复杂顶板高位定向长钻孔钻完孔技术.pdf
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1、201移动扫码阅读long borehole in complex roofJ.Safety in Coal Mines,2023,54(10):201-205.JING Changbao,ZHANG Baodi,CHU Zhiwei,et al.Hole completion technology for high level directional54(10):201-205.复杂顶板长钻孔钻完孔技木安全,2 0 2 3景长宝,张宝第,褚志伟,等Safety in Coal MinesOct.20232023年10 月No.10Vol.54煤矿发全第5 4卷第10 期DOI:10.1334
2、7/ki.mkaq.2023.10.027复杂顶板高位定向长钻孔钻完孔技术景长宝,张宝第,褚志伟?,孙文亮,王飞!(1.陕西长武亭南煤业有限责任公司,陕西长武7 316 0 2;2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安7 10 0 7 7)摘要:针对亭南煤矿顶板高位定向钻孔施工存在的开孔段地层破碎、定向孔段泥岩缩颈、两级扩孔效率低和瓦斯抽采通道易堵塞等问题,提出了复杂顶板高位定向长钻孔钻完孔技术;集成了大直径套管护孔、缩颈地层扩孔、双级双速一次扩孔和钢筛管完孔等关键技术,配套了大功率定向钻机、泥浆泵车、随钻测量装置、液动螺杆钻具和双级双速扩孔螺杆钻具等钻进装备。在亭南煤矿3410 工作
3、面钻场进行了现场应用,顺利施工了2 个顶板高位定向钻孔,成孔深度分别为511、6 10 m,孔径200mm,单班扩孔进尺在6 0 m以上,全孔下入89mm护孔钢筛管,钻进过程安全高效,为复杂顶板高位定向钻孔施工提供了一种新的技术途径。关键词:复杂顶板;高位钻孔;套管护孔;一次扩孔;筛管完孔中图分类号:TD41文献标志码:B文章编号:10 0 3-496 X(2023)10-0201-05Hole completion technology for high level directional long borehole in complex roofJING Changbao,ZHANG Ba
4、odi,CHU Zhiwei?,SUN Wenliang,WANG Feil(1.Shaanxi Changwu Tingnan Coal Industry Co.,Ltd.,Changwu 731602,China;2.China Coal Technology and Engineering GroupXian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Xian 710077,China)Abstract:Aiming at the problems existing in the construction of high directional drilling
5、 in Tingnan Coal Mine roof,such as strat-um breakage in open hole section,mudstone shrinkage in directional hole section,low efficiency of two-stage reaming and easyplugging of extraction channel after hole formation,the drilling and completion technology of high directional long hole in complexroof
6、 was proposed.The key technologies such as large-diameter casing hole protection,shrinking neck formation hole reaming,two-stage two-speed one-shot hole reaming and steel screen hole completion were integrated.The high power directional drilling rig,mudpump truck,measurement while drlling device,hyd
7、raulic screw drilling tool and double stage and double speed expanding screwdrilling tool were equipped.The field application was carried out in the drilling field of 3410 working face of Tingnan Coal Mine.Two directional holes at the top of the roof were constructed,with the hole depth of 511 m and
8、 610 m respectively,and the diameterof the hole was 200 mm.The diameter of the single shift was more than 60 m,and the 89 mm steel screen with hole protection wasinserted into the whole hole.The drilling process was safe and efficient,which can provide a new technical way for the constructionof high
