随管护孔及氮气辅助排渣联合钻进工艺的研究与应用

冀 凯

河南龙宇能源股份有限公司陈四楼煤矿 河南永城 476600

通过钻孔进行煤层瓦斯抽采是我国目前瓦斯治理的主要方法之一，可以有效降低煤层瓦斯含量和压力[1-2]。受制于煤层破碎、地应力大、地质构造复杂等因素，在钻孔过程中经常会出现卡钻、塌孔、排渣困难等现象，导致成孔困难[3-4]。根据岩石力学相关理论[5]，巷道形成以后，垂直于巷道方向由近至远依次形成破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区。在钻孔施工过程中，钻孔将依次穿过上述区域。根据实际观察和相关资料[6-7]，当钻孔穿过塑性区和弹性区时，更容易出现卡钻、塌孔、排渣困难等现象，不仅不利于成孔，也给后续的封孔工作带来极大的不便，成孔、封孔效果不佳，抽采效果不理想。

针对上述问题，国内外不少学者都开展了相关的研究，并开发了相应的技术及装备[8-11]，但是破碎煤层钻进效率低、成孔效果差的问题依然普遍存在[12-13]。为了解决陈四楼煤矿遇到的类似问题，结合该矿的实际特点，提出了在钻孔过塑性区和弹性区时，采用随管护孔的钻进技术。同时对比分析螺旋钻进氮气辅助排渣和干式螺旋排渣的优劣，得出最适合该矿的钻进工艺。

1 瓦斯抽采钻孔成孔难问题分析

21210 工作面北为 DNF14 正断层及其保护煤柱，南为北部西翼集中胶带运输巷、北部西翼轨道下山、北部西翼回风下山及其保护煤柱，西为 21211 工作面采空区，东为尚未开采的 21209 工作面实体煤，走向长度为 855～897 m。

该矿以往采用的钻机型号为 ZDY6000LR 和ZYW-1900R，钻杆直径均为 73 mm，排渣工艺为干式螺旋排渣。在破碎区，虽然煤体破碎较为严重，但是距离孔口距离短，因此排渣较为正常。当钻进至塑性区和弹性区时，由于应力增大，加上干式螺旋排渣效率低，因此排渣困难。此外，塑性区煤体较为破碎，因此容易出现卡钻现象，造成钻进困难，难以成孔。当钻头穿过塑性区和弹性区，由于该区域塌孔，会给钻杆增加额外的阻力，随着钻孔深度的增加，钻进阻力增大，导致难以进行长距离钻进。

2 随管护孔及氮气辅助排渣联合钻进工艺研究

21210 工作面煤层破碎，地应力高，为了解决钻孔成孔难的问题，需从 2 个方面入手：①护孔，防止钻孔塌孔；②优化钻具组合，提高钻机转矩，增加钻进深度。基于此，笔者研究了随管护孔及氮气辅助排渣联合钻进工艺。

2.1 随管护孔工艺研究

随管护孔工艺是指在钻进过程中，若由于地应力高、煤层破碎等原因无法一次钻进成孔时，可采用特定的多级套管钻具，对塌孔孔壁进行径向支护，从而减小塌孔对钻进造成的影响。不采用护孔进行钻进时，称为一级成孔；在一级成孔的基础上进行护孔时，称为二级护孔钻进；在二级护孔钻进的基础上再进行护孔的，称为三级护孔钻进，依次类推。结合21210 工作面的实际情况，一般采用二级护孔钻进和三级护孔钻进。

(1) 二级护孔钻进 根据实践得出，在钻头刚经过塑性区和弹性区时，并不会立刻出现塌孔。而随着钻进的不断进行，受到外力的扰动，钻孔开始塌孔。加上钻进深度大，钻杆阻力增大，排渣能力差，容易造成积渣。此时可采用二级套管，如图1 所示。

图1 二级护孔钻进示意Fig.1 Diagram of drilling with second-stage hole protection

(2) 三级护孔钻进 如果遇到破碎严重或者地应力较大的煤层，采用二级护孔钻进时，随着钻孔的不断加深，在钻孔的某个区域又会出现塌孔。此时二级护孔钻进已无法满足钻进需求，需要在二级护孔的基础上采用三级护孔装置，从而改善二级套管的作业环境，使其可以随着一级钻头前进至更深位置，改善一级钻头的作业环境，如图2 所示。

图2 三级护孔钻进示意Fig.2 Diagram of drilling with third-stage hole protection

2.2 氮气辅助排渣工艺研究

氮气辅助排渣工艺是对该矿原有的干式螺旋钻机钻杆进行改进升级，使其可以输水、输气。该工艺配备 1 套制氮装置，将具有一定压力的氮气输入钻杆，使氮气具备冲洗排渣的作用，此外还能够对钻头、钻杆进行降温，避免煤自燃[14-15]。

2.3 钻机改进

为了满足随管护孔钻进的需求，对该矿原有的ZDY6000LR 钻机进行改进。

(1) 增大传动比 对回转器齿轮箱的传动结构进行改造，将一级传动改为行星齿轮进行传动，增大了传动比。

(2) 加大钻机转矩 将钻机最大转矩由 6 500 N·m提高至 10 000 N·m，同时对夹持器的夹紧力和托板进行校核，从而保证钻机在高转速和高转矩的状态下稳定运行。

(3) 提高钻机机动性 采用中心通孔的结构，能够进行中间和后方加杆，从而实现先导钻具和跟管钻具加卸，提高了钻机的机动性。

采取以上改进措施后，提高了钻杆和钻头的转速，增加了煤渣离心力，以利于排渣；同时，当出现卡钻时，改造后的钻机具备大转矩，采用强力起拔、快速加压和释放给进力、强力回转等措施，对钻杆进行振动，以解除卡钻状态。

