煤矿井下定向钻孔测量精度验证与应用

煤矿井下定向钻孔测量精度验证与应用

张军刚

内蒙古阿拉善盟天荣煤炭有限责任公司

内蒙古自治区乌海市016000

摘要：煤矿钻孔测量与定向钻进技术,能够完成对长距离定向钻孔轨迹的准确控制。在煤矿安全与地质调查的研究领域,尤其是在地下瓦斯保护抽放钻孔、探放水钻孔、勘探钻孔等在工程建设中获得了广泛的运用。在实际使用中,为了实现更精确的穿透与靶向,也实现了精确的定向施工,从而达到了良好的经济效益。通过精度试验和现场应用,可以更深入掌握钻头构造的精度,从而做出正确的钻头设计。正是基于此,本章重点对中国煤矿井下定向钻孔测量精度的检验与应用情况进行了分析与研究。

关键词：煤矿井下定向钻孔；施工测量精度

前言 定向钻井技术主要来源于石油勘探开采领域。但随着钻取科学技术的日益发达,定向钻井技术已逐步由传统石油领域走向了地质煤钻取领域,并起到了关键性作用。煤炭井下打捞近水平定向钻孔技术,是钻进工艺方面的一种新型工艺。主要进行顶板、亚板岩和中厚煤层瓦斯开采的瓦斯保护抽放钻孔和地质调查研究孔。而随着定向钻进技术在采煤板块中广泛的应用,对定向钻孔测量的精度计算和应用方法进行深入研究就显得尤为重要了。在石油勘探开发钻井和非开挖钻出来的等领域,因为水平定向钻井有精确的控制点和目标,所以一般并不考察岩性状态结构。但在煤矿近水平定向钻孔时,就需要将整个钻孔的测量精确度在煤层瓦斯中尽量增加,以增强瓦斯保护抽放的效应。所以,受煤层瓦斯地质条件不确定性的影响下,以对钻孔测量精确度的检验与应用为指导定向钻井的主要参考点更为现实。

1、定向钻孔施工的方法原理

定向钻孔技术的主要特点集中在钻头位置，其不回转的特点能够在钻进过程中更好地排渣。定向钻孔中内置了马达，能够通过马达带动钻头快速转动，保持作业效率。定向钻的钻头呈一定的倾角，需要工作人员提前设计好钻孔的轨迹路径，在与MWD系统的配合之下，电机改变钻头的倾斜程度，能够实现钻进路径的改变。MWD系统中有精确的定位和靶向技术，对定向钻的路径实现智能化的调节，保证钻进的深度。

2、定向钻孔的设计

定向钻探设计之前,就必须提前计划好钻井轨道。定向钻井绳的设计,应当充分考虑以下要求:钻井类型、施工钻井的数量和计算深度、分支钻井的数量、深度和间距等,能够真实体现钻机布置平面和空间范围(包括煤层顶底等高线图、综合柱状图、采矿工程平面CAD图、局部勘探孔或钻孔柱状图等),并研究了煤层瓦斯的开采瓦斯保护浓度与状况、煤层瓦斯保护对顶底围岩特性的变化,以及钻机布置区域内煤炭强度的变化。

2.1钻孔方位角设计

在设计支钻孔部位时,首先必须确定作业面顶部和底板等高线图的实际方位a,然后就必须确定支钻孔结构的主轴线B。顶板瓦斯会保护抽放洞,与回风巷的水平距离一般为10～30m,也可设定为2~5个水平定向的主钻孔,打洞距离一般控制在0.5～1m,然后再确定支孔的数量和方位,把支钻孔的主开孔位布设在作业面接收线内,可大大减少无效钻机的施工。孔的设计,洞深大约为300～600m。在进入接收线之后,主孔的相对齐应方向与腹层线平行,并沿凹槽延伸。主孔方位确定后，可以设计分支孔的对准，使最终孔在平面上均匀分布，平均距离为5～7m。

2.2钻孔倾角设计

倾角的设计应考虑两个方面：一是高钻孔的最佳开采高度，二是岩性。钻孔最后一孔的垂直高度应分布在煤层顶板的断裂带内。确定最佳垂直高度范围后，选择合适的钻井方位角和偏转曲线。设计钻孔路径时，应保留分支点。在钻孔过程中，由于需要识别煤层的顶部和底部，需要侧钻，以便在每个钻孔距离打开分支；如果井内发生地质异常或事故，也有必要使分支偏转，以便在井道设计过程中，有意识地在一定距离上适当保留连接点。

