煤矿井下较大孔径倾斜定向钻孔施工技术分析

王旭锦

（国家能源集团乌海能源天荣公司，内蒙古 乌海 016000）

随着煤矿定向钻进技术的不断推广和快速发展，较大孔径倾斜定向钻孔技术作为一种综合高效的施工技术已应用于许多煤矿。然而，在大直径定向深井的施工中，特别是在扩张过程中，钻杆在穿过孔的弯曲部分时会弯曲变形，钻机在施工过程中会受到交变应力和压力应力的影响。旋转应力越大，施工时孔径越大，钻杆会同时旋转，容易出现疲劳和损坏。

1 大直径水力压裂定向钻进工艺原理

（1）梳形钻井技术与水力喷射钻井技术相结合，适用于大直径水力裂缝定向钻井施工。为了满足逐步水力压裂的要求，每个支点之间的距离必须超过80m。因此，采用煤层下梳形定向钻进技术在裂缝性弱低渗透地层底部稳定层钻进，采用“旋转剪切定向钻进”组合定向钻进技术完成保护套管的分散。施工孔段、下放至套管、封孔、渗碳和蚀刻；然后，根据设计要求，采用“旋转剪切定向”定向钻进技术，直接钻进装订椅。直孔块的施工和陡峭地层的钻探已经完成。锯煤后，钻入煤层60m，将钻机提升至预留分支点，打开分支线，继续进行定向钻进，直至形成钻孔。

（2）定向钻进完成后，应提升钻头，更换液压喷砂钻具，采用“反向”液压喷砂钻进技术，扩大钻进范围，达到公司要求的液压反射压裂技术的目标孔径（SOOMM）。在这个过程中，高压泵站产生的射流通过高压软管和钻杆到达钻孔的前部，喷砂钻头或钻杆安装在钻孔的前部。在钻杆前面，煤沿钻杆径向破碎。

（3）当定向钻井遇到水敏煤层和黏土层时，MZ-1型[00 防滑清洁剂使用防滑流体抑制和保护设备，以避免膨胀粘土岩水化引起的收缩和泄漏，并采用快速孔隙度技术缩短钻井时间，即减少黏土岩与水的相互作用时间，避免快速钻井完成工程。孔壁的扰动和侵蚀有助于保持稳定性并提高工艺的适应性。

2 工艺现状

2.1 施工效率低

目前，中国采用多孔成形法进行最终直径超过120mm 的高水平定向钻井，其扩张程度取决于钻井设备的能力。第二孔形成过程的直径通常小于153mm，即导向孔上端的孔直径通常为三个孔形成过程，即，导向孔膨胀一次和两次。如果钻孔能力不足，铰链孔的数量将增加。根据现场施工经验，一次扩建的完成时间为先导孔钻井时间的50%～80%。

2.2 钻具组合复杂

采用旋转铰链导向孔的双钻技术。导孔通常使用73mm定向钻头（94mm）或89mm 定向钻头钻取，然后将较大的钻头重新安装在设计孔径上。先导井的方向需要实时校正，导致井眼平滑度低。当旋转和扩张时，当曲线路径受限时，钻杆会产生可变压力，钻机会受到疲劳断裂的影响。同时，由于钻杆结构和机械强度的限制，转向钻杆不适合长期旋转钻进，旋转扩张时需要更换专用钻具。钻机必须配备两套钻具，这增加了设备成本和劳动强度。

2.3 孔内事故多发

定向钻井事故主要有两个原因：（1）地质条件；（2）钻井技术。

（1）地质条件。高方向钻井现场有多条回油管，钻井轨迹通常从开放位置到目标位置经过几层。地层边界岩石烧结强度低，钻井过程中由于钻具旋转的干扰，井壁容易损坏。地层中黏土顶板层较多，定向和膨胀钻井施工周期较长。泥浆层中的坑壁在清水钻井液中长期浸泡后会被水合物膨胀，容易破裂。

（2）技术因素。当使用73mm94mm 定向钻头或89mm定向钻头进行定向钻进时，钻头与井壁之间的环形宽度和孔径小于30mm，不利于钻头从钻孔中返回，导致钻头钻进和埋藏，降低钻井效率和孔隙度。在铰接孔中，通常使用89mm 铰接钻杆和铰接钻头进行施工。当端孔的直径为153mm时，环形间隙大于60mm，这减少了钻壁对钻杆的干扰，并增加了钻杆的运动自由度。钻杆和钻孔对旋转钻井的井壁有很强的干扰。在液体侵蚀的共同作用下，坑壁可能会严重损坏。当最终孔径较大时，需要一定的孔径扩展。在钻机的反复干扰下，井壁进一步坍塌。在钻铰孔和钻孔时，不安装轨道测量系统就无法控制铰孔的路径。当钻杆下方发生严重的油井坍塌时，会产生一个偏转器，这将导致膨胀钻头在导轨上失效，打开一个新的孔，并导致所有优质钻头失效，造成巨大人力、物力和时间损失的项目。

