程玉灵
淮河能源集团勘探工程分公司 232100
摘要：淮南矿区是煤与瓦斯突出矿井，煤层构造复杂，瓦斯压力大，煤层松软，透气性差，瓦斯威胁大。空气螺杆马达在破碎松软煤层中定向钻进施工，可以提高钻孔的见煤率和钻孔成孔率。
关键词：定向钻进；柔性套管；松软煤层
一、概述
为了用更多的方式促进我国瓦斯治理的技术创新,并得到更高的效率和效果。根据集团公司安排，在潘三矿17102(3)块段选择100m长的实体段区域作为顺层长钻孔试验区。通过对空气式螺杆马达的定向钻进和成孔实验的研究,探索了一套特别适合于淮南矿区井下风动式碎软煤层风动式螺杆马达的定向钻进施工方法,从而大大提高了碎软煤层瓦斯抽取孔深度、施工精度和抽采效果[1]。
二、概况
（一）工作面概况
潘三矿17102(3)工作面位于东四采区,标高-680~-724m。工作面可以采取走向长1820m (其中实体段1048m ),倾向宽200m 。13-1煤厚3.2~4.7m ,均厚4.0m ,平均倾角8°,处于突出的危险地带,实测瓦斯压力2.8mpa ,瓦斯含量8.4m3/ t ,煤层的透气能力系数0.022m2/( mpa2? d )。
（二）钻孔设计
17102(3)轨顺设计25个顺层长钻孔,洞深220米,钻孔量合计5511.6m ,钻孔采用扇形方式布置,钻孔开口按分2排进行布置,每排钻孔开口间距一般为0.6m ,钻孔最后一排按5m 间距进行布置。
三、施工装备
（一）钻机设备
选用了西安煤科院公司所生产的 zdy6000ld ( f )型履带式全液压矿井孔道钻机。最大扭矩:6000nm ,最大给进/起拔能力180kn ,额定转速:50~190r / min ,调角范围:-8~30°,配套钻杆:Φ73~89mm[2]。
（二）随钻测量装备
通过研究煤矿井下电磁波在地层中的传播特性，采用电偶极子原理在地层和钻具上激发出低频电磁波的方法进行数据传输，配套高精度、高稳定性测量探管，研制了电磁波无线随钻测量装备。其传输距离不小于500m，传输速率高达50bps，测量一次用时40s左右[3]，测量精度：倾角±0.2°，方位角±1.2°，工具面向角±1.2°。
（三）钻具组合
空气螺杆马达表面平光型外径73mm,螺旋型外径83mm,长度4~4.4m,前置挠度1.25~1.5°,正常工作时风压需达到0.7MPa,额定扭矩为250~300Nm,转速200~300r/min。
钻具组合依次为：Φ108mm钻头+Φ73/83mm外螺旋空气螺杆马达+Φ81mm螺旋下无磁钻杆+Φ81mm螺旋探管外管+绝缘短节+Φ81mm螺旋上无磁+Φ73mm螺旋钻杆。
（四）下管装置
下套管钻具组合：Φ92mm导向式可开闭钻头+Φ89mm整体式大通孔螺旋钻杆，所下套管为柔性整盘式PE管。
四、施工工艺
（一）钻孔施工中的四大技术难题
1、煤层起伏变化大，普通钻进工艺见煤率低，钻孔见煤率难以保障。
2、钻孔前60m范围处于应力集中区，垮孔严重，易发生埋钻事故，钻孔着火事故。
3、钻孔长，且煤层松软，定向钻进困难，钻屑量大，排渣困难，易发生埋钻和钻孔着火事故，成孔困难。
4、孔深，垮孔严重，套管难以下到位。
（二）问题解决措施
1、前期按照普通顺层钻孔施工工艺回转钻进施工2～3个常规顺层钻孔，便于施工人员对煤层松软和钻孔垮孔程度、瓦斯涌出量、钻机性能等情况有个初步认识和判断。再对普通钻进工艺施工结束后的钻孔进行随钻测斜，结合实际止（见）煤情况，反演分析，绘制出较为准确的煤层倾向剖面。
下一步采取定向钻进施工过程中，根据上一个钻孔实际轨迹、见岩情况，确定下一个钻孔的设计轨迹。
