煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术

李泉新，褚志伟，许 超，方 俊

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤矿井下随钻测量定向钻进技术作为坑道钻探领域一种先进技术，通过随钻实时监测和控制钻孔轨迹，可使钻孔轨迹沿设计方向长距离延伸，实现空间范围内精准定向钻进，具有施工精度高、成孔深度大和钻进效率高等显著优势，是煤矿井下瓦斯抽采、水害治理和防灭火工程等领域关键技术装备保障[1-2]。目前，煤矿井下随钻测量定向钻进技术以有线随钻测量定向钻进为主，钻进过程中采用有线随钻测量系统监测钻孔轨迹，通过中心通缆式钻杆形成的有线通道传输测量信号，钻杆以滑动方式进行定向钻进，存在以下几点问题[3-5]：需配套特制的中心通缆式钻杆，测量信号稳定性受钻杆接头密封性影响较大，接头密封性能下降时测量信号传输稳定性降低，且整体使用成本较高；钻进过程中钻杆只滑不转，孔眼光滑度差，深孔钻进中托压严重，影响成孔深度和钻进效率；通缆钻杆内环空截面积相对较小，在深孔条件下钻杆损耗泥浆泵泵压较严重；无法配套三棱钻杆、螺旋钻杆和肋骨钻杆等工艺适应性强的异性钻杆，适用于较稳定煤岩层定向钻进，对于碎软、破碎煤岩层适应性差，整体工艺适用范围较窄。

为此，针对目前煤矿井下有线随钻测量定向钻进技术存在的上述问题，提出了泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术。

1 泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术原理

泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术是基于泥浆脉冲无线随钻测量和复合定向钻进发展起来的一种煤矿井下新型定向钻进技术[6]，其以高压冲洗液为动力和排渣介质，驱动液动螺杆马达回转碎岩钻进，并携带钻进中产生的钻渣；钻进过程中泥浆脉冲无线随钻测量装置测量钻孔倾角、方位角和液动螺杆马达工具面向角等参数，以压力脉冲为信号载体，以钻杆内冲洗液为信号传输通道，向孔口传输孔内测量数据；孔口依据接收到的测量数据进行钻孔轨迹的调整；钻机提供钻进给进力、回转力和液动螺杆马达工具面向角调整动力等[7]；泵车向孔内提供高压冲洗液。泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进设备组成连接图如图1。

图1 设备组成连接图Fig.1 The component connection of device

2 泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进关键技术

2.1 泥浆脉冲无线随钻测量技术

泥浆脉冲无线随钻测量技术以压力脉冲为信号载体，以钻柱内冲洗液为信号传输通道，向孔口传输孔内测量数据[8]，其核心技术包括：信号稳定发生技术、低功耗工作模式控制技术和紧凑结构防爆技术。

1）信号稳定发生技术。煤矿井下具有小泵量（90～390 L/min）、低泵压（≤12 MPa）和仪器尺寸受限等特殊工况，为了实现泥浆脉冲信号稳定发生，提出了一体式脉冲发生器结构设计方案[9]，即将脉冲信号发生组件整体安装在外管内部，一体式脉冲发生器结构图如图2。一体式脉冲发生器采用的脉冲形式为正压力脉冲，正压力脉冲的信号传输通道为孔内仪器上部钻杆柱的内部空间，信号传输方向与冲洗液流动方向相反，为减少孔内仪器的功率消耗，一体式脉冲发生器设置于仪器串上部，由驱动短节控制，通过驱动短节可以控制流向阀头和外管之间流道的冲洗液流量，间歇性的产生正压力脉冲，传输孔底的多种信息。一体式脉冲发生器外径系列为76 mm和89 mm，可与现有常用的73 mm及89 mm钻杆系列配合使用。

