煤矿井下水平定向钻进技术与装备的新进展

煤矿井下定向钻进技术作为一项工程领域的新技术,已经广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、防治水、地质勘探和精确工程钻孔施工等领域。经过在国内30多个矿区推广应用,煤矿井下定向钻进技术和装备逐渐完善并取得新进展,形成了ZDY12000LD型大功率定向钻机、无线随钻测量系统、地质导向钻进装置及复合定向钻进工艺。结合现场试验完成了主孔深度1881 m的煤层定向长钻孔和1026 m岩层定向长钻孔,充分说明了ZDY12000LD型钻机功率大、钻进及事故处理能力强,无线随钻测量系统测量精度高,配套复合定向钻进技术形成的钻孔孔壁光滑、沉渣少、钻孔曲率小,钻进效率高。     

煤矿井下3 000 m顺煤层定向钻孔钻进关键技术

保德煤矿大盘区工作面采前瓦斯超前治理模式要求井下定向长钻孔能够沿煤层钻进3 000 m以上,针对现有技术装备在超长定向钻孔施工中存在滑动钻进困难、进水水路压耗大、有线随钻测量信号传输距离受限、冲洗液无法循环利用等问题,开发了煤矿井下基于螺杆马达水力加压和超长钻具正反扭转给进的滑动钻进减阻工艺、基于回转钻进倾角控制和侧钻分支的复合钻进轨迹控制技术,设计了低压耗进水水路系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统和冲洗液净化循环系统,结合保德煤矿生产需要,完成了主孔深度3 353 m、孔径120 mm的顺煤层超长贯通定向孔。钻进效果表明:滑动钻进减阻工艺有效降低了给进力,显著提高了深孔滑动定向钻进能力;基于复合钻进的轨迹控制技术,保证了钻孔轨迹沿煤层定向延伸,并提高了钻进能力和钻进效率;泥浆脉冲无线随钻测量信号长距离传输稳定可靠,克服了有线随钻测量信号传输的局限性;井下冲洗液净化循环系统净化效果良好,实现了井下定向钻进冲洗液循环利用。研究成果对支撑煤矿大区域瓦斯超前治理、以孔代巷工程、水害防治及地质勘探等技术进步具有重要意义。      

煤矿井下硬岩定向钻进螺杆马达选型及试验

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进效率,在分析硬岩定向钻进螺杆马达要求的基础上,选择了4种不同类型的螺杆马达在陕西韩城桑树坪煤矿进行井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,四级7︰8头螺杆马达和五级5︰6头螺杆马达在定向钻进硬岩时,其平均机械钻速分别为2.52 m/h和2.15 m/h,累计纯钻进使用时间可达550 h。这2种类型的螺杆马达表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层。      

大功率定向钻机再创钻孔深度世界纪录

正2017年11月16日至12月14日,我院承担的国家科技重大专项课题成果"大功率定向钻进技术与装备"在神东保德煤矿成功钻成了主孔深度2311m的顺煤层超长定向钻孔,打破了由我院2014年在晋煤集团寺河煤矿创下的1881m定向钻孔深度世界记录,刷新了当前由澳大利亚公司在Metropolitan矿创下的2151m孔深世界纪录,标志着我国煤矿井下定向钻进技术与装备获得重大突破。     

煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用

针对传动滑动钻进方法施工千米以上长距离定向钻孔遇到的问题,借鉴石油钻井领域先进技术经验,提出煤矿井下近水平复合定向钻进技术,对其高效钻进机理与钻孔轨迹控制原理进行了分析探讨。根据复合定向钻进工艺技术要求,完成了泥浆脉冲无线随钻测量系统选型,完善了复合定向钻进技术装备配套,形成了泥浆脉冲无线随钻测量复合定向钻进工艺,开展了煤矿井下长距离定向钻孔复合定向钻进现场试验,完成一个1 566 m本煤层定向长钻孔。试验结果表明,与传统滑动定向钻进技术相比,在钻进安全性显著提升的基础上,复合定向钻进技术综合钻进效率显著提升,实现了本煤层定向长钻孔的安全高效钻进。      

