碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术应用研究

刘建林，方 俊，褚志伟，杨伟锋

碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术应用研究

刘建林，方 俊，褚志伟，杨伟锋

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

针对碎软煤层空气定向钻进存在空气螺杆马达降温润滑，煤尘降尘处理和孔内煤层出水处置技术需求，在分析钻渣运移特性的基础上，通过集成稳定高效发泡、“机械+泡沫”复合排渣和“空气+泡沫”复合钻进等关键技术，配套定向钻机、泡沫发生灌注系统、空气螺杆马达、异形钻杆和随钻测量系统等关键装备，开发了碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术。在安徽省宿州市某矿开展了应用试验，在出水碎软煤层中顺利施工了主孔深度232 m顺煤层定向钻孔，与应用空气定向钻进技术施工的2个钻孔相比，成孔深度分别提高了97%和105%，显著提高了顺煤层定向钻孔成孔深度，增强了碎软煤层瓦斯抽采效果，同时达到了降温润滑空气螺杆马达，降低孔口返出煤尘目的，可为碎软煤层定向钻孔施工提供一种新的技术途径。

碎软煤层；泡沫；空气；排渣；复合钻进；定向钻进

碎软突出煤层具有煤体结构破碎，瓦斯含量高、压力大，透气性差等特征，在我国多个矿区广泛分布，瓦斯抽采效率低，治理难度大，瓦斯事故多发，严重影响着矿井的安全高效生产[1-2]。利用定向钻孔进行瓦斯抽采是防止碎软煤层瓦斯事故，开发利用瓦斯(煤层气)清洁能源的有效技术途径[3-4]。

碎软煤层空气定向钻进技术是近几年快速发展和推广应用的一种钻进技术，适用于碎软煤层瓦斯抽采定向钻孔的施工[5-8]。应用该技术施工的顺煤层定向钻孔深度超过400 m，与普通回转钻孔相比，单孔瓦斯抽采纯量可提高10倍以上，单孔瓦斯抽采浓度可提高50%以上，显著提高了碎软煤层瓦斯抽采效果，在贵州和淮南等煤矿区得到了较为广泛的推广和应用。然而，碎软煤层空气定向钻进应用过程中存在以下几点问题[9]：①以压风为冲洗介质，无法实现空气螺杆马达的高效降温和润滑，影响使用寿命；②孔口返出煤尘较大，需要专用除尘设备，施工作业环境较差；③钻遇煤层出水工况时煤渣无法正常排出，影响钻孔成孔深度。

泡沫钻进技术以稳定泡沫为冲洗介质，泡沫携渣能力较强，适用于煤层出水工况；同时，泡沫可以对螺杆钻具降温和润滑，降低孔口煤尘，可为解决碎软煤层空气定向钻进技术存在的上述问题提供技术借鉴。冀前辉等[10]在中风压空气钻进的基础上，开展了泡沫钻进工艺研究，形成了中风压泡沫钻进技术；殷新胜等[11]进行了泡沫发泡配方的研究，刘建林等[12]进行了消泡工艺的开发，提出了适用于中风压泡沫钻进的配套发泡和消泡工艺。然而，现有泡沫钻进技术是针对中风压回转钻进工况而开发，不适用于碎软煤层空气定向钻进工况，主要体现在以下方面：①碎软煤层空气定向钻进成孔深度大，钻进速度快，煤渣量大，现有中风压泡沫工艺不适用；②碎软煤层空气定向钻进工艺和配套装备与中风压钻进不同，需针对特有工况进行新工艺和装备设计开发。

为此，在现有碎软煤层空气定向钻进技术的基础上，通过泡沫定向钻进工艺技术研究，开发了碎软煤层泡沫定向钻进技术，配套了相关装备，可以解决碎软煤层空气定向钻进存在的上述问题。

