雙管定向鉆進技術在祁南礦313工作面的應用

徐 瑞，洪建俊，張 杰

（1.淮北礦業股份有限公司，安徽 淮北 235001；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710071）

煤礦井下近水平順煤層定向長鉆孔，以其大孔深、軌跡可控的優勢，能有效實現一次鉆孔完成區域消突及預抽，提高了鉆孔的瓦斯抽采時間，大量取代穿層鉆孔和減少底板巷的施工，從而實現煤礦瓦斯高效抽采[1-5]。但目前，煤層順層定向長鉆孔僅在山西、陜西等礦區硬度大且穩定的煤層中取得突破[6-9]，而在地質條件復雜及碎軟煤層中，因鉆孔孔壁塌孔、返煤量大等問題，易導致不返風不返渣、卡鉆、埋鉆等不良情況與事故，也使鉆孔孔深無法滿足大規模、高效治理的需求。同時，完孔后需提出鉆具再下篩管，導致局部塌孔無法順利下入篩管或下入深度不夠，導致篩管護孔率也相對較低，瓦斯抽采率低[10]。為此，借鑒套管護孔的原理，研究鉆桿、套管雙管同時鉆進的定向鉆進工藝研究，優化鉆桿、套管等鉆具級配，從而實現套管護孔并在套管內下篩管的目的，能大大提高順煤層定向長鉆孔鉆孔深度及下入篩管的深度和直徑，進一步實現碎軟煤層瓦斯高效抽采。

1 雙管定向鉆進工藝

1.1 工藝原理

雙管定向鉆進工藝，是利用雙動力頭定向鉆機，鉆桿、套管雙管同時加桿，鉆進時為雙管雙動同時鉆進；雙管定向鉆進又可分為雙管定向鉆進和雙管復合鉆進2種鉆進形態，

1）雙管定向鉆進形態。鉆進時，鉆桿動力頭帶動鉆桿、無磁鉆具、螺桿馬達、底擴式鉆頭等鉆具，以螺桿馬達為碎巖動力滑動定向鉆進，同時套管動力頭旋轉帶動套管以較低轉速回轉鉆進，以實現跟管護孔，此時鉆屑主要從鉆桿與套管的環空排出孔外，實現連續定向鉆進。優點是鉆孔軌跡可控，缺點是排渣不暢，施工效率偏低。

2）雙管復合鉆進形態。鉆進時，鉆桿動力頭帶動鉆桿、無磁鉆具、螺桿馬達等鉆具正向回轉鉆進，同時螺桿馬達帶動鉆頭鉆進，此時套管動力頭帶動套管以較低轉速反向回轉鉆進，以實現跟管護孔，鉆屑主要從鉆桿與套管的環空排出孔外，實現連續鉆進。優點是排渣順暢，施工效率高，缺點是鉆孔軌跡不可控制。

交替采用雙管定向鉆進和雙管復合鉆進，可有效提高碎軟煤層鉆進的排渣效果和施工精度[11-15]。

雙管定向鉆進，內層定向鉆具控制鉆孔軌跡，保證在煤層有效延伸，外層跟管鉆進保護孔壁，防止破碎地層塌孔，內層鉆具超前外層套管一段距離。終孔后先提出鉆桿，套管暫時留在孔內，再從套管內送入大直徑篩管，最后提出套管把篩管留在孔內完孔。

1.2 鉆具組合和工藝流程

為實現鉆桿、套管同時鉆進且鉆桿從套管中提出，鉆具組合中，內管鉆桿最大外徑必須小于外管最小內徑，所采用的鉆具級配為：①鉆桿：φ90 mm定向鉆頭+φ105 mm底擴鉆頭+φ73～82mm風動螺桿馬達+φ73 mm隨鉆測量系統+φ73 mm配套鉆桿；②套管：φ140/96 mm套管鉆頭+φ120 mm套管。

