顺煤层超长定向孔滑动减阻钻进关键技术研究

许 超，姜 磊，李泉新，方 俊，陈 盼，刘 智

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤矿井下定向钻进技术起步于20世纪60年代英国[1]，最初依靠稳定组合钻具及单点测斜仪实现倾角在一定范围内调节。随着弯螺杆钻具及随钻测量系统的引进，煤矿井下定向钻进技术得到极大发展[2-3]。我国煤矿井下定向钻进技术起步较晚，得益于国家长期坚持的煤炭能源结构，经过“十一·五”、“十二·五”等科技攻关，煤矿井下大功率定向钻进技术与装备取得重大突破，定向钻进技术已达世界领先水平[4-6]。

随着煤矿井下定向钻进技术与装备的进步，近水平定向钻孔以其精确的轨迹控制优势，逐渐被应用于瓦斯抽采、防治水及地质构造探测等方面，取得了显著的应用效果[7-10]。目前由定向钻进技术引申而来的应用场景正在不断扩宽，同时新的应用场景也为定向钻机技术提出更高的要求，在煤矿井下大区域瓦斯治理以盘区综合治理为目标的应用中，定向超长钻孔单次施工覆盖整个盘区，要求所施工的顺煤层定向钻孔长度大于3000m[11]，但受制于目前煤矿井下定向技术与装备，顺煤层钻孔滑动定向钻进钻进深度不超过2000m。

在顺煤层超长定向钻孔施工过程中，为实现钻孔轨迹高精度定向控制、安全高效钻进以及钻孔沿煤层延伸的钻进目标，“滑动钻进纠偏+复合钻进保直”的高效、精确定向钻进工艺技术与“主动探顶+侧钻分支+再探顶+再分支+…”的顺煤层递进式延伸钻进技术是顺煤层超长定向钻孔成孔的工艺保障。其中滑动定向钻进工艺在轨迹精确控制和侧钻分支作业中起到决定性作用。然而，随着钻孔长度增加滑动钻进阻力加速上升，滑动定向钻进阻力随孔深增加加速上升，造成钻机系统压力快速接近临界值[12]，从而制约了定向钻孔成孔深度。为此，从滑动钻进阻力影响因素分析出发，得出滑动钻进钻具阻力随孔深变化特性，并依此开发了滑动钻进减阻工艺技术，并通过现场试验结果进行验证。

1 滑动钻进钻具阻力

1.1 滑动钻进阻力影响因素

滑动钻进时，孔口钻机向钻具施加钻压，同时孔底煤岩给钻具以反作用力，致使钻具处于受压状态，定向长钻孔内随孔深增加钻具呈现出较强的“柔性”特征，受压变形后的钻具将与钻孔孔壁产生挤压接触，从而在滑动钻进过程中产生钻具与孔壁之间的摩擦力；另外，在近水平定向钻进过程中，钻屑容易在孔壁下部沉积形成岩屑床，岩屑床内钻屑与冲洗液混合形成的“固-液”两相流体对钻具产生一定的摩擦和黏附力。

因此，滑动钻进阻力可分为孔底对钻头阻力（钻压的反作用力）和钻具沿程摩擦阻力，其中后者包扩钻具与孔壁之间的摩擦阻力和钻具与岩屑床之间的摩擦与黏附阻力。

其中钻具与孔壁之间的摩擦阻力主要影响因素有3个方面：①钻孔深度：近水平定向钻进过程中，随孔深增加，钻具弯曲变形越来越严重，与孔壁之间的正压力也不断增加，从而造成孔内摩阻增大，导致钻压传递效率大大降低，这是影响滑动钻进深度的主要因素；②钻孔轨迹弯曲强度：钻孔轨迹弯曲强度越大，增大了钻具受压时径向偏移量，从而增加了钻具与孔壁挤压接触的正压力，导致摩擦阻力增大；③地层类型：地层对钻进过程中摩擦阻力的影响主要体现在2个方面：一方面钻进地层岩性造成孔壁与钻具之间的摩擦系数变化影响摩擦阻力，另一方面，钻进地层岩性坚固程度的影响，地层越坚硬，孔底煤岩给钻头的反作用力越大，钻具受压变形更严重，摩擦阻力就更大，反之亦然。