1 碎软煤层空气定向钻进钻渣运移特性

碎软煤层空气定向钻进过程中，煤层未出水和出水2种情况下，钻渣具有不同的运移特性。

1.1 空气定向钻进特性

碎软煤层空气定向钻进以矿用移动式防爆空压机输出压风为钻进动力源和冲洗介质，驱动空气螺杆马达回转碎岩钻进，对空气螺杆马达进行降温，并将钻进产生的煤尘带出钻孔；钻进过程中随钻测量系统测量钻孔倾角、方位角和空气螺杆马达工具面向角等参数，通过定向钻机回转动力调整空气螺杆马达结构弯角朝向控制钻进方向以调整钻孔轨迹；孔口压风监控装置实时监测压风压力、流量，并具备孔内复杂工况应急处置功能；孔口除尘装置用于孔内返出煤尘的降尘处理。

碎软煤层空气定向钻进具有压风流量大、钻进速度快、成孔深度大和瓦斯抽采效果好等特征。

1.2 煤层未出水时钻渣运移特性

煤层未出水时，在压风冲洗介质作用下钻渣时而悬浮、时而沉降，以跳跃方式沿着钻柱和钻孔环空间隙向孔口运移，运移形式属于气固两相流中的颗粒和颗粒群运动[13-14]。受气固混合比和返风速度两个因素的影响，钻渣的运移方式主要包括均匀流、底密流、部分流和柱塞流，如图1所示。其中均匀流方式中钻渣呈现均匀的悬浮状态；底密流方式中钻渣呈现下部多、上部少不均匀运移方式；部分流中钻渣只有少部分悬浮，大部分沉积形成“沙丘”；柱塞流中钻渣基本全部沉积在孔壁，以间歇性方式运移。

图1 煤层未出水时钻渣运移状态

1.3 煤层出水时钻渣运移特性

煤层出水时，在压风作用下煤层水被吹散形成细小的雾状液滴，钻渣暴露在雾状液滴中并吸收其水分，钻渣颗粒变得潮湿。当出水量较大使气体湿度达到饱和时，钻渣颗粒之间的间隙由水分充填，形成钻渣颗粒的“液桥”，引起钻渣的团聚[15-16]。

钻渣团聚性0的大小由钻渣颗粒之间的作用力和钻屑的重力决定，见下述公式[13]。

式中：0为钻渣团聚性指标，无量纲；inter为钻渣颗粒间的作用力，N；为钻渣颗粒的质量，kg；为重力加速度，m/s2。

由式(1)可以看出，钻渣颗粒越细小，质量越轻，团聚性越强；钻渣颗粒间的作用力越大，团聚性越强。

煤层出水量不同时钻渣颗粒间呈现不同的团聚状态。出水量较小时，钻渣颗粒不形成团聚状态，表现为孔口返出的钻渣较为潮湿，钻渣的运移不受影响；出水量逐步增加时，钻渣颗粒间逐渐形成团聚状态，钻渣运移阻力增加，孔口返风量降低，采取回转钻杆扫孔加强孔内排渣，少部分钻渣可以返出孔口；出水量较大时，孔内空气湿度达到饱和或过饱和状态，钻渣颗粒相互团聚黏结形成糊状，钻渣运移阻力显著增加，压风冲洗介质已无法正常携渣，此时空气螺杆马达停止回转，孔口无返风，钻渣无法从孔口正常返出。

2 碎软煤层泡沫定向钻进技术

2.1 泡沫携渣能力分析

泡沫是指由气体(分散相)和泡沫液(分散介质)组成的分散体系。气体由井下静压风管路或移动式防爆空压机提供，泡沫液一般由发泡剂、稳泡剂和水等组成。气体以冲击射流的形式和泡沫液混合，形成稳定、连续的泡沫分散体系。泡沫携渣能力的评价指标主要包括悬浮能力和携渣能力，悬浮能力是指泡沫处于静止状态时对钻渣的悬浮性，由泡沫的静切力决定；携渣能力是指泡沫将钻渣携带至孔口的能力，由泡沫的动切力和黏度决定。泡沫的体积一般要比钻渣颗粒的体积大许多倍，钻渣由泡沫承托着，只有在泡沫发生较大变形或发生破裂时钻渣的悬浮性才会明显降低，而钻渣的重量一般小于泡沫和气体之间的表面张力，泡沫变形量较小，因此，泡沫的携渣能力较强，可达到水携渣能力的7～8倍。

