煤層堅硬頂板定向鉆孔高效成孔技術研究

張建偉

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

國家能源集團布爾臺煤礦在開展采前動力災害治理工作中，中煤科工集團西安研究院有限公司（以下簡稱“西安研究院”）利用定向鉆進技術在布爾臺煤礦42202 工作面施工堅硬頂板定向壓裂鉆孔，以驗證煤層堅硬頂板定向鉆孔快速成孔技術及配套裝備應用的可行性、驗證堅硬頂板定向壓裂鉆孔在42202 工作面、的成孔性及壓裂效果，目標探放層位為4 號煤基本頂細粒砂巖。試驗采用西安研究院生產的ZDY12000LD 定向鉆機及配裝裝備進行堅硬頂板定向壓裂鉆孔施工。

1 高效成孔技術研究

1.1 布爾臺礦堅硬頂板高效成孔工藝

（1）大功率螺桿馬達選型配套大排量泥漿泵及其在布爾臺煤礦堅硬頂板的施工技術。

（2）大功率螺桿馬達組合鉆具在布爾臺煤礦堅硬頂板中的施工技術研究。

（3）定向壓裂鉆孔布置及鉆孔軌跡設計。設計在布爾臺煤礦42202 工作面施工三組定向壓裂鉆孔，每組鉆孔包含3 個定向壓裂鉆孔，深度均不低于600 m，每個長距離鉆孔包含1～2 個分支鉆孔，且設計要求鉆孔軌跡在4#煤基本頂細粒砂巖目標層位延伸[1]。

通過目標層位巖石力學參數測試，選型大功率螺桿鉆具配套大流量螺桿馬達，通過室內測試與現場試驗相結合的方式開發出一套適用于布爾臺礦堅硬頂板的高效定向鉆進工藝方法及鉆具組合。

1.2 鉆孔設計原則

（1）定向鉆孔布置應該與42202 工作面巷道工程圍巖環境、構造條件、采掘現狀相適應。

（2）高位定向壓裂鉆孔軌跡應盡可能平滑、孔內情況干凈，保證壓裂通道順暢，為后期壓裂設備的順利下入提供保障。

（3）鉆探工程量在滿足上述原則的基礎上兼顧經濟合理的原則。

（4）避開事故地層。為確保定向鉆孔安全、經濟、優質、高效施工，設計軌跡盡可能避開斷層、褶皺等地質構造復雜區域，主孔應選在可鉆性好的穩定巖層，不能在炭質泥巖、鋁質泥巖等遇水膨脹性巖層鉆進。

（5）設計鉆孔要求有利于鉆孔施工，在實際操作中得以順利實現，一般主孔和梳狀分支孔的方位角彎曲強度≤2°/（6 m），傾角彎曲強度≤2°/（6 m）。

（6）為保障施工順利進行，根據需要在相應的位置為梳狀鉆孔預留分支點，預留分支點的間隔為50～100 m（不宜超過100 m）。

（7）預留分支點應設計在地層相對完整、巖煤層硬度適中的孔段，不宜在堅硬巖石和破碎層段預留分支點。

2 施工裝備優選

結合布爾臺煤礦4#煤堅硬頂板對于鉆機性能和鉆孔施工的具體要求，優選推薦中煤科工集團西安研究院有限公司生產的ZDY12000LD 型履帶式全液壓坑道定向鉆機、FMC390 型泥漿泵和YHD2-1000（A）型隨鉆測量系統，配套了Φ89 mm 系列定向鉆具組合、Φ133/93 mm、Φ153/133 mm、Φ193/153 mm、Φ250/120 mm 擴孔鉆具組合，主要裝備及配套鉆具見表1。

表1 堅硬頂板長距離鉆孔優選配套設備參數

針對布爾臺煤礦4#煤堅硬頂板巨厚細粒砂巖，其細粒砂巖硬度高，f 值為5～9，完整性好。結合鉆孔軌跡非目標層位孔段曲率大的特點，選用89 mm 五級大功率螺桿馬達配套89 mm 通纜鉆桿，引進煤層堅硬頂板定向鉆進技術，其鉆具組合如下：

