复杂地质条件矿井水平定向钻进施工技术

2014-06-25张广强ZHANGGuangqiang

价值工程 2014年12期

张广强ZHANG Guang-qiang

（中煤第五建设有限公司第四十九工程处，邯郸056003）

0 引言

由于复杂地质条件下的煤矿区中存在的煤岩层大都比较松软、易碎，在进行水平定向钻机工作的过程中，往往需要更加的仔细和小心，如果遇到断层破碎带、陷落柱等特殊的岩层时，稍不留意就会造成孔内事故，出现孔内垮塌、埋钻、卡钻等情况，而致使钻进效率低下。一旦孔遇到松软、易碎岩层时，就要采用有效的措施将损失降至最小。

1 煤矿井下水平定向钻进技术概述

在二十世纪八十年代初期，首次由英国研制出煤矿井下水平定向钻机，其钻孔深度可高达六百米左右，继而钻进技术得到持续发展，在八十年代中期钻孔可深入井下七百米。近年来，科技与时代不断得到发展，钻进设备与施工技术也在随之改进，直到今天钻孔深度可达一千七百米左右。我国煤矿行业起步比较缓慢，有些企业从国外引进多套规格、参数不同的水平定向钻机，首先在铁头、松藻、淮南、平顶山等地试用。矿井地质结构比较复杂，由于受到地域、自然、气候等方面的影响，因此提高了对钻进技术的要求。在钻进的过程中由于配套的钻杆壁比较薄，强度有限，致使钻机在实施钻进时会出现钻杆折断、螺杆钻具脱落等情况，造成孔内事故。最深钻孔与其钻机标定能力会因为井下情况的不同，难以成孔。在二零零三年山西某公司引入国外深孔定向钻机，用于探测地质构造、开展地面煤矿的瓦斯抽采，钻孔深度可达到一千米左右。随后我国连续从国外引进多套水平定向钻机，分别应用于不同地质条件下的钻孔工作，均得到良好的效果。

2 水平定向钻进技术原理与工艺

水平定向钻机上可对各种复杂地质条件下的矿井进行探测，本文将对澳大利亚钻机钻进技术与工艺作出具体分析，其施工钻孔直径可约达九十毫米左右，钻孔定向方位以及倾斜角偏差控制精度在规定数值以内。这套技术就是将孔底马达与随钻测斜技术联系起来，以便对钻孔钻进方向进行控制，水平定向钻机通过螺杆钻具的应用驱动钻头，以高压冲洗作为一种关键的原动力，向设备传递出源源不断的动力，带动机械的运作。水平定向钻机配备各种不同功能的造斜部件，例如弯外管、弯接头等，附带随钻测斜仪器，以便灵活控制钻进方向。此种钻机和以往的回转钻具最大的差异是其运作驱动的不同，通过螺杆钻具驱动钻头旋转，在钻进的过程中，钻杆柱、选斜件以及螺杆钻具的外壳是不受影响的，若钻头是工作的状态，其造斜件弯曲方向也就是钻孔钻进的方向。

水平定向钻机工作时根据钻杆柱来调节螺杆钻具上造斜件的角度，可自由随意的调整钻进方位、钻进倾角，按照操作的方位来控制螺杆钻具上造斜件的面向角，实现钻进定向的作用。如上文所述，钻头旋转的控制原理是通过高压水冲洗钻杆传递动力至孔内马达，使其内部的转子得到充足的动力进而有效转动，运用前端轴承带动钻头做旋转运动。在钻孔工程中钻杆有助于加快钻头旋转，但钻杆本身是不具备旋转功能的，只有依靠孔底马达带动钻头旋转，才能减少钻机负荷，实现破碎煤岩的目的。孔内定向马达最重要的工作部件是弯接头，使其与钻杆处于夹角的方位，以往的钻机呈直线操作，而这种弯接头所呈现出钻孔轨迹是具有弯接头方向的曲线操作，根据其夹角的规格不同，又被分为多规格的弯接头，这些不同夹角参数的弯接头将影响钻孔曲率半径，还可根据孔内预定，在同一位置进行分支孔钻进。水平定向钻机附带远程通讯测量系统可及时对钻孔工作中多角度、多方向进行监测，例如内前端方位角、倾角、弯接头方向等参数与轨迹做出评判，可保证钻孔定向是按照事前计划的方向与轨迹钻进。并且还可通过孔内测量的多参数对与其对应的观测点位置进行计算，有利于描绘出垂直平面、水平面的钻孔轨迹空间曲线，构成一幅精准的投影轨迹图，在水平定向钻进的过程中观测轨迹线，一旦发现与预定目标不符出现差错的情形，可通过及时改变弯接头方向，使其恢复原定的轨迹曲线，实现与预定轨迹目标的最佳重合。

3 水平定向钻进的控制与技术措施

由于大部分煤矿井下环境的复杂性，其煤层厚度、钻进技术都对煤矿生产造成一定的影响。有些井下还存在较多的断裂地质，形成阶梯状正断层，煤物质也因为地质的影响致使其性质发生了变化，逐渐变得质地松软，易于破碎。为提高煤矿开采的安全可靠性，减少生产与人身安全的隐患，对煤矿支护顶板的设计就显得尤为重要，可通过多个水平钻孔，提高煤矿支护顶板的安全性。首先运用水平定向钻机对其矿井地质结构进行探测，并且抽采井下瓦斯样本。水平钻进施工的过程中可能会遇到一些问题，例如煤层断裂、岩石下沉、顶板坍塌等，这些问题通常大部分是因为井下地质条件过于复杂，其中的不稳定因素较多风险性较高。这些风险性是无可估算的，最行之有效的方式就是做好事前防范工作，水平定向钻孔施工技术对探测井下地质有着绝对的优势。

按照预定的开孔位置钻进抽放瓦斯，在钻孔时要通过断层破碎带、薄煤层等岩层，最后才是目的层。由于复杂地质井下条件过于恶劣，造成施工难度系数过大，钻进效果得不到提升，因此，在钻进的过程中要注重钻具、泵量、钻速、钻进方式等工艺，并进行多次的试验，有利于提高钻进效果。在钻孔时其角度对技术活动有着重要的影响，如果钻孔仰角超过孔口的时候，就会导致孔内冲洗液随着孔壁流出，顿时造成孔中压力的降低，致使脆弱松软的岩层出现断裂或坍塌的情况。如果再次对原定位置进行钻孔，由于达不到之前的钻孔深度，往往会出现容易卡钻的情况，严重阻碍了钻进效率。在对矿井进行水平钻进施工初期，如果发现孔内煤岩层出现坍塌情况，并且此种情形得不到改善，致使煤岩层持续垮落。此时再对其采取事前控制措施，例如注射多种化学钻井浆体护孔马立休、马立散等，效果并不太理想，甚至会出现定位测量系统被卡钻，无法对孔内环境进行测量，导致定位测量系统失灵。首先对影响施工效率与质量的原因进行了分析，然后通过不断改进和创新水平定向钻机的技术措施，在原定计划方案的基础上对其失误进行了调整，选取较稳定、安全的岩层或泥岩开展钻进工作，在这个新计划方案的引导下，得到良好的钻进效果。当然在整个钻进过程中，也出现岩层破碎、断层阻隔、垮塌等情况，但通过合理利用钻机的定向功能，坚持按照预定轨迹调整钻进方向，最终符合设计要求，实现施工目的。