郭庄矿松软煤层螺旋钻杆钻进技术及压力特征显现研究

赵宇杰,陈峰真,姚理忠

(山西潞安集团 郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100)

松软煤层钻孔施工过程中易塌孔，钻孔成孔率低。另外钻孔施工是深度验收时矿井瓦斯治理过程中的重要环节，是保证瓦斯治理效果的基本前提。目前钻孔验收手段主要是：一钻一视频、现场人员验收、钻孔轨迹仪器、探杆探孔等。一钻一视频能够实现施工全过程的监控、验收；人工对视频钻杆清点时存在不可靠性；钻孔轨迹仪器、探杆探孔验收钻孔受钻孔塌孔影响，存在验收误差较大、人力物力消耗大等问题[1-3]。

因此在松软煤层施工钻孔时，考虑采用螺旋钻杆钻进，并研究钻进过程中起拔压力的变化。提取压力曲线监测数据，分析退钻过程压力特征，从而确定退钻杆数量，确定钻孔进尺。

1 螺旋钻杆结构特征

螺旋钻进是一种干式回转钻进方法，螺旋钻杆与钻孔组成一个螺旋输送带，螺旋钻杆连续不断地将钻头破碎的岩渣输送至孔外。螺旋钻进有效地解决了排渣问题，但对钻孔扰动较大。

螺旋钻杆如图1所示。结构增加了钻杆外壁与孔壁之间的环空过流面积，钻杆在松软突出煤层中旋转能够引起漩涡流动，依靠钻杆的棱边将沉积在钻孔底部的煤粉扬起，使得孔内煤粉一直处于运动状态，避免煤粉在钻孔内出现堆积堵塞。

图1 螺旋钻杆

螺旋钻杆在解决松软煤层钻进成孔问题中具有相当大的优势，能够避免松软煤层钻进成孔过程中所发生的钻孔事故。螺旋钻杆施工工艺能够满足松软煤层成孔要求，施工过程中应该用不同的钻杆施工工艺来解决不同煤体条件下的钻孔施工问题。

2 螺旋钻杆退钻压力特征

根据现场跟班写实及地面监测曲线值，得出退钻过程特征主要表现为单根钻杆退钻时间、单根钻杆退钻监测曲线波形和单根钻杆退钻压力极值。

2.1 单根钻杆退钻时间

根据监测曲线变化、井下跟班写实，在正常退钻情况下每根钻杆退钻时间为1.3～1.8 min。

2.2 单根钻杆压力曲线波形

采用的钻杆为1.5 m、钻机跑道为0.5 m，完成1根钻杆的退钻过程需要回旋器3个进退循环，压力监测曲线呈现3个极值拐点，图2为单根钻杆压力曲线波形图。

图2 单根钻杆压力曲线波形

2.3 单根钻杆退钻压力拐点极值

根据现场写实与压力曲线分析，3个压力监测拐点极值为1个大极值点(大于10 MPa)、2个较小大极值点(5～8 MPa)。具体退钻压力拐点极值如图2所示。

同时满足上述3个条件就完成1根钻杆的退钻过程，也就是在1.5 min压力监测曲线时间段内，出现3个极值拐点波形，极值压力点满足1个大于10 MPa、2个在5～8 MPa之间。

3 螺旋钻杆现场应用实践

3.1 郭庄矿螺旋钻杆应用及数据提取

试验地点为3309胶顺工作面，现场选用的钻机型号为ZDY4200LP，选用KGY8-2型压力传感器，输出信号显示分辨率为0.1 MPa，线路布置为工作面巷道至采区变电所，该传感器输出信号后，通过监控线路传输至KJ73X安全监控系统分站上，分站把采集的信号通过光纤上传至地面监控系统终端，终端把接收的信号显示为数字和曲线，进行自动存储，打开监控系统页面，地面人员可以随时查看和调用。

矿方联合煤安森公司制作监控退钻数据软件，在钻孔深度测算一栏内输入开始退钻时间和结束时间、钻杆长度，软件会自动提取有效数据，自动计算出测算的钻杆深度，与实际值对比，进行误差测算。图3为GPD100压力传感器和压力变送器。

