泥浆脉冲式随钻测量系统在高位定向孔中的应用

胡振阳， 张甲迪， 郝世俊， 赵永哲

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤矿瓦斯灾害是矿山生产过程中的主要危害之一，约束着煤矿安全高效开采[1]。目前针对瓦斯灾害主要有本煤层瓦斯治理和采空区瓦斯治理两种方式，其中采空区瓦斯治理主要包括高抽巷和高位定向钻孔两种方式[2]。本次应用主要利用中煤科工集团西安研究院有限公司生产的ZDY6000LD型钻机及山东中探机械公司生产的BW600/10型往复式泥浆泵进行施工，对比中心通缆式测量装置与泥浆脉冲测量装置两种不同测量装置施工的精度与钻进效率[3]。

根据德通煤业2201工作面瓦斯治理需要，在2201工作面回风巷布设两个钻场，两钻场中心距为300 m，每个钻场按设计布置4个定向钻孔，其中1号钻场使用YHD2-1000型有线随钻测量系统[4]，2号钻场使用YHD3-1500型泥浆脉冲测量系统(MWD)，钻机均使用ZDY6000LD型钻机和BW600/10型往复式泥浆泵，其目标层位均为煤层顶板裂隙带下部、冒落拱上部区域[5]。

1 测量系统组成及特点

YHD2-1000型有线随钻测量系统主要由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器和防爆测量探管组成[6]。YHD2-1000型测量系统的主要特点为利用中心式通缆钻杆作为传输介质，如图1所示，工具面调整实时传输，校正精度准，传输速率快，但对于复杂地层无法采用定向技术，需更换回转钻具进行复合钻进，因此工艺繁杂，钻进效率低[7]。

YHD3-1500型泥浆脉冲随钻测量系统主要由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器、防爆测量探管和防爆压力变送器等五部分组成[8]，如图2所示。其中防爆探管主要由测量短节、电池筒、驱动短节及

图1 YHD2-1000型随钻测量系统连接示意图

脉冲发生器组成[9]。泥浆脉冲仪器主要的特点为利用清水或者泥浆作为传输介质，信号传输强度大；在钻进过程中可采用复合钻进方式通过复杂地层或平滑钻进；无需等待测量信号，减少钻进时间；无需中心式通缆钻杆配合，节约成本，提高了钻进效率。

2 钻孔轨迹设计

本次高位定向钻孔主要用于采空区上隅角瓦斯治理，钻孔设计既要考虑钻孔瓦斯抽放效果，同时也要考虑钻孔成孔性[10]。在采空区上岩石层依次分布冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[11]。其中冒落带破断裂隙非常发育，裂隙带上部以离层裂隙发育为主，下部则为破碎发育为主，弯曲下沉带则不发育[12]。根据采空区裂隙发育情况及高位钻孔抽采原理，要求钻孔主层位布置理想位置在裂隙带。钻孔的有效抽放高度要大于冒落带的高度，但不能超越裂隙带的最高高度[13]。综上所述，最终钻孔垂直方向上布置在顶板以上35～47 m，水平方向上距巷帮28～40 m。

图2 YHD3-1500型泥浆脉冲随钻测量系统连接示意图

Fig.2SchematicdiagramofYHD3-1500mudpulseMWDsystemassembly

1号钻场采用YHD2-1000型有线随钻测量系统，钻孔数为4个，其孔深均为390 m，剖面层位为47、44、41、38 m，平面层位为40、36、32、28 m。设计轨迹见图3。

2号钻场采用YHD3-1500型泥浆脉冲测量系统，钻孔数为4个，其孔深均为480 m，剖面层位为47、44、41、38 m，平面层位为40、36、32、28 m。设计轨迹见图4。

3 定向钻孔施工

3.1 定向钻进工艺流程(见图5)

本次施工钻孔为两级孔身结构，对应的钻具组合如下。

图3 1号钻场轨迹设计图

Fig.3Drillingtrajectorydesignforthefirstsite

图4 2号钻场轨迹设计图

(1)一级孔身结构施工用钻具组合。

图5 定向钻进工艺流程

开孔：Ø98 mm PDC钻头+Ø94 mm扶正器+Ø73 mm定向钻杆串；

一级扩孔：Ø98/153 mm PDC钻头+Ø73 mm回转钻杆串；

二级扩孔：Ø153/193 mm PDC钻头+Ø73 mm回转钻杆串；

孔口管规格及下入深度：Ø168 mm钢套管，1.5 m/根，孔口管下至煤层顶板以上，进入到稳定岩层中，注浆、固孔。

(2)二级孔身结构施工用钻具组合。

定向钻进孔段：Ø98 mm PDC钻头+Ø73 mm孔底马达+Ø73 mm下无磁钻杆+随钻测量系统+Ø73 mm上无磁钻杆+Ø73 mm通缆钻杆串。

扩孔孔段：Ø98/133 mm PDC扩孔钻头+Ø73 mm回转钻杆串[14]。

在本次数据分析中不考虑扩孔时间，只计算定向时间。

3.2 岩性

井田主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组。德通矿目前开采的为山西组的2号煤层，可采煤层平均总厚度6.38 m，属厚煤层，块度大、裂纹少、强度高、耐磨性好。具体地层岩性见表1。