1.2 滑动钻进阻力特性

基于上述认识结合现场实际数据，在假设忽略法向力的增加对煤层摩擦系数的影响、钻孔沉渣沿钻孔孔壁均匀分布、忽略钻孔弯曲对摩擦力影响、钻孔延伸方向煤层力学参数均质等条件基础上，进行滑动钻进阻力特性分析。

滑动定向钻进过程中，钻进推力需要克服孔底钻进阻力和钻具摩擦力才能实现正常钻进。其中孔底钻进阻力是地层抵抗钻头压入和切削的阻力，其大小取决于地层力学参数、钻头结构和钻进工艺参数等，在各项条件确定的基础上，孔底钻进阻力近似为常数。

钻具摩擦力包括孔壁岩屑床对钻具的摩擦与黏附阻力和钻具与孔壁之间的摩擦力，其中前者大小与钻屑性质和沉积状况以及钻具长度有关，假设钻屑在孔内均匀分布，则孔内沉渣阻力将随孔深增加呈线性增加；后者在不考虑钻具与孔壁间摩擦因数变化情况下，随孔深增长，孔壁摩擦阻力逐渐增加、孔口推进力增大，钻进过程中钻具弯曲变形程度加剧，钻具与孔壁接触压力增大，导致孔壁摩擦阻力随孔深增长逐渐快速增加。滑动定向钻进阻力随孔深变化规律示意图如图1。

图1 滑动定向钻进阻力变化规律示意图Fig.1 Diagram of resistance variation law in directional sliding drilling

1.3 实钻滑动钻进阻力特征

钻孔施工过程中钻进系统压力是孔内钻进阻力的重要表征，两者之间成正比，因此系统压力能够直接反应孔口钻进推进力。以保德煤矿二盘区相同中硬煤层条件2311m和2570m2组顺煤层超长定向钻孔为例，实钻滑动钻进阻力符合滑动定向钻进阻力随孔深变化规律。钻进过程中系统滑动钻进推进压力随孔深变化如图2。

图2 滑动钻进推进压力随孔深变化规律Fig.2 Propulsion pressure of sliding drilling varies with hole depth

根据图2分析得知：

1）该曲线起始压力为5.99MPa，该压力主要由钻机液压系统初始压力和孔底钻进阻力组成，根据实钻数据，煤层中钻进孔底钻进阻力约为0.6MPa，因此，煤层钻进中，孔底钻进阻力对于滑动钻进阻力的贡献极为有限。

2）孔深0～1000m孔段，滑动钻进推进压力处于缓慢增长模式，从6.5MPa增加至8.0MPa，平均增长幅度0.15MPa/100m，由于根据滑动钻进摩阻特性理论分析得知，由钻屑沉积造成的滑动阻力增幅要低于0.15MPa/100m，处于比较低的水平，因此沿程钻岩屑床造成的滑动钻进阻力对钻孔延伸深度的影响十分有限。

3）当孔深达到1000～2000m时，滑动钻进推进压力呈现出加速增长特点，压力从8MPa增加至18MPa，平均增长幅度1.0MPa/100m。随着孔深的增加，孔内钻具的重量增大，其所受的摩阻逐渐增加，钻具弯曲造成的摩阻增大现象凸显，消耗了大部分推进力。

4）当孔深超过2000m后，滑动钻进推进压力呈现急剧增长特点，压力从18MPa迅速增大至28 MPa，达到定向钻机额定推进压力，平均增长幅度3.3MPa/100m，此段滑动定向钻进中，由于滑动推进力极具上升，造成滑动定向钻进机械钻速快速下降且不平稳，时常发生滑动“锁死”现象，已不能满足正常定向钻进的需要。

因此，滑动定向钻进过程中，钻具与孔壁之间摩擦阻力随孔深增加加速上升，造成钻机系统压力快速接近临界值，是制约钻进深度的根本原因。目前采用的准89mm定向钻具组合，顺煤层滑动钻进深度一般不超过2000m。

2 滑动钻进减阻工艺

基于上述研究，研究开发了水力加压和正反扭转钻进技术来解决滑动钻进减阻难题。

2.1 水力加压减阻钻进技术

通常情况下，煤矿井下滑动定向钻进中推进力由孔口钻机通过钻具传递到孔底，但推进力在传递过程中会因钻具与孔内沉渣和孔壁摩擦导致传递效率降低，深孔状态下会造成钻机施加的推进力无法有效传递至孔底钻头上。为此，设计了水力加压螺杆钻具，水力加压螺杆钻具转子总成在水力驱动下旋转的同时可在轴向产生一定位移，即冲洗液流经螺杆钻具时在高、低压腔冲洗液压降作用下不仅可驱动钻具转子总成带动钻头旋转，同时产生轴向推力将转子总成连同钻头沿轴向推出一定距离，进而在钻进过程中通过水压为钻头施加推力（钻压），从而改善孔底钻具受力状态和钻具弯曲变形程度，降低滑动钻进过程中的钻进摩擦阻力，对于提高超长定向孔钻进深度具有积极意义。水力加压螺杆钻具工作示意图如图3。