“120 mm 定向鉆頭+89 mm 五級螺桿馬達+89 mm 下無磁鉆桿+89 mm 探管外管+89 mm 上無磁鉆桿+89mm 中心通纜式鉆桿+…+89 mm 中心通纜式水便”。

五級大功率螺桿馬達可保證鉆頭的碎巖效率，中心通纜式鉆桿可保證鉆孔軌跡實現較大曲率彎曲，確保鉆孔軌跡提前進入目標層位。

鉆進過程中，可將泥漿泵流量開大，為五級大功率螺桿馬達提供足夠的轉速和扭矩，為堅硬頂板高效鉆進提供保障。在排渣通暢的情況下，可適當加大鉆壓，以提高鉆進速度。

鉆孔軌跡進入目標層位后，可適當采用“定向+回轉”復合的鉆進方式，在保證鉆孔軌跡的前提下，可提高鉆孔排渣效率，減小孔壁摩阻，從而提升鉆進效率。

3 工業試驗

通過前期現場調研及高位定向壓裂鉆孔在布爾臺煤礦應用的可行性分析后，在42202 工作面設計并施工了3組高位定向壓裂鉆孔，每組3 個鉆孔，總計9 個高位定向壓裂鉆孔，終孔孔徑120 mm，總進尺4380 m，最大孔深570 m。

（1）42202 工作面第一組高位定向壓裂鉆孔施工情況。第一組鉆孔布置于42202 工作面1#鉆場，施工高位定向壓裂鉆孔3個，累計進尺1407 m。其中，1#、2#和3#鉆孔的深度分別為420 m、477 m 和510 m，鉆孔水平間隔約80 m，軌跡均在目標層位細粒砂巖內延伸，達到設計要求。

（2）42202 工作面第二組高位定向壓裂鉆孔施工情況。第二組鉆孔布置于42202 工作面2#鉆場，累計進尺1422 m。其中，1#、2#和3#鉆孔的深度分別為330 m、477 m 和510 m，鉆孔水平間隔約80 m，軌跡均在目標層位細粒砂巖內延伸，均達到設計要求。

（3）42202 工作面第三組高位定向壓裂鉆孔施工情況。第三組鉆孔布置于42202 工作面3#鉆場，累計進尺1551 m。其中，1#、2#和3#鉆孔的深度分別為462 m、519 m 和570 m，鉆孔水平間隔約80 m，軌跡均在目標層位細粒砂巖內延伸，均達到設計要求。

3.1 施工工效統計

定向施工自開始以來，總共施工132 班次，工效統計見表2。

表2 施工工效統計

3.2 目標層鉆進效率對比分析

定向施工開始后，按照每3 m 一記錄一測算的要求對鉆進速度進行記錄。根據研究目的，對目標層硬巖中的順層鉆進速度進行統計分析，并采用線型圖對鉆進速度進行體現。

在1-1（I）、1-1（II）、1-1（III）施工過程中，采用的Φ89 mm五級螺桿馬達定向鉆具組合，鉆進速度統計見圖1～圖3。

該組合在細粒砂巖中平均鉆速為0.08 m/min 即4.8 m/h。從圖1、圖2、圖3 可以看出，在細粒砂巖上部鉆進時鉆進速度慢，平均鉆速0.06 m/min，而在中下部鉆進時鉆速較快，平均鉆速0.09 m/min。從鉆進過程中的返渣情況來分析，主要是因為上部較完整而下部裂隙發育相對較多。