图2 一体式脉冲发生器结构图Fig.2 The structure of integrated pulse generator

2）低功耗工作模式控制技术。泥浆脉冲无线随钻测量系统采用孔内充电电池筒供电的形式，为了提高充电电池筒的使用时间，提出了基于流量开关形式低功耗工作模式控制技术[10]。流量开关设置在系统测量短节一侧，需要测量系统工作时，开启泥浆泵向钻孔内提供高压冲洗液，流量开关监测到冲洗液流量变化后，控制充电电池筒向测量系统供电，进行数据测量和泥浆脉冲信号传输；当需要测量系统停止工作时，关闭泥浆泵，流量开关监测到冲洗液流量为0后，控制充电电池筒停止向测量系统供电，测量系统进入低功耗待机状态。采用流量开关控制模式的泥浆脉冲随钻测量系统性能稳定，能够准确和稳定地切换系统测量模式，实现系统的间歇工作，用电节省70%，仪器连续孔内工作时间可以达到20 d，满足随钻测量定向钻进需要。

3）紧凑结构防爆技术。基于电源隔离、信号隔离及运动部件隔爆技术，设计了测量系统各组成部分的紧凑型防爆结构，解决了孔内仪器防爆难题，可满足煤矿井下作业环境的特殊要求；开发了矿用大尺寸本质安全型液晶显示屏、多路接口隔离电路板、恒压外部供电电源、隔爆面特殊加工工艺，研制了小型化防爆型数据采集装置，功耗低，能够在隔爆腔体内稳定运行，可为泥浆脉冲压力传感器供电，并实时采集测量数据。

2.2 双动力复合定向钻进技术

双动力复合定向钻进是一种在滑动定向钻进基础上发展起来的高效定向钻进技术[11]。滑动定向钻进利用高压冲洗液驱动孔底螺杆钻具带动钻头回转破碎煤岩层，钻进过程中只有钻头回转，钻柱“只滑不转”，存在钻进摩阻大、成孔轨迹光滑度差和钻进效率低等问题。双动力复合定向钻进充分结合了滑动定向钻进和回转稳斜钻进的技术优势，在钻孔轨迹需要调整时，进行滑动定向钻进，快速调整钻孔轨迹直至满足设计要求；在钻孔轨迹不需要调整时，进行回转稳斜钻进，在螺杆钻具带动钻头回转碎岩的同时，定向钻机回转钻柱带动螺杆钻具回转，螺杆钻具和定向钻机同时提供碎岩动力，形成了“定向钻机+螺杆钻具”双动力钻进模式，钻进过程中螺杆钻具工具面向角周向不固定，具有回转稳斜钻进特性。与滑动定向钻进技术相比，双动力复合定向钻进技术具有钻进阻力小、成孔轨迹光滑和钻进效率高等优势。

2.3 双动力复合排渣技术

双动力复合定向钻进成孔深度大，钻渣运移距离长，容易在孔底沉积，使钻头重复破碎，降低钻进效率；此外，钻渣过多在孔底沉积易引发卡钻事故，影响钻进安全性。双动力复合排渣技术充分利用了水力排渣和机械搅渣的技术优势[12]，其技术原理为：利用冲洗液紊流水力排渣方式将较细岩屑悬浮，旋转流场形成周向水流将沉淀岩屑床中的较粗岩屑搅动并悬浮在冲洗液中，在冲洗液正循环将悬浮的岩屑向孔外推送；利用钻杆回转机械排渣方式提高岩屑向孔外推送速度，利用同时钻杆外表面异形结构对岩屑进行磨削和搅拌，使高压冲洗液能顺利将岩屑带出孔外，防止卡、埋钻事故的发生，实现高效复合排渣。

3 泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进关键装备配套

1）泥浆脉冲无线随钻测量系统。泥浆脉冲无线随钻测量系统（YHD3-3000）采用正压力脉冲方式进行随钻测量信号的传输，主要包括孔口装置和孔内装置2部分。孔内装置主要包括脉冲发生器、防爆驱动短节、防爆充电电池筒和防爆测量短节，充电电池筒分别为测量短节和驱动短节供电，测量短节用于获取钻孔倾角、方位角和螺杆马达工具面向角等参数和控制孔内装置实现低功耗间歇工作模式，驱动短节基于先导控制技术驱动脉冲发生器，并将正压力脉冲信号放大后沿钻柱内冲洗液通道向孔口传输；孔口装置主要包括防爆压力变送器和防爆计算机，其中防爆压力变送器用于接收并向防爆计算机传输孔口泥浆脉冲信号，防爆计算机用于泥浆脉冲信号接收、处理和显示。

