定向钻进在矿井地质构造探测中的应用

2016-09-22伍增强

西部探矿工程 2016年3期

关键词：螺杆分支定向

伍增强

（陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西咸阳713602）

定向钻进在矿井地质构造探测中的应用

伍增强*

（陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西咸阳713602）

通过对随钻测量定向钻进技术原理介绍，阐述了定向钻进技术在煤矿井下地质探测领域定向钻孔的适用条件、布孔方式、成孔原理及应用效果，并在陕西彬长集团孟村矿井DF29断层探测工程中得到应用。为我国煤矿，特别是彬长矿区井下地质探测工程提供了可靠的技术借鉴。

定向钻进；矿井地质构造；探测

随着我国煤矿井下高产高效综采技术的全面推广，煤矿井下地质构造的超前探测对煤矿安全高效开采影响越来越显著。目前我国煤矿地质构造超前探测多采用常规地质钻探，这种方法一般施工深度较浅且钻孔轨迹在钻进过程中很难精准确定，对后期技术人员的预测带来一定的难度，甚至会带来负面的影响［1］。

自2003年起，国内煤矿不断引进国外先进技术和装备，使得随钻测量定向技术取得了飞速发展，并广泛应用于煤矿井下长距离瓦斯抽采钻孔的施工，取得了显著成效。根据随钻测量定向钻进技术的优点，国内一些煤矿企业开始尝试将其应用于煤矿井下地质探测，下面以定向钻进技术在孟村矿井DF29断层的超前探测应用为例进行说明。

1　煤矿井下定向钻进装备

煤矿井下随钻测量定向钻进系统由定向钻机、通缆钻杆、随钻测量仪器、泥浆泵、螺杆马达等组成，钻进设备与连接如图1所示［2］。

2　定向钻进工艺技术及其特点

2.1定向钻进工艺技术

煤矿井下定向钻进工艺技术工作原理：结合现场地质资料及钻孔施工要求确定定向钻孔布孔方案；通过设计计算确定设计钻孔轨迹各测点的精确参数，从而为钻孔轨迹施工提供指导或参考。采用弯外管孔底螺杆马达，利用高压水驱动孔底马达带动钻头回转；有线随钻测量技术传输孔底信息，利用孔口监视器实时监测钻孔轨迹，并通过调节螺杆马达工具面向角，改变钻孔倾角和方位角的变化，进而控制钻孔轨迹变化，实现钻孔轨迹准确钻进至靶点。

图1　煤矿井下定向钻进设备与连接示意图

2.2随钻测量定向钻进工艺技术特点

（1）钻孔轨迹参数可精确测量和计算。定向钻进技术应用于煤矿井下地质超前探测的过程中，随钻测量系统每隔一段距离（一般3～6m）采集一组钻孔数据，主要包括方位角、倾角和工具面向角。

描述钻孔轨迹的主要参数为孔深、倾角和方位角，其中孔深可通过钻具累计长度计算获得，倾角和方位角则通过随钻测量系统精确测量获得。在此基础上通过式（1）、式（2）和式（3）计算出钻孔轨迹某测点的水平位移、左右位移和上下位移等钻孔轨迹在钻孔设计坐标系下的精确坐标，从而确定钻孔轨迹的准确空间位置。计算原理如图2所示。

式中：ΔL——钻进过程中两测量点间距；

αi——第i测点的钻孔倾角；

θi——第i测点的钻孔方位角；

θ0——钻孔主设计方位角（即X轴方位角）；

X——第i测点水平位移；

Y——第i测点左右位移；

Z——第i测点上下位移。

1）顾客满意度对医药B2C平台顾客忠诚度的影响值为0.77。本研究进一步证实了在医药B2C购物环境下，顾客满意度仍然是实现顾客忠诚的必要条件。

（2）钻孔轨迹可人为控制。由于具有一定弯度的螺杆马达与随钻测量探管通过螺纹连接后可实现同步回转，因此通过孔口监视器调整工具面向角可以实现对螺杆钻具弯头方向的实时监控。钻进过程中，借助调整螺杆钻具弯头方向，通过继续钻进可实现钻孔轨迹弯曲方向的人为控制。螺杆钻具弯头方向对钻孔弯曲参数影响如图3所示。

