顶板高位定向钻孔无线随钻测量定向钻进技术及应用

针对顶板高位定向钻孔钻进速度慢、钻孔直径小、扩孔效率低、钻具损坏严重等问题,提出了采用泥浆脉冲随钻测量定向钻进技术施工顶板高位定向钻孔的技术方案,开发了泥浆脉冲无线传输技术、复合定向钻进技术、孔口动力二次回转扩孔技术等关键钻进技术,研制选配了定向钻机、矿用泥浆脉冲随钻测量系统、泥浆泵、四级螺杆马达、高强度高韧性钻杆、定向钻头等关键钻进装备,形成了成套技术与装备,在晋城寺河煤矿5304工作面进行了现场试验,完成顶板高位定向钻孔12个,最大孔深480 m,总进尺4 929 m,成孔率达到91.7%,机械钻速提高30%以上,显著提高顶板高位定向钻孔施工效果。     

煤矿井下定向长钻孔用新型PDC扩孔钻头的研制及应用

针对煤矿井下长钻孔扩孔钻进时,普通PDC扩孔钻头存在钻进效率低,钻头寿命短,可靠性低等问题,结合煤矿井下近水平定向长钻孔扩孔施工的工艺特点,改进扩孔钻头和导向器的结构,研制了一种新型结构组合式PDC扩孔钻头,并进行了现场试验。试验结果证明,新型组合式扩孔钻头具有钻进效率高、寿命长、保直效果好等优点,试验单只钻头累计进尺达2 364 m,满足了煤矿井下近水平定向长钻孔扩孔施工的需求。     

煤层顶板硬岩大直径定向钻孔施工关键技术

根据顶板高位定向钻孔快速钻进成孔与工作面卸压瓦斯高效抽采治理需要，针对现有螺杆马达定向钻进技术与分级扩孔方法存在的问题，开展了顶板硬岩定向钻进与大直径扩孔钻进关键技术研究，开发了冲击回转定向钻进技术、扭冲回转定向钻进技术、扭冲旋转扩孔技术以及双级双速扩孔技术等钻孔提速新技术，研制了冲击螺杆马达、矿用小直径扭力冲击器、双级双速螺杆马达、组合式扩孔钻头等配套钻具。综合试验结果表明，硬岩定向钻孔平均机械钻进效率达到8.34 m/h，最高达到13.6 m/h，较常规螺杆马达定向钻进技术提升20%~30%；硬岩大直径扩孔终孔直径达到200 mm，机械钻进效率平均达到5.6 m/h以上，最高达到10.5 m/h。该技术提升了顶板硬岩定向钻进效率与大直径扩孔钻进效率，缩短了顶板高位定向钻孔的综合施工周期，为大直径高位定向长钻孔快速成孔与高效抽采治理回采工作面卸压瓦斯提供了可靠的技术手段。     

煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔双级双速扩孔钻头研究北大核心

双级双速扩孔工艺技术可以实现煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔的一次高效扩孔,克服常规正向多级扩孔技术方法提下钻工作量大、辅助钻进时间长和钻具安全性较差等局限性。扩孔钻头是实施多动力双级双速扩孔技术的关键工具,为进一步提高双级双速扩孔的碎岩效率,对双级双速扩孔钻头的冠部剖面形状、切削齿直径和切削齿结构参数进行优化设计;在此基础上建立了双级双速扩孔钻头和对应地层三维模型、有限元模型,采用动态分析软件模拟研究3种不同钻头直径的碎岩效果;优选一级钻头ф165~ф152 mm、二级钻头ф165 mm的钻头直径配比,利用新设计的双级双速扩孔钻头进行现场试验,完成2个120 mm钻孔一次钻扩至200 mm实钻施工,累积扩孔进尺474 m,扩孔综合钻效为5.6 m/h,最高钻速可以达到7 m/h。结果表明:双级双速一级钻头能够有效减少二级钻头的碎岩难度,延长钻头寿命,满足双级双速工艺要求,大大提高顶板高位大直径综合钻进施工效率。     