2）钻杆。因采用无线随钻测量系统，所以配套用的钻杆在深孔钻进时可选择高强度大通孔钻杆，钻杆为无缆结构，通径大，可以有效降低泥浆脉冲信号沿程损失；在复杂地层中可选用三棱钻杆或整体式宽翼片螺旋钻杆，排渣效果好，提高了复杂破碎煤－岩层定向钻进适应性。

3）泥浆泵。泥浆泵是无线随钻测量信号能否稳定传输的重要环节，因此在钻进过程中泥浆泵在提供孔底动力和携带钻孔煤岩粉的同时，提供泥浆脉冲信号稳定传输的流体介质。尽量减少泥浆泵泵送液体时的脉冲波动，以免干扰泥浆脉冲信号的解调，因此一般推荐使用液驱泥浆泵，泵量大于96 L/min即可满足需求。

4 现场应用

试验地点分别位于神东煤炭集团保德煤矿和淮南矿业集团顾桥煤矿，试验钻孔类型顺煤层超长定向钻孔和顶板高位定向长钻孔，采用泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术装备进行钻孔施工。

4.1 保德煤矿超长定向钻孔成孔试验

成孔试验在保德煤矿五盘区一号回风大巷27联巷进行，钻孔区域位于规划的二盘区81210工作面。二盘区内主要含煤地层为8号煤，该煤层位于山西组（P1S）底部S3砂岩之上，煤厚在2.15～10.39 m，平均6.6 m；纯煤厚1.7～9.01 m，平均7.8 m；为厚煤层。煤层结构复杂，含夹矸1～8层，一般3～4层，属较稳定煤层。

4.1.1 施工钻具组合和钻孔成孔情况

1）施工钻具组合。顺煤层超长定向钻孔钻具组合为：φ120 mm定向钻头+φ89 mm螺杆钻具+φ89 mm下无磁钻杆+φ89 mm无磁仪器外管（内装有YHD3-3000泥浆脉冲无线随钻测量装置）+φ89 mm脉冲发生器+φ89 mm过滤钻杆+φ89 mm无缆大通孔钻杆+…+φ89 mm无缆大通孔钻杆+φ89 mm普通水便。

2）钻孔成孔情况。顺利完成主孔深度3 353 m的顺煤层超长定向钻孔施工，过程中探顶、探底累计开分支13次，总进尺4 428 m，孔径φ120 mm，平均日进尺210 m，该钻孔贯穿81210工作面，并与相邻三下盘区二号回风大巷成功贯通，贯通点位于巷道底板上1.5 m处，贯穿巷道中靶坐标误差小于0.15%。钻孔施工中双驱动复合钻进孔段占总进尺比例达到82%，钻进效率提高明显，孔深达到2 500 m以上仍实现了单班进尺120 m的高效定向钻进。

4.1.2 保德煤矿超长定向钻孔成孔试验效果

1）泥浆泵压力损耗。随着钻孔深度增加，泥浆泵压力一直处于增长状态，并在泵量一定的情况下，近似呈线性增长模式。在孔深2 300 m之前，钻进过程中泵量保持在300 L/min左右，泵压自开始钻进时3 MPa逐渐增长至孔深2 300 m时的4.2 MPa，增长幅度为0.05 MPa/hm，泥浆泵压力保持在较低水平；在孔深2 300 m以后，为提高钻进过程排渣效果和保证螺杆钻具动力输出，提高泵量至350 L/min左右，此时泵压自4.2 MPa提高至4.9 MPa，之后随孔深逐渐增长，至终孔时泥浆泵压增长至5.6 MPa，增长幅度为0.08 MPa/hm，最大泥浆泵压力仅为额定压力的43.8%。

2）泥浆脉冲无线随钻测量系统应用。试验中每6 m测量1次数据，测量时保持泵量在150 L/min或250 L/min，在泵量一定的情况下，泥浆脉冲信号幅值随孔深增长基本保持不变，甚至还出现小幅增长：在孔深2 300 m以前，信号幅值基本保持在1～1.5 MPa之间，孔深2 300 m之后，信号幅值基本保持在1.7～2 MPa之间。本次顺煤层超长定向孔钻进过程中YHD3-3000泥浆脉冲无线随钻测量系统测量脉冲波形良好、清晰，信号传输稳定可靠，连续测量超过900余次，未出现误码现象。