2.2 技术原理

碎软煤层泡沫定向钻进技术以泡沫为动力源和冲洗介质，驱动空气螺杆马达带动钻头回转碎岩钻进，携带钻进过程中产生的煤渣，以及煤层中可能出现的水，同时泡沫起到对空气螺杆马达润滑和降温的作用。

复合定向钻进过程中，在随钻获取钻孔轨迹参数(倾角、方位角)和空气螺杆马达工具面向角参数的基础上，通过稳定螺杆马达结构弯角至特定方向以调整钻孔轨迹。利用压风监控系统实时监测供风压力、流量，并具备孔内复杂工况的应急处置功能[17-18]。

2.3 关键技术

1) 稳定高效发泡技术

泡沫是气体分散于液体中的分散体系，气体是分散相(不连续相)，液体是分散介质(连续相)，而要形成满足泡沫钻进用的稳定泡沫必须使用泡沫剂，它通常由发泡剂和稳泡剂组成[19-20]。针对煤矿井下碎软煤层定向钻进特殊工况，综合考虑实用性与经济性，在借鉴地面泡沫钻进工程实践经验基础上，利用室内搅拌测试法对3种发泡剂的发泡体积和2种稳泡剂的半衰期进行了分析，3种发泡剂发泡体积如图2所示，可以看出发泡剂1的发泡效果最好。针对发泡剂1对稳泡剂、稳泡效果进行了测试，2种稳泡剂在0.6‰比例时泡沫半衰期最高，其中稳泡剂1的泡沫半衰期约150 s，稳泡剂2的泡沫半衰期约300 s，选用稳泡剂2进行稳泡较为理想；此外，通过现场测试确定了200～100︰1最优气液比范围。因此，确定了泡沫剂和稳泡剂的最终选型产品和配方，即：“5‰发泡剂1+0.6‰稳泡剂2、200～100︰1气液比”的泡沫配制方案。

图2 发泡体积分析曲线

在优选泡沫配制方案的基础上，依据冲击射流原理，开发了一体式冲击射流发泡方案，如图3所示。即按泡沫配制方案调配好泡沫液，向泡沫发生装置中分别定量输入泡沫液和压风，泡沫液和压风输入方向相反，压风经冲击导流板后分散为多股压风，以加强泡沫液和压风的混合效果。两者在一次发泡区初步混合后进行初期发泡，之后进入二次发泡区进行充分发泡，以保证泡沫液受到压风冲击后形成稳定连续的泡沫。

图3 稳定泡沫产生原理

2)“机械+泡沫”复合排渣技术

碎软煤层泡沫定向钻进成孔深度大，煤渣产生量大且运移距离长，煤渣易沉积在孔底，使钻头重复破碎，降低钻进效率；同时煤层出水时，孔内煤渣变得潮湿，相互团聚甚至形成糊状，排渣阻力明显增加，孔内沉渣量增多，卡钻、埋钻等复杂工况发生的风险显著提高。

“机械+泡沫”复合排渣技术原理：该技术结合泡沫排渣和异形钻具机械搅渣的技术优势，利用泡沫悬浮性好、携渣能力强的特点，可以减少孔底钻渣的沉积量，同时泡沫可以带出孔底积水，降低钻渣运移阻力，提高排渣效率；在泡沫排渣的基础上，利用空气螺杆马达和钻杆外部的异形结构(螺旋、三棱)搅动孔内钻渣，减小孔底钻渣的沉积量，增强钻渣运移能力[21]。

“机械+泡沫”复合排渣工艺流程：碎软煤层定向钻孔开始施工时，钻孔深度浅且煤层未出水时，钻渣运移阻力较小，采用“机械+空气”复合排渣可以满足钻进要求；钻孔深度加大出现排渣不畅情况，但煤层未出水时，采用“机械+空气”为主，“机械+泡沫”为辅的复合排渣方式强化排渣；钻孔深度较深且煤层出水时，钻渣排出较困难，采用“机械+泡沫”为主，“机械+空气”为辅的复合排渣方式，排出含水的钻渣，如图4所示。

