碎软煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术试验研究

2022-10-19张宏杰王常委张亚洲王建强杨智杰

煤炭工程 2022年10期

张宏杰，张杰，杨帅，王常委，张亚洲，王建强，杨智杰

(1.山西天地王坡煤业有限公司，山西晋城 048000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

我国碎软煤层占比超过50%，集中分布在我国中东部，由于煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大，导致瓦斯灾害事故频发[1-3]。碎软煤层瓦斯抽采导致了高效开采与安全保障系列难题。目前阶段，瓦斯抽放钻孔是治理煤矿瓦斯灾害最常用、最直接的手段[4，5]。近些年来，国内外学者对碎软煤层长钻孔施工技术进行了深入研究，在理论方面，建立了钻孔失稳模型以及揭示钻孔失稳机理且分析了钻孔失稳主要因素[6-8]，建立了气固耦合两相流理论与螺旋排渣动力学理论[9，10]；在钻进工艺方面，开发了水力正循环回转钻进技术、螺旋钻杆干式回转钻进技术、泡沫/雾化钻进技术、空气反循环钻进技术、空气套管钻进技术、梳状钻孔定向钻进技术、气动定向钻进技术等多种钻进工艺[11-13]；在钻具研制上，先后研制了普通外平钻孔，螺旋钻杆、刻槽钻杆、三棱钻杆与中心通缆式钻杆等[14]。以上研究在一定程度上提高了碎软煤层长钻孔成孔性，但仍存在钻孔长度短、钻进效率低及成孔难的问题。

王坡矿3#煤层属于典型碎软煤层，具有整体强度低、遇水易变形丧失稳定性等特点，钻孔施工中存在塌孔卡钻(埋钻)、成孔深度浅、钻进效率低等问题。自2014年以来，采用基于矮螺旋钻具的复合定向排渣钻进技术，先后开展了顺层定向钻孔、顶板梳状钻孔与底板梳状钻孔，均存在效果不佳，钻孔深度短、塌孔严重、钻进效率低，且孔内事故多发，难以满足矿井瓦斯抽采需求[15-17]。针对现有“液动排渣为主、螺旋搅动为辅”排渣方式，因水量大对孔壁冲刷严重、螺旋槽浅造成孔壁坍塌、排渣效率低现状，创新提出“高螺旋机械排渣为主、液动排渣为辅”的复合排渣定向钻进技术，改变过去“液动排渣为主、螺旋搅动”为辅排渣方式，其优势是在冲洗介质排渣的基础上加强机械排渣能力，所采用的螺旋钻具槽深是传统钻具槽深三倍左右，且增加螺旋翼片宽度，提高钻孔排渣能力与钻孔稳定性。因此，本文针对碎软煤层的特点，分析了钻孔失稳特征，研制了高效排渣钻杆，并对大功率定向钻进装备选型和定向孔施工工艺进行研究，在王坡煤矿进行现场试验，形成适用于碎软煤层高效排渣顺层定向钻孔成孔工艺方法。

1 碎软煤层钻孔失稳特征

1.1 煤层条件

碎软煤层通常是指松软煤层与构造煤，其中松软煤层是f≤0.8的煤层；构造煤是在漫长的地质演化过程中，受到强烈的构造挤压、褶皱变形和层间滑动揉皱等作用，形成低强度、易变形、透水性大与抗水性差的煤体[18]。王坡煤矿主采的3#煤层属于典型的碎软煤层，煤层密度1.6×103kg/m3，实测单轴抗压平均为18.09MPa，但由于煤体节理裂隙极其发育，造成煤体整体力学强度较低，钻孔孔壁稳定性较差，极易发生塌孔现象，再受到外力干扰极易形成碎块状、碎粒状煤。

1.2 钻孔失稳机理

1.2.1 钻孔应力分布

在钻孔轴向方向，根据支承压力大小，可分为：应力降低区、峰后应力升高区、峰前应力升高区、应力稳定区。应力降低区由于煤体经历峰值应力，发生塑性变形，产生大量裂隙，钻孔稳定性最差，只要受到扰动极易发生塌孔；峰后应力升高区也经历了峰值应力发生塑性软化变形，产生大量微小裂隙，且仍受到高应力作用，钻孔易发生塌孔；峰前应力升高区内应力逐渐增加，但没超过煤体自身强度，处于弹性变形，压实原有裂隙同时产生新的裂隙，煤体内部裂隙发育程度较低，钻孔不易发生塌孔；应力稳定区内煤体处于原岩应力，未受采掘活动影响，内部裂隙不发育，钻孔最不易发生塌孔[19，20]。