图3 水力加压螺杆钻具工作示意图Fig.3 Schematic diagram of hydraulic pressure screw drilling tool

冲洗液压降产生的轴向推力可由下式计算：

F=［AR＋（N＋1）AG］△p

式中：F为轴向推力，N；AR为转子的截面积，m2；AG为过流面积，m2；N为转子的头数；△p为流体的压差，Pa。

经计算，准89mm水力加压螺杆钻具正常钻进时输出的轴向推力可达到6kN以上，可以满足准120 mm钻头在中硬煤系地层钻进中对钻压的要求。

2.2 正反扭转减阻钻进技术

煤层超长定向孔钻进过程中，复合钻进推进压力随孔深呈线性变化，变化幅度很小。因此，与滑动钻进相比，复合钻进在超长钻孔施工中减阻效果显著。复合钻进减阻机理是在钻进过程中，钻具在轴向滑动与回转的复合运动下，钻具总摩擦阻力分解为轴向摩擦阻力和切向摩擦阻力，钻机推进力克服轴向摩擦阻力推动钻具轴向运动，钻机旋转扭矩克服切向摩擦力带动钻具转动。复合钻进状态下，机械钻速、钻具复合转速和钻孔深度是影响钻具轴向摩擦阻力和旋转摩擦扭矩的主控因素，轴向摩擦阻力随复合转速变化曲线如图4。

由图4得知，相同孔深条件下，轴向摩擦阻力随复合转速增加而降低；转速在20～30r/min区间内，转速的微小增加便会引起轴向摩擦阻力的显著降低，并且钻孔深度越大复合转速对轴向摩擦阻力影响越大，复合钻进减阻效果越好。

图4 轴向摩擦阻力随复合转速变化曲线Fig.4 Variation curves of axial friction resistance with compound speed

基于复合钻进减阻机理，结合深孔条件下滑动钻进时钻具在复杂受力下产生弹性变形、孔口钻杆少量正反转动不会传递至孔底的特点，在滑动定向钻进时利用钻机带动钻具进行小幅度正反往复扭转，扭转运动将沿钻具传递至孔内一定深度，在该深度处扭转力与钻具运动阻力相平衡，称该深度位置为平衡点，以平衡点将孔内钻具划分为2个典型区域：扭转运动区和滑动运行区。扭转运动区内钻具做正反扭转与滑动的复合运动，其运行特点与复合钻进相似，该区域钻进阻力大幅度减小；滑动运行区为扭转运动未影响到的区域，该区域钻具做滑动运动，保证了螺杆钻具工具面向角不变。扭转钻进工艺既可有效减小滑动钻进阻力，又保证了定向钻进轨迹控制精度。正反扭转钻进示意图如图5。

图5 正反扭转钻进示意图Fig.5 Schematic diagram of forward and reverse torsional drilling

经计算，得出正反扭转角度与其扭转运动区长度关系为：

式中：l为扭转运动区长度，m；G为钻具材料切变模量，Pa；Ip为钻具惯性矩，m；φ为扭转角度，（°）；r为钻具半径，m；μ为钻具与孔壁间的摩擦系数；q为单位长度钻具质量，kg；g为重力加速度，m2/s。

基于上述研究结果得出：一定旋转角度范围内正反扭转钻进时，扭转频率越高，扭转运动区内钻具运动时转速越高，减阻效果越好；在不改变螺杆钻具工具面和不致使钻具卸扣条件下，扭转运动幅度越大，扭转运动区范围越大，钻进减阻效果越好。