图4 “机械+泡沫”复合排渣工艺

3)“空气+泡沫”复合钻进技术

单独应用空气定向钻进技术时无法实现空气螺杆马达高效降温和润滑，以及处置孔内出水等工况；单独应用泡沫定向钻进技术存在孔口返出大量泡沫的高效消泡难题。为此，开发了“空气+泡沫”复合钻进技术，即在钻进过程使用空气和泡沫两种冲洗介质，首先使用空气作为冲洗介质进行空气定向钻进，钻进一定时间或进尺后煤层未出水时，向孔内间歇性注入泡沫，以达到降温和润滑空气螺杆马达目的；当孔内煤层出水、孔口返渣量较小时，连续使用泡沫作为冲洗介质，以达到降温、润滑和排水的目的，待孔口返渣正常时，以空气为冲洗介质，继续向孔内间歇性注入泡沫[22]。

间歇性向孔内注入泡沫冲洗介质的“空气+泡沫”复合钻进技术，可以发挥2种钻进技术的优势，与泡沫钻进技术相比，泡沫使用量降低50%～ 60%(按1 h消耗量600 L计算，可节约泡沫液300～ 360 L)，减少了泡沫剂用量，降低了钻进成本，减小了井下水污染。

中风压泡沫钻进技术、碎软煤层空气定向钻进技术和碎软煤层泡沫定向钻进技术3种碎软煤层钻进技术对比见表1。

表1 3种钻进技术对比

2.4 配套装备

碎软煤层泡沫定向钻进配套装备组成如图5所示，主要包括定向钻机、泡沫发生灌注系统、空气螺杆马达、异形钻杆和随钻测量系统。

1—泡沫发生灌注系统；2—定向钻机；3—异形钻杆；4—随钻测量系统；5—空气螺杆马达；6—定向钻头

1) 定向钻机

定向钻机用于提供给进、起拔和回转动力、夹持和拧卸孔内钻具、克服螺杆马达钻进反扭矩等，目前已形成系列化产品。与液动钻进技术相比，泡沫定向钻进技术对定向钻机存在以下特殊要求：①泡沫定向钻进时不使用水作为冲洗介质，不需要配套泥浆泵或泥浆泵车；②碎软煤层所在巷道空间尺寸较小，在考虑成孔深度要求的基础上，定向钻孔成孔深度相对较浅，应尽量选择窄体小型化定向钻机。可选定向钻机型号包括ZDY4000LD(C)、ZDY 6000LD(B)和ZDY6000LD(F)等。

2) 泡沫发生灌注系统

泡沫发生灌注系统主要包括井下移动式防爆空压机、泡沫泵、泡沫液箱、泡沫发生器、气体流量计、泡沫流量计和配套管路、阀门等部件，如图6所示，主要部件的规格和作用见表2。

图6 泡沫发生灌注系统连接

表2 泡沫发生灌注系统主要部件

3) 空气螺杆马达

空气螺杆马达是一种容积式动力钻具，驱动介质为气体、泡沫等，对碎软煤层孔壁扰动小，适用于气动定向钻进。空气螺杆马达由马达总成、万向轴总成、传动轴总成组成，如图7所示，马达总成是空气螺杆马达的核心部件，决定着空气螺杆马达的输出扭矩和转速；万向轴总成由万向轴壳体和万向轴组成，用于将马达总成的星形运动转换为同心运动；传动轴总成主要由传动轴、推力轴承组、传动轴总成壳体等零件组成，用于将空气螺杆马达的动力传递给钻头。

图7 空气螺杆马达组成

4) 异形钻杆

为了提高钻进排渣效果，可以选用外壁为螺旋或三棱结构的异形钻杆，钻杆中心可选择是否安装中心通缆组件，安装中心通缆组件的异形钻杆可配套有线随钻测量系统使用，未安装中心通缆组件的异形钻杆可配套电磁波无线随钻测量系统使用。