由于钻孔长度远大于其直径，因此钻孔壁的受力可以看作平面应变问题。在钻孔径向方向，建立其力学模型，根据岩石力学，得出塑性区半径R0计算公式是：

式中，p0为原岩应力，MPa；pi为孔内支撑压力，MPa；a为钻孔半径，m；R0为塑性区半径，m；c为内聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°)。

由上式可知，在钻孔径向方向，当原岩应力一定时，由于碎软煤层的煤体强度、内聚力与内摩擦角都较小，且上仰孔缺乏孔内支撑力，钻孔径向塑性区半径较大，靠近孔壁较大范围内属于塑性屈服阶段，再受到钻杆扰动极易发生失稳塌孔。

1.2.2 稳定性分析

由上述分析可知，王坡煤矿主采的3#煤层属于典型的碎软煤层，在钻孔轴向方向受到巷道采动应力场、钻孔径向方向受到自身施工的二次应力场的影响，钻孔在应力降低区与峰后应力升高区极易发生失稳塌孔，煤渣呈现较大碎块状，煤体密度可达1.6×103kg/m3，清水无法有效将煤块冲带出孔外；钻孔在峰前应力升高区与应力稳定区不易发生塌孔，但由于煤层受到水的长时间冲刷，造成钻孔周围煤体变形，更进一步导致钻孔发生更大范围失稳坍塌。大量煤渣不及时排出孔内，造成孔内煤渣堆积，阻碍瓦斯与水的排出，从而引起瓦斯聚集形成喷孔，继而发生进一步煤体失稳破坏，造成钻孔结构性塌孔，发生埋钻事故。因此，为解决碎软煤层成孔问题，需在不增加流量基础上，减少冲刷，提高钻具排渣效率，开发高效排渣定向钻具。

2 装备研究与选型

2.1 定向钻杆

针对∅89mm整体螺旋钻杆与∅89mm三棱螺旋钻杆两者槽高较浅且单位煤渣搅动体积小，排渣方式为“液体排渣为主、螺旋搅动排渣为辅”，为了克服液体对孔壁冲刷而造成孔壁失稳，因而提出“高螺旋机械排渣为主、液动排渣为辅”的复合排渣方式，研制了∅98mm焊接螺旋钻杆，增加槽高深度、螺旋翼片宽度，提高了单位钻渣扰动体积，减少液体对孔壁冲刷作用，提高钻孔排渣能力。

2.1.1 定向钻具结构特征与排渣性能分析

∅89mm整体螺旋钻杆，外径89mm，内径42mm，槽高4.5mm，槽宽24mm，如图1所示，钻杆采用整体铣削方式加工，在厚壁管材中铣出，具有足够的强度和韧性，轴向布置双头螺旋铣槽，既保证钻杆整体强度，又要保证钻杆搅粉、排粉能力。在钻进过程中，钻杆的螺旋翼片旋转搅动钻孔内沉积的钻屑，使钻屑悬浮起来，在冲洗介质的作用下将悬浮的钻屑携带、运移排出孔外。

∅89mm三棱螺旋钻杆，外径89mm，内径42mm，槽高4.5mm，槽宽24mm，如图2所示，钻杆体采用摩擦焊接工艺，整体力学性能好，使用寿命长；钻杆接头采用双顶结构设计，抗扭能力较常规接头提高约30%；钻杆接头螺纹强度高，抗粘扣性能好。在钻进过程中，三角截面设计增大了钻杆与孔壁间的环隙，排粉更加通畅，另外高强度三棱螺旋钻杆圆周上均布大导程螺旋槽，搅粉、排粉能力强。

针对以上两种钻杆特点，研制了一种机械排渣和冲洗介质排渣相结合的高螺旋叶片钻杆，即∅98mm焊接螺旋钻杆，外径98mm，内径42mm，槽高12.5mm，槽宽68.7mm，如图3所示。∅98mm焊接螺旋钻杆由钻杆体和螺旋叶片组成，钻杆体中心管体直径略小于两端接头直径，中心管体略细，具有足够强度同时有良好的韧性，接头略粗具有足够强度。钻杆体具有中心通孔结构，两端接头分别为相互配合的公、母螺纹丝扣，接头和中心管体摩擦焊接成为整体。钻进过程中，通过增加螺旋叶片宽度和高度，使得机械排渣效果明显提升，不再是仅起到搅拌和碾压作用，实现高效机械和冲洗介质双动力强排渣效果；由于螺旋翼片宽度宽，对孔壁起到很好的支撑稳定作用，相比薄螺旋叶片的刮削和扰动作用小，钻进中钻孔稳定性好。

