煤矿井下定向钻进工艺技术的分析

煤矿井下定向钻进工艺技术的分析

戴鹏

西山煤电集团矿业管理有限公司钻探分公司，山西省太原市，030200

摘要：随着社会经济的快速发展，定向钻进技术在石油工业、煤炭和地质等各个领域占据着十分重要的位置。在我国煤矿综合推广工作的收益率和效率不断提升的情况下，矿井瓦斯地质异常检测和瓦斯钻孔轨迹的控制精度要求逐步提高，其在煤矿井下得到了十分广泛的应用，其不仅可应用于煤矿井下瓦斯抽采，还能够应用于煤矿井下探放水及工作面地质构造探测等工程领域，均取得了较好的效果。

　　关键词：煤矿井下；定向钻进工艺；应用

1.煤矿井下定向钻进工艺技术的应用原理及特征

        1.1原理

        就现阶段煤矿井下定向钻进工艺技术来说，这是一种使用了随钻测量还有水力排渣功能的钻孔工艺技术[1]。该技术应用的主要原理其实就是在泥浆泵加压静压水的过程中，采取钻杆里面的供水通道来将静压水运送到孔的底部，这样就可以使得孔底的螺杆马达在驱动的作用下进行旋转。接着把动力提供给钻头旋转切削煤岩，以此来使得水沿着孔壁和钻杆之间的孔隙流动，进而将孔内的钻屑排除出去。在具体施工的时候，对于孔底钻具的空间参数指标（如方位角还有倾角等）就可以利用随钻测量的系统来对其进行实施测量，这样操作的人员就可以通过设计参数和施工参数之间的对比来对孔底钻具的工具面向角来进行调整，以此来开展下一次的钻井施工[1]。

        1.2特征

        煤矿井下定向钻进工艺技术具有以下特征：

        （1）稳定组合钻具

        该钻具具有着比较高的强度以及比较广的地层适应性，并且具有着操作性强以及成本低的特征，而且其结构相对简单，对于冲洗液的性能方面也没有特殊的要求。同时，对于钻孔的倾角而言也是比较容易控制。然而对于方位角来说，其控制方面的能力却是比较差的。因此，该种钻具对于钻进定位精度要求不高并且深度在八百米以内的施工比较适用。

       （2）孔底螺杆马达钻进

        对于孔底螺杆马达钻进的钻具而言，其具备较为复杂的结构，所以其成本也比较高，而且还要求有关操作的人员要具有比较高的技术水平。同时，还钻具对于方位角还有倾角都有着比较强的控制调节能力，可以精准实时的进行随钻测量，并且其定向精度比较高。但是因为受到螺杆马达还有相应配套结构的约束，所以对于冲洗液的净化能力有着比较高的要求。因此，该种钻具适用于地层较弱并且岩层稳定施工中。

2.定向钻进技术的应用

   2.1在井下瓦斯抽采中的应用

       （1）集束型定向钻

        在一个多分支的定向井钻施工的过程中，其主孔存在着较为集中的开孔部位，并且其孔范围内的延伸或者是扩展大致一样，并且作为深度聚集的主孔钻就是集束型定向钻孔群[2]。一般来说，在这样赋存条件比较好并且硬度坚固性系统高于一的前提下，简单的煤层构造成孔是比较容易的。

       （2）梳妆定向钻孔

        就煤矿井下的梳妆钻孔技术而言，通常就是在靶点煤层处来向目标煤层当中较为稳定的岩层开展水平长钻孔的施工，接着将其分支穿入进煤层当中，以此来长期有效的抽采煤层当中很难形成孔的松软煤层当中的瓦斯。与此同时，当煤层渗透率处于比较低的状态下，为了可以使得软煤层的渗透率得到有效的提高，那么可以在梳理钻孔当中开展压裂作业，以此来使得瓦斯抽放的效果得到有效的提升。

