煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备现状及展望

煤矿井下近水平定向钻孔可实现超前、区域、精准灾害防治与瓦斯抽采利用,在煤矿地质保障中发挥着重要作用。系统介绍了国内外煤矿井下随钻测量定向钻进技术发展历程与应用现状,对国内定向钻进装备中的钻机、泥浆泵车、防爆型随钻测量系统、包括中心通缆钻杆、螺杆马达和钻头在内的配套钻具、包括滑动定向钻进和复合定向钻进在内的定向钻进工艺技术与套铣打捞工艺技术等关键技术和装备进行了简要分析和总结,对小体积防爆型随钻测量系统中的有线随钻测量系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统、电磁波无线随钻测量系统和地质导向随钻测量系统的功能特点及适用性作了阐述,针对解决提高复杂顶板岩层中定向钻进成孔率、超深孔钻进施工能力和地层适应性等难题,介绍了该成套技术与装备在保德煤矿、龙王沟煤矿和顾桥煤矿进行顺煤层超深定向钻孔和复杂顶板高位定向钻孔的典型现场应用案例。基于成套技术与装备发展现状和现场应用,展望了煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备的发展方向和趋势,指出装备的自动化、信息化和智能化将成为技术攻关的方向与现场重点需求,高效快速钻进的旋转导向钻进系统和大直径定向钻孔将得到现场实践验证。

0 引言

煤矿井下定向钻进施工是进行瓦斯治理与抽采、水害防治、地质构造探查和火灾治理等重要途径和安全保障措施[1]。传统回转钻进工艺技术无法适应瓦斯高效抽采和灾害防治要求。20世纪80年代,国内开始开展利用稳定组合钻具、偏心楔和造斜器等造斜工具进行人工造斜定向钻进的研究,但由于地层条件复杂,施工人员很难控制钻孔倾角和方位角的变化,定向孔深度不能有效突破[2]

20世纪90年代先后,我国从美国和澳大利亚引进千米定向钻机,分别在松藻、铁法、淮南、抚顺、平顶山等煤矿区应用,但效果不甚理想[3]。2003年山西亚美大宁能源有限公司引进Vally Longwall公司的VLD-1000钻机进行瓦斯抽采和探测煤层顶底板,取得了成功。国内多家煤矿企业引进使用,但钻机能力偏小、配件价格较高、售后服务跟进不及时等问题较突出[4]

2005年开始,国内开始国产化研究,经过“十一五”、“十二五”、“十三五”的持续攻关,履带式钻进装备已由小能力、滑动定向钻进技术发展到大功率、复合定向钻进技术,产品性能大幅提升,随钻测量技术多样化也更可靠,钻进能力已由近1 000 m发展到2 000 m以上。国产煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备已在我国多个矿区进行了推广应用,技术与装备水平的不断进步为煤炭产业安全保障和健康发展发挥着重要作用,取得了显著的应用效果,标志技术与装备能力水平的钻孔深度不断突破。2008年国内技术与装备钻孔突破千米孔深,在陕西亭南煤矿成功钻进至1 046 m深,2014年利用ZDY12000LD钻机在晋城寺河矿达到1 881 m,超过之前国外同类钻孔1 776 m的孔深纪录;2015年澳大利亚公司在Metropolitan矿成功钻进至2 151 m孔深。2017年底和2019年初中,煤科工集团西安研究院在神东保德矿利用ZDY12000LD定向钻进装备,分别施工2 311 m和2 570 m两个纪录孔深定向长钻孔,将顺煤层定向钻孔深度世界纪录提高至2 570 m,进一步巩固了我国煤矿井下近水平定向钻进技术与装备世界领先的地位。

