煤矿井下取心钻进技术与装备研究现状及发展趋势

2021-06-21杨冬冬赵江鹏王四一

煤炭工程 2021年6期

杨冬冬，赵江鹏，王四一

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

煤矿井下钻孔取心技术是获取煤层、岩层地质信息的主要技术手段[1，2]。目前煤矿井下取心钻进技术主要为定点取心、密闭取心、绳索取心及水力反循环取心技术。煤层与岩层中取心目的不同，煤层取心钻进施工的主要目的是为了测定煤层瓦斯含量，瓦斯含量测定结果的准确性对煤矿井下瓦斯灾害防治、煤矿的安全生产、瓦斯资源开发利用等方面有重要意义[2-5]；而岩层取心钻进施工的主要目的是查明地层赋存条件、岩性特征、水文地质条件及地质异常体发育程度等[6，7]。

针对煤层取心，目前煤矿井下多采用常规定点取心钻进技术钻取煤心，但是由于取心到送检过程中煤心暴露时间较长导致瓦斯含量测定值偏低，无法准确测定煤层瓦斯初始含量[8，9]，因此对煤矿井下取心钻进技术与装备提出了更高的要求，为此诸多学者开展了大量工作，袁亮等[10]研制出一种利用粘液密封取样器来提高瓦斯含量的测定方法；陈绍杰[11]设计了一种能够提高直接法测定煤层瓦斯含量准确性的反转密封取样装置；景兴鹏[12]研制了一种能够提高煤矿瓦斯含量测定精度的直接式机械密闭取心测试装置；龙威成[13]研制了一种高压水驱动的密闭取心装置，相较常规取心测值高19%～44.5%。

针对岩层取心，目前煤矿井下多采用绳索取心钻进技术钻取岩心，具有取心率高、劳动强度低、地层适应性强等优点[14，15]，但浅孔取心优势不明显，适合长钻孔取心施工。水力反循环连续取心钻进曾经作为继金刚石绳索取心钻进技术之后的又一重大创新性技术在地质资源勘查、地质构造探测等领域发挥着至关重要的作用[16，17]，与常规取心技术相比，该工艺方法可大约较少20%～30%的辅助时间，具有效率高、纯钻进时间长、钻探成本低、岩矿心采取率高、品质好、劳动强度小等诸多优点[18，19]。

1 密闭取心钻进技术与装备

1.1 技术原理

常规钻进或定向钻进至采样点后，退出孔内钻具下入密闭取心装置至采样点开始取心施工，装置外筒带动顶部取心钻头回转，并在钻机给进力作用下钻取煤样直至填满装置内筒，而后在钻孔孔口向钻杆内投放橡胶球，连接外部压水管路，采用泥浆泵向钻杆内部压水，橡胶球在水压作用下被推送至密闭取心装置上部的球座分水接头，从而堵住分水接头下部的泄流孔，装置内部压力不断升高，迫使液压推动机构剪断销钉继续向前运动直至到达下部的密闭球阀上的半滑环，从而带动密闭球阀旋转剪断煤心并密闭装置内筒，将整套密闭取心装置提出孔外，取出装置内筒并连接瓦斯解析装置进行现场解析测试。此外，考虑取样煤体坚硬程度、煤心直径的不同，调整剪切销钉类型、尺寸和数量来改变整体的剪切强度，提高泥浆泵注水压力，间接改变密闭球阀切割力。

1.2 配套装备

煤层密闭取心施工配套装备具体包括钻机、常规钻杆、密闭取心装置、橡胶球、瓦斯解析仪等。其中煤层密闭取心瓦斯含量测试技术的核心在于密闭取心装置的应用，密闭取心装置主要由钻杆接头、悬挂总成、液压推动机构、球座分水接头、外筒、液压推动筒、内筒、半滑环、球阀、取心钻头[13]等构件组成，如图1所示。

1.3 技术难点

针对煤矿井下密闭取心施工的技术难点主要包括以下几个方面：

1)煤矿井下煤层硬度变化较大，当取样煤层硬度较大时，需要更大的驱动力驱动球阀转动，球阀剪切煤心难度较大。根据相关试验实测，煤层硬度系数在1.5以下，进行密闭取心施工难度系数较低，而硬度系数在1.5以上时需要调整销钉的材料、规格及数量来获取更大的驱动压力，同时需要配备满足相应压力要求的泥浆泵。

2)密闭取心器密闭性检查。获得准确的瓦斯含量测值的关键就是要对密闭取心内筒的煤心进行保压，由于密闭取心器通过球阀同时进行煤心的剪切及内筒的密封，仍有一定的概率发生密闭失效，所以退出取心器后需要检查取心器密闭性，密闭性正常可以进行下一工序，如果密闭失效需要对球阀部位进行检查、清理后再次进行取心施工。