       （3）煤矿井上地面与井下钻孔之间的联合

        有效的应用井下水平孔与煤矿区地面直井之间的联合技术的整个核心内容其实就是在对地面抽采直井还有井下水平长钻孔施工的技术进行有效全面的应用还有发展的前提下，使得地下集群式的水平井眼穿过地面压裂垂直的地区，这样就可以将瓦斯、地下煤层气的三维排水沟构建起来，然后通过井下水位控制、钻孔排水以及煤层气动态排水来将瓦斯的排水分离以及有效回收实现[2]。

        2.2探测井下的地质异常

       （1）地质构造的探测

        对于钻遇地层构造点而言，充分的应用定向钻井技的时候，就可以充分的利用其中的计算以及随钻测量功能来精确的将其三维坐标计算出来，并且还可以应用其定向分支技术来计算出分支孔钻遇构造区域的三维坐标。接着运用已经得到的三维坐标点的数据来有效全面的勾画出来这个区域的地质构造分布空间。

       （2）对于煤层厚度以及工作面煤层走向方面的探测

        开展定向主钻孔进行施工时，有关的施工操作工作人员应该要根据有关的规范标准来将多个的探顶分支钻孔设计出来，然后运用相应的仪器测量出来的数据来将钻遇顶相应点之间的上下位移计算出来，接着将这些逐渐的转变成为此点的相对标高，最后依据顺利来将多个探顶分支钻孔的顶板连接在一起[3]。通过这样的方式这样就可以计算出来需要钻的煤层的倾角，然后利用煤层的走向以及和倾角之间存在的关系来明确工作面煤层的走向。

　2.3井下瓦斯抽采

煤矿井下定向钻进技术实现了从“无控钻”到“精确定向钻”的井下瓦斯抽采，改变了煤矿瓦斯抽放钻孔的布置和施工方式。根据使用条件及布孔方式的不同，其应用方式可分为本煤层集束型定向钻孔群抽采瓦斯、松软煤层梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯、顶板高位定向长钻孔采空区抽采瓦斯及井上、井下瓦斯联合抽采瓦斯等四种形式。（1）集束型定向钻孔群抽采瓦斯。集束型定向钻孔群是指在一个多分支定向井钻施工中，主孔的开孔部分相对集中，
　　钻或扇形孔范围内的扇形、花型扩展或平行延伸基本相同，作为主孔钻的深度是聚集。当硬度坚固性系数大于1，赋存条件好，地质构造简单，煤层易成孔，采用定向钻进技术在煤层施工机群式定向钻井组进行瓦斯抽放，主要用于单孔抽采主洞和支洞连接排水的排水方式。定向钻井群是我国最为成熟的天然气排水技术中应用最为广泛的一种定向钻井群。（2）梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯。当钻石普氏硬度系数小于1，煤质松软的煤孔，可以使用定向钻施工钻孔瓦斯抽放技术的梳子。在靶点煤层中，梳状钻孔技术是通过在目标煤层较稳定岩层施工水平长钻孔，并进行分支穿入煤层实现难成孔松软煤层的瓦斯有效长期抽采。如果煤层渗透率相对较低，可在梳理钻孔中进行压裂，以增加软煤层的渗透率，进而提高瓦斯抽放效果。该技术不仅可以控制软煤层瓦斯，而且还可以治理工作面采空瓦斯，可以实现预采抽采和采空区抽放三个排水联合排水，大大提高了软煤层瓦斯治理效果。（3）顶板高位定向钻孔抽采瓦斯。顶板高位钻孔主要用于工作面
　　上隅角瓦斯抽放的，是目前国内外常用的治理手段。定向钻进技术可以保证沿煤层顶板可以进行高效的抽油以及开采层的钻孔，从而使顶板的长孔和大孔钻的施工成为可能。高顶定向钻孔一般沿方向的面，安排在工作平面的投影范围回到煤层顶板10-40m的平面。在工作面回采过程中，采空区顶板变形、塌陷、高定向钻可以在采空区附近的角落高浓度瓦斯烟雾，防止采空区瓦斯涌入工作面上隅角瓦斯超限。除了随钻测量定向钻进技术外，顶板高位定向钻孔扩孔技术也是实现高位钻孔高效瓦斯抽采的关键技术，通过扩大钻孔孔径可有效降低钻孔抽采阻力，提高抽采效率。（4）井上下钻孔联合抽采瓦斯。煤矿区地面直井与井下水平孔联合抽采技术的核心思想是在充分利用、发展地面抽采直井和井下水平长钻孔施工技术的基础上，地下集群式水平井眼方向穿越地面压裂的垂直地区，建立地下煤层气/瓦斯三维排水沟，并利用井下钻孔排水和水位控制，煤层气动态排水，实现瓦斯回收，排水分离操作。地下多分支水平井的特点，有利于煤层气的高效开发。并与地面多分支威尔斯、地表及地下矿山三维排水沟道收集起来，在地下施工中，随着煤层钻孔技术的成熟，施工难度相对较低，低风险和施工过程中不存在储层损害。
　　2.4地下地质勘查

