定向钻进技术的应用与研究

滕东方

定向钻进技术的应用与研究

滕东方

对大同煤矿集团公司地质处和澳大利亚威力朗沃公司首次使用定向钻进技术在轩岗焦家寨施工高位瓦斯抽放试验钻孔进行了介绍。

定向钻进技术；DGS导向系统；钻孔轨迹；钻孔质量；高位瓦斯钻孔；瓦斯抽放参数数据分析

定向钻进技术是目前世界上最先进的钻进方法之一，它具有DGS导向系统，通过孔外计算机监测，可以按照预先设计的钻进轨迹钻进至指定位置。这对瓦斯抽放、煤层气开发、紧急救援、探测排放采空区积水及地质构造等，有无可比拟的优越性。2005年集团公司决定购置定向钻进设备，通过对亚美大宁、北京万德公司、澳大利亚威力朗沃公司的调研、考察并结合同煤本部的实际情况，2007年7月购置了澳大利亚威力朗沃公司生产的VLD-1000型分体式定向钻机。2009年5月澳大利亚威力朗沃公司和同煤地质处首次在轩岗焦家寨51109工作面施工高位瓦斯抽放试验钻孔，于2009年10月试验成功。

1 设备特点

1.1 设备规格

1000 系列钻机技术参数：动力单元尺寸及重量，总长3 000 mm，总宽1 300 mm，总高1 330 mm，总重4 200 kg；给进单元尺寸及重量，总长3 000 mm，总宽1 530 mm，总高1 166 mm，总重4 000 kg；控制台尺寸及重量，总长2 015 mm，总宽1 300 mm，总高1 600 mm，总重1 500 kg；驱动单元，电机90 kW×1 140 V、1 450 r/min，主泵Q=189 L/min、P=31.5 kPa，液压驱动的水泵 Q=91 L/min、P= 25 kPa，辅助泵Q=40 L/min、P=24 kPa；驱动力，最大拉力160 kN，最大推力160 kN；推进速度，空钻杆，进0 m/min～20 m/min、退0 m/min～20 m/min，打钻，进0 m/min～5 m/min、退0 m/min～5 m/min；旋转力矩及速度，高速档3∶10到1 200 r/min 2 286 Nm、低速档4∶10到600 r/min 3 048 Nm；前后夹持器，夹持力160 kN，弹簧加载，液压打开，液压10 kPa；泵，流量200 L/min、1 270 r/min(出口压力0 kPa时)，压力8 273 kPa；支撑，水平支撑力175 kN、压力10 kPa，垂直支撑力700 kN、压力10 kPa。

1.2 设备组合及工作原理

1.2.1 设备组合

动力单元、给进单元、控制台、搅拌机、绞车、液压管、MECCA钻杆、DGS、导向系统、孔底马达、PCD钻头。见图1。

图1 设备组合

1.2.2 工作原理

该系统使用660 V或1 140 V交流电，液压传动。由90 kW电动机驱动液压泵组——主泵、液压驱动水泵、辅助泵工作，由液压阀控制动力输出、钻进锁定、水泵、钻杆夹持、旋转卡盘、微调给进、紧松钻杆、旋转制动、向前向后旋转、向前向后快速给进，并通过控制台仪表压力的变化观测钻进情况。孔底测量的数据通过MECCA ROD导入孔外计算机并显示钻进轨迹，根据上下、左右位移偏差调整钻进轨迹以使其按设计轨迹到达目标位置。

1.3 DGS导向系统及软件功能

1.3.1 孔底单元

孔底单元由孔外计算机、信号数据线、MECCA钻杆、无磁钻杆、孔内仪器、孔底马达、PCD钻头组成。它是定向钻进的关键也是其核心。见第28页图2。

1.3.2 孔外计算机及软件功能

图2 DGS导向系统

孔外计算机及孔底单元构成DGS导向系统，孔内测量的数据传入计算机，计算机通过红外传入ODA盘，然后通过地面计算机DGS软件转换成excel格式文本。其具有钻进与显示同步之功能，可以在平面、剖面图上观察钻孔轨迹并对孔底测量工具进行电池分析、MECCA线形分析、DGS诊断等。它有4种文件格式、时间、电池、信号、数据 (“.dgs”,“.bty”,“.gam”and“.mla”)，只有转换为CSV格式才能和excel文件兼容并通过设计软件和CAD软件兼容。

