煤矿井下近水平钻孔反循环取心先导性试验研究

杨冬冬，赵江鹏，杨虎伟

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

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[1-2]。该技术的主要特点是利用反循环冲洗液在钻杆柱内的上升力将孔底钻取的岩心连续不断地输送至孔外，从而实现不提钻连续取心的目的[3-4]。与常规取心技术相比，该工艺方法可减少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[5-7]。

为了保障煤炭安全高效开采，探查采煤工作面是否存在陷落柱、溶洞、断层等地质异常体是一项重要工作内容[8-9]。随着煤矿精细化管理落地生根，为避免地质构造的无计划揭露，对查明采煤工作面地质构造尤其地质异常体等的工作提出了构造要素精准化探测的更高要求，因而提出将水力反循环连续取心技术应用于煤矿井下地质构造要素精准探测工作中。参考现有的坑道取心钻探技术装备并结合矿方相关技术要求，设计研制了一套规格为Φ89mm/42mm双壁反循环取心钻具用于煤矿井下施工近水平地质异常体探查钻孔。该套取心钻具在加工工艺及结构方面针对煤矿井下施工环境做出了改良。为了有效预见在煤矿井下施工近水平钻孔的过程中可能出现的问题并能够及时改进完善该套反循环取心钻具结构与施工工艺技术，于是开展了近水平钻孔水力反循环连续取心地面及煤矿井下先导性试验研究。

1 技术原理及特点

近水平钻孔水力反循环连续取心钻进技术原理如图1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。双壁反循环取心钻进可以有效的减少冲洗液对孔壁的冲刷，有利于孔壁稳定，也一定程度上缓解了地层漏失问题。

图1 水力反循环连续取心原理Figure 1 Hydraulic reverse circulation continuous coring principle

2 反循环取心施工配套装备

本次地面试验配套的钻探装备主要有钻机、泥浆泵、Φ89/42mm双壁钻杆、反循环取心钻头、双壁送水器等。

2.1 Φ89mm/42mm双壁钻杆

双壁钻杆为冲洗液的输送、岩心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。为了适应煤矿井下地质异常体探查施工，本次研制的双壁钻杆在参考地面取心钻具的基础上对其进行了加工工艺及结构上的改良，目的是为了提高漏失地层的适应性、反循环取心效率及钻杆整体性，最终将双壁钻杆规格定为Φ89mm/42mm×1.5m，相较地面常规取心钻具规格尺寸、内外管环间过流面积均有所增加，双壁钻杆实物如图2所示。地面取心钻孔多为垂直钻孔，而煤矿井下施工的探查钻孔多为近水平钻孔，近水平钻孔施工过程中钻具的受力状态较复杂，扭矩与弯矩同时作用于钻杆上，因此将内管公接头、内管杆体、内管母接头等依次采用螺纹连接，内管之间的连接采用插接的形式，内管与外管由焊接在内管母接头和内管公接头上的支撑块限位，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，整体性好、强度高、寿命长。

图2 双壁钻杆Figure 2 Double-wall drill rod

2.2 反循环取心钻头

反循环取心钻头与正循环钻头不同点在于需改变冲洗液的流向，迫使冲洗液向钻头中心部分流动，以达到携带岩屑岩心上返流速。目前地质勘探、坑道取心钻探多采用金刚石取心钻头，钻机回转速度在600～1 600r/min，考虑煤矿井下现有的技术装备及施工工艺，设计研制了适应煤矿井下施工的PDC取心钻头，钻头规格尺寸为Φ98mm/38mm和Φ113mm/38mm，取心直径为Φ38mm，复合片卡断器距离钻头顶端80mm，并且为了将冲洗液大部分分流至双壁钻杆的中心通道，在反循环取心钻头内管上设置分水孔或喷水孔。

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，针对煤矿井下水力反循环取心钻具，设计了配合双壁钻具使用的双壁送水器(图3)。其中双壁送水器外壳内部设有轴承、心轴、密封圈及内管等转动部件，心轴的径向设有多个圆形通孔连通进水端与双壁送水器环空，双壁送水器环空与双壁钻杆环空相连通组成进水通道，内管布设于心轴内且通过点焊固定连接，内管与心轴两端安装有深沟球轴承，在煤矿井下进行取心施工时，双壁送水器的内管可与心轴同步回转，双壁送水器其他部件不回转。为了提高双壁送水器整体密封性能，在轴承端面设置两组密封圈，内管与芯轴连接处设有多组O型圈密封。

