孔，主要應(yīng)用于超前預(yù)抽孔和區(qū)域分段預(yù)抽孔的施工?，F(xiàn)已開發(fā)出ZYWL-6000D和ZDY-6000LD系列鉆井設(shè)備1套。為進(jìn)一步檢驗定向鉆井技術(shù)在該礦應(yīng)用的可行性，為下一步實施定向長孔技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)，并在3308礦開展了井下定向鉆井的實驗研究[2]。

3.1 試驗區(qū)域地質(zhì)概況

表1列出了該測試區(qū)的煤層特性。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，在此部位，巖體堅硬，節(jié)理處發(fā)育，膠結(jié)性不佳。兩個厚度比較小的夾矸，分別位于煤層底面1.2m，下部1.5m處，夾雜物附近有一層軟性層狀。

表1 煤層情況特征表

3.2 鉆孔軌跡設(shè)計

1#井按照原煤層的順層進(jìn)行了井眼的施工，并對3308瓦斯和回風(fēng)巷的條帶瓦斯進(jìn)行了治理。在此基礎(chǔ)上，在每個60～80m 處設(shè)置一條支路，以確定煤的分布狀況和煤體中的穩(wěn)定化程度。該井眼的孔方向與聯(lián)絡(luò)巷水平，其設(shè)計指標(biāo)詳見表2，井眼軌道詳見圖3。

表2 1＃鉆孔設(shè)計參數(shù)表

圖3 1#孔鉆孔設(shè)計剖面圖

3.3 千米定向鉆孔施工總結(jié)分析

1#鉆孔工程累計共計23d，開挖13 個支洞，最大鉆深309m，已完成1017m 的開挖。受煤層條件、施工工藝等因素的制約，使鉆具施工難度大，卡鉆事故時有發(fā)生，每套鉆頭的鉆速僅為44m/d，嚴(yán)重制約了其工作性能，嚴(yán)重地制約了煤礦的安全。

（1）定向鉆井具有一定的地質(zhì)特征，一般需要煤層整體良好，煤層硬度高，煤層強(qiáng)度比1.4以上，便于進(jìn)行煤層定向鉆進(jìn)，但煤層屬于多層理、節(jié)理發(fā)育、破碎煤層，煤層硬度比0.74以上，煤層的地質(zhì)狀況與定向鉆井的理想條件相差很大。

（2）千米定向鉆機(jī)采用井下電機(jī)帶動鉆頭，多數(shù)鉆桿在井中不能轉(zhuǎn)動，不能用鉆桿進(jìn)行排渣，因此，鉆井排渣是定向鉆井的首要難題。從1#孔進(jìn)入煤層后，由于煤層塌陷，井眼不能及時排渣，導(dǎo)致沖孔時間過長，累計沖孔次數(shù)達(dá)到10次。在鉆井過程中，共設(shè)置了13個支路，由于其在各支道上的開枝工作周期較大，導(dǎo)致各工段的平均進(jìn)尺水平不高。在千米定向鉆井工程中，采用了水力排渣法，所以需要在井口位置設(shè)置一個大的斜角，在鉆孔到達(dá)某一深度時，盡量避免在下孔位置施工；從而確保了在工程中的順利排渣，避免塌方。在此過程中，要避免磁力強(qiáng)、破碎強(qiáng)度大的地區(qū)。

（3）受煤礦地質(zhì)環(huán)境制約，在使用1000m鉆頭進(jìn)行模塊式抽放鉆孔時，存在著不能開孔、不能進(jìn)行安全操作等問題。由于鉆孔的位置與煤層等高線的角度過大，導(dǎo)致整個煤層坍塌的可能性增大。

4 千米定向鉆孔施工工藝優(yōu)化

4.1 千米鉆機(jī)的卡鉆機(jī)理

井中發(fā)生的坍塌是引起卡鉆的主要因素之一。在退鉆階段，由于鉆進(jìn)時，煤渣、水和瓦斯的重新混合，造成井眼堵塞，鉆機(jī)的提升要求更大的拉力。當(dāng)堵塞點(diǎn)對鉆具的抗拔力比受到的抗拔力要低時，由于鉆頭難以打破阻塞點(diǎn)的應(yīng)力平衡，造成了鉆井事故。此外，排渣質(zhì)量差也是造成鉆機(jī)事故的主要原因之一。

頻繁的停鉆、停水更換鉆柱、再開水、鉆井作業(yè)時，鉆井軌跡出現(xiàn)了彎折，使鉆機(jī)的水力排渣器難以將微小的鉆渣排除，使井口處的沉積物增多。由于煤泥中含有瓦斯、水和煤渣，很容易形成軟渣淤塞，因此在回收鉆具時，鉆機(jī)會將煤渣集中在一起；在不進(jìn)行注水或回鉆情況下，噴出的泥漿不能排出，使用強(qiáng)拔方法，很可能會對軟渣進(jìn)行擠壓，進(jìn)而導(dǎo)致堵塞。

4.2 千米鉆機(jī)軌跡設(shè)計優(yōu)化

（1）對礦井的開孔傾角進(jìn)行了優(yōu)化，礦區(qū)的傾角為2°～10°，并采用了從淺到深的方向進(jìn)行的千米定向鉆孔，采用2°以上的開孔斜率，最好的斜率為6°～10°。另外，傾斜角度的選取也要注意減小在破碎煤層中的穿孔軌道，避免由于穿透煤體而造成的崩孔。

