复杂煤岩层复合强排渣定向钻进工艺及应用

杨 旭，赵建国，王力杰，刘 飞

(1.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤层顶板高位定向长钻孔是煤矿工作面采动卸压瓦斯抽采的重要技术手段[1-3]，将其布设在回采工作面煤层顶板合理层位内，在回采过程中不仅能有效抽采采动影响区域的卸压瓦斯，在回采后还能抽采采空区瓦斯[4-7]。在煤层群开采条件下，顶板高位大直径定向钻孔能够有效拦截邻近层瓦斯，达到降低工作面上隅角与回风流瓦斯浓度，支撑煤矿安全生产的目的。此外，钻孔抽采模式能够抽出高浓度的瓦斯，有利于实现矿井瓦斯的资源化利用，变废为宝产生可观的经济效益[8，9]。与高抽巷相比，因定向钻孔轨迹可控，能沿预定的层位长距离延伸，具有有效孔段长，可在煤巷中开孔钻进，钻场布设灵活，综合成本低、周期短、辅助排矸运输等工程量小，可超前施工等技术优势[10，11]，在采煤工作面采动影响区瓦斯与采空区瓦斯治理领域广泛应用。

1 复杂煤岩层定向钻进技术难点

复杂煤岩层在国内多个煤矿区广泛分布，具有多破碎带、软硬交互多夹层、地质构造广泛发育等显著特点[12-15]。顶板高位定向长钻孔钻遇复杂煤岩层后，钻孔壁遇水失稳坍塌，造成憋泵卡钻等孔内异常，是导致钻孔施工效率低，成孔率不足，甚至引起埋钻断钻等孔内事故的直接原因。不仅会影响矿井的瓦斯抽采接替，制约工作面的有序开采，严重时还会造成严重的经济损失。笔者经过长期的瓦斯抽采治理工程实践，总结出顶板高位定向长钻孔施工过程中存在的技术难点：

1)煤岩界面孔壁坍塌。一般而言，煤岩界面具有弱胶结的典型特征。钻进过程中，循环介质的水力冲蚀与孔内钻具的碰撞振动会造成煤岩界面的离层，并扩展形成裂隙。同时，复杂煤岩体内部节理裂隙发育，且强度低，胶结性差，在钻孔揭露煤岩界面之后，循环介质会经离层裂隙进一步渗入至煤岩体内部，其水化膨胀作用会导致节理裂隙进一步扩展，最终造成煤岩体宏观强度的急剧下降，导致穿煤段孔壁垮塌。

2)泥岩孔段孔壁坍塌缩颈导致卡钻憋泵。泥岩、砂质泥岩等以粘土矿物为胶结物的弱胶结岩石在煤系地层中发育广泛，且具有显著的水敏性特征，遇水后孔壁岩石极易软化碎胀[16，17]，导致钻孔产生“缩颈”，严重时沿水平层理崩塌脱落，造成不同程度的卡钻憋泵异常。而频繁憋泵亦会进一步加剧孔壁的崩塌脱落，从而引发更为严重的孔内事故。

3)水平孔段钻渣滞留。顶板高位定向长钻孔进入目标层后，钻孔轨迹沿煤层顶板倾角近水平长距离延伸。在煤矿井下定向钻进施工中，冲洗介质既是驱动孔底螺杆马达工作的动力介质，也是清洗钻孔冷却润滑钻头的循环介质。为了避免传统冲洗介质内部泥浆助剂及固相颗粒进入煤层后，阻塞瓦斯解析通道，影响钻孔的瓦斯抽采效果，煤矿井下定向钻孔主要采用清水作为冲洗介质。与泥浆相比，清水具有使用成本低、冲洗效果好、冷却能力强等一系列的优点，但缺点亦非常明显，如：粘度低，携带和悬浮钻渣能力弱，钻头切削孔底岩石形成的钻渣以及孔壁剥落的岩块不在中深孔及下斜孔段易形成聚集[18]，增加孔内钻具摩阻，加大积渣卡钻风险。同时，清水在孔内循环过程中渗入地层的量大，引起地层的膨胀、分散、坍塌掉块，增大了钻孔循环水路卡阻风险。

