煤矿井下硬岩定向钻进技术装备与应用

豆旭谦，王 力

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.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已广泛应用在瓦斯治理、水害防治和地质构造探测领域，技术与装备日趋完善，并在碎软煤层、破碎地层等复杂地质条件下的成孔方面取得重要的研究进展[1-2]。但是，在煤层顶底板砂岩、灰岩等硬质岩层中的定向钻进仍然存在钻进效率低、深孔钻进易产生托压、轨迹控制难度大及在硬岩中较难开分支等问题，长期成为制约近水平定向钻进技术在煤矿硬岩层中应用的技术瓶颈。

在全断面钻进碎岩工具方面，基于PDC 钻头较高的钻进效率[3-4]，煤矿井下在岩层定向钻进中仍然采用PDC 钻头，并结合近水平定向钻进的特点及使用条件，在结构设计、切削齿布置、钻头加工方面做了针对性设计与优化，在硬质岩层中具有较好的钻进效率和单钻头进尺量[5-6]，需解决在硬岩中钻进保径磨损导致二次下钻过程中的卡钻问题。托压问题最早研究出现在石油及煤层气钻井工程中[7-8]，主要采用减少钻柱接触压力、降低摩阻因数、振动方法释放摩阻和扭矩以及增强钻机系统工作能力的方法解决，煤矿井下对托压问题的研究处于对规律的认识与分析阶段[9-11]。

针对硬岩定向钻进中存在的问题，提出了大功率螺杆钻具钻进技术、级差式定向钻头防卡技术、振动减阻技术、水力加压技术、轨迹控制技术、硬岩开分支技术等，形成针对硬岩定向钻进的成套技术与装备，在淮南张集煤矿的应用表明，该技术与装备可有效解决目前煤矿井下硬岩定向钻进中存在的难题，提高钻进效率、解决托压问题、提高孔内钻具的使用寿命，降低煤矿钻孔工程的施工周期和成本，保障煤矿安全生产。

1 硬岩定向钻进技术难题

1.1 钻进效率低

硬质岩层具有高的硬度和研磨性，PDC 钻头在孔底以机械方式破碎岩石时，需要更大的推进力使PDC 切削齿楔入岩石产生局部破碎穴，并在高转矩的作用下回转推进，使切削齿前方岩石产生崩解，在持续稳定的推进力和回转力共同作用下，破碎岩石，实现钻进。在使用孔底动力钻具实现定向钻进的过程中，推进力由钻机提供，回转力由孔底动力钻具提供，由于煤矿井下钻机能力有限，主要采用小直径螺杆钻具，其能提供的额定工作转矩较小，在使用PDC 钻头破碎硬质岩层时，无法实现高效破碎。因此，在煤矿井下硬岩定向钻进中，钻进效率低。

1.2 深孔钻进产生托压

托压是指在定向钻井过程中，由于钻具与井壁之间的摩擦力太大而导致钻压不能有效传递到钻头的现象[8]。煤矿井下近水平定向钻进没有垂直孔段，在滑动定向钻进过程中，随着孔深的不断增加，孔口给进力需要逐渐增大，引起孔内复杂作用下产生的摩阻力越来越大，当钻孔达到一定孔深时，出现孔口给进力传递困难钻进效率降低。实钻数据统计规律显示，在岩石坚固性系数在8 左右的灰岩中，托压现象出现在400～500 m 孔深，其产生的原因与地层岩性、钻孔曲率和位移、垂深与岩屑、孔深、自重与给进压力有关系[12]。

1.3 孔内钻具易损坏

1）钻头易磨损。PDC 钻头在切削硬岩层时，切削刃的磨损比软岩快，在深孔钻进时，由于钻柱的弹性送钻，孔底钻头会受到周期性冲击，冲击力的大小与孔口钻机给进力和钻杆的力学特性有关，硬岩钻进时的孔口给进力大，钻头受到的冲击力较大，造成钻头的PDC 片会产生崩裂，影响钻头的钻进效果。

2）螺杆钻具易损坏。在硬岩中要实现孔底全面破碎，需要孔底螺杆钻具提供更大的转矩来克服破碎岩石所产生的阻力[13]，螺杆钻具的万向轴和传动轴总成受到的荷载大，在实际钻进过程中，经常需要滑动定向钻进工艺与复合钻进工艺交替使用，万向轴和传动轴的受力复杂，在破碎、构造带等复杂地层钻进时，容易形成卡钻，处理事故时，会降低螺杆钻具的使用寿命，严重时直接损坏。