顶板高位定向大直径长钻孔钻进技术与装备

顶板高位钻孔是治理采空区瓦斯的有效技术手段之一,利用随钻测量定向钻进技术施工顶板高位定向钻孔可显著改善采空区瓦斯治理效果和经济效果。针对当前顶板高位定向钻孔钻进深度浅、钻进效率低和安全措施不够等问题,研制了大功率定向钻进装备、优化了钻进成孔工艺方案和扩孔钻具级配、开发了复合定向钻进技术和大直径扩孔技术等,形成了完整配套的定向钻进技术与装备。现场试验施工的大直径顶板高位定向长钻孔孔径达到153mm,孔深达到1026m,先导孔钻进效率大于41m/班。试验结果表明,研究的钻进技术和装备满足大直径顶板高位定向长钻孔实钻深度、直径和速度的需要,可用于大型工作面的采空区瓦斯抽采治理,对煤矿安全高效开采意义重大。     

煤层顶板高位定向钻孔施工技术与发展趋势

基于采空区顶板竖"三带"与横"三区"理论,分析了顶板高位定向长钻孔技术瓦斯抽采基本原理与优势,总结归纳了"定向先导孔+扩孔"施工工艺的技术特点,介绍了施工装备系统组成。利用该成孔技术与装备在陕西彬长集团文家坡煤矿4101工作面进行了现场试验,完成顶板高位定向长钻孔2个,累计钻孔进尺1 221 m,单孔主孔深度超过480 m。同时,针对现有顶板高位定向钻孔施工技术存在的问题,提出引入液动冲击辅助碎岩扩孔钻进技术与大直径孔定向钻进技术,进一步增大钻孔终孔直径,提升钻孔施工效率,保证钻孔施工安全。     

大直径定向长钻孔用PDC钻头设计与应用

针对煤矿井下中硬地层钻进中采用的常规单齿式PDC定向钻头和常规型扩孔钻头钻进寿命短,效率低,以及常规扩孔钻头在扩孔钻进中难以沿原孔轨迹钻进的缺陷,结合大直径定向长钻孔对三种钻头的需求,研制了两种新型PDC钻头,其中新型PDC定向钻头采用刮刀型平底结构并优化布齿,增加了切削齿数量,扩孔钻头采用圆弧形剖面,并沿切削剖面布齿,增大了切削自由面。针对两种钻头进行了现场应用,现场应用证明,新型PDC定向钻头受控性好,钻进稳定,在中硬地层钻进效率和寿命显著提高,是普通单齿式钻头的2倍,新型扩孔钻头能够沿先导孔轨迹扩孔钻进,钻头寿命是普通扩孔钻头的3倍以上。     

顶板高位大直径定向钻孔扩孔新技术探索

针对顶板高位大直径定向钻孔施工过程中暴露的扩孔钻进效率低、钻具工作寿命短等问题,提出扭力冲击旋转扩孔技术与反向回拉扩孔技术。在分析现有扭力冲击器产品用于煤矿井下扩孔钻进可行性与反向回拉扩孔技术难点的基础上,完成了扭力冲击器的遴选与改造,研制了216/110 mm型反向回拉式扩孔器,实施了工艺探索试验。试验结果表明:扭力冲击器对于提升顶板高位定向钻孔扩孔效率效果显著,较常规扩孔技术机械钻速提升65%。研制的反向回拉扩孔器工作原理可行,动作可靠,保证回拉扩孔钻进效率的同时,改善扩孔钻具受力工况,对于提升扩孔钻具工作寿命具有积极意义。     

煤矿井下定向扩孔用PDC钻头的改型与应用

为了解决煤矿井下高位定向钻孔二次扩孔施工过程中出现的PDC扩孔钻头寿命低的问题,分析了常规PDC扩孔钻头结构特点,研究了PDC扩孔钻头的切削机理,并从导向器、刀翼、反向切削齿、钻头等方面对PDC扩孔钻头进行了设计改型。现场试验表明,改型后的PDC扩孔钻头单只寿命达800m以上,能够很好地应用于高位定向钻孔扩孔。     