通过计算可知，钻孔孔径一定时，相同转速下，三种钻杆的单位煤渣搅动体积分别为222.19mm3、907.30mm3与3057.58mm3，∅98mm焊接螺旋钻杆的单位煤渣搅动体积最大，机械排渣情况下其排渣效果最好。

2.1.2 孔口钻渣排出速度计算

顺煤层钻孔施工中，钻孔一般为上仰孔，泵车排出高压水经过送水器，再通过钻杆中心到达孔底，在高压水的压力作用下，煤渣沿着钻杆外壁与孔壁之间的环空间隙排出孔内，以此建立了二维条件下排渣流体力学模型[21](不考虑钻具旋转)，如图4所示。

根据水力学伯努利方程，且不考虑沿程损失与局部损失，得出孔口钻渣排出速度vf公式：

式中，vf为钻渣排出速度，m/s；p1为孔口高压水压力，MPa；p0为标准大气压，MPa；ρf为钻渣密度，kg/m3；ρ为清水密度，kg/m3；s为体积分数；v1为孔口高压水速度，m/s；A1为钻孔中心通道截面积，m2；A2为环空截面积，m2；L为钻孔深度，m；α为钻孔倾角，(°)。

由上式可知，清水钻进时，当孔口高压水压力、标准大气压、钻渣密度、体积分数、孔口高压水速度、钻孔中心通道截面积、钻孔深度与钻孔倾角一定时，钻渣排出速度与环空截面积成负相关。钻孔孔径为∅140mm，在三种钻杆环空面积分别为9394.86mm2、10079.97mm2与7850.84mm2，∅98mm焊接螺旋钻杆环空截面积最小，可得孔口钻渣排出速度最大，另外，钻杆回转有利于搅动沉渣随水排出孔外，其排渣效果最好。

2.2 泥浆泵

根据钻进过程中煤层条件和排渣需要，为了提高清水携渣能力，试验需选择大排量、流量无极调节的泥浆泵车。因此，使用BLY460型煤矿井下定向钻进用全液压履带泵车，该泵车具有可自主行走、集成性好、性能先进、大排量(理论最大排量460L/min)、高压力(额定压力13.8MPa)、流量无极调节、操作简便及作业安全等特点，可以满足试验要求。

2.3 定向钻机

碎软煤层定向钻进中，钻孔极易失稳造成孔内大量煤渣，对定向钻机选配提出以下要求：钻机能力强，即钻机功率、扭矩、给进起拔力等性能参数要足够大；满足多工艺施工要求，适用不同结构和尺寸的钻具，如不同尺寸结构的螺旋钻杆、三棱螺旋钻杆等，实现不同工艺钻进施工。综上所述，选择中煤科工集团西安研究院有限公司研制的ZDY15000LD定向钻机，主要技术参数见表1。

表1 钻机主要技术参数

2.4 螺杆钻具

根据碎软煤层钻进需要，为了保证排渣效果，试验选用∅89/99mm外螺旋螺杆钻具，即马达外形设计成螺旋结构，其槽深4.5mm，提高了排渣能力。为提高碎软煤层造斜能力，将衬垫加厚，并设置单向阀，防止因喷孔造成钻具损坏。

2.5 定向钻头

为减小冲刷作用，降低钻头水眼流速，本次试验选用大水眼∅140mm定向钻头。较常规∅120mm定向钻头，钻头水眼过流面积增加了2.6倍，减少水流流速，大大减少对孔底冲刷。

2.6 测量装置

本试验采用YHD3-1500(A)泥浆脉冲随钻测量系统，其不受钻孔长度的影响，以泥浆作为信号载体，采用泥浆脉冲作为数据传输方式，钻杆内的泥浆是信号传输的媒介，不需要使用电缆，信号传输实时稳定可靠，从而减少了对钻杆的结构和密封要求，工作安全性和稳定性较高。仪器外管体也为螺旋结构，整套钻具螺旋结构连续性，有利于排渣。