3 大直径高位定向钻孔成孔工艺

3.1 钻机选型

钻机的选择应首先考虑钻机的基本技术参数是否满足施工需要。这应考虑到施工成本和施工条件，以及上述因素，最终确定合适的钻井设备。高水平大直径定向钻施工对钻井设备有以下要求：钻机必须提供大推力，使钻头能够有效地损坏岩石；较大的摩擦阻力是由强摩擦引起的，因此需要较大的推力来克服摩擦阻力和钻头的自重。随着钻头直径的增加，对张力和输出扭矩的要求更高；定向钻井依靠钻井泵提供高压水压，以驱动井下发动机旋转钻头并破碎岩石。为了提供足够的动力来摧毁岩石，底部电机的功率越大，前泵的消耗就越大。目前，我国大直径定向钻井的关键设备是10000 ～20000Nm 定向钻机，它提供的扭矩、推力和张力不足，无法有效推进岩石。同时，钻机的钻井泵一般提供400～600L/min 的流量，无法驱动强大的地下电机，导致直径200mm 的钻头断裂，选择更强大的钻机有助于处理钻井事故，提高机械钻井速度。因此，根据试验场地的施工条件，选用ZYWL-2300DS 型双线全液压煤矿钻机，适用于防爆、排水、地质勘探等工程的定向钻井施工。适用于硬度系数为F12 的中硬地层或岩石的衬砌。

3.2 配套钻具

选择合适的钻具包括选择钻头、螺杆发动机和钻杆。

（1）工具选择。钻头的选择应考虑岩石破碎效率和挠曲能力。目前，PDC 扁平钻头和PDC 弧形钻头主要用于井下。平底钻头具有很强的偏斜和分叉能力，但钻井阻力大，岩石破坏效率相对较低。它通常用于钻探松软煤层、岩石和小直径油井。弧底钻进阻力低，岩石破坏效率高，分支能力相对较低，主要用于硬质岩石和大直径钻进。大直径高水平定向钻稳定岩，位于煤层上方，岩石硬度高；然而，在高水平定向钻井中，分支孔较少，对分支钻头功率的要求也较低。

（2）地下电机的选择。钻头底部的发动机是定向钻进过程中钻头破碎岩石的直接驱动力，这决定了定向钻进的效率。地下电机的选择主要取决于钻井设备的管道容量。在允许的钻井泵功率下，应最大限度地使用高技术参数的螺杆发动机，以促进高效定向钻井。ZYWL 定向钻机的最大流量为23000ds800l/min，水压为10MPa。在此基础上，可选择7LZ1277.0-4-896 型地下发动机，其可产生2500Nm 的工作扭矩，从而有效地损坏钻头对岩石的损坏。

（3）选择定向钻孔。定向钻井的功能是传输钻机的功率和测量信号，以确保钻井工具在油井中的安全有效运行。钻杆应具有足够的机械强度，以确保钻井工具在油井中的安全，并注意钻头与地下钻具的兼容性。根据钻头的安全条件，能够适应200mm 钻头和127mm 地下电机的钻杆包括102mm 和127mm 钻杆。考虑到钻井的安全性和劳动强度，采用102mm 电缆钻杆作为组件。指示性钻井工具包括200mmPDC 钻头127mm 地下发动机102mm非磁性钻井102mm 定向钻井。

3.3 施工工艺

施工技术主要包括定向钻井技术和事故处理技术。定向钻井技术与常规定向钻井技术相似。定向钻井通过剪切钻井进行。钻井时，钻具不旋转，泥浆泵驱动井下发动机破碎岩石。在钻孔过程中，实时测量钻孔路径并与设计路径进行比较。当偏转路径时，可以通过调整孔底部电动工具的表面来校正路径。应急处理包括旋转冲洗过程和冲洗过程。如果发生坍塌，最好使用旋转钻孔清洁工艺，通过旋转混合钻具从孔中移除坍塌材料。如果旋转冲洗过程不能应对油井壁的损坏，则应使用冲洗过程，即在清水冲洗溶液中添加药物以制备防滑钻井液。减少泥浆对易坍塌地层的损害，提高泥浆的承载能力，加快油井泥浆的清除。