4)深孔钻进钻具“托压”导致钻进效率下降。煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔的空间展布特点对于钻进加压十分不利。钻进过程中，穿层段钻孔具有的等效重力分量与给进方向相反，抵消了部分钻机给进力，同时，细长弹性钻杆柱在重力的作用下几乎全孔段都与孔壁之间频繁或常态化接触，接触产生的摩擦扭矩和摩擦力严重影响孔口回转、给进载荷的有效传递，造成钻具“托压”现象，导致钻效随孔深增加而降低[19]。

2 复合强排渣定向钻进工艺

2.1 技术原理

针对复杂煤岩层泥岩孔段孔壁坍塌缩颈导致卡钻憋泵以及水平孔段钻渣滞留等突出问题，结合复杂煤岩层岩石赋存特点与岩性特征，提出复合强排渣定向钻进工艺，该工艺基于目前广泛采用的复合定向钻进技术，利用三棱螺旋钻杆旋转过程中的机械能，连续碾压扰动孔内聚集的钻渣与岩块，强化循环介质对孔内钻渣的悬浮携带，避免孔底钻渣与孔壁剥落岩块在孔内聚集后引起的憋泵卡钻。

整体式三棱螺旋钻杆是实现复合强排渣定向钻进的技术关键，目前三棱螺旋钻杆主要通过机械加工方法在圆形管体外表面加工而成。该钻杆使用过程中具有以下技术优势：

1)具备大的循环返渣通道，三棱螺旋钻杆相比相同直径规格的圆钻杆，其杆体截面积更小，在钻孔直径不变的情况下，可为钻孔排渣提供更大的环空截面，进而获得更优的返渣效果。

2)可对孔内钻渣形成持续的扰动，避免钻渣在孔内的沉积。钻进过程中，钻杆直边与钻孔壁间形成三个月牙形的容渣区域，处于月牙形容渣区域的钻渣会随着钻杆的转动产生连续的周向翻转，使其在循环介质的冲击携带作用下向孔口连续运移，最终被携带至孔外。

3)利用铣削加工技术形成的三棱螺旋钻杆截面呈似六边形，由3条直线与3条弧线交替组合形成。工作时钻杆受自重作用紧贴孔壁下缘，因其不规则的截面结构导致钻杆转动过程中产生周期性的跳动，在跳动作用下，钻杆杆体交替冲击和碾压堆积在孔壁下缘钻渣与岩块，使其形成更为细小的颗粒。

2.2 钻进装备配套

2.2.1 大功率定向钻机

ZDY20000LD型煤矿用履带式全液压坑道钻机具有整机功率高(132kW)、输出扭矩大(20000N·m)的特点，具备2000m定向长钻孔的施工能力，能够满足各类顶板高位大直径定向长钻孔施工需要。此外，结合大直径孔钻扩成孔工艺需要，为钻机车体增设了液压吊臂，用于辅助起吊螺杆马达及大直径套管等重型钻具，降低螺杆马达与大直径套管安装作业劳动强度与安全风险。

为满足大扭矩螺杆马达碎岩动力需要与大直径长钻孔循环排渣需求，配备了BLY460/13型全液压履带高压大流量泥浆泵车，额定功率132kW，可为螺杆马达等孔底动力钻具提供最大460L/min排量与最高13MPa压力的循环介质。

2.2.2 泥浆脉冲无线随钻测量系统

YHD-1500型泥浆脉冲随钻测量系统是国内首款自主研发的矿用无线随钻测量系统。该系统采用无线传输方式发送数据，最大传输距离达到1500m以上。使用过程中无需配备专用随钻测量钻杆，避免了传统有线随钻测量系统对于专用有线随钻测量钻杆的依赖，可通过与不同类型异形钻具的灵活配套，提升其在复杂煤岩体中的工艺适应性[20-22]。

2.2.3 定向钻具

根据复合强排渣定向钻进技术需要，基于泥浆脉冲随钻测量系统，设计了∅89mm定向钻具组合，由单弯螺杆马达、整体式螺旋无磁钻具、整体式螺旋过滤钻杆与整体式三棱螺旋钻杆等连接组成。