5) 随钻测量系统

随钻测量系统用于在泡沫定向钻进过程中随钻测量钻孔倾角、方位角和空气螺杆马达工具面向角等参数，为钻孔轨迹调整提供依据。可选用的系统主要包括YHD2-1000(A)型有线随钻测量系统和YSDC矿用电磁波无线随钻测量系统。

3 现场试验

3.1 试验矿井概况

试验矿井选取安徽省宿州市某矿，井田位于淮北煤田宿县矿区宿南向斜内，工作面采用走向条带方式开采，自然垮落法管理顶板，为煤与瓦斯突出矿井。

试验钻场位于94采区61煤底板回风上山上部平巷，钻孔施工钻遇地层为71煤。71煤坚固性系数=0.3～0.52，平均厚度1.9 m，多含1～2层泥岩夹矸，平均厚度0.27 m；瓦斯压力0.62～2.15 MPa，瓦斯含量6.3～10.4 m3/t。71煤顶板为浅灰色-灰白色细粒石英砂岩，含菱铁质结核，底部可见泥质包体，平均厚度5.3 m；71煤底板为灰色-深灰色泥岩，平均厚度3.1 m。

3.2 试验方案

1) 试验钻孔设计

试验钻孔包括1、2、3号孔，均自71煤顶板开孔，保持主孔段在71煤层中延伸，3号孔设计轨迹如图8所示。钻孔由套管孔段和定向孔段组成，其中套管孔段又分四开施工，先施工ø108 mm先导孔，二开扩孔至ø120 mm，三开扩孔至ø153 mm，四开扩孔至ø193 mm，最后下入146 mm套管9 m，注水封固管封孔。定向孔段采用泡沫定向钻进工艺技术进行施工，钻孔孔径为108 mm；钻孔施工完成后，全孔下入ø32 mmPVC筛管护孔，以保证瓦斯抽采效果。

2) 试验配套设备

试验钻孔施工配套设备主要包括ZDY4000 LD(C)型全液压定向钻机、泡沫发生灌注系统(表1)、RDJK1型压风监控系统、ZFP-1型孔口除尘装置、YSDC矿用电磁波无线随钻测量系统、ø73 mm空气螺杆马达、大通孔送风器、ø73 mm大通径三棱螺旋钻杆、ø73 mm无磁钻杆、ø108 mm定向钻头等。

图8 3号钻孔设计轨迹剖面

3) 试验钻孔施工方案

试验钻孔定向孔段施工钻具组合：ø108 mm定向钻头+ø73 mm空气螺杆马达+ø73 mm下无磁+ ø73 mm探管外管(内部安装矿用电磁波随钻测量探管)+ ø73 mm绝缘短节+ø73 mm上无磁+ø73 mm大通径三棱螺旋钻杆+…+ ø73 mm大通径三棱螺旋钻杆+大通孔送风器。

1、2号钻孔采用空气定向钻进技术施工，3号钻孔采用泡沫定向钻进技术施工。钻进煤层未出水孔段时，应用“空气+泡沫”复合钻进施工方案，即空气定向钻进过程中间隔采用泡沫定向钻进，间歇性向钻孔内注入泡沫冲洗液，以达到降温润滑空气螺杆马达，降低孔口返出煤尘的目的；钻进煤层出水孔段时，采用泡沫定向钻进施工方案，利用泡沫排出孔内积水，降低钻渣运移阻力，增强排渣效果，以提高成孔深度。

3.3 试验结果

在3号顺煤层定向钻孔中试验泡沫钻进工艺技术，0～106 m煤层未出水孔段采用“空气+泡沫”复合钻进施工方案，钻进过程正常，孔口煤尘较少；106 m孔深位置煤层开始出水，采用空气定向钻进时孔口返风少，无煤渣返出，无法正常钻进，此时切换为泡沫定向钻进，大量泡沫从孔口返出带出孔内积水，泡沫和水返出一定时间后钻渣逐渐被携带出，待钻进压力和回转压力恢复正常后继续钻进，顺利钻至146 m；146 m孔深位置孔口没有出现返水现象，判断煤层未出水，切换为“空气+泡沫”复合钻进施工方案，顺利施工至孔深232 m。

