桑树坪二号井矿预掘巷道顶板梳状定向钻孔关键技术

2020-08-21栗子剑

煤矿安全 2020年8期

杨哲，栗子剑，李鹏

（中煤科工集团西安研究院有限公司西安710077）

桑树坪煤矿二号井为煤与瓦斯突出矿井，目前，主采煤层为3#煤层，3#煤层以煤体破碎、瓦斯压力大、渗透性低的碎软煤为主，瓦斯含量7.65～15.98 m3/t。目前，该矿瓦斯预抽主要以井下常规钻孔为主[1-8]，但该方法存在成孔率低、抽采面积小、无效进尺多、施工效率低等缺点，瓦斯预抽效果不理想，严重影响矿区安全生产。

为解决该矿瓦斯抽采难题，缓解矿井采掘接续紧张局面，拟在矿井三采区北带式输送机大巷向3#煤层顶板岩层首次采用梳状长钻孔水力压裂瓦斯预抽技术[9-15]，梳状定向长钻孔轨迹控制是该技术应用的前提和基本保障。为此对影响梳状定向长钻孔施工工艺、轨迹控制、分支侧钻、原孔重入等关键技术进行研究，为水力压裂和后续瓦斯抽采提供可靠通道，实现安全高效抽采预掘巷道瓦斯，保障矿井巷道安全掘进。

1 顶板梳状定向钻孔布局

1.1 定向钻孔布局

顶板梳状定向钻孔由布置在近煤层顶板的主孔和进入煤层的分支孔构成。本次实施的梳状孔主孔布置在顶板上部3～5 m 稳定且可钻性较好的粉砂岩层位。既保证主孔成孔率和钻效，又可避免主孔进入煤层。

分支孔钻进应尽可能在煤层中延伸，增加瓦斯泄流面积。分支孔布置时需根据煤层瓦斯浓度、压力、透气性、抽采方式及抽采半径等因素合理确定分支孔间距。保证前一分支在煤层中抽采边界与下一分支抽采范围有效衔接，防止存在抽采盲区。如后续采用水力压裂技术进行改造，可适当延长分支孔间距。掩护巷道掘进梳状孔平面示意图如图1。

图1 掩护巷道掘进梳状孔平面示意图Fig.1 Layout plan of comb hole to cover roadway excavation

本次施工钻孔沿预掘巷道方位线延伸580 m，剖面轨迹沿煤层走向钻进。因梳状钻孔掩护巷道掘进，分支孔全部位于主孔下部，进入煤层后，轨迹延伸方位与预掘巷道保持一致，轨迹左右位移量不超过预掘巷道宽度。

根据主孔设计长度及预抽范围，共设计9 个分支孔，每间隔50 m 向前开分支，实际施工中，分支孔间距根据实钻轨迹进入煤层的夹角进行调整，采用合理的入煤倾角可延长分支在煤层中的平面延伸距离。同时，钻进中需根据各分支轨迹在煤层中延伸的长度，实时调整各分支间距。

1.2 定向钻轨迹计算方法和施工装备及机具

1）定向钻轨迹计算。顶板梳状轨迹计算模型采用均角全距法，根据随钻仪器测量轨迹位置某点的倾角θ、方位角α 及孔深L，计算该点的水平位移x、左右位移y 和上下位移z，计算公式如下：

式中:△Li为两测点间距；θi、θi-1为钻孔i、i-1 测点的倾角，（°）；αi、αi-1为i、i-1 钻孔、测点的方位角，（°）；λ 为主设计方位角，（°）。

2）施工装备及机具。施工顶板梳状钻孔采用钻机、仪器、泥浆泵及钻具如下：①ZDY-6000LD(B)履带式全液压坑道钻机，提供钻探动力；②YHD2-1000T（A）随钻测量系统，测量轨迹参数；③3NB-320泥浆泵，用于循环冲洗液；④φ73 mm 通缆钻杆，用于传递孔口扭矩；⑤φ73 mm 四级螺杆马达，用于造斜及提供定向扭；⑥φ73 mm 无磁钻杆，用于屏蔽磁场干扰；⑦φ98 mm 三翼抛物线型PDC 钻头，用于定向及回转钻进；⑧φ98 mm 四翼平角型PDC 钻头，用于开分支侧钻；⑨φ133 mm 内凹式PDC 钻头，用于开孔段；⑩φ133 mm/φ193 mm 扩孔钻头，用于开孔段；11○孔口防喷装置，用于防止瓦斯喷孔。

2 顶板梳状定向钻孔关键技术

2.1 煤层开孔段施工工艺

受矿井施工条件限制，顶板梳状钻孔需在本煤层开孔，矿区内3#煤层松软、破碎、稳定性差，易发生卡钻、埋钻、喷孔等事故。如开孔阶段常采用清水携渣，冲蚀作用会加速煤层的垮塌。为提高成孔率，开孔段采用空气钻进，借助煤矿井下压风系统，以空气为携渣介质，选用宽翼片螺旋钻杆提高排渣效果。

开孔段应尽量增大开孔倾角，减小钻孔在碎软煤层的段长，快速穿过煤层至顶板。根据现场施工巷道高度、定向钻机能力及煤层倾角等参数，确定开孔倾角为12°。主孔进入顶板稳定岩层6 m，下入φ178 mm 套管，采用全孔段水泥固孔，试压合格后方可进行二开施工。