1 我国定向钻进技术发展历程与现状

1.1 随钻测量定向钻进技术原理与装备组成

随钻测量定向钻进作为钻探工程领域的一项新技术,通过实时测量钻孔轨迹和孔底螺杆马达工具面向角,控制钻孔轨迹沿设计延伸,增加了钻孔深度,提高了钻孔空间定位精度,扩大了钻孔有效覆盖范围;另外定向钻进技术可进行多分支孔施工,确保施工的钻孔能均匀覆盖预定区域,具有钻进效率高、一孔多用、集中瓦斯抽采和治理等优点。研制了适用于不同矿井巷道大小、不同钻孔深度、不同钻孔类型的系列化定向钻机,开发了矿用有线随钻测量系统、矿用泥浆脉冲和电磁波无线随钻测量系统、矿用地质导向随钻测量系统等,建立了高强度大通孔通缆钻杆和通缆送水器等组成的信号传输通道,开发了滑动定向钻进技术和复合定向钻机技术,形成了事故预防措施和处理技术与机具,从不同环节满足了定向孔的需要。煤矿井下随钻测量定向钻进技术作为钻探工程领域的一项新技术,逐渐发展成为我国煤矿区瓦斯高效抽采和灾害超前区域防治的重要技术途径[5]

煤矿井下定向钻进装备主要由定向钻机、泥浆泵、随钻测量系统、孔底螺杆马达、钻杆、送水器及钻头等组成,其系统连接如图 1 所示。其工作原理是泥浆泵提供的高压水通过钻杆进入孔底驱动螺杆马达旋转,从而带动钻头旋转破碎煤岩层。钻进过程中钻孔轨迹控制主要通过改变螺杆马达弯角的工具面向角来实现,根据设计钻孔的轨迹与实钻轨迹偏斜状况,调整螺杆马达工具面向角以达到调整钻孔轨迹的目的,保证钻孔轨迹沿设计轨迹延伸[6]

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图1 随钻测量定向钻进系统连接示意
Fig.1 Connection diagram of MWD directional drilling system

2 定向钻机装备

定向钻机主要用于提供钻进的孔口动力,适用回转钻进、滑动定向钻进和复合定向钻进多种工艺方法。钻机转矩在3 000~6 000 N·m的常规定向钻机主要施工500~1 000 m孔深的定向钻孔,代表机型有ZDY4000LD、ZDY6000LD、ZDY6000LD(A)、ZDY6000LD(B)、ZDY6000LD(F)、ZYWL6000D等[7]。转矩为10 000~15 000 N·m大功率定向钻机一般可以施工孔深超过1 500 m的本煤层顺层定向钻孔和孔深超过1 000 m、孔径ø153 mm的岩层定向钻孔,代表机型有ZDY12000LD、ZYWL13000DS和ZDY15000LD等。

定向钻机装备主要采用钻车和泵车两体式布局,分别驱动,具备独立行走功能,可以大幅提高装备的适应性和配套功能,搬迁方便、现场布置灵活。

2.1 定向钻机

定向钻机由主机、泵站、操作台、防爆计算机、流量计、履带底盘、稳固装置组成;回转器通过行星齿轮减速机构实现较大降速比,以斜轴式液控变量双马达驱动作为能量转换的输入单元,还可对输出转矩和转速实现大范围无级调节;主轴制动装置具有2 000 N·m的制动能力,有效防止误操作和螺杆马达反作用力对主轴定位的影响;胶筒式液压卡盘满足大通孔和大转矩输出要求,主轴通孔直径ø135 mm,可配套ø73 mm、ø89 mm、ø102 mm、ø127 mm等多种规格的普通钻杆、通缆钻杆、螺旋钻杆和事故打捞钻具,具有较强的工艺适应性。通过调整机身倾角和钻孔造斜能够进行-10°~+20°角度定向钻孔施工,给进/起拔能力达到250 kN,使用维护方便[8]

目前定向钻机中ZDY6000LD和ZDY12000LD钻机最具代表性,主要技术性能参数见表1。

表1 典型定向钻机主要性能参数

Table 1 Main parameters of typical directional drilling rig

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2.2 泥浆泵车

泥浆泵车是定向钻进装备的关键,主要用于向钻孔内提供高压冲洗液。根据施工钻孔类型不同,需要的冲洗液流量和压力不同。随着孔深增加和对钻孔效率及成本要求进一步提升,泥浆泵的输出性能参数成为决定钻孔施工结果的关键。