1)单弯螺杆马达。单弯螺杆马达是实施井下近水平随钻测量定向钻进工艺的核心钻具。综合顶板高位定向长钻孔轨迹空间展布特点与复杂煤岩层顶板岩性特征，选用了∅89mm四级单弯螺杆马达，马达结构弯角1.25°。此外，传动轴壳体增设了螺旋槽式稳定器，保证了螺杆马达在复杂煤岩体中的造斜与定向效果。

2)整体式螺旋无磁钻具。整体式螺旋无磁钻具包括下无磁钻杆与仪器外管，下无磁钻杆与仪器外管表面采用螺旋槽式设计，有助于提升定向钻具组合的复合排渣能力，有助于避免钻渣在螺杆马达后方的堆积。

3)三棱螺旋钻杆。三棱螺旋钻杆的选型重点考虑三个因素：一是钻杆整体具有高的机械强度与抗弯抗扭性能，避免强造斜钻进与长距离回转钻进过程中弯扭交变载荷下的变形、断裂失效；二是钻杆杆体外形结构有利于实现回转模式下对孔内钻渣岩块的冲击碾压二次破碎与持续翻转扰动，达到强化循环介质循环排渣能力的目的；三是钻杆具有大的通孔直径，以降低大流量循环介质在钻杆内孔流动的压力损失，有利于深孔钻进。综合以上三点因素，选型了∅89mm整体式大通孔三棱螺旋钻杆，该钻杆采用整体铣削方式加工而成，具有通孔直径大、抗扭能力、强抗弯性能好等技术优势。

2.3 钻进工艺流程

2.3.1 先导定向孔钻进

套管下放、封固完成之后，即可实施抽采孔段定向钻进。抽采孔段定向钻进采取复合定向钻进工艺——“滑动造斜+回转稳斜”施工。根据实钻轨迹与设计轨迹之间的偏差情况，适时调整转换滑动造斜与回转稳斜两种轨迹控制模式，使实钻轨迹围绕设计轨迹延伸。实践表明，回转稳斜钻进模式可显著降低钻杆柱与孔壁间摩擦阻力，进而减轻水平孔段钻杆柱“托压”，有助于远距离定向走向长钻孔的施工。此外，螺杆马达随钻杆柱旋转过程中消除了结构弯角的导向造斜力，有助于获得平直的钻孔轨迹[23]。

根据顶板高位定向长钻孔轨迹倾角变化特点，可分为上仰穿层爬升段与水平顺层延伸段两部分。上仰穿层爬升段轨迹调控相对复杂，涉及倾角和方位角连续调控，以滑动定向钻进为主。水平顺层延伸段轨迹调控相对简单，倾角和方位角变化平缓，以回转稳斜定向钻进为主，钻进工艺流程如图1所示。

图1 定向钻进工艺流程

2.3.2 扩孔钻进

定向钻孔施工完成后，更换扩孔钻具组合，实施扩孔钻进。依据终孔直径要求，扩孔钻进采用的钻具组合为：“∅200/120mm复合型扩孔钻头+多动力扩孔工具+∅89mm整体式三棱螺旋钻杆+……+∅89mm整体式三棱螺旋钻杆+送水器”。

2.3.3 钻扩程序

根据地层稳定特征、施工进度安排和现场钻进条件，当一个钻场内设有多个钻孔，先导孔钻进与扩孔钻进可采取两种不同流程进行，一种是逐个钻孔成孔，即定向钻进先导孔后进行扩孔钻进，终孔后再施工下一个钻孔，重复“先导孔定向钻进+扩孔钻进”步骤；另一种是多个钻孔批量成孔，即先依次施工一组先导定向孔，再更换钻具组合依次钻扩先导定向孔。

3 工程应用

3.1 矿井及工作面概况

王坡煤矿位于山西省晋城市西北部，属高瓦斯矿井。井田处于晋获褶断带的北西侧，总体为一走向北东、倾向北西的单斜构造，倾角2°～12°。主采的3号煤层位于山西组下部，上距下石盒子组K8砂岩底11.90～51.06m，平均37.27m，下距山西组底K7砂岩顶4.47～20.69m，平均9.16m。煤层最厚6.70m，最薄1.17m，平均5.27m，可采性指数为1，厚度变异系数为20.27%。煤层直接顶板为粉砂质泥岩、泥岩，局部为炭质泥岩；老顶为中、细砂岩；底板为泥岩或粉砂质泥岩。

