淮南复杂顶板高位孔强造斜定向钻进技术实践

2019-09-27许超

煤矿安全 2019年9期

许超

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

高位定向钻孔利用煤矿井下随钻测量定向钻进技术，使钻孔轨迹沿工作面煤层顶板裂隙带延伸，其利用顶板采动裂隙形成的瓦斯运移通道，实现工作面采空及采动影响区瓦斯的稳定和高效抽采[1-3]。实践证明，顶板高位定向钻孔抽采瓦斯技术具有轨迹可控、综合效率高、覆盖范围广、抽采效果稳定等优点[4-5]。

在淮南矿区，随着矿井生产强度的提高和开采深度的增大，矿井瓦斯涌出量增大，采空区瓦斯涌出现象加剧。基于覆岩采动裂隙和工作面瓦斯运移理论，淮南矿区进行了高抽巷和顶板常规高位钻孔抽采瓦斯技术试验并取得成功，使采煤工作面瓦斯抽采率提高到60%以上，有效提高了淮南矿区采空区瓦斯治理效果[6-7]。为降低顶板采动影响区、采空区瓦斯治理成本、提高瓦斯治理效果、缩短瓦斯治理工程周期，淮南矿区开始尝试利用高位大直径定向长钻孔替代高抽巷进行顶板瓦斯治理，即“以孔代巷”技术，并于2016 年至2017 年在淮南矿区顾桥矿开展了现场试验。试验中由于淮南矿区煤层顶板地质条件复杂，顶板岩层软弱带普遍发育，在钻孔轨迹爬升孔段需要穿过多层复杂地层，施工难度大，针对该问题，提出了强造斜定向钻进技术，成功解决了这一难题。

1 工程概况

1.1 工作面概况

高位定向钻孔试验现场位于淮南顾桥矿中央区1123（3）工作面，该工作面设计走向长度1 937 m，倾向长度260 m，其相邻的1122（3）工作面已回采完毕，下伏保护层1122（1）和1123（1）工作面均已回采完毕。

1123（3）工作面主采13-1 煤层，平均煤厚4.10 m，预计原始瓦斯含量在3.95～5.85 m3/t，瓦斯压力0.2～0.5 MPa。13-1 煤层顶板为复合顶板，以泥岩、砂质泥岩、细砂岩、13-2 煤、14 煤、15 煤为主，少量粉砂质泥岩及花斑泥岩，其中13-2 煤约厚0.26 m，14 煤约厚0.66 m，15 煤约厚0.22 m，这些煤层附近易碎岩石普遍发育，顶板岩层呈软硬互层，定向钻孔施工难度大。

1.2 钻孔布孔

高位定向钻孔钻场位于1123（3）轨道巷内、停采线外段约110 m 处，钻孔设计深度普遍达到500 m，有效抽采孔段约380 m。

根据煤层顶板“三带”分布理论计算[8-9]，结合地层稳定性及定向钻孔轨迹弯曲控制特点，1123（3）工作面高位定向孔剖面上分上下2 层布孔，目标层高度分别为38 m 和25 m，其中上分层布置3 个钻孔，距轨道巷平距24～48 m，下分层布置7 个钻孔[10]，距轨道巷平距15～54 m。

1.3 装备配套

为实现顶板采动裂隙带瓦斯高效抽采，高位定向钻孔孔径应尽可能扩大，这对钻进装备的钻进能力提出了很高的要求。为此，试验选配了扭矩ZDY12000LD 大功率定向钻机及配套机具，该装备配套φ89 mm 定向钻具，定向钻进一次成孔φ120 mm，中硬煤层和岩层钻进深度分别达到2 000 m 和1 000 m 以上，通过回转扩孔，可使高位定向钻孔终孔直径普遍达到φ153 mm[11]。