煤矿井下之前主要采用BW系列电驱泥浆泵,其压力和流量不匹配,搬迁移位和操控不方便,已不能满足深孔定向钻进需要[9]。针对以上问题开发的系列泥浆泵车,其输出性能参数见表2,集成泥浆泵、电磁启动器、瓦斯监测断电仪、机车灯组件等。

表2 系列泥浆泵车主要性能参数

Table 2 Main parameters of series mudpump truck

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3 防爆型随钻测量系统

随钻测量系统按数据信号传输方式的不同可分为有线传输式和无线传输式,由孔口设备和孔内设备组成。其中孔口设备主要由防爆计算机、防爆键盘等组成;其中孔内设备由测量探管、无磁钻杆和其他配套设备等组成,而测量探管一般由测量单元、信号传输单元和电源单元等组成。目前煤矿井下使用的随钻测量系统主要采用有线传输式。无线随钻测量系统主要有泥浆脉冲和电磁波2种传输方式。经过“十二五”国家科技重大专项攻关,小型化防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统、电磁波无线随钻测量系统和地质导向随钻测量系统相继研制成功,目前已在国内一些煤矿进行示范和推广应用。

3.1 有线随钻测量系统

有线随钻测量系统利用特制的中心通缆式钻杆作为信号传输通道,利用电流变化将孔底测量数据传递到孔口,具体原理是:孔内测量探管安装在螺杆钻具后的无磁钻杆内,孔口设备安装在钻机操纵台附近,中心通缆钻杆从孔底依次连接至孔口,并使用电缆与孔口设备相连。信号传输时,中心通缆钻杆相当于同轴电缆,钻杆体和信号传输装置构成信号传输回路,其中钻杆中心的信号传输装置作为信号线,钻杆体作为信号地,将孔内数据实时传输至孔口[10]

有线信号传输具有传输速度快、可双向信号传输等优点,应用广泛。典型的为基于防爆计算机供电的矿用有线随钻测量系统的孔口防爆计算机采用矿井常用127 V照明电供电,测量探管采用孔口防爆计算机供电的方式工作,孔内仪器结构简单,孔内工作时间不受限,信号传输强度高。

3.2 泥浆脉冲无线随钻测量系统

泥浆脉冲无线随钻测量系统孔内仪器探管包括脉冲发生器、驱动短节、充电电池筒和测量短节;孔口仪器包括防爆压力变送器和防爆计算机。其工作原理是:孔内测量仪器完成钻孔轨迹倾角、方位及工具面的测量后,驱动短节按照预先设置的编码规则有序地调整脉冲发生器水力通道的流道面积,改变冲洗液流动阻力,从而产生泥浆正脉冲;孔口的压力变送器采集压力变化信号并传递到防爆计算机;防爆计算机按照预先设置的编码规则将压力变化曲线转换成钻孔轨迹数据,并以数据表格和轨迹曲线的方式显示出来,为钻孔轨迹调整提供依据。

矿用泥浆脉冲随钻测量系统采用隔爆结构和小型化设计,典型的测量仪器直径为ø45 mm,脉冲发生器直径为ø73 mm,满足煤矿井下小排量、低压力、小孔径条件下钻孔轨迹的测量要求,可与普通钻杆配套使用,适用于复合定向钻进技术,为复杂破碎煤-岩层钻进施工提供了技术保障[10]

3.3 电磁波无线随钻测量系统

电磁波无线随钻测量系统由发控短节、充电电池筒、测量短节、无磁绝缘短节、接收天线和防爆计算机等组成。其工作原理是:测量短节、充电电池筒和发控短节连接组成孔内仪器,并根据预设工作模式及泥浆泵开停泵状态进行工作;当需要进行数据测量和传输时,测量短节将检测到的参数发送给发控短节,发控短节按预先设定的编码规则将测量数据通过绝缘短节上部钻杆柱和绝缘短节下部钻杆柱以电磁波无线方式连续发射出去,经上部钻杆柱和含煤地层将数据传递至孔口,安装在孔口含煤地层中及钻探装备上的接收电极采集上传的电磁波信号,并通过有线方式传递给防爆计算机中的信号采集板,信号采集板按预先设定的编码规则对信号进行解调,得出正确的孔内工程参数数据后,通过防爆计算机内数据处理软件在屏幕上进行显示。