2.3开孔参数设计

依据钻孔取场规模、定向钻孔量以及打洞层位岩性,合理选用打洞天线方位角与钻孔距,避免串接。通常情况下,相邻孔的打洞方向偏差大于3°,打洞方向和目标位置的偏差等于30°,打孔中心间距等于0.5m。通过合理选取打洞方向倾角,可以让钻孔迅速地进入条目的层,主孔倾角变动范围通常低于15°。

3、实钻中钻孔精度设计优化

针对未知区域的定向钻井,人们建议在初始钻井阶段,可以采用每60~100m垂直方向调整螺杆马达的倾斜方向,从而使钻机能够快速下钻至碳煤层瓦斯的开采顶板或特征地层,随后就可以确定煤层开采顶板或特征地层的实际层位标高,然后就可以采用分支方法再撤回至相同位置再继续钻井,最后通过调整相邻勘探位置的标高,就可以估计出本层的实际倾斜角变化,这样就有效地优化了钻井设计精度,对后期的钻井阶段也进行了钻井设计精细化管理,以确保钻取工作始终在煤层或目的岩石地层中正常进行。然后分析了对实际钻井路径的测量数据、钻井液携带的矿渣的岩性变化以及钻井参数的变化，评估当前钻头的层位，并实时检查实际钻井层是否与钻头设计的预期层匹配。在实际钻井过程中,一旦发现陷落柱、断块、裂隙发育、钻孔内无水滴等异常地区时,可重新设计钻井路线并绕行异常地区,将钻孔提高至安全孔段,或开启分支钻孔并绕行至该地段,以避免在钻孔内发生。当实际钻孔精度和设计精度误差很大时,在设计精度方向上的精度改变就会使钻机的弯曲振幅增加,并在满足设计要求时增加钻孔内钻具的摩擦阻力，钻井精度设计应及时修正。

4钻进层位判断与识别

目前，根据钻井过程中地层岩性识别的要求，正在利用地层自然伽马参数开发防爆地质导向钻井系统，结合井眼轨迹测量参数，评估地层信息，控制煤层钻孔沿预定方向扩展，实现从“如何钻孔”到“精确地质导向钻孔”的技术飞跃。

在岩石定向钻孔工程设计中,如何正确地评估岩石定位,除通过钻孔回水、岩层断面和钻孔参数进行评估之外,还需用辅助仪器设备加以分析和评估。所以,有必要研制一种更精确的地下煤矿地层识别系统,并开发地质导向钻井服务系统,以进行近井眼轨迹的测定和远钻井眼土壤岩层的精确辨识,从而合理调节钻取轨道沿目的地层的走向。

5、精度测量验证方法及实际应用建议

根据定向钻进在煤矿的现场应用现状，系统总结了定向钻进精度的测量与验证方法、钻孔轨迹预测技术、钻孔轨迹控制方法和能力，为今后煤矿定向钻进技术的建设提供技术指导。为了进一步研究定向孔精度测量的验证方法和应用技术，提出以下建议。

5.1继续深入研究定向钻孔轨迹预报的关键技术,并研制了简单容易操作的定向钻孔轨迹预报系统软件,为定向钻孔轨迹控制作依据,有效引导定向钻孔的施工。

5.2研究定向钻孔轨迹设计、预报、控制三者间的交互关联,研制了一个集定向钻孔随钻测量、钻孔轨迹设计、轨迹预报﹑轨迹管理于一身的综合定向钻孔业务软件系统,使中国煤矿井下的定向钻孔技术向更智能化方向发展。

结束语

煤矿定向钻进的精度验证方法,可以在现有检测的基础上使用检测伽玛的电阻传感器,同时也对短段钻孔进行检测。通过所测定的伽马和电阻率,能够阐明钻头、介质层、泥石、砂岩等地质构造的岩性变化的有关伽马和电阻率性质,从而指导钻孔钻入目的地层,并通过旋转导向技术,使钻孔取线更加均匀。从而减少了钻具的摩擦阻力,大大提高了钻孔结构的稳定性。

参考文献

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