与未应用泡沫钻进施工方案的1、2号顺煤层定向钻孔相比(煤层均出水)，成孔深度分别提高97%、105%，如图9所示，显著提高了顺煤层定向钻孔的成孔深度，有助于增强碎软煤层瓦斯抽采效果。

图9 顺煤层定向钻孔成孔深度对比

4 结论

a.基于泡沫高效携渣原理，开发了碎软煤层泡沫定向钻进技术，在淮北宿州某矿开展了碎软煤层泡沫定向钻进技术应用试验，顺利施工了主孔深度232 m的顺煤层定向钻孔，与应用空气定向钻进技术的1、2号钻孔相比，成孔深度分别提高97%、105%，显著提高了顺煤层定向钻孔的成孔深度。

b．利用室内搅拌测试法选型了“5‰发泡剂+ 0.6‰稳泡剂、200～100︰1气液比”的泡沫配方，开发了一体式冲击射流发泡方案，能够连续稳定产生泡沫，可为碎软煤层定向钻进泡沫配置提供技术借鉴。

c．碎软煤层泡沫定向钻进技术可以实现螺杆钻具降温和润滑，孔口煤尘泡沫高效处理，适用于煤层出水工况，有助于增强碎软煤层瓦斯抽采效果，为解决碎软煤层出水工况下钻进排渣难题提供了一种有效技术途径。

d．孔口返出泡沫含有煤渣的泡沫液，不能重复利用，造成了泡沫液的浪费。建议开发适用于碎软煤层泡沫定向钻进的固液分离技术，以实现泡沫液循环使用。

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Application of air foam composite directional drilling technology in broken soft coal seams

LIU Jianlin, FANG Jun, CHU Zhiwei, YANG Weifeng

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to meet the requirements of air screw motor cooling and lubrication, coal dust removal treatment at the orifice and water outlet disposal in the air directional drilling, an air foam composite directional drilling technology for broken soft coal seams has been developed based on the analysis of drilling slag migration characteristics of air directional drilling. The key technologies such as stable and efficient foaming, “mechanical + foam” composite slag discharge and “air + foam” composite drilling were integrated. The technology was also equipped with directional drillrig, foam generation perfusion system, air screw motor, special-shaped drill pipe and measurement while drilling system, etc.The application test was carried out in the coal mine in Suzhou, Anhui Province. Thedirectional borehole with the main hole depth of 232 m was successfully constructed along the coal seams in the broken soft coal seam. Compared with the boreholes using air directional drilling technology, the hole forming depth was increased by 97% and 105% respectively,which significantly improved the hole forming depth of directional drilling along the broken soft coal seams. The technology is helpful to enhance the gas extraction effect in the broken soft coal seams, and to achieve the purpose of cooling and lubricating the air screw motor and reducing the coal dust from the orifice. Finally, it can provide a new technical way for directional drilling construction of broken soft coal seams.

broken soft coal seam; foam;air; slagging; composite drilling; directional drilling

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TD421

A

1001-1986(2021)05-0278-08

2021-05-25；

2021-06-22

国家科技重大专项任务(2016ZX05067-001-003)；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2018-TD-ZD016)

刘建林，1981年生，男，内蒙古赤峰人，博士，研究员，从事井下新钻探工艺技术研究. E-mail：liujianlin@cctegxian.com

褚志伟，1989年生，男，河北廊坊人，硕士，助理研究员，从事井下新钻探工艺技术研究. E-mail：chuzhiwei@cctegxian.com

刘建林，方俊，褚志伟，等. 碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术应用研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(5)：278–285. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.032

LIU Jianlin，FANG Jun，CHU Zhiwei，et al. Application of air foam composite directional drilling technology in broken soft coal seams[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：278–285. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.05.032

(责任编辑 郭东琼)