2.4 钻具选型

在松软破碎煤层中钻进时，经常出现塌孔的情况，导致排渣量大。若煤渣无法及时排出，则容易出现卡钻，影响钻进施工。因此，需要选配高效、耐用的钻具。结合该矿原有的钻机和煤层特点，选取 4 种钻杆进行试验：①φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋钻杆+氮气辅助排渣；②φ89 mm 三棱螺旋钻杆+氮气辅助排渣；③φ60.3/95 mm 插接式螺旋钻杆+干式螺旋排渣；④φ73/89 mm 宽翼片螺旋钻杆+氮气辅助排渣。

根据钻进现场卡钻情况来判断是否采用二级护孔和三级护孔。如果无卡钻情况，则直接采用一级成孔钻具进行钻进。

在一级成孔钻具钻进困难时，采用二级套管钻具钻进至一级成孔钻具钻头位置支护孔壁，一级成孔钻具继续钻进；若再次出现钻进困难，采用三级套管钻具钻进至二级套管钻具钻头位置进行孔壁支护，改善二级套管钻具钻进环境，使其能跟管钻进至一级成孔钻具钻头位置支护孔壁，一级成孔钻具继续向深部钻进至目标孔深。

考虑到钻孔直径和各级钻具间隙排渣效果，一级成孔钻具为φ89～100 mm，二级套管选用φ127 mm套管钻杆和φ146 mm 钻头，三级套管选用φ160 mm套管钻杆和φ179 mm 钻头。

由于不同的钻进工序，一级成孔钻具选用正丝，则二级套管钻具选用反丝丝扣连接，三级套管钻具选用正丝丝扣连接。

3 随管护孔及氮气辅助排渣联合钻进工艺现场应用

3.1 工作面概况

21210 工作面走向长度为 855～897 m，煤层厚度为 0.3～ 4.0 m，平均厚度为 2.37 m，煤层倾角为 3°～12°，平均为 8°。煤层断层较多，煤体发脆，煤体强度低，自身承载能小。

3.2 钻孔布置

钻孔垂直于巷道沿煤层走向布置，综合考虑煤体渗透系数、瓦斯赋存情况和抽采时间，钻孔布置间距为 4.0 m，设计孔深 130 m，钻孔倾角为 -10°～ 3°，开孔高度为 1.6 m。本次试验共施工钻孔 70 个。

3.3 不同钻进工艺效果分析

采用该矿原有钻进工艺时，钻孔的最大深度仅为43 m，终孔原因均为塌孔卡钻。采用随管护孔钻进工艺后，钻孔的最大深度达到 130 m，平均深度为 84.7 m。其中有 50 个钻孔采用二级护孔，二级护孔管平均深度为 24.9 m，钻孔平均深度为 90.2 m；30 个钻孔采用三级护孔，三级护孔钻管平均深度为 19.8 m，二级护孔管平均深度为 40.5 m，钻孔平均深度为 79.1 m。

二级护孔工艺比传统钻进工艺深度平均提高168%，三级护孔工艺比传统钻进工作深度平均提高135%。由此说明，随管护孔工艺可以提高钻孔成孔率，有利于瓦斯抽采。

二级护孔钻孔平均深度之所以大于三级护孔，是由于在煤层更为破碎或地应力更高的位置，二级护孔难以钻进至更深的区域时，方采用三级护孔工艺。该区域成孔困难，向深处钻进时，容易出现塌孔、卡钻，因此钻孔深度小于二级护孔。

采用不同钻孔工艺试验结果如表1 所列。

表1 采用不同钻孔工艺试验结果Tab.1 Experiment results of different drilling technologies

由表1 可以看出，φ100/63.5-28 mm+氮气辅助排渣工艺钻进效率最高，钻孔平均深度最大。这主要是因为氮气辅助排渣效率明显高于干式螺旋排渣，且插接式钻杆在遇到卡钻时，可以进行强力回转，使钻杆脱卡。因此，今后将选择φ100/63.5-28 mm 插接式螺旋钻杆+氮气辅助排渣工艺施工 21210 工作面其他钻孔。

3.4 瓦斯抽采效果分析

为了验证钻杆选型的合理性，对采用不同钻杆施工的钻孔瓦斯抽采数据进行对比分析。钻孔采用相同的抽采工艺，结果如图3 所示。

图3 采用不同钻孔工艺钻孔的瓦斯抽采数据对比Fig.3 Comparison of gas extraction data using different drilling technologies

由图3 可以看出，采用φ100/63.5-28 mm 插接式螺旋钻杆+氮气辅助排渣的钻孔瓦斯抽采体积分数、单孔瓦斯平均抽采量均高于另外 3 种钻孔，且衰减速率较小。这是由于该钻孔的平均深度最大且钻孔直径大，因此钻孔影响范围大，抽采瓦斯体积分数和单孔抽采量都更高。

4 结语

通过分析陈四楼煤矿巷道围岩应力和不同区域煤体破坏情况，找出了该矿钻孔成孔难的原因，在此基础上，研究应用了随管护孔和氮气辅助排渣联合钻进工艺。采用该工艺后，钻孔的最大深度可以达到 130 m，钻孔的平均深度可以达到 84.7 m，比传统工艺提高了 152%。经试验对比，采用钻杆型号为φ100/63.5-28 mm 的插接式螺旋钻杆和氮气辅助排渣组合工艺取得的钻进效果及瓦斯抽采效果最好。