破碎松軟煤層高螺旋復合排渣定向鉆進技術

溫忠黨

（棗莊礦業（集團）有限責任公司，山東 棗莊 277000）

破碎松軟煤層受強烈的構造擠壓、巖體層間滑動等影響，采用定向鉆進時，容易出現孔壁強度較弱、局部存在形變以及孔內聚集大量瓦斯等情況，進而造成成孔后結構不穩定、煤渣無法有效排出孔外等卡鉆和埋鉆事故。本文設計了一種適用于破碎松軟煤層的高螺旋復合排渣定向鉆進技術，旨在提高煤層排渣率，優化排渣效果。

1 定向鉆進鉆渣運移特性分析

破碎松軟煤層具有易變形、透水性強以及抗侵蝕性弱等特點，在鉆井施工中對鉆井深度和鉆井穩定性要求較高。然而，在破碎松軟煤層定向鉆進過程中，在有水和無水條件下，鉆渣具有不同的運移特性[1]。因此，必須在充分分析鉆渣輸送特性的基礎上，合理研究和設計除渣定向鉆進技術。

1.1 煤層出水時的鉆渣運移特性

當煤層中的含水量達到60%以上時，則認為該煤層處于出水工況。此工況的煤層由于表面濕度大，表層水易被空氣帶走而形成霧狀水滴，而鉆渣與水滴結合后形成濕度較大的鉆渣顆粒。當水量足夠高，且鉆渣濕度達到閾值時，鉆渣顆粒之間由于水分的存在而出現“液橋”現象，導致鉆渣結塊，使得鉆渣的聚集性增大[2]。鉆渣的聚集性C0主要取決于顆粒之間的相互作用力與自身重力，計算公式如下：

式中：C0表示鉆渣顆粒的聚集性；Fi表示鉆渣相互作用力；m表示鉆渣自身重量；g為重力加速度。

1.2 煤層未出水時鉆渣運移特性

當煤層中的水量極少或者不存在水分時，壓力空氣作為鉆渣與煤層之間的介質，使得鉆渣先懸浮后沉降，并通過“躍進”的方式沿著鉆桿與鉆頭間的孔隙漂浮到鉆孔周邊，形成均勻流和阻塞流的運移方式，如圖1。

圖1 煤層未出水時鉆渣運移狀態

從圖1 可以看出，均勻流動模式下的鉆渣處于均勻懸浮狀態；在阻塞流中，鉆渣基本上沉積在孔壁上，并間歇輸送。根據圖1 和公式（1）可知，不同工況下煤層鉆渣的運動主要受產水量的影響。因此，為了減小鉆渣團聚對鉆渣運動的阻力，在除渣鉆進過程中，可采用增加孔口回風量和旋轉掃氣的方式，加強孔內除渣。

2 破碎松軟煤層排渣定向鉆進方案設計

2.1 裝備研究與選型

為提高鉆進效率和排渣效果，對施工所需設備器械進行合理選型是重中之重。結合破碎松軟煤層的特點，對施工中的定向鉆桿與定向鉆機進行比對與選型。

2.1.1 定向鉆桿

為防止鉆桿與配套設備在鉆進過程中由于液體沖刷和鉆進速度不可控等因素導致孔壁失穩，研究中的定向鉆桿采用Φ98 mm 焊接螺旋鉆桿。通過增大螺旋翼的垂直高度與展寬，以實現提高單位鉆渣的排除體積，同時，其對孔壁的沖刷影響較小，可有效提升排渣能力[3]。Φ98 mm 螺旋鉆桿結構示意圖如圖2。

Φ98 mm 焊接螺旋鉆桿的外徑為63 mm，內徑為45 mm，環孔間隙的孔徑為140 mm，能夠雙向排渣；壁厚5.6 mm，內通孔與排渣槽之間的距離為3.2 cm。如圖2 所示，鉆桿整體銑削在強度與抗壓度極強的厚孔管中，孔管沿排渣槽以等間隔布設，對鉆桿起到二次加固作用，保證了鉆桿煤塵的清除能力。在鉆進過程中，鉆桿的螺旋翼通過高速旋轉來擾動聚集在鉆孔中的煤渣與碎屑，將其運移到孔外。