3)针对大仰角、长距离取心钻孔，尤其在定向钻孔轨迹不平顺时，橡胶球的输送难度较大，橡胶球一定概率不能到达密闭取心器下部球座分水接头，不能对泄流孔进行有效封堵，导致钻具内部无法实现憋压，液压推动筒无法剪断销钉，无法进行密闭取心施工。

1.4 应用情况

1)在彬长矿业胡家河煤矿采用机械式密闭取心器对4#煤层进行近水平孔取心测试，共施工一个密闭取心试验钻孔，该钻孔包括3个普通取心测点及一个密闭取心测点，其中3个普通测点的平均瓦斯含量为3.58cm3/g，密闭取心测点瓦斯含量为4.32cm3/g，提高了20%左右，取心率接近80%，取心及密闭效果均较好。

2)在山西寺河煤矿采用密闭取心钻具进行密闭取心功能性试验，采用定向钻进装备由煤层底抽巷向待测煤层施工近水平定向钻孔，定向钻孔深度每增加100m，密闭取心采样一次，本次试验密闭采样点为4个，并在钻进至取样点之前收集相应位置的煤屑进行对比试验，因此一共有样品8个，采用常规取心方法测得瓦斯含量平均值为6.65cm3/g，密闭取心方法测得瓦斯含量平均值为8.25cm3/g，含量提高了24%。

但是，一条精子所含的酶量是远远不够的，只有在许多精子的共同努力下，才能杀出一条血路，让幸运的那个英雄攻破卵细胞最后的壁垒。

3)在山西成庄矿某采动影响区选取试验点，再次对密闭取心钻具进行功能性试验，本次试验采用常规取心方法及密闭取心方法各施工一个倾角为21°的上仰试验钻孔，分别采集样品6个，采用常规取心方法测得瓦斯含量平均值为6.11cm3/g，密闭取心测试方法测得瓦斯含量平均值为7.44cm3/g，含量提高了22%。

2 绳索取心钻进技术与装备

2.1 技术原理

下入绳索取心钻具进行取心施工直至岩心管填满，岩心满管报信机构报信，岩心卡断机构将岩心卡断，更换通缆水接头，沿着钻杆内部下入打捞器开始打捞内管，到位后提升内管总成，提至孔外收集岩心管内岩心，再次投放内管总成直至内管总成到位后，到位报信机构向施工人员发送信号，这时更换常规送水器继续进行取心钻进，钻进过程中如发生岩心卡堵情况，堵心报信机构向施工人员发送堵塞信号停止钻进，并及时打捞内管，防止岩心管内岩心过渡磨损。重复上述步骤可以实现不提钻连续取心直至终孔。

2.2 配套装备

煤矿井下试验配套的钻探装备主要有全液压坑道钻机、泥浆泵、提升架、液压绞车及钢丝绳、绳索取心钻具等，其中型绳索取心钻具由外管总成、内管总成、打捞器、孕镶金刚石钻头等组成，核心部件结构如图2所示。

绳索取心钻具的核心部件即为内、外管总成和打捞器[14，15]。内管总成包括打捞机构、弹卡机构、悬挂机构、到位报信机构、岩心满管或堵塞报警机构、调解机构、缓冲机构、单动机构、容纳与卡取岩心结构和扶正机构，其作用主要是单动通水、容纳和提取岩心；外管总成由弹卡挡头、弹卡室、扩孔器、外管、扶正环、钻头等部件组成，其作用是传递钻压和扭矩、带动钻头进行钻进；打捞器是绳索取心钻具的必不可少的组成部分，具有打捞、送入内管和脱卡等功能，包括打捞机构、绳卡机构、送入机构和安全脱卡机构。

2.3 技术难点

煤矿井下进行绳索取心施工大多施工近水平钻孔或小倾角钻孔，垂直钻孔施工较少。水平孔与垂直孔钻进时存在明显的差别，主要存在以下几个方面：

1)绳索取心钻具适合长孔取心，而煤矿井下钻场空间狭小，一定程度上限制可绳索取心钻具内、外管总成的长度，岩心管的长度较短会增加打捞次数，增加劳动强度，影响钻进效率。

2)针对垂直钻孔下放绳索取心钻具内管总成及打捞器时依靠其自重，而近水平钻孔需要借助外力将内管总成及打捞器下入。并且钻进过程中需要对内管进行扶正来保证同心度，对钻具加工精度、动力供应、钻进工艺均提出了更高的要求。

