松软破碎煤层定向钻孔工艺的研究与实践

郭树东

（同煤集团 煤炭运销总公司，山西 大同 037003）

目前，煤矿井下使用的普通定向钻杆均为外平钻杆，当遇到松软、破碎、瓦斯压力大的煤层时，很易发生卡钻等事故，导致成孔率低，钻孔成本高，影响煤矿瓦斯抽采、安全生产工作。因此松软破碎煤层定向钻孔急需探索新工艺。

1 螺旋定向钻杆的研制

1）鉴于普通钻机螺旋钻进工艺在松软煤层钻进中的广泛应用，对定向钻杆的材料、结构、螺纹、加工工艺进行了优化设计，研制了一种新型的螺旋定向钻杆。新型钻杆具有特殊的高强度螺纹结构，并在钻杆外壁增加螺旋槽结构，当出现卡钻埋钻事故时，可通过钻杆的转搅煤渣处理孔内事故。新型钻杆选用优质合金结构钢，并用适当的热处理工艺，具有很高的抗扭、抗拉、抗弯性能。

2）螺旋定向钻杆表面车有一条螺旋槽，要对钻杆外径、内径、壁厚等参数进行设计计算，保证其结构强度。设计的螺旋定向钻杆，在螺旋槽最低处截面的扭矩达23 163.9 N·m，远超钻机最大扭矩6 000 N·m（以ZYWL-6000D定向钻机为例）。螺旋定向钻杆采用阶梯型螺纹，并对牙顶、牙底进行倒角，减少应力集中，螺纹基面处的扭矩可达8 399 N·m。为了验证抗扭强度，对钻杆试样进行了上卸扣扭矩试验，共进行了4次破坏性试验，破坏扭矩平均7 126 N·m，大于目前定向钻机最大扭矩，达到设计要求。

3）由于钻进过程中需实时定向，信号传输的稳定准确也很重要。信号传输结构方面主要是对塑料公母接头进行改进，增加了其壁厚，并优化其注塑工艺，大大提高了塑料接头的尺寸稳定性及结构强度，保证了测量信号的稳定传输。

2 试验地点及试验情况

1）在寺河煤矿西井区W23014巷施工定向钻孔以来，钻在130 m后煤层均较松软破碎，瓦斯压力较大，钻孔过程很易发生塌孔。连续出现了多次压杆事故，造成较大经济损失。后来，采用普通回转式钻进工艺施工，主孔深度较浅（一般在90～150 m），且无法定向，很易发生钻遇顶板或不返水的现象。2012年10月开始，在寺河煤矿W23014巷12号横川，采用螺旋定向钻杆进行松软破碎煤层定向钻探工艺的试验。试验共完成定向钻孔2个，主孔深度最深366 m，达到该区域目前平均钻孔深度的3倍以上，且钻孔水压等参数均显正常，可继续向前施工，试验取得圆满成功。

2）试验1号孔设计目标方位角345°，设计孔深330 m，终孔主孔最深达366 m，总进尺达1 296 m，钻孔轨迹见图1和图2。钻孔过程中130～175 m、192～231 m的煤层很破碎松软，出现了塌孔、瓦斯压力变大等现象，水压最高达9 MPa，其波动幅度达3 MPa，返渣呈颗粒状，质软较松散，出现喷孔现象时，煤屑返渣急速增多，出现多次压杆前兆。在采用螺旋定向钻杆进行来回旋转排渣后，钻孔异常现象得到明显改善，水压返回正常值，返水正常，并顺利钻过了地质异常区域，到366 m后退钻开分支。

图1 W23014巷12号横川1号钻孔轨迹上下偏差图

图2 W23014巷12号横川1号钻孔轨迹左右偏差图

3）2号孔目标方位角 355°，孔深 330 m，终孔主孔最深达336 m，总进尺达1 134 m，钻孔轨迹偏差，见图3和图4。钻孔过程中仍伴随有破碎松软煤层的垮孔、喷孔现象，但对采用螺旋定向钻杆的钻探工艺影响不大。在200 m处遇地质构造带，进行多次探顶、探底；探明地质情况后，沿煤层顺利钻进至设计孔深330 m。

4 结论

图3 W23014巷12号横川2号钻孔轨迹上下偏差图

图4 W23014巷12号横川2号钻孔轨迹左右偏差图

1）通过理论计算及钻杆样品的上卸扣扭矩试验证明，螺旋定向钻杆的抗扭强度远超了定向钻机最大扭矩。2）根据试验情况，该区域破碎煤层钻孔造成的压杆现象较频繁，如果不能及时处理，很易造成无法解卡或钻具断裂等事故。当采用高强度螺旋定向钻杆后，钻进效果明显好转，若发生垮孔后，通过加大旋转压力可及时将煤渣排出孔外，减少了钻孔事故几率。3）采用螺旋定向钻杆工艺后，主孔钻孔深度达366 m，达到松软破碎煤层区域目前平均钻孔深度的3倍以上，且钻孔水压、推进压力等参数均显正常，达到了设计要求的效果。目前，寺河矿有多台钻机，配套使用螺旋定向钻杆，井下使用效果良好。