雙管定向鉆進鉆具示意圖如圖1。內鉆桿塔式鉆頭鉆進形成φ105 mm內孔，套管跟管擴孔至φ140 mm。

圖1 雙管定向鉆進鉆具示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-pipe directional drilling tool

工藝流程如下：①移鉆機，調整傾角和方位角，φ94 mm鉆頭回轉開孔12 m并擴孔至φ193 mm，下φ178 mm孔口管，安裝好孔口裝置，連接負壓抽采管路；②連接鉆頭、螺桿馬達、無磁鉆桿、測量短節、螺旋鉆桿、套管鉆頭、無磁套管、螺旋套管等。螺桿馬達彎頭朝上，校正好工具面；③下鉆至孔內后，開始鉆桿定向鉆進、套管同時回轉鉆進，每鉆進3 m測量鉆孔數據；④鉆進到設計深度后，提出鉆桿；⑤在套管內下入φ75 mmPVC篩管，提出套管，封孔。

2 設備選型

1）定向鉆機：ZDY6000-3000LDK型鉆機。該型鉆機擁有三夾持器、雙動力頭、半自動加桿裝置3大功能組件，通過3大功能組件的配合能有效實現鉆桿套管雙管鉆進、單鉆桿定向鉆進、單套管鉆進、套管內下篩管等功能。具體為：①雙動力頭功能：雙動力頭包括套管動力頭和鉆桿動力頭，套管動力頭在前，鉆桿動力頭在后，才有主動鉆桿的方式將扭矩傳輸給鉆桿或套管，套管動力頭最大扭矩6 000 N·m，鉆桿動力頭最大扭矩3 000 N·m；②三夾持器功能：三夾持器為大行程，能同時夾持鉆桿和套管，1夾夾持孔內鉆具，2夾裝卸鉆桿，3夾裝卸套管，其中2夾可反轉卸扣（卸鉆桿），3夾可正轉卸扣（卸套管）；③半自動加桿裝置：加桿裝置用于實現鉆桿套管同時在中間加桿，新加鉆桿放置在新加套管內，利用加桿裝置夾持并提升到動力頭與夾持器之間，進行加桿，加桿裝置小夾持器輔助加接鉆桿和套管。

2）測量儀器：無線電磁波隨鉆測斜儀。配套：φ73 mm整體式大通孔螺旋鉆桿和φ73 mm無磁鉆桿。無線電磁波隨鉆測量系統利用電磁波傳播測量數據，無需專用信號傳輸鉆桿，可配備的普通結構大通孔螺旋鉆桿，過風通道大，且內通道無明顯變截面，能有效降低風動定向鉆進的風阻，提高排渣能力。

3）其他設備。①套管：φ120 mm螺旋套管；②φ73 mm空氣螺桿馬達；③鉆頭：φ90 mm定向鉆頭、φ105 mm底孔鉆頭、φ140 mm套管鉆頭；④空氣壓縮機；⑤流量計；⑥孔口除塵器。

3 試驗概況

3.1 試驗區概況

31采區共設計3個區段，沿煤層傾向布置，條帶開采，313工作面為采區首采工作面,上部以-375 m水平防砂煤柱為界；下部以風巷F5點前22 m與機巷J2點前24.5 m位置連線（預計收作線）為界；右側以SF70斷層為界；左側以SF340斷層為界。

1）煤層賦存。工作面回采32煤層，根據生產揭露情況分析，32煤厚1.3～3.5 m，平均2.8 m，局部含0～1層夾矸，厚0～0.3 m。

2）頂底板巖性。煤層頂板巖性主要為8.5～12.8 m厚泥巖，灰黑色-灰色，致密塊狀，性脆，泥巖，含有云母和植物化石碎片；2.3～5.4 m厚中細砂巖，灰色，塊狀，中細砂巖，膠結致密，含大量的石英、云母片；底板為深灰色，裂隙發育，含長條狀植化碎片，局部夾1層厚約0.2 m的炭質泥巖。