4.2 顾桥煤矿复杂顶板高位钻孔成孔试验

成孔试验在顾桥煤矿1212（3）轨道巷进行，区域内主采煤层为13-1煤，煤层厚度3.0～6.9 m，平均5.34 m，厚度变异系数22.5%，为较稳定的厚煤层。煤层伪顶岩性为煤及泥岩，采区内普遍缺失。直接顶岩性相变程度较高，主要由煤、炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩及个别中粗砂岩组成，层位界限不明显。基本顶岩性主要为泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩和中粗砂岩。试验区域内煤层顶板层位结构复杂，具有碎软破碎、软硬互层和多地质构造等特征，现有钻进技术无法高效成孔。

4.2.1 施工钻具组合和钻孔成孔情况

1）施工钻具组合。钻孔施工采用“φ120 mm定向钻头＋φ89 mm螺杆钻具＋φ89 mm下无磁钻杆＋φ89 mm无磁探管外管（安装YHD3－3000（T）泥浆脉冲无线随钻测量系统探管）＋φ89脉冲发生器＋φ89 mm过滤钻杆＋φ89 mm整体式宽翼片螺旋钻杆＋…＋φ89 mm整体式宽翼片螺旋钻杆＋φ89 mm普通水便”钻具组合，定向钻进至设计孔深。

2）钻孔成孔情况。应用泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术装备于2017年7月30日至2017年9月11日在顾桥煤矿南区1212（3）轨道巷进行复杂顶板高位定向钻孔施工。累计共完成5个顶板高位定向钻孔的先导孔施工，累积定向钻孔进尺1 653 m，最大钻孔深度540 m。

4.2.2 顾桥煤矿复杂顶板高位钻孔成孔试验效果

1）泥浆脉冲无线随钻测量系统应用。泥浆脉冲无线随钻测量系统在160～200 L/min小排量冲洗液条件下工作稳定可靠，累积测量次数551次，其中误码4次，综合误码率0.72%；应用低功耗工作模式控制技术，使系统有效工作时间在20 d以上，满足定向钻孔施工要求。

2）复合定向钻进技术应用。复杂顶板高位定向钻孔施工过程中，复合钻进孔段占比在30%以上，与滑动定向孔段相比，复合钻进孔段单根钻时明显降低，机械钻速提高25%以上，有助于提高复杂顶板高位定向钻孔的施工效率和成孔质量。

3）泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术应用。泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术无需使用特制的中心通缆钻杆，和常用钻杆均可配套使用，提高了钻具强度，提升了钻进安全性；应用复合排渣和复合钻进技术，有效改善孔内排渣效果，提高了综合钻进效率；泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术不仅适用于稳定煤岩层钻进，更适用于复杂煤岩层高效钻进，拓宽了煤矿井下随钻测量定向钻进技术的应用范围。

5 结语

1）在研究泥浆脉冲无线随钻测量技术、双动力复合定向钻进技术和双动力复合排渣技术等关键技术的基础上，提出了煤矿井下泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术，配套了关键装备，在煤矿井下完成了孔深3 353 m顺煤层超长定向钻孔。

2）开发的泥浆脉冲无线随钻测量系统工作稳定可靠，误码率低，综合误码率仅为0.72%；应用低功耗工作模式控制技术，使系统有效工作时间在20 d以上，满足定向钻孔施工要求。

3）泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术具有使用钻具强度高、排渣效果好和钻进效率高的显著优势，不仅适用于稳定煤岩层钻进，也可应用于复杂煤岩层高效钻进，拓宽了煤矿井下随钻测量定向钻进技术的应用范围。

4）泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术应用正脉冲进行随钻测量信号的传输，传输速率较低，可开展旋转阀式泥浆脉冲随钻测量系统、连续脉冲式泥浆脉冲随钻测量系统等先进技术的研究，以优化完善泥浆脉冲无线随钻测量定向钻进技术。