图2　钻孔轨迹测点坐标计算原理

图3　螺杆钻具弯头方向对钻孔轨迹参数的影响

（3）开分支孔。煤矿井下定向钻进开分支孔主要采用悬空开分支法，即将螺杆钻具弯头调向正下（工具面角180°），通过“低速磨削法”或“快速反复磨削法”在原孔壁向下磨削出键槽，随着键槽的加深，当钻头完全落入键槽而脱离原钻孔时，标志分支成功。开分支孔原理如图4所示。

图4　定向钻进开分支原理示意图

基于随钻测量定向钻进工艺上述技术特点，在钻进过程中，可通过“探顶—开分支孔—再探顶—再分支……的钻进工艺方法实现长钻孔施工，同时可确定钻孔在煤层中的准确位置。

当钻进至地质异常区域时，钻进工艺参数如给进压力、钻进速度、泥浆泵泵压等会发生变化，同时钻孔返水和返出岩样也会发生变化。此时，可根据此时发生变化的孔底位置坐标，结合地质资料初步判定地层条件；然后退钻开分支继续探测，直到准确判定和探测该地质异常区为止。因此，随钻测量定向钻进技术在煤矿井下地质探测应用中具有探测深度大、精确度高和施工灵活等优点。

3　定向钻进技术在孟村矿井DF29断层超前探测中的应用

3.1DF29断层概况介绍

DF29断层时孟村矿井前期物探资料显示的一条正断层（走向NE、倾向SE、落差0～38m，延展长度约2530m），该断层位于井田中部，对矿井中央大巷后期建设影响较大。

3.2设计思路

根据矿井建设思路，为中央一号回风大巷将最先通过该断层，结合物探资料及定向钻进技术。最终决定在距离预测断层位置700m的地方布置1个钻孔（含主孔1个，低分支孔3个，顶分支孔3个），其中主孔主要用于验证断层是否存在，分支孔主要起到探测煤层顶底板、煤厚及断距的作用，如图5所示。

3.3探测过程及结果

3.3.1探测过程

2013年7月29日开钻，共计施工主孔一个，探顶板分支5个（S1、S2、S3、S4、S5），过断层钻孔4个（S6、S6-2、S6-3、X1）。其中S6于591m开分支，钻进至615m，返出岩屑中煤颗粒较细，含少量灰黑色泥岩.钻进至621m处出现憋泵、塌孔和卡钻现象，停钻后测量出水量达到7m3/h，经多次改变钻进参数均无法穿过，被迫终孔，后退钻具重新开分支孔。S6-2于567m处开分支，钻进至585m处，再次出现憋泵、塌孔和卡钻现象，停钻后测量出水量达到7m3/h，经多次改变钻进参数均无法穿过，被迫终孔。S6-3于507m开分支孔，钻孔轨迹设计在易塌孔段的煤层上部钻进，同时增加钻孔方位，试图避开塌孔层段，钻进至631m，仍然出现憋泵、塌孔和卡钻现象，所返岩屑为粉末状煤泥，多次尝试无法穿过。X1于441m侧钻开下探分支，钻进至586m时，钻遇破碎带，由587m至590m孔段频繁出现憋泵、塌孔现象，孔内涌水量增加至20m3/h，钻进过程中井口不断返出大量坍塌煤块。本孔段施行控时钻进工艺，3h钻进3m，穿过破碎带3m，于590m处钻进至断层下盘煤层底板泥岩1m，，泥浆泵压力最高达到7MPa，起拔压力达到22MPa，塌孔持续，停止钻进。

3.3.2探测结果

（1）S1～S5分别探测到了煤层顶板，为后续S6突变遇到岩石（判定为断层面位置）提供了理论支撑。

（2）S6、S6-2、S6-3、X1均为过断层的钻孔，且探测到了断层下盘煤层底板岩石。

（3）根据三维地震探测结果、S6遇到岩石前的顶煤厚度及钻孔M4-3对底板岩性的描述，初步判断出了断距为10.51～22.57m，且位置比三维地震预测的提前30m左右。

（4）形成钻孔轨迹水平投影图及钻孔轨迹垂直剖面图，如图6及图7。