3 现场试验

3.1 钻孔设计

为了试验三种钻具排渣效果，在天地王坡矿3306运输巷回风联巷钻场开展顺层定向孔钻进试验，设计定向钻孔4个。其中，3个钻孔主孔设计深度300m(含分支孔两个，分支孔进尺280m)，分别试验三种钻具；1个钻孔主孔设计深度400m(含分支孔两个，分支孔进尺285m)，选择效果最好的钻具进行施工。

3.2 钻具组合

根据钻探工艺、钻孔结构参数等，本试验的定向钻进钻具组合依次为：∅140mmPDC平底钻头、∅89/99mm螺杆钻具、YHD3-1500(A)泥浆脉冲随钻测量系统，再分别连接∅89mm整体性螺旋钻杆或∅89mm三棱螺旋钻或∅98mm焊接螺旋钻杆进行三种钻具组合施工。

3.3 施工工艺方法

在碎软煤层钻进时，由于钻孔稳定性差且受到清水冲刷作用，造成钻渣较多，为保证排渣效果与成孔率，本次试验采用“复合定向钻进为主、滑动定向钻进为辅”的钻进工艺。

1)复合定向钻进。复合钻进钻具不断地搅动钻孔孔壁下缘堆积的钻屑，加强机械排渣，使其便于被冲洗液携出钻孔，以防埋钻事故发生；复合定向轨迹较滑动定向钻进钻孔轨迹更加平滑，钻具摩阻要小于滑动定向钻进，因此有利于深孔钻进。

2)滑动定向钻进。钻孔施工过程中，当实钻轨迹与设计轨迹之间偏差达到一定值后，调整孔底螺杆马达造斜工具面，滑动给进，连续造斜改变钻孔前进方向，获得理想钻孔姿态参数后回转稳斜定向钻进。

结合碎软煤层特点，为保证排渣效果，避免大排量泥浆对煤体冲刷破坏，泥浆泵量在200～300L/min，钻进速度不宜过大，一般在6～9m/h，每钻进一段应回转扫孔，增大转速，加强排渣，避免煤渣堆积造成卡钻。

3.4 效果分析

3306运输巷回风联巷钻场共完成4个顺层定向孔，包括4个主孔、10个分支孔，4#孔最大孔深404m，实钻平面轨迹如图5所示。

本次试验1号钻孔、2号钻孔、3号钻孔与4号钻孔累计进尺分别为874m、873m、906m和1144m，总累计进尺3797m，总计144个班次，平均26.37m/班，其中，1号钻孔、2号钻孔与3号钻孔分别使用∅89mm整体螺旋钻杆、∅89mm三棱螺旋钻杆与∅98mm焊接螺旋钻杆，根据试验效果，4号钻孔选择∅98mm焊接螺旋钻杆，钻孔实钻数据见表2。

表2 钻孔实钻数据

为考察三种钻杆的钻进效率及排渣效果，对试验钻孔的返渣量与钻进效率进行统计，结果显示，∅89mm整体螺旋钻杆、∅89mm三棱螺旋钻杆与∅98mm焊接螺旋钻杆钻进时单位进尺返渣量分别为120kg/m、140kg/m与270kg/m，是单位进尺返渣量理论值的4.9倍、5.7倍与11.0倍；∅98mm焊接螺旋钻杆钻进时钻进效率可达30.6m/班，是前两者钻进效率的1.4倍、1.3倍，由此可以说明，其他条件相同时，∅98mm螺旋钻杆的钻进效率最大和排渣效果最好。

试验过程中，钻孔孔段前100m左右受到巷道采动应力场、钻孔径向方向受到自身施工的二次应力场的影响，极易发生塌孔现象，造成钻渣较多进而堵塞排渣通道，通过增大机械转速、减少排量，提高排渣能力，钻孔均未出现卡钻与喷孔现象；钻孔孔段100～400m，由于受到清水冲刷作用，钻孔稳定性较差，钻孔易发生塌孔现象，钻进中常常出现憋泵、回转压力异常升高情况，并多次出现塌孔卡钻现象，其中1号钻孔卡钻6次，2号钻孔卡钻4次，3号钻孔卡钻3次，4号钻孔卡钻2次。因此，钻孔塌孔段应加强回转机械排渣与减少排量，有利于提高成孔率。