因煤系中电磁波信号传输衰减快,仪器在煤矿井下爆炸性气体环境中使用电气要求高,钻具规格较小,典型的ø76 mm 无磁绝缘短节和内部仪器绝缘装置形成了小直径钻具电磁波数据传输通道,实现了电磁波无线发射Ⅱ级绝缘;采用电流监控电路实时监控信号发射电流,当发射功率高于6 W 时,自动限流保护,确保煤矿井下安全使用;采用双通道数据接收,实现近距离强信号保护和远距离微弱信号接收;具有连续工作和间歇工作2种模式,连续工作用于钻孔轨迹复测,间歇工作用于随钻测量定向钻进。电磁波随钻测量系统为煤矿井下松软破碎煤层空气定向钻进技术提供了技术与装备保障。

3.4 防爆型地质导向随钻测量系统

防爆型地质导向随钻测量系统测量探管由方位伽马测量短节、伽马电池筒、钻孔轨迹测量短节组成。使用时,防爆地质导向测量探管安装在定向钻进用螺杆马达后,需要测量时,防爆地质导向测量探管根据防爆计算机的操作指令进行工作,并通过有线传输通道将钻孔轨迹参数和地层伽马参数传递至防爆计算机,由防爆计算机进行数据处理和显示。

系统采用有线传输方式,通过通缆钻杆组成的有线传输通道快速可靠地进行信号传输,能准确测量钻头附近的地层伽马数值和伽马方位,从而判断出地层信息,提高了煤层与顶底板边界判断能力,并结合钻孔轨迹参数测量,控制钻孔沿着预定方向在煤层中延伸,基于防爆计算机供电的钻孔轨迹测量短节,可单独使用进行几何导向钻进,也可组装使用进行地质导向钻进,为提高煤层钻遇率、探明矿区地层地质信息及提高钻探施工效率提供了有效手段。

4 配套钻具

配套钻具主要由中心通缆钻杆、无线随钻测量钻杆、螺杆马达、定向钻头与扩孔钻头等组成。

4.1 ø73 mm/ø89 mm 中心通缆钻杆

ø73 mm/ø89 mm 中心通缆钻杆可配套有线随钻测量系统使用,主要由钻杆体和中心通缆装置组成,结构如图2所示,其中心通缆结构具有良好的导电性能和密封性,便于电信号可靠传输,精确测量和控制钻孔轨迹;足够大钻杆内径满足螺杆马达钻进需要,减少高压冲洗液在钻杆内通孔中的沿程阻力损失。

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1—钻杆体;2—塑料公接头;3—锥接头;4—定位挡圈;5—线管;
6—稳定器;7—塑料母接头;8—柱接头;9—变径弹簧;10—导线
图2 中心通缆式钻杆结构
Fig.2 Drill pipe structure of central cable

4.2 ø73 mm/ø89mm无线随钻测量钻杆

ø73 mm/ø89 mm无线随钻测量钻杆主要用于与泥浆脉冲和电磁波随钻测量系统配套使用,常用的主要有高韧性高强度钻杆和整体式宽翼片螺旋钻杆2种。无线随钻测量钻杆内部未设置通缆组件,内通孔面积和强度均大于同规格的中心通缆钻杆和普通钻杆,有利于泥浆脉冲信号的传输。钻杆接头采用圆锥梯形螺纹结构,螺纹根部面积的增大提高了螺纹强度;螺距增大使螺纹联接的接触面积增加,提高了螺纹联接的定心精度及联接刚性,使得螺纹受力均匀,传递转矩大,而且密封性能好。