1.3.3 DGS校验磁偏角

由于孔底测量仪器在更换电池时存在系统误差，所以每次更换电池时都需要在野外重新校验当地磁偏角。使用DISK圆盘做25个测试点，然后用DGS软件计算出当地磁偏角以适应当地坐标系。

1.3.4 设计及精度

使用CAD-excel兼容的特殊软件设计钻进轨迹，通常根据地层的硬度、强度、煤岩完整性确定偏移角度，通常偏移角度1.5°/6 m。

仪器精度：倾角±0.1°；方位±0.5°；水平有效倾角精度±60°。

1.3.5 MECCA ROD

MECCA ROD是一种带电缆导线的空心钻杆，它具有传导孔内数据信号、连接钻具、调整弯头方向、传送冲洗液的功能，它是定向钻进的重要部件。

1.4 设备功能

该设备可以用做定向无岩芯钻进、定向取芯、绳索取岩芯钻进、伽玛射线探测煤层走向等，具有传统钻机无可比拟的优越性。

2 地质概况

焦家寨矿地处宁武煤田，属高瓦斯矿井。51109工作面位于焦家寨矿综采下山西翼，上界为51107采空区，下界为实体煤层，上覆2#煤层2219采空区，下覆6#煤层为实体煤，工作面走向长670 m，倾斜长为130 m。51109工作面所采5#煤层为该矿主要可采煤层之一，位于石炭系太原组下部，工作面煤层厚度约11.0 m～13.9 m，平均12.3 m，受构造应力影响，煤体松软、破碎。51109工作面基本为一单斜构造，平均倾角12°，掘进揭露51109进风顺槽距切眼157 m处，回风顺槽距切眼100 m处分别发育一条落差2.5 m的断层。

3 钻孔设计

3.1 钻场布置情况

（1）经研究分析钻场布置在5号煤层顶部注氮硐室内，利用定向钻进技术施工高位钻孔。ZK-1、ZK-2均开孔于该硐室，倾角5°，方位180°和182°。硐室底边平行巷道，长4.5 m，宽5.0 m，高3.5 m。

（2）钻机设备摆放位置依次为动力单元、给进部分、操作台、钻杆箱、工具箱、电缆胶管。

（3）顶板采用锚杆、锚索维护，用地锚、单体液压支柱固定钻机。钻机按设计位置摆放，要求周正、水平。

3.2 轨迹设计

3.2.1 设计要求

（1）沿停采线至工作面推进方向，平行回风巷道巷帮。

（2）ZK-1、ZK-2号钻孔主孔轨迹距巷道巷帮分别为7 m、12 m。

（3）垂直方向沿5号煤层顶15 m轨迹钻进（见图3钻孔设计）。

图3 ZK-1、ZK-2钻孔轨迹平面

（4）钻孔轨迹弧度每6 m方位、倾角改变1°。

（5）51109工作面上隅角存在大量瓦斯气体（最高达到2.0），给矿井安全生产带来严重隐患，经研究决定采用高位钻孔抽放采空区瓦斯，具体方案：

①钻场布置在5号煤层顶部注氮硐室内，利用定向钻进技术施工2个Φ96 mm钻孔。ZK－1、ZK－2孔均开孔于该硐室，倾角5°，方位180°和182°。ZK－1钻孔进入煤层顶板，终孔于4#煤层底板中砂岩k1-1下部。