3 超长定向钻孔工程实践

1）工程概况。保德煤矿是神东煤炭集团下属的高瓦斯矿井，其规划的二、三盘区工作面走向长度普遍超过3300m，为了开展大盘区煤层瓦斯超前治理，前期在保德煤矿二盘区81210工作面和81209工作面分别完成了主孔深度2311m和2570m的顺煤层定向长钻孔，取得了良好的瓦斯抽采效果。本次在保德煤矿二盘区81210工作面开展3000m以上顺煤层超长定向钻孔工程实践，以期实现利用顺煤层超长定向钻孔一次性沿走向贯穿工作面，进一步扩大矿井瓦斯抽采区域。81210工作面走向长度约3340m，倾向长度240m，煤层平均厚度6.8m，煤层中上部及中下部分别分布有厚0.4m和0.6m夹矸层，煤层和夹矸f系数平均分别为1.7 和2.0 。

2）施工情况。钻孔施工选配了ZDY15000LD大功率定向钻机、BLY460/13高压泥浆泵车、YHD3-3000泥浆脉冲无线随钻测量系统、1.5 °弯角的 准89 mm水力加压螺杆钻具、准89mm高强度大通孔定向钻具、准120mm定向钻头。自2019年8月19日，钻进用时21d，成功钻成主孔深度3353m的顺煤层超长贯通定向钻孔，创造了井下顺煤层定向钻孔深度纪录，钻孔贯穿81210工作面并与相邻三盘区二号回风巷精准贯通。主孔煤层钻遇率100%，钻孔总进尺4428m。3353m顺煤层定向钻孔实钻轨迹图如图6。

图63353 m顺煤层定向钻孔实钻轨迹图Fig.6 The actual drilling trajectory of in-seam borehole with3353m

4 滑动钻进减阻效果

1）螺杆钻具水力加压减阻效果。本次试验采用水力加压螺杆钻具与以往采用常规螺杆钻具在相同地质条件下顺煤层定向长钻孔钻进过程中滑动钻进推进压力随孔深对比的方法，滑动钻进推进压力对比图如图7。由图7可看出，在孔深0～1000m孔段，常规螺杆钻具推进压力随孔深增加近似线性缓慢增长，而水力加压螺杆钻具可将推进力随孔深的这种变化趋势延长至1500m；同样，水力加压螺杆钻具钻进推进力的加速增长和急剧增长阶段孔深均大于常规螺杆钻具，滑动钻进深度更大，钻进速度平稳性也更高。采用水力加压螺杆钻具时推进压力明显小于常规螺杆钻具。

图7 滑动钻进推进压力对比图Fig.7 Comparison of feed pressure of sliding drilling

2）钻具正反扭转钻进减阻效果。在孔深2000 m后孔段实施滑动定向钻进时，采取先滑动钻进一定距离后再按扭转幅度0.4 ～1圈、扭转频率1圈/6s实施正反扭转钻进，并分别记录相同深度位置2种钻进工艺的推进压力。钻进系统推进压力对比图如图8。由图8可看出，在孔深2010～2226m孔段，采用正反扭转钻进与滑动钻进对比试验6次，扭转钻进推进压力10～13MPa，较纯滑动推进压力降低2～4MPa；采用纯滑动定向钻进时，预测在孔深2500 m左右推进压力将接近系统极限值，而采用扭转钻进推进压力仅为15～16MPa。采用扭转钻进时推进压力较滑动钻进明显降低。

图8 钻进系统推进压力对比图Fig.8 Comparison of feed pressure of drilling system

螺杆钻具水力加压钻进及正反扭转钻进工艺有效降低了滑动钻进摩阻，顺煤层超长孔滑动定向钻进深度达到了2700m。

5 结 语

1）近水平超长定向钻孔条件下，滑动定向钻进过程中，钻具与孔壁之间摩擦阻力随孔深增加加速上升，造成钻机系统压力快速接近临界值，是制约钻进深度的根本原因。水力加压钻进技术，通过水压为钻头施加推力，从而改善孔底钻具受力状态和钻具弯曲变形程度，滑动钻进轴向推力明显低于常规螺杆钻具，减阻效果良好，滑动钻进深度更大。

2）基于复合钻进减阻规律，开发的正反扭转定向钻进工艺在相同孔深条件下，较纯滑动钻进推进力显著降低，滑动钻进深度明显提高。

3）基于水力加压钻进和正反扭转钻进的滑动减阻钻进技术显著降低了超长定向钻孔钻进过程中的钻具轴向摩阻力，对于超长定向钻孔轨迹纠偏控制具有重要意义，顺煤层超长孔滑动定向钻机深度提升至2700m，在该项工艺技术的支撑下，完成了3 353m顺煤层高精度超长贯通定向钻孔施工。