3)施工近水平钻孔时，由于受到钻具自重的影响，钻具与钻孔孔壁之间的摩擦力较大，需要钻机提供更大的扭矩，对钻杆强度提出了更高要求。

4)弹卡定位机构在垂直钻孔或者下斜钻孔其工作稳定可靠，对于施工近水平取心钻孔时由于弹卡自重并受加工精度的影响，弹卡定位机构失效情况频繁发生。

2.4 应用情况

1)采用NQEU75绳索取心钻具在新集二矿区进行功能性试验，本次试验共施工两个取心钻孔，钻孔布置在1—10号灰岩层，旨在查清煤层底板太原组灰岩分布及富水情况。采用钻具组合为“NQEU75绳索取心钻具+∅70.1mm直连式钻杆”。1号试验钻孔实际孔深151.5m，其中取心孔段长124.8m，岩心累计取心长度92.9m，其中灰岩孔段取心率较高，可达90%以上，平均钻进效率为2.1m/s；2号试验钻孔实际孔深194.5m，其中取心孔段长144.4m，该孔灰岩孔段接近全孔取心，平均钻进效率为3.6m/s，取心效果较好。

2)采用JS75型绳索取心钻具在黄陵二号煤矿进行功能性试验，主要是为了掌握2#煤下覆地层岩性及油型气赋存情况，现场施工完成孔径为∅75mm取心钻孔一个，钻孔倾角为-48°，深孔67.15m，所取岩心长度65.4m，岩心采取率可达97%，钻进效率最大为1.83m/h，平均钻进效率0.85m/h，相较常规取心方法取心效率大幅度提高。

3 水力反循环取心钻进技术与装备

3.1 技术原理

近水平钻孔水力反循环连续取心钻进技术原理如图3所示。在近水平钻孔内，泥浆泵将冲洗液首先压送至双壁送水器，双壁送水器与双壁钻杆内环空相连通，使得冲洗液沿着双壁钻杆内环空进入取心钻头并从钻头水眼喷出，大部分冲洗液携带岩心及破碎的岩屑沿着钻具中心通道上返至孔外岩心箱，少量冲洗液进入钻孔环空正循环通道携带环空沉渣上返，施工过程中岩心持续卡断并上返从而实现不提钻连续取心。现场试验利用钻机提供孔内钻具给进力及回转力，利用泥浆泵提供岩心上返动力，同时起到钻头冷却及携粉排渣的作用。

图3 水力反循环连续取心原理图

3.2 配套装备

煤矿井下试验配套的钻探装备主要有全液压钻机、泥浆泵、双壁钻杆、反循环取心钻头、双壁送水器、孔口密封器、钻孔成像仪、水箱、外部管汇等，其中水力反循环取心钻具组合为双壁送水器、双壁钻杆与反循环取心钻头。

3.2.1 双壁钻杆

双壁钻杆为冲洗液的输送、煤岩心、煤岩屑的返回提供通道，是顺利实施水力反循环连续取心钻进的关键钻具之一。本次试验研制了∅89/42mm双壁钻杆，如图4所示，它总体结构由外管与内管两部分组成。内管由内管公接头、内管杆体、内管母接头等依次螺纹连接组成；外管由外管母接头、外管杆体、外管公接头等依次摩擦焊接而成；内管与外管由焊接在内管母接头和内管公接头上的支撑定位块连接。外管外径为∅89mm，内管内径为∅42mm。

图4 ∅89/42 mm双壁钻杆(mm)

3.2.2 反循环取心钻头

反循环取心钻头与正循环钻头的区别在于结构、功能及介质流向的不同。反循环取心钻头内部设有内管，冲洗液从取心钻头水眼喷出后，大部分液流分流至钻头中心部分携带煤岩心、煤岩屑上返。同时，为了将冲洗液大部分分流至双壁钻杆的内部，在反循环取心钻头内管上设有上斜分水孔。本试验选用了∅98/38mm、∅113/38mm四翼反循环取心钻头及∅98/38mm、∅105/38mm三翼反循环取心钻头，其取心直径均为38mm，卡断器复合片距离钻头顶端80mm。四翼反循环取心钻头、三翼反循环取心钻头如图5所示。

图5 反循环取心钻头

3.2.3 双壁送水器

双壁送水器是将冲洗液导入至双壁钻杆内外管环隙，煤岩心、煤岩屑自双壁钻杆内管中心通道导出的专用工具，是成功实施水力反循环连续取心的关键钻具之一，主要由返心口、后端盖、注水口、外壳、前端盖、轴心及内管组成，工作状态下内管与心轴可以同步回转，其他部件不转动。