煤矿井下双级双速扩孔技术研究与应用

针对顶板高位大直径定向钻孔分级扩孔综合效率低、钻具安全性差等问题,开发了双级双速扩孔方法,研制了双级双速扩孔钻具,包括直螺杆马达、一级钻头与二级钻头。运用等碎岩比功理论开展双级双速扩孔分级研究,确定了一级钻头与二级钻头切削分界面直径为157 mm,一级钻头外径为165～172 mm。分别从壳体、马达动力总成、万向轴总成、传动轴总成与连接模块等方面开展设计研究,研制了φ105 mm双级双速螺杆马达。采用参数化设计方法,配套研制了多种规格的一级钻头与二级钻头。现场试验结果表明,双级双速扩孔技术可将高位定向钻孔直径由120 mm一次增扩至200 mm,综合钻进效率得到提高,钻孔瓦斯抽采效果良好,为工作面采动卸压瓦斯高效抽采定向长钻孔快速成孔提供了新方法。     

复杂顶板高位定向长钻孔钻完孔技术

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、610 m,孔径?200 mm,单班扩孔进尺在60 m以上,全孔下入?89 mm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。     

ZYWL-13000DS大功率定向钻机研制与应用

常规定向钻机主要用于近水平顺煤层钻孔施工,回转转矩一般为3 000~6 000 N·m,一次成孔直径为96 mm。针对常规定向钻机转矩小、成孔直径小、不能完全满足煤层顶板高位定向钻孔的施工要求等问题,研制了适用于大直径高位定向钻孔施工的大功率定向钻机。通过研制大转矩动力头、大起拔力给进机构、高强度外平内墩粗定向钻杆、大流量泥浆泵车,大大提高了定向钻机在大直径高位定向钻孔施工过程中抱钻、卡钻等事故的处理能力,提高了定向钻机的地层适应性。进行了高位大直径定向钻孔试验,在试验过程中,首次尝试了扩孔开分支法,并成功完成分支孔钻进。针对扩孔时无法进入原钻孔的问题,设计了带导向作用的双极扩孔钻头。     

大直径定向钻孔高效成孔钻进技术应用

为了提高寺河煤矿工作面上隅角和回风瓦斯的治理效果,根据工作面顶板覆岩地质特征及开采条件,在煤层上覆顶板岩层内施工顶板高位大直径定向钻孔,依据经验公式确定了顶板大直径高位定向钻孔布置层位。针对顶板硬岩大直径定向钻孔施工过程中先导定向钻孔钻进及分级扩孔效率低的问题,将冲击螺杆马达、扭力冲击器与双级双速扩孔钻具分别应用于定向先导孔与扩孔施工,以提高顶板高位大直径定向钻孔整体施工效率。应用效果表明：冲击螺杆马达成孔技术与扭力冲击旋转扩孔技术提速效果显著,最高钻进速率分别为13.6m/h和11.1m/h,最终形成的200mm大直径高位定向长钻孔保证了钻孔轨迹在煤层顶板裂隙带内有效延伸,实现了对采动卸压瓦斯的持续稳定抽采,取得了良好的瓦斯抽采和治理效果,平均单孔瓦斯抽采量达到3.36m/min,单孔瓦斯瞬时最大抽采量可达26.0m/min。     

高位定向长钻孔钻进工艺研究

为了有效抽采邻近层和采空区瓦斯,提出了采用高位定向长钻孔替代顶板高抽巷进行瓦斯抽采,针对红阳三矿钻进施工时,推进阻力大等问题,进行了定向钻孔与回转扩孔相结合的钻进工艺试验,及不同弯度孔底马达与不同直径钻头组合的钻进工艺试验。试验结果表明:3-5号钻孔采用1.25°弯头孔底马达配备φ96 mm钻头钻进,钻进至350 m出现推进阻力大的问题,采用φ153 mm钻头扩孔至320 m,可以多钻进约120 m;3-2号钻孔采用1.25°弯头孔底马达配备φ104 mm钻头钻进,钻孔深度610 m;3-3号钻孔采用1°弯头孔底马达配备φ100 mm钻头钻进,钻孔深度616 m,通过减小孔底马达弯头角度、增大钻头直径均可以有效减小推进阻力,明显增加钻孔深度。     