图3 GPD100压力传感器和压力变送器

郭庄使用钻机为履带式手动液压钻机，钻杆长度为150 cm，钻机行程为50 cm。每个钻孔打钻分为进钻和退钻，钻机行程机构前后动作产生液压变化。对钻机压力变化实时监测曲线、结合井下实际情况，钻孔钻进监测压力数据由于受施工过程中顶钻、塌孔的影响，监测曲线值(每根钻杆数据)极值差别较大、监测曲线值(每根钻杆数据)施工时间差别也较大。退钻过程监测曲线值(每根钻杆数据)极值差别不大、监测曲线值(每根钻杆数据)退钻时间差别也不大。

1) 进钻。图4为进钻过程形态模型示意。

图4 进钻过程形态模型示意

进钻的典型特征是每根杆3次进程行程压力尖峰，但实际获取到的数据压力尖峰值较小，且多段幅值相差较大，不太便于进行形态辨识。图5为进钻过程压力随时间变化曲线。

图5 进钻过程压力峰值曲线

2) 退钻。图6为退钻过程形态模型示意。退钻的典型特征是每次退钻有周期性较大的峰值压力，具体如图7所示。

图6 退钻过程形态模型示意图

图7 退钻过程压力峰值曲线图

收集一个钻孔压力值，形成柱状图，柱状图连接起来，把最大值和最小值连接起来，形成带状图，利用包络均值算法，取有效值。

数据包络分析是线性规划模型的应用之一，是将输入量(或输出量)的加权平均值作为最终数据的合成。具体做法可参照图7中的数据，其中有最大值和最小值，取中间值作为有效数据值。

3) 包络均值算法。①截取退钻时的数据段，根据原始曲线计算包络峰值；②根据现场实测数据规律，所有小于等于10的值均认为非有效值；③根据包络线计算当前值上下范围均值，比对当前值与均值的偏差，偏差相近则暂存当前值为有效值；④有效值下一个值也为有效值的取下一值，当前值取0；⑤最终剩下的有效值必须有间隔，有效值个数即为钻杆数。

对于郭家庄矿松软煤层螺旋钻杆钻进技术，首先收集钻孔压力值，形成压力柱状图，把柱状图连接起来，包括最大值和最小值，最终形成带状图，利用包络均值算法，取其有效值即可。

3.2 螺旋钻杆的改进及展望

1) 规范钻机操作人员的操作流程、标准，均衡退钻、钻机退钻压力曲线，减少异常点的出现，更有利于数据的分析、提取。

2) 当前还是人工对曲线进行分析、提取数值，后期可采用软件实现实时从监控系统提取数据到根据曲线特征进行分析，从而实现监测压力数据及钻杆的自动计量。

4 结 语

1) 阐述了螺旋钻杆在松软煤层中钻进的工艺及过程，对比分析了光面钻杆施工工艺，得出螺旋钻杆在松软煤层施工过程中优势显著的结论，能够避免松软煤层钻进成孔过程中发生钻孔事故。

2) 对退钻过程中钻杆的压力特征进行了研究，退钻过程特征主要表现为单根钻退钻时间、单根钻杆退钻监测曲线波形、单根钻杆退钻压力极值。

3) 根据数据规律总结，所有小于等于10的值认为非有效值；根据包络线计算当前值上下范围均值，比对当前值与均值的偏差，偏差相近则暂存当前值为有效值；按照每次退钻执行9个有效值，总有效值与9的商值即钻杆数量。

4) 螺旋钻杆钻进在郭庄矿进行了现场应用，及对进钻和退钻的压力峰值曲线的提取，阐述和应用了用于计算钻杆根数的包络均值算法。

总之，通过对郭庄矿松软煤层实行螺旋钻杆钻进技术，对钻杆钻进和退钻过程中的压力进行监控，从而利用软件自动计算钻杆深度，进行误差测算，实时监控钻杆所受的压力曲线特征。解决了工作面煤层钻孔打钻过程中易塌孔、验收误差大等问题，保证了矿井的安全高效生产。