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。     

煤矿井下扭力冲击旋转扩孔钻进技术

根据煤矿井下顶板硬岩大直径定向钻孔扩孔钻进需要,提出扭力冲击旋转扩孔钻进技术。基于FLUENT有限元软件模拟分析结果,开展了扭力冲击器小排量化改造研究,进行了扭力冲击器工作性能测试,印证了节流压降、冲击扭矩、节流喷嘴直径以及工作排量等参数的相互关系,证明缩减节流喷嘴直径能够实现扭力冲击器小排量化改造。设计了扭力冲击旋转扩孔钻具组合,讨论了钻压、泵量以及转速等扩孔钻进参数的影响因素与计算方法,完善了扩孔钻进技术参数配套。开展了扭力冲击旋转扩孔钻进现场试验,试验结果表明,φ200 mm钻孔一次扩孔机械钻进效率达到10 m/h,为煤矿井下顶板硬岩大直径定向钻孔高效扩孔提供了技术基础。     

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。     

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。     

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。     

煤层顶板高位定向钻孔扩孔钻杆接头有限元分析

依据正向加压扩孔与反向回拉扩孔钻进工艺方法原理,建立顶板高位大直径定向钻孔扩孔钻杆弯曲姿态几何模型;将钻杆弯曲与钻孔轨迹弯曲叠加,计算出2种扩孔钻进方法钻杆最大综合全角弯曲强度分别为2°～2.5°/3 m、1°～1.5°/3 m;以此为基础建立钻杆公、母接头及装配体三维模型,通过无缝接口导入ABAQUS有限元分析软件;依据扩孔钻进实际工况与钻杆综合弯曲强度计算结果,设置边界条件,施加压力、拉力、弯矩与扭矩等外部载荷,开展有限元数值模拟分析;得出正向加压扩孔与反向回拉扩孔工况条件下,造斜孔段与保直孔段钻杆公、母接头最大应力分布特征,对于顶板高位大直径定向钻孔扩孔钻杆的合理使用具有指导意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

扭力冲击器复合钻进工艺在干热岩钻井中的试验应用

扭力冲击器在石油、天然气行业钻井中得到广泛应用,具有提速增效的作用。而干热岩钻井工作环境不同于油气钻井,面临着高温、高压、硬岩、强研麿性以及深井、超深井等问题,因此对扭力冲击器进行了针对性设计,并进行试验应用。在扭力冲击器2次入井试验中,对硬-极硬岩地层进行了不同钻具组合下的钻进试验,确定了扭力冲击器对钻进效率的影响机理。结果表明：（1）扭力冲击器能够消除螺杆钻具因离心惯性力造成钻具的横向振动,验证了扭力冲击器与螺杆钻具组合应用的可行性。相比未使用扭力冲击器井段,机械钻速提高29.59%。（2）从碎岩机理和地层适配性上,相比PDC钻头,牙轮钻头在扭力冲击器+螺杆钻具+转盘复合钻进的方式下,有着较高的钻进优势。试验成果可为扭力冲击器与牙轮钻头匹配性研究和扭力冲击器与螺杆钻具的耦合性研究提供较好的技术基础。     

复杂煤岩层复合强排渣定向钻进工艺及应用

针对复杂煤岩层顶板高位孔定向钻进技术难题,提出复合强排渣定向钻进工艺,设计了以泥浆脉冲随钻测量系统与三棱螺旋钻杆为核心的强排渣定向钻具组合,分析了三棱螺旋钻杆强排渣技术原理,形成了复合强排渣定向钻进成套装备。在王坡煤矿3314采煤工作面进行了应用研究,结果表明：在以泥岩为代表的复杂顶板岩层中,完成顶板高位定向钻孔6个,成孔率达到100%,最大钻孔深度500m,日平均进尺不低于70m,累计定向钻孔进尺2325m,钻孔成孔效率与成孔率较常规定向钻进工艺大幅提升。为利用顶板高位定向长钻孔代替高抽巷进行工作面及采空区瓦斯抽采治理、保障采煤工作面的安全高效生产提供了技术支撑。     