我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展

煤矿坑道近水平定向钻进技术是钻探工程领域的一项新技术,主要应用于岩层和较稳定、较硬煤层的瓦斯抽放钻孔和地质勘探孔。简述了国内外煤矿井下近水平定向钻进技术的发展概况,对目前煤矿井下近水平定向钻进技术所采用的稳定组合钻具钻进和孔底螺杆马达钻进两种主要方法的特点与适用范围作了分析。结合我国煤矿井下地质条件、煤层特征和定向钻孔的技术要求,对我国煤矿井下定向钻进技术的应用提出了几点建议,并对我国煤矿井下定向钻进技术与装备进行了展望。     

煤矿井下硬岩定向钻进孔底水力加压技术

为解决煤矿井下硬岩深孔滑动定向钻进过程中因钻柱托压效应引起的给进压力大、钻进效率低、钻孔深度受限等问题,提出了采用孔底水力加压方式提高钻头钻压的技术思路。通过借鉴石油钻井领域水力加压器结构并结合煤矿井下近水平孔钻进工况进行了孔底水力加压器结构设计,运用理论计算和数值模拟方法进行了水力参数设计。对样机进行了室内测试,测试结果表明,采用φ12 mm、φ13 mm、φ14 mm活塞水眼在流量200~450 L/min范围内输出轴向压力2~10 kN。在淮南张集矿进行了现场试验,并总结出了一套孔底水力加压和水力辅助加压工艺,试验结果表明,滑动定向钻进方式下钻孔深度由464 m顺利延伸至578 m,深孔钻进时最大钻效由之前托压孔段的1 m/h以下提高至3 m/h以上,试验进尺内平均给进表压较托压孔段降低了23.8%、平均钻效提高了137%。      

定向钻进套铣打捞钻杆的设计

通过对常用定向钻进配套钻具打捞工艺的对比分析,明确了采用套铣打捞工艺处理煤矿井下近水平定向钻进中出现的塌孔、卡钻、埋钻等孔内事故的可行性与实用性。根据其工艺施工要求,结合煤矿井下近水平定向钻进系统配套钻具具体参数,研制了能够满足额定扭矩6000 N·m钻机使用要求的定向钻进套铣打捞钻杆。成庄矿的应用表明,采用套铣打捞工艺处理近水平定向钻进时孔内事故（塌孔、卡钻、埋钻等）可行性较强,且套铣打捞钻杆结构设计合理,能满足套铣打捞工艺的使用要求。     

煤矿井下碎软煤层泡沫钻进技术及应用

针对煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采中风压空气钻进施工中排粉能力有限，易造成粉尘污染问题，提出采用煤矿井下泡沫灌注系统及宽翼螺旋钻杆进行高效泡沫钻进的技术方案。通过对钻孔环空间隙流场的数值模拟，研究宽翼螺旋钻杆结构对泡沫钻进高效排粉的影响，确定头数3、槽宽26 mm、螺距110 mm为宽翼螺旋钻杆的优化结构参数。在淮北某矿3204工作面碎软煤层中进行了深度达195 m的本煤层钻孔试验，结果表明，相对于中风压空气钻进工艺，钻进回转阻力降低了42%~48%，表现出高效的排粉效果，可提高煤矿井下碎软煤层钻孔深度和成孔率。该工艺可为类似煤矿井下深钻孔施工提供借鉴。      

ZDY5000RF钻机与配套装备的试验及应用

针对松软煤层空气钻进装备集成性差、工艺流程复杂、操作繁琐等问题,特别配套了ZDY5000RF型钻机及配套装备,结合配套装备的技术参数、性能特点,在祁南煤矿进行了工业性试验。现场应用表明,ZDY5000RF松软煤层钻进专用钻机具备在f值为0.5左右的煤层中钻进200 m深孔的能力,具有集成性好、钻进效率高、除尘效果显著等特点,各项技术指标均达到了设计要求。      