开孔段采用空气钻进，一开钻进先导孔钻具组合为：φ133 mm 内凹式PDC 钻头+φ89 mm 螺旋钻杆，扩孔钻具组合：φ133 mm/φ193 mm 扩孔钻头+φ89 mm 螺旋钻杆。

2.2 分支孔施工工艺

根据实钻地层状况、施工周期、设备机具和后续抽采方式等不同，定向段主要有“前进式”和“后退式”2 种钻进方式。其中“前进式”钻进方式本质上是1 个分支孔叠加在另1 个分支孔上，实时探煤层，实时修正主、分支孔设计轨迹，同时易于实现钻具和工具原孔重入。由于本次施工后期需下入分段压裂管工具至孔底，对主孔重入要求较高，故采用前进式开分支钻进方法。“前进式”钻进方法施工流程图如图2。

2.3 分支钻孔轨迹控制

图2 前进式施工工艺流程图Fig.2 Flow chart of forward construction process

由于煤层起伏走向的不确定性，梳状钻孔在近煤层顶板延伸的深度和倾角也存在不确定性，施工时不能完全按照设计执行，而要紧密结合岩屑和钻时变化综合分析，实时调整轨迹控制策略。为确保钻孔沿设计轨迹延伸，全孔采用YHD2-1000T（A）随钻测量系统每钻进3 m 测斜1 次，实时监控、调整钻孔轨迹，顶板稳定岩层平均造斜率0.4°/m。钻进至煤层后为保证轨迹平滑，孔壁稳定性，采用多回转少滑动的钻进方式，平均造斜率为0.17°/m。

分支孔轨迹控制采用分段控制原则，前进式开分支轨迹控制剖面图如图3。

图3 前进式开分支轨迹控制剖面图Fig.3 Forward branch trajectory control profile

Ln分支施工时，a 段轨迹工具面放至增倾角+增（降）方位，b 段轨迹工具面摆至稳倾角+增（降）方位，c 段轨迹工具面摆至降倾角+降（增）方位，d 段轨迹采用稳倾角+稳方位方案进入煤层。

Ln+1分支施工时，退回至预留开分支点，a 段轨迹工具面摆至强降倾角开分支，上下位移x 方向与原轨迹分离，b 段轨迹工具面摆至降倾角+降（增）方位，左右位移y 方向与原轨迹分离，c 段轨迹采用稳倾角+稳方位沿设计方位角λ 钻进，d 段轨迹工具面放至增倾角+增（降）方位，沿煤层倾角和设计方位角钻进。

二开定向段采用的钻具组合为：φ98 mmPDC 钻头+φ73 mm 螺杆马达+随钻测量仪器+φ73 mm 上无磁钻杆+φ73 mm 通缆钻杆串。

由于梳状钻孔需要掩护巷道掘进，轨迹延伸方位既要考虑到顶板和煤层在上下位移x 的偏差，也要兼顾左右位移y 不超过巷道边缘。随钻测量仪器的测点与钻头存在约3 m 盲区，孔底倾角、方位角需要根据已钻地层造斜率进行预测，故轨迹控制对现场定向人员提出了更高的要求。

2.4 顶板梳状钻孔开分支

顶板梳状钻孔悬空侧钻开分支钻头处的侧向切削力主要依靠钻具自重提供，扭矩则由螺杆马达提供。为更好增加钻头侧切力，本次侧钻施工优选造斜能力更强的φ98 mm 四翼平角型PDC 钻头。开分支作业时，将工具面摆至强降倾角位置（175°～185°），在侧钻点前2～3 m 处开泵进行划槽作业，划槽30～40 min 后，控时钻进，第1 m 钻时保持在1 h/m，第2 m 钻时保持在50 min/m，依次递减10 min，直到孔口返水颜色变化，有明显岩屑颗粒。此时，可适当提高给进压力，孔底工具面反扭角有显著变化，钻头充分切削新地层，表明侧钻成功。根据后续测斜数据验证侧钻成功后，可按设计正常定向钻进。

如反复尝试未能开出分支，可更换大角度单弯螺杆，可提高侧钻成功率，也可根据地层情况增加划槽和控时钻进时长。

2.5 原孔重入

顶板梳状钻孔施工过程中，因更换仪器、钻头等原因起钻，钻具需再次下入原分支孔时，钻具可能进入前部其他分支孔。本次施工采用调整工具面法保证钻具再次下入原孔。

因分支孔侧钻均采用向下开分支的方式，先降倾角再扭方位的方式，因此再次下入时，应采用原钻具组合，调整工具面至原深度侧钻时的工具面，缓慢下放钻具，测斜点下过侧钻点后测斜，与原孔深倾角、方位进行对比，以判断是否进入预定分支孔。同时，选用孔口供电式随钻测量系统，该系统测量数据不需要开启泥浆泵即可传递信号，可减少对侧钻点处的扰动，提高孔壁稳定性，利于钻具下入原孔。此方法工艺简单，现场易于实施，本次施工起钻后原孔重入率达到100%。