3.2 試驗情況

313風巷雙管定向鉆進試驗鉆孔前期設計鉆孔4個，煤層傾角-7°～-16°，鉆孔順煤層施工，其中1#鉆孔沿垂直風巷方向布置，至距機巷20 m處，孔深220 m，雙管回轉施工。2#孔、3#孔、4#孔由1#孔逆時針30°，兩孔間距6 m，終孔長度250m。其中2#孔前進式開分支探頂板施工；3#孔、4#孔雙管定向鉆進順煤層施工。

313鉆場共試驗煤層順層定向長鉆孔4個，套管最大孔徑φ140 mm，總進尺830 m，鉆孔最大孔深252 m。各孔鉆孔數據見表1。

表1 鉆孔參數表Table1 Drilling parameters table

1）1#孔。開孔傾角-7°，方位108.8°，雙管回轉施工，套管滯后3 m，孔深78 m，孔徑133 mm，見巖石，套管外環空不返風，提鉆終孔?？椎字?0 m范圍套管外壁有大量煤泥。

2）2#孔。開孔傾角-7°，方位78.8°，孔深250 m，孔徑140 mm。57～79 m見底板砂巖，165～189 m見頂板泥巖。

3）3#孔。開孔傾角-7°，方位84°，孔深250 m，孔徑90 mm。分別在孔深18、57、71、120 m處探頂開分支的方式，探明了煤層走勢。提鉆時發現，孔底至60 m范圍鉆桿外壁有大量煤泥。

4）4#孔。開孔傾角-8°，方位86°，雙管定向鉆進，終孔孔深252 m，套管跟管162 m，終孔孔徑90 mm，套管孔徑140 mm。0～20 m回轉鉆進頂板泥巖，20～114 m煤和局部煤夾矸，114～154 m泥巖，154～252 m煤及煤夾矸。進尺到190 m，套管外環空不返風，停止跟套管；孔內返出大量淤泥塊，孔內積水；252 m處，鉆桿鉆進也不返風不返渣，終孔。

3.3 試驗分析

1）套管與孔壁的環空返渣量隨孔深逐漸變小，最終不返風不返渣。因風量變小，沉渣增加，導致返渣阻力繼續增大，導致不返風，制約了跟管深度。

2）煤層頂底板局部出水，返渣困難。根據孔內窺視儀觀察，孔口15 m左右可見出水點，孔段在頂板泥巖中。施工中孔深超過120 m后，返渣較為潮濕，且返渣量逐漸變少，導致套管外環空不返渣不返風，提續鉆，持續沖孔，孔口返淤泥，全孔套管外壁均含大量淤泥。之后不跟套管，單鉆桿鉆進，返渣量逐步減少。

3）煤層傾角俯角，平均-9°～-15°，返風衰減快。俯角定向鉆進，且傾角較大，返風衰減快，隨著孔深增加，風攜渣能力不足，返渣困難，制約風動定向鉆進的深度。

4 結語

1）利用雙動力頭定向鉆機及其配套鉆具可實現碎軟煤層雙管定向鉆進施工，鉆桿定向或復合鉆進、套管回轉鉆進，鉆桿鉆頭和套管鉆頭距離可調，提出鉆桿在套管下篩管等功能，有效滿足碎軟煤層順層定向長鉆孔的施工要求。

2）雙管定向鉆進工藝在碎軟煤層順層長鉆孔施工中，能有效提高鉆孔孔深至250 m以上，在套管內下篩管率100%，并且適應少量積水、較大俯角的復雜地質條件，實現定向鉆進軌跡可控。

3）碎軟煤層順層長鉆孔雙管定進工藝能有效提高鉆孔深度及地層適應性，在煤礦瓦斯高效抽采、“一孔兩消”等領域具有極大的應用價值，進一步實現煤礦安全高效生產。