3）钻杆易损坏。钻杆在硬岩中钻进时，钻机提供的给进力大，深孔钻进时钻杆在钻孔内发生屈曲变形，同时，钻杆与孔壁接触点的摩擦阻力大，加剧了钻杆外壁的磨损。

2 硬岩定向钻进技术

1）大功率螺杆钻具钻进技术。采用大功率螺杆钻具增大钻头回转转矩是提高硬岩定向钻进效率最直接有效的方法。通过岩石力学性质测试或微钻试验，分析钻进硬岩层的性质，根据螺杆钻具在硬岩中的工作特点[13]，优选匹配大功率螺杆钻具，在螺杆钻具性能试验台上测试输入流量、工作扭矩、转速、输出功率和效率之间的关系，获取螺杆钻具的最优工作区间、压降和转速参数。在定向钻进时，使用测试输入流量值，通过调整钻机给进力，使正常钻进时的压降参数在最优压降参数范围内波动，同时，根据钻孔深度的不同，有规律地考虑孔内压降损失和水柱压力的影响。另外，钻进给进力的控制需要考虑钻进工艺的不同，滑动定向钻进相对于复合定向钻进，由于受到孔内摩阻甚至托压的影响，给进力相对较大，钻孔越深越明显。

2）级差式定向钻头防卡技术。在硬岩定向钻进时，由于硬岩的强度和研磨性高，钻头钻进中与孔壁的持续性摩擦会使PDC 钻头的外保径磨损，从而导致钻孔随着孔深的增大孔径变小形成钻孔缩颈，在一次钻进无法成孔时，二次下钻过程中容易造成钻头崩齿和卡钻现象。级差式定向钻头是指在钻头结构设计时，根据钻孔结构设计要求，一次下入孔内的钻头直径比设计钻孔直径大6 mm，钻头直径级差为2 mm，从大直径到小直径依次排队使用，保证钻孔在需要二次以上下钻后，钻孔终孔直径不小于设计孔径要求，同时，解决钻头外保径磨损后，再次下入相同直径钻头时出现卡钻、钻头损坏和下入到孔底的问题。

3）振动减阻技术。振动减阻技术是指在钻孔柱的适当位置安装水力振荡器，通过给钻柱提供一定频率和幅度的振动，将钻柱与孔壁之间的静摩擦力转变为动摩擦力，使摩擦力减小[14]。因此，水力振荡器通过产生纵向振动来减少钻柱与孔壁之间的摩阻，进而提高钻进过程中的钻压传递的有效性。从本质上来讲，水力振荡器本身并不会送钻，它的作用是降低钻柱弹性送钻的瞬时滑动摩擦系数的增长速度，并尽量接近送钻摩擦系数，以延长每次送钻可获得的进尺[15]。

4）水力加压技术。水力加压技术是在孔底钻头后连接水力加压器，水力加压器利用高压钻井液作用在活塞上下端面上的压力差来产生压力，并通过伸缩杆传递给钻头，连续不断地使活塞和钻头向前移动而形成机械进尺[16]。水力加压技术将钻具提供的刚性加压变为液力柔性加压，给钻头施加一部分或全部钻压，降低钻柱施加给钻头的压力，在近水平定向钻进中有利于减小托压问题。

5）轨迹控制技术。在硬岩定向钻进中，为了达到较高的控制精度，经过实践可采用滑动定向钻进造斜，复合钻进控层的方法；在轨迹精准控制时，若轨迹偏离设计，预判需要调整倾角和方位角，采用滑动定向钻进，若符合设计，采用复合钻进，二者交替施工，可在单根钻进时前段使用滑动定向钻进后段使用复合钻进。在顺层段钻进时，采用“钻进岩性变化、地质资料判断、钻进方向指导、地质资料修正”探索式循序渐进的方法[17]。

6）硬岩开分支技术。煤矿井下定向钻进主要采用裸眼侧钻开分支的方法，在硬岩中开分支比较困难，经过实践可采用低速磨削开分支方法，即“1+2+3+3”硬质岩层开分支技术，第1 个小班钻进1 m，第2 个小班钻进2 m，第3 个小班钻进3 m，第4 个小班钻进3 m，第5 个小班缓慢钻进即可开出分支。在开分支过程中，每完成1 个行程，在钻进下个行程时，钻头位置向后退30 cm，以防将已磨出的裸眼台阶破坏。最后根据孔口返水颜色、返渣量、钻进和泵压参数确定开出分支后，即可根据后续钻进设计调整工具面正常钻进[18]。