1-返水接头；2-后盖；3-轴承；4-外壳；5-进水接头；6-心轴；7-密封圈；8-内管；9-前端盖；10-钻杆接头图3 双壁送水器Figure 3 Double-wall water transmitter

3 先导性试验

3.1 地面先导性试验

本次地面先导试验地点选址在陕西省渭南市白水县展开，地层主要为砂岩层且断层发育漏失严重。现场共施工了3个近水平取心试验钻孔，开孔倾角均在0°左右。本次试验的3个取心钻孔的最大回次进尺为69m，钻进效率为3.61～6.26m/h，综合取心率73.9%(表1)。

表1 地面钻孔取心情况Table 1 Surface coring situations

对上述3个反循环试验钻孔返出的岩心进行整理编录，按岩心上返先后顺序依次摆放，统计现场岩心的规格尺寸。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，岩心直径为37.5mm左右，岩心完整度较高。通过对岩心的观察，地层变化、裂隙、层理的情形均清晰可辨。

3.2 煤矿井下先导性试验

本次煤矿井下先导性试验选址在寺河矿西区W33013巷13#横川。试验共施工了7个反循环取心试验钻孔，均为近水平钻孔。累计施工36d，进尺1 033.5m。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，单个反循环取心试验钻孔的具体施工数据如表2所示。

表2 井下钻孔取心情况Table 2 Underground coring situations

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，岩心完整度较高。由于煤层较破碎，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，部分煤心长度可达85mm，煤心直径在36.5～38.5mm。

4 岩心卡堵问题及解决方案

水力反循环连续取心钻进技术的公认难题就是岩心卡堵[10]问题，完全避免堵塞难度较大，一般解决办法是通过提大钻清理卡堵岩心，耗时费力。为了克服上述难题，结合现场现有条件提出中心通道打水解卡方法。原理是通过水压使卡堵岩心发生松动而达到解卡的目的，原理具体如图4所示，通过3NB320泥浆泵将冲洗液通过变径接头泵入取心钻具中心通道，堵住双壁水便侧面注水口，解卡过程中保持钻具回转并反复提拉钻具，待孔口返水水量较大时，暂停向中心通道打水，更换接头并向双壁水便侧面注水口打水继续施工。白水现场3#反循环试验钻孔施工过程中发生多次卡堵，后续均采用中心通道打水这种方法均顺利解卡，解卡成功率可达80%左右。同时在煤矿井下试验过程中主要采用该解卡方法，煤矿井下解卡成功率也在80%左右，解卡成功率较高，效果较好，有利于提高整体回次进尺。

图4 现场中心通道打水解卡原理Figure 4 Site central channel water injection sticking removal principle

5 结论及建议

1)采用Φ89mm反循环取心钻具在地面试验场地共施工3个近水平反循环取心钻孔，累计进尺215.3m，单孔最大孔深120.8m，综合取心率73.9%，单孔最高取心率为83.9%，最大回次进尺为69m，钻进效率为3.61～6.26m/h；煤矿井下试验共施工7个近水平反循环取心钻孔，累计进尺1 033.5m，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可达9～18m/h，反循环效果显著，Φ89mm反循环取心钻具设计合理。

2)试验过程中发生卡堵会有明显的征兆，需要即刻采取有效的解卡措施，根据现场试验解卡方案，采用中心通道打水解卡是最有效且最省时省力的方法，地面及井下试验现场采用此种解卡方法的成功率均为80%左右。

3)本次地面及井下先导性试验暴露的主要问题是岩心卡堵。为了将水力反循环连续取心技术更好的应用于煤矿井下地质异常体探查工作中，应结合煤矿井下地质条件作进一步分析，尤其要考虑在煤层、煤岩交界处取心钻进可能遇到的状况、地质异常体孔段地层漏失问题及井下施工过程中卸压瓦斯的治理问题等等，逐步完善该套反循环取心钻具结构、配套装备及取心工艺方法。