3.3 钻孔施工

现场施工共完成2个钻场，8个钻孔。1号钻场完成4个钻孔，总进尺1560 m；2号钻场完成4个钻孔，总进尺1920 m。施工过程中，泥浆泵排量均为195 L/min，泵压最高达6 MPa。施工过程均采用二开钻进方式，一开钻进后扩孔，下入Ø168 mm套管，候凝结束，二开使用Ø98 mm钻头钻进至设计孔深。

表1 2号煤及顶板岩性

1号钻场实钻轨迹图如图6所示。

图6 1号钻场实钻轨迹图

2号钻场实钻轨迹图如图7所示。

图7 2号钻场实钻轨迹图

4 参数分析

4.1 轨迹分析

对比图3和图6、图4和图7可知，两种定向测量系统在实钻中对轨迹控制的可操作性强，基本可以按照预想的轨迹施工，满足精度要求。具体参数见表2。

4.2 钻时分析

2201工作面1号钻场于2017年9月13日早开钻，至10月25日早班终孔，历时42 d完工。

1-1孔于2017年9月13日早班开钻，9月20日早班终孔；1-2孔于2017年9月26日夜班开钻，

表2 2种测量方式钻孔精度对比

10月4日早班终孔；1-3孔于2017年10月8日中班开钻，10月15日早班终孔；1-4孔于2017年10月18日中班开钻，10月25日早班终孔。

2201工作面2钻场于2017年11月12日早开钻，至2018年1月24日早班终孔，历时73 d完工。

2-1孔于2017年11月12日早班开钻，11月25日早班终孔；2-2孔于2017年11月30日夜班开钻，12月16日早班终孔；2-3孔于2017年12月20日中班开钻，2018年1月5日早班终孔；2-4孔于2018年1月10日中班开钻，2018年1月24日早班终孔。

通过在施工8个钻孔的过程中，对每一根钻杆的钻进时间进行记录，并且记录相应的钻遇地层岩性，对同一层位、同一平距的钻孔进行分析，由于两钻孔的长度不一，截取2号钻场390 m之前的钻时进行对比。对比结果如图8～11所示。

图8 YHD2-1000与YHD3-1500仪器1号钻孔钻时对比图

根据数据分析可以得出：1号钻场1号孔中心通缆式测量方式的平均钻时为14.05 min/m，2号钻场1号孔MWD测量方式的平均钻时为9.88 min/m；1号钻场2号孔中心通缆式测量方式的平均钻时为16.11 min/m，2号钻场2号孔MWD测量方式的平均钻时为11.71 min/m；1号钻场3号孔中心通缆式测量方式的平均钻时为16.19>min/m，2号钻场3号孔MWD测量方式的平均钻时为12.63 min/m；1号钻场4号孔中心通缆式测量方式的平均钻时为16.15 min/m，2号钻场4号孔MWD测量方式的平均钻时为11.62 min/m。2种测量方式平均钻时对比见表3。

图9 YHD2-1000与YHD3-1500仪器2号钻孔钻时对比图

图10 YHD2-1000与YHD3-1500仪器3号钻孔钻时对比图

图11 YHD2-1000与YHD3-1500仪器4号钻孔钻时对比图Fig.11 Comparison of drilling time curves of YHD2-1000 andYHD3-1500 at the forth hole

表3 2种测量方式平均钻时对比Table 3 Average drilling time comparison ofthe two measurement methods min/m

5 结论

本次工程在德通煤业2201工作面的2个钻场，从相同层位及相似岩性对中心通缆式测量系统与泥浆脉冲测量系统的钻进效率进行数据分析，现场实践表明：

(1)从钻孔轨迹精度上，2种仪器均满足设计要求，可按照设计轨迹进行施工，达到预期层位，满足抽采瓦斯目的。

(2)从钻时上明显可以看出，YHD3-1500型泥浆脉冲测量系统优于常规通缆式测量系统，主要包括以下几个原因：①YHD3-1500型泥浆脉冲仪器以泥浆作为传输介质，在测量时无需等待信号传出，加杆后继续钻进，数据随泥浆信号传送；②在轨迹达到平稳段后可采用复合钻进，降低孔内复杂风险，增加钻进效率[15]。

(3)本次工程应用表明，YHD3-1500型泥浆脉冲测量系统不但可以满足定向技术要求，并且加强了钻具强度和信号传输强度，同时提高了钻进效率与安全性，对煤矿井下定向钻孔技术和钻孔装备的发展起到显著作用[16]。