定向钻机在红柳煤矿的技术研究刘海东

定向钻机在红柳煤矿的技术研究刘海东

刘海东

神华乌海能源有限责任公司内蒙古乌海

摘要：定向钻进技术目前时世界上最先进的钻进技术之一，定向钻进作为一种新的钻进技术手段，自上世纪80年代在我国因生产的需要并随着科学技术的不断进步而获得迅速发展，从设计到施工工艺上也日渐趋于成熟，在实际生产中得到日益广泛的成熟。已成为我国煤矿安全护航的一把杀手锏。

关键词：定向钻机；钻进；安全

1工程概述及设备情况

1.1地质概况

根据红柳煤矿2煤开采水害现状分析，本区2煤开采主要受直罗组下段粗砂岩含水层影响，直接充水水源来自煤层老顶直罗组下段粗砂岩（“七里镇”砂岩）含水层，含水层厚8.6-9.8m，直接顶以粉砂岩为主。根据《1121工作面覆岩破坏导水裂隙带高度及顶板富水性探测报告》，工作面垮落带高度42.73m，其垮采比为8.55倍；导水裂隙带高度62.53m，裂采比为12.51倍对比计算，I020202工作面垮落带发育至直罗组下段上、下分层粗砂岩间粉砂岩、泥岩之中；导水裂隙带发育至煤层顶板直罗组下段上分层粗砂岩含水层之中。

由上而下划分为以下主要含水层：

①第四系孔隙潜水含水层（Ⅰ）

②侏罗系碎屑岩裂隙孔隙承压含水层（Ⅱ～Ⅴ）

③侏罗系中统直罗组裂隙孔隙含水层（Ⅱ）

1.2工程概况

钻孔布置

(1)钻孔平面布置：本次定向探放水钻孔间距根据常规钻孔布置情况及疏放水情况按照60m进行布置，项目区共布置了9个主孔8个分支孔共计17个钻孔。其中一号钻场布置了5个主孔3个分支孔共计8个钻孔，钻孔编号依次为：1#、2#、3#、3#穿层孔、4#、4#穿层孔、5#、5#穿层孔；二号钻场布置了4个主孔5个分支孔共计9个钻孔，钻孔编号依次为：1#、1#上分层钻孔、2#、2#上分层钻孔、2-1#、3#、3#上分层钻孔、4#、4#上分层钻孔。

(2)钻孔空间位置:项目区目标区域2煤老顶直罗组粗砂岩裂隙孔隙含水层是影响本井田的主要含水层，一号钻场覆盖区域含水层平均厚度63.5m，钻孔在含水层中下部进行钻进，为了能更有效的疏放含水层中的水，根据地质条件3#、4#、5#钻孔施工过程中分别施工1个穿层钻孔，穿层钻孔施工至含水层顶板处停钻；二号钻场覆盖区域含水层分上分层含水层和下分层含水层，二号钻场主孔布置在下分层含水层中进行钻进，施工过程中在主孔中布置上向分支孔在上分层含水层中进行施工。

图1-1主要煤层与含水层上下关系示意图

(1、96mm定向钻头;2、76mm螺杆马达;3、76mm下无磁钻杆

4、76mm铍铜外管；5、76mm上无磁钻杆；6、73mm通览钻杆7、73mm通览水尾）

1.3.2扩孔：φ165mm钻头+φ73mm通缆钻杆+φ73mm水尾

(1)钻进：φ96mm钻头+φ76mm螺杆马达+φ76mm下无磁钻杆+φ76mm测量短节+φ76mm上无磁钻杆+φ73mm通缆钻杆+φ73mm水尾

(2)钻孔结构

本次井下定向疏水钻孔均自煤层及顶板完整粉砂岩段开孔，钻孔开孔至煤层直接顶板粉砂岩、泥岩段。钻孔采用φ165mm扩孔钻头扩孔过泥岩段0.5-1m后下设φ127mm，壁厚6mm的孔口管固孔，在含水层中以φ96mm裸孔钻进至终孔位置。钻孔结构如图1-6所示：