1.4 成孔方案

顶板高位定向钻孔施工采用“定向先导孔+回转扩孔”的成孔工艺方法，定向先导钻孔一次成孔直径120 mm，扩孔直径153 mm。

1）定向钻进。高位定向先导孔施工总体分为钻孔轨迹穿层爬升孔段和目标层孔段2 个阶段，前者主要目的是以最短的进尺使钻孔轨迹进入目标层，并保证进入目标层后的钻孔倾角与目标层沿钻孔走向倾角接近（偏差＜2°），该孔段施工采用滑动定向钻进工艺；进入目标层后，采用复合定向钻进工艺，即“滑动纠偏、复合保直”的钻进工艺方法，实现高精度、高效定向钻进[12]。高位定向先导孔钻具的组合为：“φ120 mm 定向钻头+φ89 mm 螺杆马达+φ89 mm 无磁钻杆（安装随钻测量探管）+φ89 mm 定向钻杆”。

2）扩孔钻进。扩孔钻进采用全孔段常规回转扩孔钻进工艺完成，钻具组合为：“φ153/120 mm 扩孔钻头+φ89 mm 高强度高韧性钻杆”。

2 面临的技术问题

经详细探查，顾桥矿1123（3）工作面煤层顶板以上0～21 m 为软弱煤线、泥岩与坚硬泥质砂岩互层；21～27 m 为稳定砂岩层；28～30 m 为易碎的花斑泥岩层；30～38 m 为稳定泥质砂岩层。根据该区域“三带”分布特点，可选择其中21～27 m 的稳定砂岩层和30～40 m 的稳定泥质砂岩层可作为高位定向钻孔目标布孔层位。

在这种软硬复合顶板岩层中进行高位定向钻孔爬升孔段施工中，钻孔轨迹设计与控制至关重要，然而现有的1.25°螺杆钻具组合在实际钻进过程中面临着诸多问题，主要体现在以下2 个方面。

1）上分层钻孔钻进问题。在煤层以上30～40 m的上分层钻孔轨迹爬升孔段施工时，现有1.25°螺杆钻具平均造斜能力约为1°/3 m，1.25°螺杆钻具钻孔爬升段轨迹剖面图如图1, 钻孔轨迹爬升孔段长度一般不少于135 m，钻孔无效抽采孔段（以上目标层边界范围确定）长度达到93 m 以上，占钻孔总长度超过18.6%（以孔深500 m 计算），过多的无效进尺增加了钻孔工程量，不利于降本增效；另外，较低的造斜率增大了钻孔爬升段穿越复杂地层长度，提高了钻孔塌孔风险，不利于安全钻进施工，钻孔轨迹如图1 中1#孔。

图1 1.25°螺杆钻具钻孔爬升段轨迹剖面图

2）下分层钻孔钻进问题。煤层以上21～27 m 的稳定砂岩层上下均为软弱岩层，按照1.25°螺杆钻具造斜能力设计和施工，钻孔穿过稳定层下方软弱地层遇层角不超过8°，极易发生塌孔卡钻事故，成孔难度大，钻孔轨迹如图1 中2#钻孔；根据上稳定层钻孔施工经验，当钻孔轨迹遇层角达到15°以上时，能够保证孔壁稳定和环空畅通，这意味着钻孔轨迹在煤层以上21 m 高度进入稳定下分层时钻孔倾角应不低于16°（地层倾角为1°），然而依据现有螺杆钻具造斜能力，即使全力降倾角，当钻孔轨迹倾角降至1°（目标岩层倾角）时，钻孔轨迹高度将达到距煤层32 m 以上，必然进入该稳定岩层上方的易碎花斑泥岩层，造成生塌孔卡钻事故，无法继续钻进，导致钻孔报废，钻孔轨迹如图1 中3#钻孔。

3 强力造斜定向钻进技术

针对上述问题，提出了采用强造斜定向钻进技术，即利用1.75°螺杆钻具代替1.25°螺杆钻具进行高位钻孔爬升孔段的钻进施工，通过1.75°大弯角螺杆钻具强造斜，实现爬升孔段局部快速上升和下降，从而起到缩短爬升孔段长度、减少无效进尺、提高孔壁稳定性和保证21~27 m 下分层高位钻孔顺利实施的目的。当完成钻孔爬升孔段施工后起钻更换原1.25°螺杆钻具开始进行沿目标层钻进施工。