梧桐庄矿新增大口径3号排水孔施工技术

介绍了梧桐庄矿大口径排水孔钻探成井、固井施工技术。该孔设计孔深646 m,终孔直径520 mm,落点坐标水平位移≯5 m,下入重达90余吨的Φ426 mm套管646 m,水泥固井。由于钻孔直径大,垂直度要求高,施工难度大,预防钻孔超斜、确保顺利安全下入Φ426 mm套管并固井是关键。通过采用小口径先导孔钻进再扩孔成井的施工方法,并采取合理的钻具组合和泥浆,制定有效的防斜技术和下套管措施等,顺利完成了施工任务,施工质量满足设计要求。     

不同直径对非开挖近孔壁位移响应数值分析

非开挖水平定向钻进敷设管道的质量直接受到水平孔壁的位移特征影响,而水平孔直径则是影响孔壁位移的重要因素之一。采用快速拉格朗日的计算方法,利用Mohr—Coulomb准则对粘土地层中不同直径条件下的近水平孔壁位移响应特征进行了数值计算分析。获得了在不同钻孔直径（0．6-1．6m）条件下近水平孔壁X、Y和Z三个方向的位移矢量、应力分布数据。分析结果表明,随着水平钻孔直径的不断增加,近孔壁各点的Z位移也不断增加,其中水平孔下部各点Z方向变化更为明显。同时,位移变化区域随着环形区域的不断向外扩展,增加幅度不断降低。因此,合理控制施工的终孔直径对于减少孔壁位移扰动具有重要意义。     

钻探技术在河南省平顶山某深部煤炭勘查区的尝试

河南平顶山北部某深部煤炭勘查区煤层埋藏基本上都在1 000m以下,钻孔设计深度为1 200～1 500m,再加上区内第四系砾石的含量较多,岩石硬度大,含煤层层段多,从而给钻探施工带来了极大的不便。在分析研究钻孔设计和施工难点的基础上,从设备的选择入手,按照地质孔和水文孔分别设计钻孔结构和钻具组合,并根据岩石的可钻性,选择不同的钻进方法和泥浆配比,在钻进中,采取加大钻铤数量,换径时加同径导向等方法控制孔斜,最终使该区所施工的14个钻孔全部合格,为该区的深孔施工进行了有益的尝试。     

小直径特深孔绳索取心口径系列及钻柱方案

现行绳索取心口径系列主要适用于3000 m以内浅钻孔。在4000 m左右的特深孔绳索取心钻进中,存在一定的技术“瓶颈”,如地层复杂,甚至无法安全钻达设计深度。论证3000～5000 m特深孔绳索取心合理口径系列和钻柱方案是为特深孔成套钻探装备研制、绳索取心钻具开发提供技术依据的重要前期工作,也是一项公益性和开放性的技术工作。简述了特深孔绳索取心口径系列及钻柱方案的初步设想,期望国内钻探专家、一线技术人员广泛参与,进一步论证。     

ZDY12000LD大功率定向钻机装备研发及应用

针对常规定向钻机不能完全满足长距离回采工作面瓦斯预抽钻孔和顶底板岩层大直径钻孔施工需求所存在的主要问题,分析了研制煤矿井下大功率定向钻机装备和配套定向钻进工艺方法的必要性,提出了成套钻机装备钻车和泵车两体式布局及配套复合定向钻进工艺的技术思路,重点解决总体布局及关键部件设计、复合定向钻进用多功能逻辑保护液压系统和大流量泥浆泵车设计等关键技术问题。在煤矿井下实际生产应用中取得了本煤层孔径Φ120 mm深度1 881 m顺层定向长钻孔和孔径Φ153 mm深度1 026 m顶板岩层定向长钻孔的创造性成果,并探讨了ZDY12000LD大功率定向钻机装备在顶板大直径定向长钻孔替代高抽巷和配套无线随钻测量系统技术方面的应用前景。      