(3)孔口装置

探放水或需要收集放水时的水量、水压等资料时，需要安装质量合格耐压达2Mpa的控水阀门（φ127mm闸板阀）和压力表。孔口装置要同钻孔套管的法兰盘连接在一起，并且易于拆开，在施工过程中要求密封不漏水。为了不影响钻探施工进度，在孔口管固孔牢固后将孔口三通连接好并且安装好孔口阀门后方可下钻。钻进入含水层并出水后，边钻进边进行水量观测。

2、钻孔质量及钻孔施工情况

2.1实际轨迹控制情况

(1）水平位移

从开孔到终孔要钻遇2#煤、粗砂岩、泥岩、细砂岩，故在实际钻进过程中根据实际情况方位做出了相应的调整，施工完成的钻孔最大水平偏移量为1.25m，最小偏移量为0.05m。

（2）垂直位移

实钻中严格按照设计进行施工，垂直位移最大偏移量为0.5m。

2.2探放水量

3、施工定向长距离钻孔施工时存在的问题及改进措施

3.1存在的问题

（1）钻遇泥岩时，局部破碎严重，容易发生塌孔现象，由于施工区域倾角变化复杂，极易发生卡钻埋钻事故，导致后续工作无法开展。

（2）测量信号是定向技术的命脉，无信号就无定向可言，钻孔施工至370m出现随钻无信号的情况，严重制约了长距离钻孔的施工。

（3）孔口装置（树脂管）封孔不牢，严重影响了施工进度。

3.2相对应的措施

（1）积极搜索矿方资料，熟知施工区域层位情况，从主观上避免盲目定向钻进，为提高钻孔控制精确度，严格将测量距离在控制为每3m一测。保证钻孔每个测点垂直准确度。钻进过程中一旦钻遇泥岩，及时观察给进、回转以及泥浆泵泵压，一旦发生急剧变化，立马提钻至安全孔段，如果无法确定钻孔层位，则选择合适的钻孔点，进行开分支，以避开泥岩段。

（2）针对钻孔施工至370m以后出现随钻信号无信号的问题，分析确定问题出现在钻杆上，主要原因是由于钻杆长时间使用时，钻杆内部通缆内芯和弹簧使用时间较长出现锈迹，导致通缆电阻增大，降压明显，其次是钻杆频繁使用导致通缆公头密封损坏，测量时水进入通栏内部，造成短路，导致测量无型号，钻杆使用时间过长，通缆铜芯电阻电阻增大导致降压过大，针对以上情况，特制定一系列钻杆维修保养的方法，用煤油擦拭钻杆公扣，并涂抹丝扣油，减缓钻杆丝扣的磨损程度，钻杆通缆公头密封圈不完好及时更换，并涂抹润滑油，避免提钻时损坏密封圈；将通缆钻杆母头内的弹簧取出，用煤油清洗干净，用棉纱将通栏两端内芯全部擦拭干净后将弹簧安放到位;每加一根钻杆用万用钻杆测量钻杆降压情况，降压超过0.3v时将钻杆挑出，单另摆放，每次提钻终孔时，将钻杆分堆摆放，通过这样对钻杆严格的维修保养，为定向技术提供了强有力的硬件支撑。

（3）针对井下以往采用赛瑞封孔虽然候凝时间短，但无法满足长时间探放水压力大，损耗大等原因，更换以往树脂管封孔，采用钢管用水泥封孔，一次性开数个孔，然后利用候凝时间施工其他钻孔，大大节约了钻孔候凝之间的时间，加快施工效率。

4、效果与分析

采取新工艺后，有效的提高了施工的效率，共施工两个钻场9个主孔8个分支孔。实钻轨迹如图：

5、结论

采用ZDY6000LD履带式全液压钻机对红柳煤矿I020202工作面施工长距离定向探放水孔，通过改进钻进施工工艺，提高了随钻信号以及新封孔材料和工艺，有效的提高了钻孔的施工深度、施工精度和成孔率。消除了工作面抽放的“空白区”提高了单孔探放水量，为煤矿安全奠定了基础。