松软煤层定向长钻孔施工工艺

侯文光　史春生　李达　马志强　秦金辉　张盼　李恒忠

摘 要：松软低透气性煤层的瓦斯抽采技术关键在于长钻孔施工，而影响长钻孔施工进行瓦斯抽采效果的主要因素是煤层透气性和长钻孔施工的钻孔状况，煤层透气性和钻孔状况又受煤层深度和松软程度及褶皱分叉等复杂恶劣地质条件所影响。近些年很多企业及科研院所对松软低透气性煤层长钻孔施工中的成孔工艺已积累了不少经验，笔者结合现有技术工艺和钻杆钻头结构提出了采用千米定向钻机运用“一卸二钻三排”的成孔工艺进行长钻孔施工的技术方案。

关键词：松软煤层;定向长钻孔;一卸二钻三排

引言

随着我国开采工业的不断发展，很多煤矿都面临地质条件复杂、煤层松软，瓦斯含量高等问题，而如何解决这些问题成为保障煤矿安全生产的关键。

目前，很多煤炭企业和相关科研院所都在不遗余力的进行着瓦斯治理技术的研究，其中公认最为有效的瓦斯治理方式就是采用定向长钻孔施工进行区域瓦斯的抽采。而影响定向长钻孔施工进行瓦斯抽采效果的主要因素是煤层透气性和定向长钻孔施工的钻孔状况，煤层透气性和钻孔状况又受煤层深度和松软程度及褶皱分叉等复杂恶劣地质条件所影响。因此，定向长钻孔施工工艺成为松软煤层的瓦斯抽采治理的关键技术。

针对在松软煤层中普通钻进设备成孔长度短、钻进方向不易控制，钻进轨迹混乱、瓦斯预抽期短，工程量大等局限性，为了确保矿井抽掘采合理衔接，提高松软煤层的瓦斯抽采治理效率，应采用千米定向长钻孔配套钻进设备。

1.定向长钻孔成孔技术流程

2.钻头的改进

目前被大量使用的普通PDC复合片钻头，在松软低透气性煤层中施工定向钻孔时存在工作面欠稳定、方位易漂移等问题，使得钻进成孔长度短、钻孔方向无法控制、轨迹混乱，严重影响抽放效果。

普通PDC钻头前面为三个出水口，这种钻头出水量大，在水压一定的情况下，对孔壁的冲刷强度大，经常造成钻孔内排渣量过大，出现卡钻事故，影响钻孔施工效率。

为了减小水压对孔壁的冲刷影响，我们在现有钻头的基础上，将三个出水孔改进为单孔出水，即钻头顶端设置有一个喷水出口，在喷水出口四周分层设置七个切割齿.

实践证明奇数的刀翼更适合于定向钻进，这样有利于横向削割地层，更利于增斜和造斜;另一个方面由三个喷水出口改为一个喷水出口，适当的减少了水压对孔壁的冲刷，避免造成排渣量大形成卡钻，同时保证适量的排渣效果。

3.“一卸二钻三排”成孔技术

3.1“一卸”-卸压成孔

施工区域瓦斯压力较大、煤质松软，长钻孔难成孔，需要先在目标区域内钻进较短分支钻孔，对煤体内瓦斯压力进行卸压，然后再施工分支进行长钻孔钻进。

涉及的钻进技术有顶、底板“梳状”穿层钻进技术和本煤层“树状”钻进技术;顶、底板“梳状”穿层钻进技术即在目标煤层上（下）较稳定的岩层中钻进水平长钻孔，在钻进的过程中每间隔一定距离向煤层开分支，以释放煤层中的瓦斯压力，为下一步在煤层中施工定向长钻孔创造有利条件。

本煤层“树状”钻进技术即根据目标煤层产状沿层钻进长钻孔，在钻进的过程中每间隔一定距离向各个方向开分支，以增加单个钻孔与煤体的接触面积，提高抽采效率。如图1所示。

3.2“二钻”-双驱动钻进配合注浆再钻进

双驱动钻进采用孔底马达与钻杆旋转双驱动，这样钻头扭矩更大，转速更快，可快速穿过松软破碎煤层区域，另外，钻杆旋转也有利于钻内煤渣返出。

注浆再钻进即在松软煤层施工过程中出现严重塌孔，形成危害型“钻穴”，无法钻进时，利用独特的孔内注浆弯头装置，进行喷射注浆，把塌孔区段进行加固处理，然后再进行钻进，可成功穿过塌孔区域。

3.3“三排”-综合排渣

现有定向钻机大都采用水力排渣，在遇到“钻穴”时，这种流体排渣就会失效。通过不断试验改进排渣方式，我们采用了综合排渣的技术，即采用水力排渣、风力排渣和机械排渣相结合的方式，根据不同的煤层和孔内情况，采用对应的排渣方式，减小普通“钻穴”对施工的威胁，大大提高了在松软煤层中的成孔率。

4.其他问题的研究

4.1开孔倾角的选择

开孔倾角的选择直接关系到钻孔前100米的成孔率;倾角选定太小不利于钻孔的排渣，有聚集抱钻的风险;倾角选定太大不利于设备操作，甚至可能对设备造成损坏。

4.2低压低速给进

根据不同结构的煤层，调整钻进施工标准参数，把钻进速度、钻进压力、驱动压力等参数科学优化，在施工过程中严格执行施工标准，根据不同的返渣情况，采用不同的钻机速度、钻进时流体的压力和洗孔时间、次数，以降低煤屑粒度，从而高效、快速的达至钻孔设计深度。

4.3关于钻井冲洗液

进口冲洗液并不能完全適用于我省的复杂煤层，并且也对成孔后钻孔抽采效果有一定的影响。我们针对性的对试验区域松软煤层性能进行了分析，在工艺中重点从乳化剂和稳定剂方面对油包水反相微乳液型钻井液基本配方进行优选实验，研制适合于我省松软低透气性煤层中应用的高效油包水反相微乳液型钻井冲洗液。

油包水反相微乳液型冲洗液体系密度低、对储层伤害小，能防止井漏事故的发生，并提高机械钻速;体系抗温能力强，性能稳定，流动性好，维持井壁稳定性较好;性能易控制、监测和调整;润滑效果好等优点。

5.结论

笔者通过对松软煤层定向长钻孔施工工艺的研究，总结创新出了“一卸二钻三排”的成孔技术，对配套钻具和钻井冲洗液进行了升级，保证了千米定向长钻孔设备的定向钻进和钻孔长度优势，有效防治钻进过程中塌孔，使得千米定向钻孔的成孔率大幅提升至大于80%，钻孔的主孔长度延长到不低于450m，分支数目增加到不低于15个。

参考文献

[1] 俞启香.中国矿业大学.《松软突出煤层及定向长钻孔施工关键技术与装备》

[2] 吴兵.李旭.商荣亚等.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院《松软煤层千米钻机成孔技术研究》.煤炭技术

[3] 徐宁.何宇雄.叶川.潞安集团余吾煤业公司.《千米钻机在松软煤层中的应用与研究》。煤炭技术.