3314工作面位于王坡矿井田三采区南翼，东侧为实煤体，西侧距3316采空区约35m，南侧距南翼边界回风巷120m，北侧为四条集中大巷。工作面整体煤厚平均4.9m(距切眼0～600m段煤厚平均3.7m，600m至终采线平均煤厚5.5m)，煤层倾角2°～10°，平均6°。工作面设计回采长度约1947m，切眼长为175m。采用综采放顶煤工艺(采放比2.9∶2)，全部垮落法管理顶板。

3.2 钻孔施工概况

复合强排渣定向钻进工艺在王坡煤矿3314工作面进行了应用。综合考虑3314工作面回采进度、钻进成孔时效、抽采效果考察周期等因素，在工作面回风巷与回风巷绕道内各布置1个顶板高位定向钻场，根据设计要求采用复合强排渣定向钻进技术在3314工作面两个高位定向钻场施工完成6个顶板高位定向钻孔。最大钻孔深度300m，具体钻孔数据见表1。

表1 顶板高位定向钻孔数据

3.3 钻进效果分析

钻孔施工前期，尝试采用有线随钻测量复合定向钻进工艺施工回风巷钻场1号钻孔，当钻孔钻进至顶板泥岩层后，煤层顶板以上2.5～10.0m范围孔段出现了严重的塌孔问题。钻孔窥视结果显示，塌孔形成的大体积岩块，在孔内大量聚集，导致排渣通道堵塞，引起憋泵无法正常钻进。后期分别采取扩孔排渣与泥岩段注浆加固等措施，收效甚微。

经实验室内切片分析，该层岩性属纹层状粉砂质泥岩，所含成分主要为石英，长石及少量白云母，基质主要为细颗粒粘土矿物，胶结性差，遇水膨胀后易产生层状剥离，是造成孔壁坍塌掉块导致憋泵卡钻的主要原因。

钻进后期对定向钻进工艺进行了优化，采用∅89mm三棱螺旋钻杆配套泥浆脉冲无线随钻测量系统实施机械-水力复合强排渣定向钻进。在回风巷钻场与绕道钻场共完成6个顶板高位定向钻孔。回风巷钻场钻孔实钻轨迹如图2所示，绕道钻场钻孔实钻轨迹如图3所示。

钻进过程中钻孔排渣效果明显改善，未出现塌孔导致的孔内积渣憋泵卡钻异常。6个高位定向钻孔的平均机械钻速与日均综合钻进均显著提升，具体数据见表2。

通过对钻孔返出钻渣收集，孔内返出钻渣多为碎屑状。表明三棱螺旋钻杆旋转时的冲击碾压对于孔内岩块的二次破碎作用显著，可将孔壁坍塌形成大体积岩块破碎成细小颗粒。

图2 回风巷钻场钻孔实钻轨迹

图3 绕道钻场钻孔实钻轨迹

表2 钻进效率统计

4 结 论

1)针对复杂煤岩体定向钻进技术难题，在充分分析三棱螺旋钻杆排渣技术原理的基础上，形成了以泥浆脉冲无线随钻测量系统与三棱螺旋钻杆为核心的复合强排渣定向钻进技术与成套装备。

2)复合强排渣定向钻进技术在钻遇泥岩及煤线等易塌孔层位时，可对孔壁坍塌形成的大体积岩块造成冲击碾压二次破碎并及时排出，有效避免钻孔环空水路阻塞，进而避免憋泵卡钻现象发生，保证先导定向孔钻进施工的顺利进行。

3)复合强排渣定向钻进技术能够有效解决复杂煤岩体高位定向长钻孔成孔技术难题，建议后期继续开展复杂煤岩层高位定向长钻孔护孔技术研究，实现“钻得成，护得住”，进一步提升高位定向长钻孔对工作面卸压瓦斯的抽采治理效果。