圖1 1-1（I）Ф89 mm 五級螺桿馬達鉆進速度

圖2 1-1（II）Ф89 mm 五級螺桿馬達鉆進速度

圖3 1-1（III）Ф89 mm 五級螺桿馬達鉆進速度

3.3 經濟效益與社會效益

從施工效率角度分析，以第二組高位定向壓裂鉆孔為例，鉆孔鉆遇堅硬巖層的前提下，日均進尺約86.4 m，加上鉆進輔助時間，完成600 m 孔深鉆孔需6～8 d。對比普通回轉鉆孔施工，普通回轉鉆進方式完成600 m 進尺約需要4 個鉆孔，按照一個鉆孔3 d 的施工效率，對比分析知，采用高位定向壓裂鉆孔工期可縮短30%～50%。

社會效益方面，高位定向壓裂鉆孔施工主要體現在以下3個方面：①鉆孔施工效率高，單孔深度大，鉆孔軌跡覆蓋范圍廣，可以更好的為工作面壓裂工作提供支持；②相比于普通回轉鉆孔施工，高位定向壓裂鉆孔施工單班只需3 人即可完成鉆進施工任務，節約了煤礦井下鉆探施工的人力成本，并且具有更高的施工效率；③從施工裝配套及施工工藝分析，高位定向壓裂鉆孔施工具有更可靠的安全性，保障壓裂鉆孔安全高效推進。

4 結論與建議

4.1 結論

本次試驗在布爾臺煤礦42202 工作面施工高位定向壓裂鉆孔9 個。單孔最大孔深577 m，并可實現日均80 m 進尺高效施工。試驗施工的高位頂板壓裂鉆孔目標孔段有效距離長，對比相同工作面普通回轉鉆孔，高位定向壓裂鉆孔具有明顯優勢。

（1）綜合分析鉆孔施工效率、施工技術參數及實際鉆進軌跡，高位定向壓裂鉆孔在布爾臺煤礦應用主要體現了以下3 個優勢：①高位定向壓裂鉆孔軌跡可控，精準導向，鉆孔距離長，軌跡覆蓋區域范圍廣；②通過煤層堅硬頂板高效成孔技術研究，提高了鉆進效率，單班最大進尺可達60 m，并可以實現開分支孔鉆進，開孔一次即可實現多方位，多角度進尺；③對于布爾臺煤礦不同工作面地層有所差異的特點，通過堅硬頂板砂巖標志層找準目標層位置，擴大壓裂影響范圍具有深遠的意義。

（2）綜合分析堅硬頂板高位定向壓裂鉆孔鉆進技術參數，鉆孔軌跡，鉆進時效，鉆孔返渣，鉆孔出水量等，得出以下試驗結論：①配套的技術裝備安全高效完成了所有試驗任務，驗證了煤層堅硬頂板快速成孔技術在布爾臺煤礦具有很好的適用性；②高位定向壓裂鉆孔在布爾臺煤礦具有良好的適用性，鉆進效率高，成孔性好，鉆孔風險率低，易實現500 m 以上深孔鉆進；③高位定向壓裂鉆孔軌跡可在目標厚層細粒砂巖中延伸，可有效破壞巖層完整性，并可根據巖層硬度、鉆進速度情況及時調整鉆進層位，保證軌跡最大限度在堅硬的頂板細砂巖中延伸；④高位定向壓裂鉆孔施工具有更高的經濟效益和社會效益。

4.2 建議

結合鉆孔施工實際情況，對于煤層堅硬頂板高位定向壓裂鉆孔的施工，提出以下3 條建議：

（1）針對布爾臺礦區堅煤層硬頂板條件，利用大功率螺桿馬達大扭矩、高轉速或大沖擊功的特性，配套大排量泥漿泵提高鉆進速度，結合頂板硬巖特點，可將鉆進速度提高到5 m/h 以上。

（2）改進注漿工藝。建議采用“黃泥+水泥”的漿液配置進行注漿加固，或者在水泥中加入緩凝和增加流動性的添加劑。

（3）鉆孔軌跡進入目標層位后，可適當采用“定向+回轉”結合的鉆進方式，在保證鉆孔軌跡的前提下，可提高鉆孔排渣效率、減小孔壁摩阻，從而提升鉆進效率。