复杂地层高位定向长钻孔成孔工艺研究与应用

为解决曙光煤矿复杂地层条件下泥岩水化导致顶板高位定向长钻孔成孔困难的技术难题,在曙光煤矿开展现场试验,采用定向先导孔和大孔径螺旋扩孔的成孔工艺,成功施工了9个孔深超520 m、孔径153 mm的顶板高位定向长钻孔,单孔最大深度达801 m,形成了适用于曙光煤矿复杂地层的顶板高位定向长钻孔成孔技术。研究表明:通过大孔径螺旋扩孔工艺可将先导孔孔壁四周泥岩水化区切削掉,有助于提高钻孔孔壁的稳定性;通过大孔径螺旋扩孔工艺形成的大环空复合排渣工艺,能够显著提高钻孔排渣效率。     

顶板高位大直径水平长钻孔配套钻具研制

针对煤矿井下顶板高位大直径水平定向长钻孔施工中常规钻杆出现粘扣、弯曲、断裂等问题,分析了钻杆柱的工作状态,建立了顶板高位大直径长钻孔钻杆柱受力模型和有限元分析模型,明确了钻杆失效的主要原因,通过优化螺纹牙型和接头连接形式,研制了73 mm高韧性高强度钻杆,解决了定向钻孔扩孔钻进时钻杆断裂、粘扣等问题,满足了顶板高位大直径定向长钻孔的施工要求。     

采空区瓦斯抽采高位钻孔施工技术及发展趋势

为了解决采用专用巷道和埋管法抽采工作面采空区瓦斯存在的施工成本高、效率低等问题,基于顶板高位钻孔抽采采空区和上隅角瓦斯抽采技术原理,提出由预抽钻孔和高位钻孔构建的煤与瓦斯共采体系,分析了现有回转钻进技术和滑动定向钻进技术施工高位钻孔的优点和不足,介绍了最新开发的复合定向及大直径回转扩孔钻进技术方法与试验应用情况,高位定向钻孔成孔深度达到1 026 m,成孔直径达到153 mm;同时针对当前高位定向钻孔存在的一次成孔直径小、二次回转扩孔速度慢、裸孔完孔易堵塞瓦斯抽采通道等问题,提出大直径一次成孔技术、复合扩孔钻进技术和筛管完孔技术的发展趋势,以进一步提高高位定向钻孔的一次成孔直径、钻进效率、钻孔深度和钻孔利用时间,降低施工风险,提高高位钻孔经济性和瓦斯抽采效果。     

基于急倾斜煤层钻孔的大直径扩孔钻头研究

针对急倾斜煤层大直径钻孔采用大型机械施工造价昂贵、效率低下,采用普通钻机施工需多次更换钻头进行反复扩孔的问题,自主研制了一种"刮刀扩孔钻头"和"截齿扩孔钻头",能够充分利用煤层松软易碎的特点快速钻进形成大直径钻孔,提高了钻进效率,降低了工人劳动强度。     

三翼式可开闭钻头在穿层钻孔施工中的应用

随着钻杆内快速下筛管工艺技术的推广应用,穿层钻孔施工过程中也存在目标煤层松软塌孔问题,普通可开闭式钻头在穿层钻孔岩石段施工时存在钻头寿命短、钻进效率较低的问题;针对该问题设计研发了一种新型三翼可开闭式PDC钻头,并在淮南矿业集团朱集东煤矿进行了现场应用,2只试验钻头平均寿命为436.4 m,寿命提高36.3%;钻头在岩石段施工,钻进效率为16~18m/h,钻进效率提高约40%,试验钻头解决了现有问题,试验效果良好。     

煤层底板灰岩层注浆定向水平井用PDC钻头个性化设计

针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%|复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%|定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。