煤矿井下地质勘查对煤矿开采具有重要意义，煤层的布局、厚度和地质构造对采煤方案有着重要影响。在过去，也有一些共同的勘探方法，如地面钻探法，传统的钻井方法，隧道开挖法等。但与之对比的是，地面钻探法勘探领域比较大，但勘探资料比较精细。精度低，常规钻削范围小，不能实现长距离和精确的勘探；巷道掘进只能获取信息的接缝，不能预测，这种方法具有一定的危险性。在探测过程中，探测到三维坐标的地质记录中遇到的管道，然后在附近的地质构造中遇到的一些分支孔，孔分支遇到地质构造记录三维坐标的点。最后，我们可以根据一组三维坐标建立地质构造的三维模型，从而了解地质构造的分布。在勘探中，顶部（底部）分支的顶部（底部）分支被布置在主钻孔的时间间隔。当钻遇煤层顶板和底板记录的坐标点，然后转换坐标和地面的距离是相对高程，最后根据一组高程得到我们可以计算煤倾角，并分析煤层。煤炭开采，由于地表水的渗透和生产的废水生产，矿山采空区和旧的地下很容易收集了大量的水，煤炭生产带来了巨大的隐患。定向钻井技术随钻定向钻进，钻到矿区，通过渠道排水。煤矿井下灾害防治方法的定向钻进方法是最简单、最优秀的。由于钻削过程可以精确地测量和控制，定向钻进技术的钻井路径可以准确地测量和控制，和水排出领域的优势，水可以释放到最大限度。这种方法是通过对煤层底板含水层进行注浆加固，以防止底板水通过裂隙涌入矿井。该方法的过程是：先钻到预定的施工水平，再利用定向钻进技术进行斜钻，在需要加强的部位钻顶。最后，高压灌浆在钻孔中，要在底板上填充裂缝，起到将含水层改变为隔水层的作用。实践表明，井下定向钻孔注浆加固法可以大大减少煤矿的突水事故。
3.结束语

综上所述，我国煤矿现阶段的井下定向钻井工艺技术，在随钻测量方面还有钻井技术工艺方面虽然获得了比较好的成绩，但是定向钻井的整体工艺流程以及有关的基础还是位于在发展的初级阶段。所以对于有关的技术管理人员而言，对于定向钻井的施工经验应该要进行不断的总结，不管是钻孔的设计、施工的过程还有瓦斯的抽采都应该要对其中存在的问题进行认真的分析，以此来对施工的方案还有设计方案进行及时的调整，这样才可以使得煤矿企业的经济效益得到显著的提升。

参考文献：
　　[1]杨建.煤矿井下定向钻进工艺技术的应用[J].工程技术:文摘版,2018(8):00026-00026.
　　[2]伍涛.定向钻进在矿井地质构造探测中的应用[J].西部探矿工程,2018,28(03):86-88.
    [3]陈元朋. 定向钻进工艺技术在神东矿区应用浅析[J]. 西部探矿工程, 2020, v.32;No.286(02):92-94+98.