4.3 孔底螺杆马达

螺杆马达是一种把液体的压力能转化为机械能的容积式动力转换装置,是定向钻进孔底碎岩和钻孔轨迹调整的关键。螺杆马达在泥浆泵水压力的驱动下,带动钻头孔底局部高速回转,进行煤-岩层连续破碎;螺杆马达设置有一定弯角,将弯角固定在某一方向,即可向该方向钻进施工,从而实现轨迹调整[11]。螺杆马达结构如图3所示,煤矿井下一般采用1.25°和1.50°两种弯头的螺杆马达。

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1—旁通阀总成;2—马达总成;3—万向轴总成;
4—传动轴总成;5—定子外管;6—橡胶衬套;7—转子
图3 螺杆马达结构示意
Fig.3 Structure schematic of screw motor

4.4 PDC 定向钻进钻头与扩孔钻头

煤矿井下地层条件比较复杂,岩性种类也较多,要求钻头寿命长、保径效果好、岩性适应性广、具有侧向切削功能便于实现定向造斜钻进[12]。定向钻头有平底型、平角刮刀型和弧角刮刀型3种,如图4所示,常用规格为ø98 mm、ø113 mm、ø133 mm等,其中平底型适用于煤层钻进,平角刮刀型适用于中硬地层钻进,弧角刮刀型适用于坚硬地层钻进。扩孔钻头主要用于顶板高位定向钻孔施工,采用螺旋刀翼型结构,组合式使用,常用规格为ø96/120 mm、ø96/153 mm、ø96/220 mm、ø120/153 mm、ø153/193 mm、ø168/215 mm等,如图5所示。

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图4 PDC定向钻头
Fig.4 PDC directional bit

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图5 螺旋刀翼型组合式扩孔钻头
Fig.5 Assemble reaming bit with type of spiral blade

5 定向钻进技术及套铣打捞工艺技术

5.1 定向钻进技术

1)滑动定向钻进技术。螺杆马达滑动定向钻进是指钻进过程中,钻头回转碎岩动力仅由泥浆泵提供,钻头和螺杆马达转子转动,定向钻机仅向钻具施加钻压,钻具其他部分只产生轴向滑动,螺杆马达工具面可保持一个稳定的方向,从而实现钻孔轨迹连续人工控制。

螺杆马达滑动定向钻进时,首先应在孔口将螺杆马达弯头朝上,进行工具面修正;钻进过程中,实时测量钻孔轨迹参数和螺杆马达姿态参数;根据实钻轨迹与设计轨迹偏差,调整螺杆马达工具面向角,使钻孔沿设计轨迹延伸[13]

2)复合定向钻进技术。复合定向钻进技术包含滑动定向钻进和复合钻进2种形式。其中复合钻进过程中,泥浆泵向孔内泵送高压水驱动螺杆马达带动钻头转动的同时,钻机动力头带动孔内钻具回转并向钻具施加钻压,实现复合碎岩[14]

复合定向钻进技术是滑动定向钻进技术的改进升级,二者钻进方式上的最大不同是:滑动定向钻进技术在钻进过程中“只滑不转”连续造斜,复合定向钻进技术在钻进过程中“有滑有转”间歇造斜。从轨迹控制角度讲,煤矿井下复合定向钻进技术中的复合包含2层含义,①滑动造斜与回转稳斜2种定向模式的复合,②回转稳斜定向钻进过程中钻机动力头回转与孔底螺杆马达回转2种碎岩动力的复合。

复合定向钻进技术钻进工艺选择流程如图8所示。同等条件下复合定向钻进较滑动定向钻进钻孔弯曲强度小、钻孔更加平滑,复合定向钻进技术充分发挥了滑动定向钻进钻孔轨迹人工控制精准和复合钻进高效快速的技术优势,钻进效率高、钻孔轨迹平滑、可有效预防钻孔事故,有利于实现深孔钻进。

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图6 复合定向钻进技术钻进工艺选择流程
Fig.6 Selection process of drilling technology for compound directional drilling technology

2019年1月,配套泥浆脉冲随钻测量系统施工在保德煤矿81209工作面,历时20 d,成功完成了主孔深度2 570 m的顺煤层超深定向钻孔。单孔施工总进尺3 164 m,开分支孔9个,钻孔探顶8次、探底4次,煤层钻遇率97%,孔径ø120 mm,正常钻进情况下日平均进尺达到200 m以上,钻孔轨迹剖面如图7所示。

