基于定向钻孔的底板探放水技术及工程实践

豆旭谦

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤矿井下近水平定向钻进技术在煤矿瓦斯抽采[1]、煤矿水害防治[2]、隐蔽致灾地质因素探查[3，4]、煤矿应急救援、工程孔施工等领域应用较为普遍，配套的钻进技术装备数量及相应的钻进工程量占比最大，基本代表了煤矿区钻探技术装备的发展水平[5]。目前，在国家重大专项等项目的支持下，煤矿井下钻探装备的钻进能力已发展到超过2000m，定向钻机已发展到ZDY12000LD型、ZDY15000LD型，配套包括BLY260/9、BLY390/12、BLY460/13、BLY500/10等多种类型的泥浆泵车，在我国山西晋城、安徽两淮和河南等矿区进行了实际生产应用[6，7]。

我国矿井地质条件复杂，煤矿水害的致灾因素很多[8]，水害防治是保证煤矿安全生产的必要工作。定向钻进技术具有轨迹可控、定位精度高、目标层位钻遇率高、延伸距离长、可进行分支孔施工等特点，具有普通常规钻孔不具备的优势，在煤矿井下水害防治中具有特殊的作用。随着井下近水平定向钻进技术的发展，其在煤矿水害探查与治理方面的应用变得愈加的深入与重要[8]，相关工艺研究更加的完善，在解决煤矿实际问题的同时也促进了定向钻进技术与配套装备的发展[11-15]。张集煤矿自引进定向钻进技术以来，在顶板高位钻孔、探放水钻孔施工方面取得成功[16-18]，然而，应用近水平定向钻进技术进行整个工作面底板灰岩探放水钻孔工程的施工并不成熟，相关技术措施、安全措施、施工工艺等还不完善，需要进一步的探索与改进，本文依据张集煤矿工作面底板灰岩探放水定向钻孔工程施工中的技术与经验，总结了探放水工程施工技术及采用的安全和技术措施，对具有相似条件矿井的探放水钻孔工程施工具有借鉴意义。

1 工程概况

1.1 地质概况

图1 A组煤顶底板岩性柱状图

1.2 钻进层位

图2 钻进层位示意图

1.3 技术优势

2 定向钻进技术

2.1 定向钻进装备

工程施工中使用一台ZDY12000LD定向钻机和一台ZDY15000LD定向钻机，ZDY12000LD定向钻机配套BLY390/12泥浆泵车一台，ZDY15000LD定向钻机配套BLY460/13泥浆泵车一台，两台钻机均配备YHD2-1000(A)孔口供电随钻测量系统，主要配套钻具、设备的规格型号及用途见表1。

表1 定向钻进主要装备配置表

2.2 钻孔轨迹设计及优化

图3 钻孔结构示意图

表2 设计钻孔主要参数表

2.3 钻孔施工

施工时首先进行套管段施工，分别下入Φ178mm一级套管8m，Φ146mm二级套管30m；然后进行孔径Φ120mm定向钻孔施工，钻孔施工工艺流程如图4所示，各阶段施工钻具组合如下：

图4 钻孔施工工艺流程图

1)一级套管段钻进钻具组合：Φ120mm定向钻头+变径接手+Φ89mm常规钻杆+…Φ89mm常规钻杆+Φ89mm普通水便；然后用Φ120/Φ153mm扩孔钻头和Φ153/Φ193mm扩孔钻头将钻孔孔径扩大至Φ193mm。

2)二级套管段钻进钻具组合：Φ120mm定向钻头+变径接手+Φ89mm常规钻杆+…Φ89mm常规钻杆+Φ89mm普通水便；然后用Φ120/Φ153mm扩孔钻头将钻孔孔径扩大至Φ153mm。

3)定向钻进钻具组合：Φ120mm定向钻头+Φ89mm螺杆马达+变径接手+Φ89mm下无磁钻杆+无磁接手+Φ89mm探管外管+Φ89mm上无磁钻杆(自带接手)+Φ89mm通缆钻杆+…Φ89mm通缆逆止阀+Φ89mm通缆钻杆+Φ89mm通缆送水器。

3 安全和技术措施

3.1 安全措施

定向钻孔一次探水的距离长，覆盖范围大，有探测到较大导水断层、老空水的可能性，根据钻孔级配以及相关规程规定的要求，为了防止钻孔出水水压较大，采用两级套管护孔，一级套管Φ178mm，二级套管Φ146mm。在下入套管后采用带压注水泥浆固管，固管完成候凝48h后扫孔进行清水打压试验，压力需达到8.5MPa以上，稳压30min无漏水和压降现象即固管合格。