从上述施工过程可以看出，钻孔过程主要通过直接钻孔和强制倾斜钻孔。直接钻井的工作机制是稳定器，在钻井过程中，根据“饱和度和刚度”的要求，以等间隔调整稳定器，使其略小于钻头直径（也称稳定器）。钻头在钻孔过程中对孔壁没有或几乎没有切割作用，从而将钻孔路径延伸到初始钻孔方向。强制迁移主要通过使用组合钻机进行强制迁移并遵守相关钻井技术参数来实现。固体导向部件由稳定器、细钻杆和钻头组成。其主要工作原理是连接近2m 的精细钻头。钻井时，增加前钻头的自由度，充分利用其自重，使钻头切割孔壁下的岩石，钻井轨迹向下倾斜。在整个钻机设计中，主要问题是薄钻杆直径的选择。由于大多数钻杆在钻井过程中都位于井内，因此，薄钻杆是最脆弱的部分。所选细钻杆直径太小，无法折断钻头，导致钻孔内部失效；然而，如果选择的直径太大，则无法实现有效调整钻孔路径的目标。可以得出的结论是，在定向钻井的整个过程中，由于导向段使用了较薄的钻杆组件，与常规钻井相比，这些组件容易导致井下事故，因此，应重点进行初步研究。现场测试了薄钻杆和倾斜钻机的张力和强度。

4 煤矿井下较大孔径倾斜定向钻孔施工技术发展趋势

目前，我国使用的矿井抽水技术大多为地下抽水。现有的地下天然气生产技术包括煤层钻探、相邻煤层减压钻探、生产区钻探、钻探和铺设专用封闭天然气生产道路。随着中国经济的快速发展，对煤炭能源的需求正在增加。中国煤炭资源的开发将进一步发展（矿床深度为600m），安全开采煤炭的任务将更加复杂，主要表现在以下几个方面。

（1）煤炭综合开采技术是未来天然气开发的主要方向。高产高效工作面和废气超限通常是提高工作面回采率、实现高产高效的制约因素。因此，研究人员应考虑在一个矿井中同时使用多种开采方法，从而将露天钻探与地下或汽车钻探相结合，实现三维天然气开采，并相应增加空气供应。在工作面，要改革矿区布局和通风系统，优化天然气生产方式组合，确保生产前和生产中的高效生产。

（2）大直径反钻和大直径深孔定向钻将在煤矿天然气生产中发挥越来越重要的作用。随着中国煤炭资源的深度开发（矿床深度超过600m），由于土木工程的复杂性，以及地下煤层对土木工程钻探的影响，地下气体排放仍将是煤矿的主线。中国的天然气排放量。因此，煤矿瓦斯抽采的研究内容对大型深孔隧道钻机、辅助施工设备和孔隙率技术的研究和改进具有重要意义。

（3）未来几年，由于地下天然气生产需要大量大直径油井，因此有必要根据煤矿建设的特殊条件，开发方便有效的天然气生产技术。测量油井并纠正油井偏差和角度的方法。因此，钻孔测量技术（MWD）将越来越多地应用于煤矿深孔施工中。MWD 技术中使用的传感器适用于深井和高压井的钻井，并且可以实时恢复MWD 信息。组合钻具：当需要安装和纠正方向偏差时，导向头与地下组合钻机一起使用，无须提升钻杆。

（4）利用钻井轨迹模拟技术，可以实现组合钻具的稳定作业效果（曲线）功能。利用计算机优化井底组合钻头，优化钻井轨迹，提高钻井效率，减少钻头磨损。

5 结语

综上所述，本文采用了定向钻井技术的定义和原理，并将向下钻井技术应用于天然气开采、水资源勘探和生产区探测，使定向钻井技术更加有效。它可以在地质勘探中发挥更重要的作用。如果定向钻井技术更好地应用于地下煤矿的勘探，地下地质勘探将变得更加方便和有效。此外，我们可以更全面地掌握和管理不同层的未知区域，科学地评估地层的方向和储量，然后在此基础上采取更有效的勘探方法。未来，在地下煤矿勘探中，我们将继续测试和开发高精度智能钻井系统、分析组件和相关数据，开发更合适的勘探测井软件，并结合相关仪器，以获得更准确的数据。影响测试结果。勘探过程中绘制了具体可靠的构造图。总之，定向钻井技术在地下勘探中的应用，不仅使矿山地质勘探更快、准确、方便，而且在其他行业中也有很大的发展空间。