3 硬岩定向钻进装备

煤矿井下硬岩定向钻进装备主要由定向钻机、泥浆泵车、大功率螺杆钻具、级差式定向钻头、水力振荡器、水力加压器等组成。

1）定向钻机。定向钻机主要用于提供给进、起拔和回转动力、夹持和拧卸孔内钻具、克服螺杆钻具钻进的反扭矩等，目前已成系列化。在硬岩深孔定向钻进时，主要要求：①钻机输出扭矩大，能提供较大回转力，具有较强的孔内事故处理能力；②给进起拔力大，能够满足深孔定向钻进的需要。可优选屡创世界纪录的ZDY12000LD、ZDY15000LD 定向钻机。

2）泥浆泵车。泥浆泵车可输出高压冲洗液，驱动孔底螺杆钻具工作，实现破岩钻进。由于配套大功率螺杆钻具，泥浆泵车需要有较高的输出压力和稳定的输出流量，保证大功率螺杆钻具最优的工作状态，目前煤矿井下主要优选BLY460 泥浆泵车，最大输出泵量460 L/min，额定工作压力可达13 MPa。

3）大功率螺杆钻具。大功率螺杆钻具是硬岩定向钻进的关键，根据目前煤矿井下钻机能力的匹配性，岩层深孔定向钻进的钻具规格主要使用φ89 mm，因此，配套大功率螺杆钻具外径为φ89 mm。为了增大螺杆转矩的输出转矩，考虑泥浆泵车的压力、流量能力范围，需要5 级以上大功率螺杆钻具，增加定转子头数比，通过直接提高孔底螺杆钻具的碎岩能力，达到提高钻进效率的目的。大功率螺杆钻具主要技术参数如下：①外径：89 mm；②头数：7:8；③输出扭矩：≥1 400 N·m；④级数：5 级；⑤转速：124～187 r/min；⑥输出功率：29.2 kW。

4）级差式定向钻头。根据外径89 mm 钻具的级配要求，设计钻孔直径不小于120 mm，级差式钻头外径分别为126、124、122、120 mm。为刀翼式的平底钻头，采用高效切削齿，提高破岩效率；设计保径，提高钻头的保径效果，使其磨损量控制在2 mm 内；钻头体喷焊耐磨涂层，提高冠部表面强度，提高耐磨和耐冲蚀性。

5）水力振荡器。水力振荡器外径为89 mm，主要结构分为通信部分、振荡器主体部分，通信部分分为上通信部分和下通信部分。振荡器主体包括上接头、外管、活塞、复位部件、挡圈和下接头等。经过测试，碟簧式水力振荡器适合安装在近钻头位置辅助减阻，圆柱弹簧式水力振荡器适合安装在钻柱中间主要减阻[19]。

6）水力加压器。水力加压器由缸体、活塞、花键传动轴、端盖、变径接手组成。室内测试表明，采用φ12、φ13、φ14 mm 活塞水眼在流量200～450 L/min范围内输出轴向压力为2～10 kN[20]。

4 硬岩定向钻进工艺方法

硬岩定向钻进工艺流程主要包括钻场准备、钻孔轨迹设计、回转开孔、下套管作业、安装级差式定向钻头和大功率螺杆钻具定向钻进等。在施钻过程中，根据钻进工程参数判断定向钻进状态，如果判断钻头损坏，需要提钻更换下一级级差式定向钻头，重新送钻钻进；如果判断产生严重托压现象无法继续定向钻进，可提钻在钻柱适当位置安装减阻加压工具，并更换下一级级差式定向钻头，直至钻达设计终孔。硬岩定向钻进工艺流程如图1。

图1 硬岩定向钻进工艺流程Fig.1 Technological process of directional drilling

5 现场试验及应用

5.1 矿井基本情况和钻进层位

1）矿井基本情况。张集煤矿位于淮河中游，淮北平原南部，属于淮南煤田。区内地形平坦，构造位于陈桥背斜南翼，矿井构造主要受背斜形成有关，多发育正断层，构造复杂程度中等。井田内地层有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系，石炭系假整合于奥陶系之上，二叠系整合于石炭系太原组之上，新近系不整合于二叠系之上。其中，石炭系含煤岩层均不稳定，不可采，二叠系含煤地层32层，有7 个含煤段。由于A 组煤（又称1 煤）开采时，石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层成为直接的充水含水层组，而且太原组灰岩与下伏奥陶灰岩水局部联系密切，使得太原组灰岩岩溶裂隙含水层是矿井主要水害之一。