（2）上、近井的井長度一般不會大于600m，因為管道長度大，排渣間距大，難以排出，出現(xiàn)塌孔、垮孔、堵孔的可能性很大。

（3）根據(jù)煤層狀況，將煤層劃分成主打?qū)印⒖纱驅(qū)雍途鋵?，并盡量將軌道布置在主打?qū)印?/p>

（4）沿煤層等高線或與煤層等高線呈一定角度（5°～10°）進(jìn)行開孔，可以大幅度地提高多層理煤層的成孔率。

（5）通過對礦井井眼平面布局的優(yōu)化，根據(jù)礦井開采半徑的調(diào)查，將井眼距離從5m改為6m，擴(kuò)大了井眼的覆蓋面。為了達(dá)到較好的抽采效果，提高了鉆井的利用率。

4.3 鉆機(jī)施工操作優(yōu)化

（1）合理地調(diào)節(jié)鉆速：鉆井壓力是一種評價鉆速是否合理的參數(shù)，而在不影響水壓的情況下，選擇合適的鉆速。而巖石的水壓力也可以很好地反映巖石的硬度和變形情況。嚴(yán)格遵守工程進(jìn)度，不得在任何時候進(jìn)行突發(fā)性的鉆探。

（2）鉆桿應(yīng)適時續(xù)接，縮短停水時間，避免長期停機(jī)。千米定向鉆孔，一定要持續(xù)進(jìn)行，不然會影響到排渣，特別是在塌孔多的地方，排渣不利會造成鉆進(jìn)失敗的概率增加。

（3）當(dāng)水壓、泵壓或前進(jìn)/回退壓驟增或異常不穩(wěn)時，必須停止鉆井。

（4）在不返水、不返渣的情況下，不得盲目回鉆，強(qiáng)行拉拔。

（5）在進(jìn)行探底（底）作業(yè)中，進(jìn)行順向煤體鉆孔的時候，要適時地進(jìn)行方位調(diào)整，以防止在探頂（底）過程中出現(xiàn)坍塌。

4.4 鉆進(jìn)施工事故處理優(yōu)化

（1）當(dāng)發(fā)生卡鉆事故時，要制定出一套科學(xué)的救援方案，確定打撈的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對易發(fā)生卡鉆的部位（支點(diǎn)、塌孔處、軌道變動大的地區(qū)）進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

（2）在送出鉆桿時，要盡量降低轉(zhuǎn)速，通常將轉(zhuǎn)速維持在33m/h。

（3）在進(jìn)行鉆桿打撈作業(yè)時，應(yīng)密切關(guān)注主泵壓力和鉆桿轉(zhuǎn)動情況，若發(fā)現(xiàn)主泵壓力波動劇烈，鉆桿旋轉(zhuǎn)不勻，則表示鉆桿所受的力矩很大，有發(fā)生斷裂的危險。這時，必須暫停鉆井，并進(jìn)行相應(yīng)的處理[3]。

（4）在打撈過程中，要堅持使用沖孔劑。

（5）在打撈鉆桿進(jìn)入鉆井引導(dǎo)系統(tǒng)(DGS)或探井作業(yè)時，應(yīng)保證水壓不超過正常排渣要求，并以50L/min為宜。同時，對被撈起的鉆桿進(jìn)行位置調(diào)整，防止在鉆機(jī)進(jìn)入位置后再把鉆頭引入井內(nèi)。

（6）當(dāng)孔底馬達(dá)被拔出時，不能旋轉(zhuǎn)，否則鉆頭與孔底馬達(dá)會發(fā)生脫鉤。

5 改進(jìn)前后鉆進(jìn)效果對比

通過對鉆井路線的調(diào)整和鉆井方法的不斷完善，3308 井區(qū)千米定向鉆場的鉆區(qū)目前已經(jīng)建成6 個井眼，累計進(jìn)尺9663m，單臺鉆頭平均每個月能下2261m，而定向鉆區(qū)則能達(dá)到12.65m3/min的抽出能力。研究發(fā)現(xiàn)，在鉆井過程中，鉆頭的月進(jìn)尺能力和鉆場提純性能均有很大提高。

如表3 所示，通過優(yōu)化鉆探工藝，單臺鉆機(jī)的月鉆距由1326m增至2261m，作業(yè)效率提高70%。主井最大深度為309～456m，比以往提高了47%。定向鉆場的抽提率從原來的5.43m3/min 增加到12.65m3/min，增加130%。改造后的鉆井施工效率、主孔最大深度及鉆井場地的抽采量均有較大幅度的提升。

表3 改進(jìn)前后鉆進(jìn)效果對比表

6 結(jié)論

（1）本文介紹了千米定向鉆機(jī)的施工原理與技術(shù)，并對千米定向鉆機(jī)分段抽采技術(shù)進(jìn)行了實驗研究，對千米定向鉆井中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。

（2）在破碎煤層中，采用合理的鉆進(jìn)路線和合理的鉆具作業(yè)方式，能有效地防止塌孔，提高采空率。確保了千米定向鉆進(jìn)的井眼，增加了鉆機(jī)的抽放量。在遇到卡鉆時，要對卡鉆的原因進(jìn)行認(rèn)真的分析，制定科學(xué)的打撈計劃，盡量減少造成的傷害。

（3）經(jīng)過上千米定向施工工藝的優(yōu)化，使鉆機(jī)的施工效率得到了極大的改善，主孔開孔的最大開孔深和抽采純度得到了很大的提升，鉆井施工的進(jìn)度和抽采效率也得到了較大的提升。