3.3 技术难点

水力反循环取心技术的难点主要是解决岩心卡堵问题。根据堵塞原因的不同主要分为4类：滞留堵塞、失稳堵塞、断流堵塞、直接卡塞。根据煤矿井下试验，通过提钻检查卡堵位置、卡堵岩心的规格尺寸，分析发现，煤矿井下近水平钻孔主要的卡堵形式是滞留卡堵与失稳卡堵。

1)当煤层顶底板地层较破碎或者钻遇断层时，钻至该处的岩心会比较破碎，岩心多层片状、不规则碎块状、短柱状，导致岩心在上返过程中与岩屑具有不同的运移速度，使得某一瞬间岩屑进入岩心与内管的环状间隙中使得岩心制动，从而发生滞留卡堵；

2)局部地层破碎、层理发育且钻孔方向与层理方向接近垂直、钻具振动较严重导致岩心断裂长度较短时，这类岩心会在内管运移过程中发生翻转而发生失稳卡堵。

3.4 应用情况

采用上述钻具首次在寺河煤矿进行井下工业性试验，寺河矿地处山西省晋城市沁水煤田东南边缘，寺河矿分东、西两个井区，均属煤与瓦斯突出矿井[16]，寺河矿总共含煤11层，煤层总厚在13.87 m左右，其中主采3#煤层，平均厚度在6 m左右。煤矿区地质构造复杂，煤层及上覆岩层断层发育，局部存在岩溶陷落柱及诸多导水构造，其中制约3#煤层带压开采安全生产的主要因素就是断层及陷落柱等地质构造。本次试验选址在寺河矿西区W33013巷13#横川，本次试验共施工了7个反循环取心试验钻孔均通过预知断层，分别是1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#反循环试验钻孔，其主要目的是为了探查水力反循环取心钻具在地质异常体等破碎复杂地层中应用的取心效果。该7个反循环试验钻孔设计的方位、倾角、开孔高度、孔深见表1。

表1 1#—7#试验钻孔设计参数

本次试验累计进尺1033.5m，取心孔段长616.5m，取心累计长度486.01m，其中岩心长度280.43m，煤心长度205.58m，岩心取心率72.7%，煤心取心率89%，综合取心率为78.83%，单孔最高取心率为90.68%，最大回次进尺97.5m，岩层中取心平均钻进效率7.5～9m/h，煤层中取心平均钻进效率较高，可达9～18m/h。经不完全统计，岩心长度超过50mm的岩心数量超过80%，大部分岩心长度在85mm左右，岩心直径在37.5～39.5mm左右，岩心完整度较高，反循环取心效果较好，达到了预期效果。完整煤心较少，大部分呈块状、片状、屑状煤心，其中块状煤心长度在20～30mm左右，部分煤心长度可达85mm左右，煤心直径在36.5～38.5mm左右，其煤心长度主要取决于煤层的破碎程度，7个反循环试验钻孔煤、岩心实物图如图6所示。

图6 水力反循环取心煤、岩心实物

4 研究前景及发展趋势

煤矿井下取心钻进技术及装备经过多年的研究和发展，在瓦斯含量测定、地质构造探查、水害防治等多个领域应用效果较好，有效的保障煤矿安全生产。取心钻探作为获取地质信息最直观准确的方法之一，在煤田地质勘探领域发挥着举足轻重的作用，随着各企业着重推动“透明矿井、智慧矿山”的建设[20]，对煤矿井下取心技术及装备提出了更高的要求，主要体现如下几个方面：

1)目前煤层取心钻具无定向功能，需要采用“定向钻具+保压取心钻具”交替使用对特定位置的煤层进行取样，工序复杂，耗时较多，因此开发具有定向功能的保压取心钻具将是今后研究的重点；

2)岩心管内的煤心需要在孔外进行瓦斯解析测量，可以将瓦斯解析仪集成到取心钻具上部，通过缆线将瓦斯数据实时传输到孔口计算机。并且辅助配合开闭式取心钻头，可以实现一趟钻对多个采样点进行瓦斯测量，减少了诸多工序；

3)查明地质构造及煤层顶底板富水情况需要进行全孔取心，目前绳索取心钻具及水力反循环取心钻具虽然具有明显的优势但是也存在一定的问题。针对煤矿井下绳索取心钻具，需要优化结构，提高近水平钻孔取心的适应能力；针对水力反循环取心钻具，需要优化钻头结构、双壁钻杆之间的连接结构，最主要是需要开发一套成功率高的岩心解卡工艺方法，提高回次进尺。