9、 directional long borehole in complex roof.Key words:complex roof;high level borehole;casing protection;one-shot reaming;screen hole completion顶板高位定向钻孔是进行工作面采空区和上隅角瓦斯治理的有效技术手段,通过在回风巷道内开掘钻场,在工作面回采之前,以大倾角上仰开孔钻进至煤层顶板;然后,以先进的随钻测量技术为依托施工先导孔,利用随钻测量定向钻进技术进行造斜钻进,通过对实钻钻孔轨迹的实时收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 6责任编辑:李力欣基金项目:
10、山东能源集团有限公司科技创新资助项目(C130B2022000179)作者简介:景长宝(197 1),男,山东齐河人,高级工程师,硕士,主要从事通防技术和管理方面的工作。E-mail:10 32 7 7 0 97 1 q q.c o m202SafetyinCoal MinesOct.20232023年10 月No.10Vol.54煤砺发全第10 期第5 4卷准确测量和精确控制,使钻孔进人工作面回采后的采空区“o”型圈内裂隙带并沿其延伸;先导孔完成后,下人扩孔钻具组合增大钻孔直径,提高与裂隙带接触面积-2 。由于其施工钻孔深度大,且主要孔段均在“o”型圈裂隙带内延伸,钻孔可长期稳定存在,以工作
11、面回采时采动压力形成的顶板裂隙作为通道,能够有效抽采工作面煤壁释放的瓦斯,从而实现了工作面采空区瓦斯区域抽采。顶板高位定向钻孔可以实现采动区顶板瓦斯的稳定高效抽采,有效降低工作面上隅角及回风瓦斯体积分数 3-5 。目前,已在晋城、阳泉、淮南、淮北和彬长等全国多个矿区推广应用,显著提高了回采效率和煤炭产量,为高瓦斯矿井安全高效生产提供了有力保障,促进了“以孔代巷”技术的发展 6-7 亭南煤矿煤层厚度大,虽然采前瓦斯预抽可使煤层达到开采条件,但是高强度开采会产生大量采动卸压瓦斯,易导致回风巷和上隅角瓦斯超限。以往虽然开展过顶板高位定向钻孔成孔试验,但受顶板岩层复杂破碎影响,钻进过程中塌孔卡钻事故多
12、发,钻进效率低,成孔质量差 8-9。因此,有必要针对亭南煤矿采动卸压瓦斯治理需要,开展复杂顶板高位钻完孔技术的应用研究,以解决亭南煤矿顶板高位定向钻孔无法高效成孔的技术难题。1顶板高位定向钻孔成孔技术难点亭南煤矿煤层和顶板复杂破碎,施工顶板高位定向钻孔主要面临以下技术难点:1)开孔段地层破碎。顶板高位定向钻孔在煤层中开孔,以大角度向上依次穿过煤层、煤岩界面后进入煤层顶板预定层位,由于亭南煤矿地层应力高,煤层孔段和煤岩界面附近孔段均存在地层破碎塌孔严重的现象,钻进过程中极易发生塌孔卡钻孔内事故,严重影响着开孔段成孔安全性,以及定向孔段高效钻进 10 。塌孔卡钻示意图如图1。稳定复杂螺杆地层钻杆无
13、磁钻杆塌体本地形钻具钻头图1塌孔卡钻示意图Fig.1Schematic diagram of collapse sticking2)定向孔段泥岩缩颈。亭南煤矿煤层顶板岩性主要为泥岩和砂岩,且以泥岩为主,砂岩厚度在1m左右,虽然终孔层位布置在砂岩中,但在钻孔爬升孔段和砂岩厚度变化孔段仍会钻遇泥岩。泥岩孔段在冲洗液的冲刷作用下会发生缩颈现象,减小了钻孔直径,容易发生泥岩缩颈卡钻孔内事故,降低了钻进的安全性 1。泥岩缩颈卡钻示意图如图2。稳定地层缩颈泥岩层定向钻具卡钻缩颈部位图2 泥岩缩颈卡钻示意图Fig.2Schematic diagram of mudstoneshrinkage and sti
14、cking3)两级扩孔效率低。顶板高位钻孔一般多采用扩孔的方式增大钻孔直径,以提高采动卸压瓦斯的抽采效果。目前,主要使用两级扩孔方式,即完成120mm先导孔施工之后,首先应用15 3mm扩孔钻具组合将先导孔扩至153mm,之后采用200mm扩孔钻具组合将钻孔扩至200mm。两级扩孔存在扩孔效率低和施工周期长的问题,同时孔内事故发生概率大幅升高。4)瓦斯抽采通道易堵塞。顶板高位钻孔完成施工后一般以裸眼方式完孔,在煤层顶板复杂破碎的情况下,瓦斯抽采周期内抽采通道易堵塞,特别是在采动影响下,进一步加剧了抽采通道堵塞的程度,降低了顶板高位定向钻孔利用效率。2复杂顶板高位定向钻孔钻完孔技术2.1技术方案
15、针对亭南煤矿顶板高位定向钻孔成孔面临的技术难题,提出了复杂顶板高位定向钻孔钻完孔技术。开孔段采用多级回转扩孔工艺施工,下人大直径套管护孔,下人深度超过煤岩界面复杂破碎地层,注浆固孔;定向孔段应用复合定向钻进技术控制钻孔沿着设计轨迹长距离延伸,采用异形钻具组合复合排渣技术增强定向钻进排渣能力,钻遇泥岩缩颈孔段泵严重无法正常钻进时,利用扩孔方式增加钻孔直径,以减弱泥岩缩颈的影响;定向先导孔完成施工后,应用双级双速扩孔工艺实现钻孔120mm至200mm的一次扩孔成孔;扩孔完成后下人钢筛管完孔,保证瓦斯抽采通道的通畅 12 O203SafetyinCoalMinesOct.20232023年10 月煤
16、防岁全Vo1.54No.10第10 期第5 4卷2.2关键技术1)大直径套管护孔工艺。开孔段煤层和煤岩界面地层破碎塌孔严重,如果在裸眼完孔情况下施工定向孔段会有塌孔卡钻的风险,不利于后期成孔。因此,采用大直径套管护孔工艺对开孔复杂破碎孔段实时有效护孔,即完成套管孔段多级回转扩孔之后,下入244.5mm钢套管,下入深度超过煤岩界面 13。钢套管下入后注浆固孔,先从钻孔与套管环状间隙内插人注浆管,然后使用搅拌好的水泥砂浆(将孔口处密封,待水泥砂浆凝固后形成水泥塞),封固孔口段;再打开注浆截止阀,从注浆管内注人水泥浆,待水泥浆从套管内流出后,停止注浆,关闭截止阀。候凝完成后安装孔口装置,连接瓦斯抽采
17、负压管路。2)缩颈地层扩孔技术。定向钻孔孔口段施工钻遇泥岩缩颈地层时,采用扩孔方案将钻孔孔径扩大。钻孔扩大后,泥岩再次缩颈时由于钻孔孔径已变大,预留了泥岩缩颈减小钻孔孔径的空间,显著提高了冲洗液和钻渣有效流通通道的直径,避免了缩颈引起憋泵和钻渣无法排出的问题。缩颈地层扩孔技术原理图如图3。稳定目标层钻孔轨迹68复杂地层稳定地层A-A图3缩颈地层扩孔技术原理图Fig.3Schematic diagram of shrinkageformation andreaming3)双级双速一次扩孔技术。常规扩孔工艺主要采用孔口钻机驱动钻具回转,带动孔底扩孔钻头进行碎岩,其扩孔动力传递效率低、单次扩孔直径小
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