2.1.2 定向鉆機

考慮到破碎松軟煤層的特殊性，選用能夠360°旋轉的ZDY4000LD定向鉆機。該鉆機采用“T”型前懸體、底部磁性轉盤可隨意調節角度的窄體結構，使用簡便、便于輸運，且開孔角度與鉆進速度可根據實際施工需求進行設置，有效解決傳統定向鉆機需要開發特殊鉆井場地的問題。鉆機性能參數見表1。

表1 定向鉆機性能參數

定向鉆機是煤層鉆進施工的最重要設備，主要為鉆孔提供足夠的鉆進、擾動、旋轉動力，也可對孔內體積較小的鉆具進行夾緊與松動處理，克服直桿鉆機的反扭矩影響[4]。

2.2 鉆進方案確定

考慮到煤層出水量對鉆進有一定的阻力，為了減少鉆渣在孔底的沉積，提高鉆渣的輸送能力，采用高螺旋復合除渣定向鉆進技術，如圖3。

圖3 高螺旋復合排渣定向鉆進工藝

高螺旋復合除渣定向鉆進工藝的施工流程為：當鉆機進入到煤層的淺孔區時，由于煤層處于未出水狀態，鉆渣運移時所受阻力較小，故僅采用螺旋機械排渣即可滿足施工要求；隨著鉆孔深度的增加，逐漸鉆進煤層出水區域時，鉆渣運移阻力不斷增大，為提高排渣能力，采用螺旋機械為主、水力輔助的復合排渣方式排出含水鉆渣[5]。

此外，為了解決成孔問題、提高鉆具效率，在確定不同工況下鉆渣的運移特征后，選擇定向鉆施工所需的設備和機械，最大限度地提高除渣能力。

3 現場應用

3.1 工程概況

棗莊礦業（集團）付村煤業有限公司煤層15號與18 號聯絡巷之間存在面積較大的破碎松軟煤層，強度低、發育狀態差，利用有線鉆進技術進行了定向鉆進試驗，均未能成功成孔，排渣效果沒有達到預期要求，研究決定采用高螺旋復合排渣定向鉆進技術。

3.2 試驗鉆孔設計

現場進行了4 個鉆孔試驗，編號為1#～4#，用到的鉆具包括YSDC 礦用電磁波無線MWD 系統、Φ73 mm 空氣螺桿電機、大型通孔鼓風機、Φ98 mm 整體螺旋鉆、Φ98 mm 三角螺旋鉆和Φ98 mm焊接螺旋鉆，Φ73 mm 大直徑三角螺旋鉆桿、Φ73 mm 非磁性鉆桿、Φ73 mm 定向鉆頭等。數據見表2 和圖4。

圖4 煤層實鉆平面

3 號鉆孔設計軌跡剖面如圖5。

3.3 試驗結果分析

基于以上鉆進裝備與鉆進方案，在試驗場地共完成了4 個定向鉆孔，累計進尺2356 m。鉆孔的最小垂直深度為12.52 m，落差超過13 m，鉆孔軌跡在煤層中延伸。為了測試定向鉆進技術的除渣效果，根據項目相關設計指標的要求，以每進尺返渣200 kg/m 的理論值作為項目的控制標準，計算了煤層每進尺返渣量，并對其施工應用效果進行了評價。返渣量隨鉆進時間的變化曲線如圖6。

圖6 返渣量隨鉆進時間變化曲線

分析圖6 可知，施工期間煤層的單位進尺返渣量均在200 kg/m 以上，其中第8 天達到最大返渣量350 kg/m，是理論值的1.75 倍，設計的定向鉆進技術取得良好排渣效果。

4 結語

針對在破碎松軟煤層中鉆孔排渣效果較差的問題，根據鉆渣運移特性，開發高螺旋復合排渣定向鉆進技術，現場應用試驗證明了設計鉆進方案的可行性，排渣效果達到預期要求。未來應繼續改進鉆具結構，進一步提高煤層排渣量。