2、钻孔前60m范围处于应力集中区,破碎严重,垮孔,钻屑量大,易造成埋钻事故。该区段钻孔施工采取回转钻进工艺,以掏煤卸压,加强孔内排渣为目的,轻压慢进,必要时来回拉动钻具,确保排渣顺畅,防止孔内埋钻。
3、采用以回转钻进和定向纠偏为主,定向和纠偏相辅作用的交互式施工形式进行施工,对比钻孔实际轨迹与设计轨迹线,根据实际需要,选择性的采取定向钻进纠偏,尽量保证钻孔实际轨迹与设计吻合。
通过前期对煤层的钻孔数据和地质状态,探明了煤层赋存的地质条件,设计出更加准确地符合现场实际的定向钻进轨迹,预判好煤层松软、破碎、容易垮裂的区段,提前确定定向钻进纠偏位置,避免在煤层异常区段定向钻进。
4、钻孔施工到位后,起出孔内所有钻具,重新向孔内下入导向式可开闭钻头+通径钻杆的钻具组合,采用"全程下套管"工艺。开闭式钻头可防止下钻过程中孔内钻屑进入钻杆内堵塞钻杆,通径钻杆为管到底提供可靠顺畅的下管通道。柔性整盘式PE套管取代插接式PVC花管,可以有效防止起钻时套管脱节。下套管前将整盘式PE套管破劲、捋直,减小下管过程中套管与钻杆内径的摩擦阻力。在柔性PE套管最前端连接1~3根PVC硬质套管,作为导向套管,方便套管更顺畅的下到位。
五、钻孔施工和效果分析
（一）钻孔完成情况
自2017年5月16日～2018年4月30日 ，实际施工设计21个钻孔，其中定向钻进18个钻孔（10#～23#、5#～8#），且全部均可以达到工程设计孔深，有效总进尺4580m，单孔最大孔深达231m 。采取定向钻进工艺施工的钻孔平均见煤率达94.24%，其中有8个钻孔见煤率达100% ，平均下套管率达97.96%。
（二）成果展示
1、25#、24#孔采用普通回转钻进施工工艺，钻孔见煤率分别为48.56%和34.23%，采用定向钻进施工工艺，钻孔见煤率显著提升，平均见煤率达到94%，其中有8个钻孔见煤率达到100%。
2、采取以回转钻进为主，定向纠偏为辅的交互施工工艺，选择性的采取定向钻进纠偏轨迹，再选择回转钻进工艺加强排渣，有力的保障了钻孔施工安全。20#～5#钻孔，累计16个钻孔，进尺量3495.5m。
3、本次试验共施工了21个成孔，均采用“全程套管”工艺，平均下套管率97.96%，其中有5个钻孔下套管率为100%，下套管率最低为89.38%。
（三）抽采效果
根据钻孔施工情况，选择12-25#共14个孔作为一个施工考察检查单元，自2017年5月至2018年4月累计抽采瓦斯量32.2万m3，是常规钻孔抽采量3～4倍，7月后平均瓦斯浓度60%左右。
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六、创新总结
1、确定了空气螺杆马达能够在高地压、高瓦斯、碎软煤层中定向长钻孔施工工艺。其中包括煤层赋存情况的探查，螺旋钻具的排渣工艺，回转转进为主，定向纠偏为辅定向和纠偏作用相配合的交互式施工技术,根据构件的造斜比率来确定回次位置和返复时间,摸索输送风压、风量、转速、给入压力等各种施工技术参数。
2、总结出高效安全过应力集中区成孔工艺。采用回转钻进、掏煤卸压等方式顺利穿过应力集中区。
3、形成了“长钻孔”下管工艺。使用专用钻头，整盘筛管等实现 “一管到底”，保障了钻孔抽采效果。
参考文献：
[1]樊金志;姜书平;周连春.气水分离装置在中泰公司的应用与实践[J].内蒙古煤炭经济,2019(11):127-128.
[2]张宏钧;姚克;张幼振.松软煤层螺旋钻杆与压风复合排渣钻进技术装备[J].煤矿安全,2017(15):115.
[3]张杰;王毅;黄寒静;王传留.空气螺杆马达软煤定向成孔技术研究[J].煤炭科学技术,2018(4):69-71.