②主孔轨迹水平投影距回风顺槽7 m处，在距切眼240 m处主孔终孔（随着工作面的推进情况确定终孔位置）；ZK-2钻孔进入煤层顶，终孔于4#煤层底板中砂岩k1-1下部；主孔轨迹水平距回风顺槽12 m处终孔（深度同ZK-1），分支ZK2-1终孔距回风顺槽12 m 5号煤层顶部（见第28页图3钻孔设计）。

3.2.2 钻进技术参数

根据岩石强度、硬度、煤岩完整性及ZK-1、ZK-2两孔的情况确定给进压力、流量（见表1）。

表1 岩层钻进技术参数

4 钻孔施工情况

ZK-2瓦斯抽放钻孔于2009年9月11日开孔，10月1日主孔完工，进尺651 m（GDS记录648 m）；10月2日开始施工分支孔，10月4日分支孔结束，进尺96 m。ZK-2瓦斯抽放钻孔进尺共计747 m。

ZK-1瓦斯抽放钻孔于2009年10月17日开孔，11月9日主孔完工，进尺585 m。

5 钻孔质量

5.1 设计要求

（1）沿停采线至工作面推进方向，平行回风巷道巷帮。

（2） ZK-1、ZK-2号钻孔距巷道巷帮分别为7 m、12 m。

（3）垂直方向沿5号煤层顶15 m轨迹钻进。5.2实际轨迹

5.2.1 水平位移

由于钻孔实际开孔硐室位置受限，故开孔实际坐标有所改变；ZK-1、ZK-2号水平位置分别为8.02 m、14.05 m；ZK-1号孔最大水平偏移0.5 m、最小偏移0.1 m，ZK-2号孔停采线位置最大水平偏移2.50 m、最小偏移0.50 m，2号分支孔偏移量为1.00 m。见第28页图3。

5.2.2 垂直位移

从起点至终点需要避开8条巷道，同时要避开坍塌煤层，故在实际钻进过程中根据实际情况对倾角进行了部分调整。ZK-1号孔最大偏移量4.50 m，最小偏移0.30 m；ZK-2号孔最大偏移量1.00 m，最小偏移0.30 m，分支孔最大偏移量0.50 m。

6 工作面瓦斯抽放

ZK-2钻孔施工完毕后，通风区立即安装ZWY40/75型抽放泵 (抽放泵极限真空度81 kPa，最大抽气量40 m3/min)和直径152.4 mm钢管 (正压管260 m，负压管36 m)并进行了抽放。

6.1 抽放情况

（1）10月12日抽放系统安装完毕，10月12日中班进行抽放试运转。

（2）10月13日早班正式开始抽放ZK-2钻孔。

（3）12月2日早班，将ZK-1钻孔与抽放系统连接，抽放ZK-1和ZK-2钻孔。

6.2 系统抽放技术参数

抽放瓦斯技术参数见表2。

表2 抽放瓦斯技术参数

表2 （续） 抽放瓦斯技术参数

6.3 瓦斯抽放率

（1）从10月13日至12月1日51109工作面为3套抽放系统同时抽放（上隅角抽放、回风斜交高位钻孔抽放、ZK-2钻孔抽放），ZK-2钻孔抽放率为15%～33%，平均值约为22%。

（2） 从12月2日起，51109工作面停止其余2套抽放系统，仅使用ZK-1、ZK-2钻孔抽放系统，瓦斯抽放率为48%～58%，平均值约为53%，目前工作面上隅角瓦斯为0.2%～0.4%，达到预期目的。

（3）通过抽放统计得出，随着工作面的推进，地应力增大导致裂隙增多，瓦斯抽放率增大。

6.4 瓦斯抽放参数数据分析

（1） 仅抽放 ZK-2时，抽放压差为 100 Pa～800 Pa，平均约为450 Pa，并且抽放流量不太稳定；抽放浓度8%～23%之间。

（2）同时抽放ZK-1、ZK-2钻孔，抽放压差为600 Pa～1 300 Pa，流量呈逐渐减小趋势，并稳定在600 Pa～800 Pa之间；抽放浓度为15%～18%之间，呈逐渐减小趋势。见图4。

