煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術探究

黃紅飛

(新宇巖土工程有限責任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

我國煤礦開采仍以井工開采為主，這使得地質構造、水文條件、瓦斯涌出都嚴重威脅煤礦的生產安全。抽采井下瓦斯是煤礦瓦斯治理的重要方法，煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術的合理應用，可以確保瓦斯抽采系統正常運行，從根本上保障生產安全，避免安全事故的發生。

1 井下定向鉆進

1.1 適用范圍

適用于斷層等地質異常體的工程探測及開采前的鉆孔瓦斯抽采。在前者應用時，對鉆孔深度及中靶精度提出了很高的要求；而在后者應用時，未提出太高要求。通過實際情況的了解，發現在后者的應用較為廣泛。

1.2 技術發展

我國對該技術的研究和應用起源于20世紀80年代末，與國外相比起步較晚，而且起初的發展重點也只是放在鉆具組合方面，之后轉變為孔底馬達。伴隨相關理論日益成熟和技術不斷發展，當前的研究重點正向孔底馬達鉆進方式轉變[1]。

1.3 技術探究

瓦斯抽采中，孔徑和孔深直接影響實際抽采量，隨孔徑與孔深不斷增大，實際抽采量越來越大，而這不代表二者影響程度也相同。通過試驗可知，在時間完全一致的情況下，隨孔徑不斷增大，實際抽采率明顯提高，但其增幅小于孔徑增幅，并且增大孔徑的難度也很高。可見，采用增大孔徑的方法來提高抽采率不可取。但對孔深而言，其與抽采率之間保持正比關系，對實際抽采量有很大影響，目前也正朝這一方向不斷發展。

2 井下隨鉆測量系統

這是確保鉆進準確性的關鍵所在，若按信號傳輸方式進行分類，則有無線與有線2類，二者有各自的優勢、缺陷，也是2種發展方向。

隨鉆測量系統含有以下子系統：①數據采集；②數據傳輸；③數據顯示。以數據采集為核心，用于采集位置信息，同時利用磁強計與加速度計，測出磁場強度及重力加速度，再通過計算得出工具面角、傾角與方位角。其中，工具面角作用在于確定彎頭實際方向，而根據傾角與方位角則可確定具體的位置，但無法據此對鉆孔軌距進行描繪，還應得到孔深。就目前而言，孔深獲取以人工設置方法為主，即向軟件輸入鉆桿總數，研發新型孔深測量儀器，實現測量自動化也是一個重要的發展趨勢[2]。

現階段，我國對隨鉆測量開展的分析探究仍以有線方式為重點，亟需處理的關鍵問題在于研發具有穩定性能的鉆桿，系統核心技術是在滿足鉆桿強度要求的基礎上，鉆桿及其電纜聯接部位的可靠密封；主要發展趨勢為：延長電池使用壽命、開發便于操作的用戶界面、拓展故障診斷功能。

從井下的角度講，隨鉆測量實現無線傳輸應得到重視，因為它無需使用專用鉆桿，僅普通鉆桿即可，而且利用電磁波作為通信方式。目前部分企業正對此進行研究，因地質條件復雜易使信號不斷衰減，所以有效通信深度擬定為300 m，研究進展相對緩慢[3]。此外，由于孔深等影響因素必然存在，所以無線隨鉆測量還有很長一段路要走。

3 孔底馬達

原則上可將孔底馬達分為螺桿鉆、渦輪鉆、電鉆3種。20世紀80年代后期，孔底馬達市場被螺桿鉆大量占據，僅在特殊條件下才會用到電鉆和渦輪鉆，所以目前的孔底馬達實際上就是螺桿鉆，如圖1所示。

圖1 螺桿鉆

螺桿鉆施鉆時，利用高壓流(由泥漿泵提供，既有氣流，也有液流)，經鉆桿傳遞至鉆具，因受高壓流不斷作用，鉆具定子可以和常規鉆桿直接連接，不涉及回轉；鉆頭則和轉子直接連接并進行回轉，同時起到破巖鉆進作用；在導向鉆進過程中，依靠彎殼體能實現造斜。因螺桿鉆具備此種特殊鉆進方式，必須有鉆桿用于高壓流持續傳遞，如果孔深較大，則液壓將沿管路大量損失，導致無法正常驅動馬達，故孔徑不得過大，通常在75～96 mm范圍內。

我國從20世紀80年代末期開始在定向孔鉆進中引用螺桿鉆，分別從北美、澳洲等國進口配套鉆機，但效果卻沒有達到預期。通過分析，發現以下因素會對螺桿鉆應用造成不利影響：基于目前的工藝與技術，螺桿鉆不能在松散軟層與高瓦斯層應用，同時在作業環境中很難使鉆進動力介質始終保持清潔，這對馬達有較大影響，縮短其壽命，不利于經濟效益的發揮。國產和進口孔底馬達技術參數比對見表1。

表1 國產和進口孔底馬達技術參數對比

由表1可知，進口和國產孔底馬達僅外徑相同，其它參數都有明顯差別。盡管現階段我國井下定向鉆進所用鉆具依然將孔底鉆具優化組合作為核心，但對孔底馬達而言，它作為新興技術，具備廣闊發展前景，優勢顯著，要重視并盡快解決工藝方面的問題。比如研發能與孔底馬達良好匹配的主機、處于不同孔深及地質條件下的最優工作方式和基本條件、自主研發無磁孔底馬達[4]。

從目前來看，我國孔底馬達仍以進口為主，造價十分昂貴，對將來發展有不可忽視的影響，所以必須加速國產化，盡快形成自主產品。我國已經有廠家著手此方面工作，并取得了一定的成績，但在軸承與定子使用壽命方面，仍需進一步探究。另外，還要兼顧常規馬達實際應用，提出并驗證適宜的工藝方法。

4 旋轉導向鉆進

對孔底馬達鉆進而言，實質上屬于開環鉆進，現場作業人員可通過監控界面對鉆孔軌跡進行動態觀察，當發現實際軌跡和設計要求偏離時，立即進行人工干預，即通過對工具面角的調整來改變彎頭實際方向，從而完成對鉆孔軌跡正確調整。該鉆進系統將機電液集成一體，先確定一定鉆孔軌跡，如果設置在監視器中的實時監控軟件經計算確認實際鉆孔軌跡已經發生偏離，則可控彎接頭將軟件指令作為依據，對彎頭的方向進行調整，以此改變鉆孔軌跡，確保其在設計軌跡允許范圍內進行鉆進。

系統組成部分有：通信、導向與隨鉆測量。其中，以導向的難度最大，需依靠導向塊伸縮來完成執行。而對導向塊而言，主要由液壓活塞提供動力，受控于液壓閥實現有目的性伸出，同時通過液壓閥對各活塞實際壓力進行調節，以力的合成為依據，除了能對導向力予以有效調節，還能兼顧力方向調節[5]。

相比之下，我國各大煤炭行業在此系統方面給予了較大的投入，同時也有相應的產品形成。然而，實際應用依然不夠成熟，關鍵問題在于設備外徑尺寸。在石油鉆井中使用的系統由于外徑尺寸相對較大，難以在煤礦井下應用。

5 結語

綜上所述，在國家大力推動下，煤礦井下定向鉆進技術發展迅速。與此同時，隨鉆測量和孔底馬達也得到了不同程度的應用，然而旋轉導向鉆進卻未能在煤礦領域廣泛應用，原因是設備外徑尺寸過大，需要設備廠家和研究單位共同努力解決。