2）钻进层位。钻孔设计钻进层位都要穿越C31、C32、C33上3 层灰岩，然后进入C33下灰岩主延伸层位。底板C3Ⅰ组灰岩抗压强度31.4～98.6 MPa，大多在50 MPa 以上，其中，在定向钻进技术应用的C33下灰岩中采集的3 个试验样本得到的平均抗压强度值为76 MPa，岩石坚固性系数为7.6，属于坚硬岩层。

5.2 试验及应用情况

现场试验2 处，分别为西二采区探放水钻孔试验和西三采区掩护巷道掘进钻孔试验，在西三采区-600 m 疏水平水巷进行了工程应用。

1）西二采区探放水试验钻孔1 个，完成主孔孔深620.6 m，累计总进尺838.6 m，目标层钻遇率达94.2%，后期的疏放水效果明显[21]。西二采区探放水试验钻孔轨迹如图2。

图2 西二采区探放水试验钻孔轨迹Fig.2 Water exploration and drainage test borehole in west No.2 mining area

2）西三采区掩护巷道掘进试验钻孔3 个，1#钻孔孔深518 m，1-1#钻孔孔深483 m，2#钻孔孔深558 m。3 个钻孔都是大垂深钻孔，垂深都超过100 m，每钻进3 m 都要进行充分的回转冲孔，正常钻进时1#钻孔平均钻进效率18 m/小班，1-1#钻孔和2#钻孔平均钻进效率21 m/小班。3 个孔都未见地层出水，成功实现了掩护巷道掘进探放水目的[18]。

3）工程应用在西三采区-600 m 水平疏水巷，主要目的是治理1612A 和1613A 工作面底板灰岩水害，施工定向钻孔15 个（包含主孔和分支孔），累计进尺5 480 m，探查到出水点2 个，出水点1 初始水量15 m3/h，后期水量稳定在3 m3/h，出水点2 初始水量15 m3/h，后期增大至220 m3/h，孔内出水压力达到5.9 MPa。通过定向钻孔探查到出水点，并采取针对性治理措施，有效地保障了张集煤矿的安全开采[17]。

4）水力振荡器试验在-600 m 水平疏水巷10#钻孔完成，在孔深425 m 时产生了较严重的托压现象，提钻在螺杆钻具后100 m 钻柱位置安装圆柱弹簧作为辅助复位部件的水力振荡器钻进。试验显示，平均钻压降低了33 %，钻效提高126 %，显著降低钻进摩阻，提高定向钻进效率[19]。

5）水力加压器试验在-600 m 水平疏水巷3#钻孔完成，在孔深464 m 时钻进效率降低，起钻下入水力加压器，水力加压器安装在螺杆钻具和钻头之间，钻进至578 m 达到设计终孔。试验显示，钻孔钻进时最大时效由之前托压孔段的1 m/h 以下提高至3 m/h，试验进尺内平均给进表压较托压孔段降低了23.8 %，平均钻效提高了137 %[20]。

6 结 语

1）针对煤矿井下硬岩定向钻进中钻进效率低、深孔钻进产生托压和孔内钻具易损坏等问题，开发了硬岩定向钻进技术，主要包括大功率螺杆钻具钻进技术、级差式定向钻头防卡技术、振动减阻技术、水力加压技术、轨迹控制技术和硬岩开分支技术。选配了定向钻机、泥浆泵车、大功率螺杆钻具，研制了级差式定向钻头、水力振荡器和水力加压器，形成了硬岩定向钻进工艺方法。

2）硬岩定向钻进技术与装备在淮南张集煤矿进行了现场试验和工程应用，结果表明，该技术与装备能有效地提高硬岩中的钻进效率，解决深孔钻进中的托压问题，提高钻具使用的安全性，可在类似矿井硬质岩层中推广应用。

3）为更好地解决深孔钻进问题，需要进一步研究水力振荡器的安装位置与性能参数、钻进工艺之间的耦合关系，进一步研究保证水力加压器在最优工作状态的工艺参数。