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图7 2 570 m顺煤层超深定向钻孔轨迹剖面
Fig.7 Drilling trajectory profile of 2 570 m ultral-deep directional drilling borehole along coal seam

2018年底在龙王沟煤矿61605主运输巷绕道1号钻场,采用ZDY12000LD钻机、BLY460/13泥浆泵车及YHD3-1500随钻测量系统施工完成1D-1钻孔终孔深度达到1 227 m。

2016年10月底开始,在顾桥矿1123(3)工作面钻进用时82 d,成功完成高位定向钻孔10个,深度500 m以上钻孔7个,总进尺4 643 m,孔径ø153 mm,全部达到设计要求,成功解决了顾桥矿顶板复杂地质条件下高位大直径定向钻孔钻进中爬坡复杂孔段、目标层复杂孔段成孔困难以及抽采期间复杂孔段塌孔等难题,取得了顶板高位大直径定向钻孔在复杂破碎岩层中新应用。

5.2 套铣打捞工艺技术

套铣打捞工艺技术是一种适用于孔壁坍塌卡钻、掉钻等多类钻孔事故处理工艺方法,由于其事故处理成功率高、对事故钻具无损坏,已成为煤矿井下定向钻进孔内事故处理的常用方法。套铣打捞技术原理如图8所示。

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图8 掉钻事故套铣打捞工艺示意
Fig.8 Schematic diagram of milling and fishing technology for drop drilling accident

在孔内发生孔壁坍塌卡钻事故时,将事故钻具从孔口处卸扣,然后依次将打捞钻头、打捞钻杆套在事故钻具上,进行套铣回转钻进;套铣钻进过程中,泥浆泵泵送冲洗液经过事故钻具与打捞钻具之间的环空,以及套铣打捞钻头后从套铣打捞钻杆与孔壁之间的环空,将打捞钻进的钻屑从孔内携出钻孔;当打捞钻头沿事故钻具向前套铣钻进通过孔内事故卡点时,将卡点处孔壁掉块或钻屑打通,从而实现钻具解卡,然后将打捞钻具和事故钻具依次提出钻孔,完成事故处理。

通常ø73 mm定向钻具配套ø102 mm套铣打捞钻杆和ø82 mm/ø133 mm套铣打捞钻头;ø89 mm定向钻具配套ø127 mm套铣打捞钻杆和ø153 mm/ø100 mm套铣打捞钻头。

6 展望

1)基于随钻测量定向钻进技术的发展,已建立了本煤层瓦斯预抽采卸压、采空区抽采及井上、井下瓦斯联合抽采等煤与瓦斯共采体系;建立了底板注浆加固改造、顶板水超前区域疏放和老空水精确中靶探放等水害防治体系;建立了断层、陷落柱等隐蔽致灾因素探查定向孔施工技术与方法,形成了科学完善的煤矿安全保障坑道定向钻进体系。

2)井下钻探装备智能化是近几年攻关的重点,长期看也是钻探装备的发展趋势,需要不断解决大功率定向钻进装备机械化、自动化加卸杆问题[17],加强参数监测和数据共享的信息化、电液控制技术和事故预防处理技术,期望达到减员增效、保障井下作业人员安全的目的。

3)防爆地质导向随钻测量系统和旋转导向钻进系统及配套钻进技术的研发,可以实现高效快速钻进,可以提高岩煤层有效进尺比例、钻孔直径、钻进速度和井下煤层气抽采效率,降低钻进成本和事故概率,国家“十三五”科技重大专项对此项研究给予支持。

4)顶板高位大直径定向长钻孔替代高抽巷、工作面大直径横贯钻孔替代联络巷、碎软煤层顺层定向钻孔替代底抽巷等新的需求和尝试,将为定向钻进装备和配套工艺技术开发提供新的需求导向,其科学性和可行性会随着大量现场工程实践得到进一步验证,为满足井下碎软煤层工作面预抽、采动区及采空区瓦斯抽采提供技术与装备支撑。

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