井下?550 mm超大直径煤层孔钻进技术装备及工程应用

为提高“U”型通风工作面采空区瓦斯治理效率、降低瓦斯治理成本,提出采用?550 mm 超大直径钻孔替代横川埋管的技术方案进行采空区瓦斯抽采。针对井下超大直径钻孔技术特点及施工中存在的技术难题,研制了一款最大扭矩 15 000 N·m、最大给进力 700 kN、最大行程 1.3 m 的ZDY15000LP 型煤矿用超大直径螺旋钻进钻机,采用主机和泵站分体式布局,并创新设计了主机、泵站、机械臂、动力头等关键零部件;配套开发了?426 mm 大螺旋钻杆和?550 mm 大直径扩孔钻头,开发了基于“先导孔+二次扩孔”的超大直径钻孔成孔工艺,形成了成套的超大直径钻孔施工技术装备。在山西天地煤业有限公司王坡煤矿 3307 工作面进行了工业性试验,共施工大直径瓦斯抽采钻孔17 个,累计进尺 583 m,施工周期 30 d,综合施工效率提高 20%。试验结果表明:钻机输出扭矩大,整体稳定性好,能够实现跨皮带施工以及快速移位等功能,配套钻具性能可靠,钻进工艺可操作性强,能够满足超大直径煤层成孔需求。研究成果为超大直径煤层钻孔施工提供了技术装备支撑,为地质条和开采条件类似矿井瓦斯治理提供了技术经验。      

长白矿区复杂地层多金属矿深孔施工技术

长白多金属矿区地层复杂,深孔钻探难度极大,采用先进的钻孔结构以及采用绳索取心钻进,利用同径绳索取心钻杆做技术套管,同时选用PAB高性能无固相冲洗液和选择高端广谱钻头的钻探技术,成功完成了一个孔深1505.88 m的钻孔,创造了吉林省地矿局钻探深孔记录。着重介绍了该孔钻探施工技术措施。     

松辽盆地大陆科钻二开段大井眼钻井液技术

CCSD-SK2井是一口钻穿松辽盆地白垩纪陆相沉积地层的中国大陆科学钻探井。二开段先以216mm口径钻至2806.20m,然后进行444.5mm口径扩孔。泥页岩地层大井眼钻进过程中粘土矿物含量高且易造浆,砂砾岩层渗透性强易粘卡,井壁稳定控制与钻屑携带难度大。选用了钾铵聚合物钻井液体系和聚磺钻井液体系,通过正交实验确定了钻井液配方。将钻井液控制在合适的密度、较低的失水量以及较强的封堵性,有效实现了井壁稳定;保持适当的环空返速、较高的动塑比以及定期打稠塞举砂等措施,有效实现了井眼净化。1086.45m~1147.56m与1182.74m~1256.01m井段累计收获岩心130.90m,取心率达到97.41%,平均机械钻速为0.84m/h;最终顺利钻至2806.20m。     

柴达木盆地深层钾盐察ZK02孔施工工艺

柴达木盆地察汗斯拉图矿区蕴藏着极为丰富的钾盐类矿产资源。钾盐察ZK02孔设计1500 m,钻遇地层为新近系盐湖相沉积地层。在钻进过程中易产生缩径、造浆、掉块、坍塌等现象,钻遇盐岩层或含钙、镁离子盐水入侵时,钻井液性能易发生变化,给钻探施工带了困难。根据盐矿钻孔地质条件和技术要求,设计3级口径的钻孔结构。在施工中,针对巨厚层砂砾碎屑岩的特点,选择加重卤水钻井液护壁,起到了安全护壁效果,并采用研制的卤水钻井液混合搅拌器,提高了配浆速度,保证了钻井液性能和质量。卤水钻井液和卤水钻井液混合搅拌器的使用,为柴达木盆地深层卤水钾盐矿区的钻探施工探索出了快速配制钻井液提供了借鉴。