由实钻测量数据可知，1.75°螺杆钻具造斜能力平均可达到2°/3 m 以上，利用其进行上分层高位钻孔的爬升孔段施工，爬升孔段以及无效孔段长度分别由原来的135~150 m 和93~102 m 缩短至90~99 m 和66~72 m，以孔深500 m 为例，高位钻孔有效抽采孔段占比提高5.4%以上，同时有效增大了钻孔遇层角（爬升孔段最大倾角由27°增大至37°）、缩短了复杂地层孔段长度，降低了塌孔风险，上分层钻孔2种造斜强度钻孔轨迹剖面图如图2。

图2 上分层钻孔2 种造斜强度钻孔轨迹剖面图

利用1.75°螺杆钻具进行下分层高位钻孔施工，钻孔轨迹遇层角以大于16°进入目标层后，通过强力降倾角造斜钻进，当钻孔轨迹倾角将至接近地层倾角时，轨迹高度能够保持在23~25 m 左右，位于目标层的中部，很好解决了1.25°螺杆钻具常规造斜钻进时下分层钻孔施工轨迹控制难题，下分层钻孔2 种造斜强度的钻孔轨迹剖面对比如图3。

4 复杂地层高位定向孔定向钻进技术方案

基于1.75°单弯螺杆钻具强造斜定向钻进技术，结合淮南顾桥矿高位定向钻孔实际情况，将高位定向钻孔施工过程分为爬升孔段强造斜定向钻进与目标层孔段定向钻进2 个阶段。

图3 下分层钻孔2 种造斜强度钻孔轨迹剖面图

在钻孔爬升孔段采用1.75°单弯螺杆定向钻具组合，利用滑动定向钻进工艺进行强造斜定向钻进，当钻孔轨迹进入目标层、钻孔倾角下降至接近目标层倾角时停止钻进，提钻更换1.25°单弯螺杆定向钻具组合，利用复合定向钻进工艺，进行目标层孔段钻孔施工，直至达到设计要求。

5 现场应用试验

1)顾桥矿中央区1123（3）工作面。2016 年10 月至2017 年5 月，在淮南顾桥矿中央区1123（3）工作面进行了现场试验，共完成高位钻孔10 个，总进尺4 643 m。其中3 个为布孔高度为38 m 上分层钻孔，由于目标层厚度较大，钻孔爬升孔段施工采用常规1.25°螺杆钻具就可以满足成孔需要，但钻孔轨迹爬升孔段长度普遍达到135 m 以上；为解决21~27 m下分层高位定向钻孔施工难题，首次尝试了1.75°螺杆钻具强造斜定向钻进，共完7 个钻孔，钻孔在保证以＞16°倾角顺利穿过目标层下方的软弱岩层的同时均顺利进入该目标层，钻孔轨迹控制在距煤层顶部25 m 左右，有效保证了下分层高位钻孔顺利实施。

2）顾桥矿南区1212（3）工作面。顾桥矿南区1212（3）工作面高位钻孔设计与中央区1123（3）有所不同，根据该工作面顶板裂隙发育规律，将高位定向钻孔布置在煤层以上20 m 和16 m 2 个层位。基于1.75°螺杆钻具强造斜定向钻进技术在顾桥矿中央区的1123（3）工作面的成功应用，在2017 年7 月至9 月，在淮南顾桥矿南区1212（3）工作面进行了推广应用，经计算，煤层以上20 m 和16 m 2 个层位高位钻孔轨迹爬升孔段施工中，1.75°螺杆钻具较1.25°螺杆钻具可有效缩短爬升孔段长度和增大最大钻孔倾角,从而有效缩短了复杂孔段长度，进一步提高了孔壁稳定性，保证了该工作面高位钻孔的顺利施工，2 种螺杆钻具轨迹控制效果对比见表1。

6 结语

1）针对淮南矿区复杂顶板岩层下分层高位定向钻孔爬升孔段采用常规1.25°螺杆钻具施工时存在成孔难题，提出了利用1.75°大弯角螺杆钻具强造斜定向钻进技术，造斜能力达到2°/3 m，实现爬升孔段局部快速上升和下降，解决了安全通过21～27 m目标层下方复杂地层与避免进入其上方的复杂花斑泥岩层之间的矛盾，保证了下分层高位定向钻孔的顺利施工，为淮南矿区“以孔代巷”工程做出了重要贡献。