顶板高位长钻孔用螺旋型PDC扩孔钻头研制

针对常规扩孔钻头在顶板高位长钻孔施工中存在寿命短、导入阻力大、钻进效率低等问题,通过对钻头导向器结构、冠部曲线、切削齿布置、刀翼结构等研究,研制了220/120 mm螺旋型PDC扩孔钻头,并在淮南矿业集团顾桥矿南区进行了现场试验。试验结果表明:在中砂岩、炭质泥岩层中,该钻头单孔进尺498 m,与现场常规扩孔钻头相比,钻进效率提升20%,寿命提高60%以上,并且整个钻进过程平稳,钻进速度快,有较明显的防斜作用,提高了顶板高位长钻孔的施工效率,节约了钻孔成本。     

大直径高位定向孔一次钻扩技术及瓦斯抽采效果分析

针对“U”型通风回采工作面采动卸压瓦斯常规治理方式存在的综合效率低、治理成本高等问题,以山西晋城矿区某煤矿生产工作面为研究对象,提出采用φ200 mm大直径高位定向钻孔进行采动卸压瓦斯治理;基于该煤矿顶板大直径高位定向钻孔成孔技术难点分析,选型了关键钻进装备,包括ZDY20000LD型定向钻机、BLY460型泥浆泵车和多动力扩孔钻具;开发了复合强排渣定向钻进技术与多动力一次扩孔技术,实现了复杂地层条件下φ120 mm高位孔定向钻进与φ200 mm一次钻扩成孔,综合成孔效率较常规多次分级扩孔方式提高50%以上。瓦斯抽采效果表明：距煤层顶板30～40 m、距回风巷道40 m区域范围是采动裂隙密集发育区,钻孔平均瓦斯抽采体积分数保持在40%以上、最大瓦斯抽采纯量10.94 m³/min,效果显著。     

顶板高位定向钻孔在青龙煤矿瓦斯治理中的应用

顶板高位定向钻孔是进行上隅角瓦斯治理的关键技术措施。针对青龙煤矿顶板裂隙瓦斯治理需要及复杂顶板高位定向钻孔成孔难题,阐述了顶板高位定向钻孔的技术原理和技术优势;基于"三带"理论综合确定了高位定向钻孔的层位,并优化钻具组合和钻进工艺参数。在青龙煤矿11615工作面完成5个顶板高位定向钻孔的施工,最大孔深达到612 m,单孔最大瓦斯纯流量达到2.79 m~3/min,瓦斯浓度达到23.4%,有效地保证了工作面的安全回采。     

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。     

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。     

淮南矿区复杂顶板高位定向孔复合排渣钻进技术

针对有线测量系统配套中心通缆式钻杆在淮南复杂顶板高位定向钻孔施工中,存在的钻孔进入目标层后钻遇复杂地层时憋压、卡钻、难以有效成孔的问题,分析了造成此类问题的原因,提出采用泥浆脉冲无线随钻测量系统配合整体式螺旋钻杆进行复杂顶板高位定向钻孔施工的技术方案。开发了基于整体式螺旋钻杆的复合排渣工艺技术,研制和选型了适用的钻进装备系统,形成了成套技术与装备,在淮南矿业集团潘三矿17102(3)工作面进行现场试验,完成顶板高位定向钻孔10个,孔深501m,钻孔总进尺5 010 m。试验表明:该套技术与装备具有排渣效果好、钻进安全性高、复杂地层中成孔率高等优点,显著提升了复杂顶板中高位定向钻孔施工效果。     

新型钻具——气动扩孔器

苏联研制成一批试验用气动扩孔器并进行了工业试验。该钻具在直径达155毫米的超前孔中,可用来钻进中硬和坚硬岩石的直径300毫米和更大的通风孔和其他孔。扩孔器结构不复杂,制造和操作简单。利用 M 29 T型风动冲击器     

扭力冲击器在煤矿井下硬岩钻进中的应用研究

煤矿井下硬岩钻进面临钻进效率低、钻具和钻头消耗大的问题,扭力冲击器作为石油领域新出现的一种钻进工具,在硬岩钻进过程中对提高钻进效率和延长PDC钻头寿命方面有着突出的优势。通过调研扭力冲击器的工作原理,结合实际应用实例,总结出扭力冲击器的性能特点,并实施了煤矿井下现场应用试验,得出其用于煤矿井下硬岩钻进具备的优势;另一方面收集现有进口及国产扭力冲击器的的性能参数,与目前煤矿井下钻探装备的实际能力进行比较,找出其不能直接应用于煤矿井下硬岩钻进的原因,并提供解决问题的方法和建议。