探放水钻孔施工中遇到高压含水层时易发生喷孔现象，会将钻杆外顶，危险系数加大。因此，在开始定向钻孔施工时，在二级套管外通过法兰形式连接了DN150mm孔口闸阀和孔口防喷器，作为钻孔泄水降压和防止孔内出水的设备，以提高施工的安全性。孔口防喷器为手动闸板式结构，在孔内涌水量大或者突水，需要及时关闭防喷器时，可用扳手人工转动锁紧轴，由于锁紧轴有轴承压盖的限制，于是推动闸板轴向钻杆中心移动，从而达到关闭防喷器的目的，防止设备损坏或人员伤亡。在孔内压力卸载、孔口恢复正常状态后，可以打开防喷器，即人工使用扳手反方向转动锁紧轴，锁紧轴拉动闸板轴向远离钻杆中心的方向运动，带动装有密封块的闸板离开钻杆，使孔口打开[20]。

为防止地层出高压水导致螺杆钻具反转损坏螺杆钻具，在定向钻柱中增加了逆止回流装置，保证钻具安全。

3.2 定点注浆技术应用

定点注浆技术的主要设备为注浆封隔器，在定向钻进遇到复杂地层发生塌孔无法继续定向钻进时，通过钻杆连接封隔器送入孔内需要注浆处理的孔段，定点注浆如图5所示，之后通过钻杆注高压水将封隔器坐封，这样封隔器到孔底之间就形成一个封闭的空间；然后再通过钻杆从孔口注入配置好的水泥浆，水泥浆到达孔内填充被封隔器封隔区域，使用一定量清水顶替钻杆内的水泥浆。待水泥初凝后，向后提钻具，则封隔器解封，将钻具提出孔外并冲洗钻具。如果注浆压力大，则需要配套高压密封钻杆和高压密封送水器。

图5 定点注浆示意图

根据钻孔孔径选择合适的封隔器，探放水钻孔孔径为120mm，选择外径为Φ100mm封隔器，座封压力为12MPa，注浆钻具组合为：Φ100mm封隔器+变径接手+Φ89mm高压密封钻杆+…Φ89mm高压密封钻杆+高压密封送水器。另外，定点注浆时，需要配备注浆泵和水泥浆搅拌装置。

3.3 硬岩高效钻进技术

底板C3Ⅰ组灰岩抗压强度31.4～98.6MPa，大多在50MPa以上。其中，定向钻进的C33下灰岩中采集的3个试验样本得到的抗压强度值为76MPa，普氏硬度系数为7.6，属于坚固性岩层。根据岩性和泥浆泵性能，选配了大功率螺杆钻具钻进，即Φ89mm五级螺杆钻具，输出扭矩能达到1400N·m以上，通过直接提高孔底钻具的碎岩能力来提高钻进效率。

由于钻进地层较硬，在顺层孔段钻进时，随钻孔孔深的增大，会出现“托压现象”，导致钻进效率降低。因此，在钻进工艺方面，采用“定向+复合”控层钻进的方法[18]，可以提高钻孔轨迹的平滑度和钻孔的排渣效果，进而提高钻进效率。但是在硬岩层中使用复合钻进时，带弯头螺杆钻具的回转与钻柱不同轴线的转动会引起孔底钻头不稳定，造成螺杆钻具损坏和钻头磨损加快、崩齿等现象的出现，目前建议选择最小转速达到减阻效果，提高钻具寿命。

3.4 轨迹控制技术

4 工程实践

图6 1612A和1613A工作面探放水钻孔工程平面图

5 结 论

1)根据张集煤矿底板灰岩定向钻孔探放水技术工程实践，证明了定向钻进技术在跨工作面尺度探放水领域的技术优势。定向钻进技术进行底板探放水必须配套良好的定向钻进装备，ZDY12000LD和ZDY15000LD定向钻机及配套装备钻进能力强、运行性能稳定，满足施工底板探放水定向钻孔的可靠性。

2)定向钻进技术的工程应用表明了其在探放水技术中的优势，定向钻进技术装备、钻孔轨迹设计及优化和钻孔施工钻具组合，形成了张集煤矿底板灰岩探放水定向钻进技术，可在相似探放水钻孔工程施工中应用。

3)介绍了底板探放水定向钻孔施工的安全措施、定点注浆技术、硬岩高效钻进技术和轨迹控制技术，可以保证钻孔的安全高效施工。在张集煤矿1612A和1613A工作面实施底板灰岩探放水钻孔工程，完成定向钻孔15个(包含主孔和分支孔)，累计进尺5480m，探查到2个出水点。