6.5 ZK-1、ZK-2钻孔抽放中存在的问题

6.5.1 钻孔内水、渣子的处理

图4 瓦斯参数曲线

在ZK-2钻孔抽放初期，由于钻孔内水、渣子的影响，造成压差计显示极为不稳定，且出口浓度也受到影响。安装自制的滤渣器后，从滤渣器内可掏出大量的渣子，解决了渣子堵塞钻孔的问题。今后必须研究如何避免钻孔内产生渣子的问题。

6.5.2 钻孔布置方式与瓦斯浓度的关系

钻孔如何布置以确保抽出高浓度的瓦斯是今后需要进一步研究的课题。

7 钻进过程中存在的问题

7.1 自然因素

（1）在施工ZK-1、ZK-2孔期间，出现2次给进部分尾部漏油问题，检查发现2次漏油问题都是油封损坏造成的，后更换新的油封解决了问题。

（2）出现一次钻机动力单元顶电问题。经排查顶电问题是钻机动力单元开关电源插头焊锡烧化接地造成的，后经北京安创公司维修人员来矿更换新的电源插头解决了问题。

（3）同时发现给进部分前后夹持器部分卡爪弹簧有松动现象，需要更换新的弹簧卡环。

（4）焦家寨地质构造特殊，属于三软地带，在煤层中钻进坍塌严重，无法正常钻进。只有采用高位钻孔从煤层顶板上先打一个岩石主钻孔后，再根据实际情况开分支孔才能完成工程，达到抽放瓦斯的目的。焦家寨地质情况复杂、断层发育、地层起伏变化频繁；煤、岩松散，局部岩石硬度大，所以钻进风险较大。由于钻孔控制密度低，矿方提供的剖面图只是一个预想剖面图，无法做出准确的钻进轨迹剖面图，所以在钻进过程中会遇到钻孔坍塌的问题。在ZK-1、ZK-2号钻孔的施工过程中不同程度遇到4号煤层的坍塌（ZK-2号546 m处，ZK-1号300 m～318 m处），严重影响正常钻进。因威力朗公司及同煤地质处现有技术力量对于轩岗这样的三软地层没有有效的护壁技术工艺，能做到的只是利用化学浆液最大程度地从坍塌的煤层中取出钻具，故后续工程我们准备采用预留台阶的方法避开钻孔坍塌以减少无效进尺，即每50 m做一个预留台阶。

7.2 人为因素

由于工作面在推进过程中，主孔、分支孔的位置随时在改变，所以不能完全按照设计要求施工；另矿方出现停电、停水、占用钻场等现象，给正常钻进带来严重困难。

8 建立风险评估体系

该设备昂贵，为避免施工过程中造成更大损失，施工前我们应该对水平钻建立一套完整的风险评估体系，开工前要进行风险评估，以避免给生产带来不利影响。我们前期没有做这个工作，这是我们的失误，后续工程应引以为戒。

9 钻孔验收情况及应用前景

经澳大利亚威力朗沃公司、轩岗煤电公司、同煤集团地质处专家及相关部门现场验收，认定钻孔达到设计要求。目前全世界很多先进的国家都在使用定向钻进技术，如美国、英国、德国、澳大利亚、日本等；在中国的亚美大宁、白岌沟等地用于煤层气开发、瓦斯抽放、瓦斯综合利用等都取得了良好的经济效益。其应用前景广阔，相信定向钻进技术必将在同煤集团的发展过程中发挥重要作用。

Application and Research of Directional Drilling Technology

Teng Dongfang

This article introduced the first time application of high gas drilling technology in the Geology Department of Datong Coal Mine Group and Lawo Company in Australia.

directional drilling technology;DGS-oriented system;drilling trajectory;drilling quality;high gas drilling;gas drainage data analysis parameters

2010-05-11

P634

A

1000-4866（2010）03-0027-05

滕东方，男，44岁，现在大同煤矿集团公司地质处工作，工程师。

修回日期：2010-06-23