煤矿井下近水平定向钻进技术研究

【摘 要】定向钻进起源于石油钻井，随着钻探技术的不断深入，受控定向钻进技术从石油行业逐渐延伸到煤炭、地质等领域，发挥着重要的作用。煤矿坑道近水平定向钻进技术是钻探工程领域的一项新技术，主要应用于岩层和较稳定、较硬煤层的瓦斯抽放钻孔和地质勘探孔。随着我国煤矿井高产高效综采技术的全面推广，对煤矿地质异常体探测和瓦斯抽采钻孔轨迹控制的准确度要求逐渐提高，运用近水平定向钻进技术进行钻孔施工是解决上述问题的有效途径。

【关键词】煤矿；近水平定向钻进；概况；发展前景

1.煤矿井下近水平定向钻进技术概况

1.1国外同类技术研究发展情况

定向钻进技术应用于煤矿井下起步于20世纪六七十年代的美、德、英等西方发达国家，初期主要是移植在石油钻井中成功应用的稳定组合钻具。进入20世纪90年代以后，螺杆钻具得到快速发展。美国用螺杆钻具和定向钻进监测仪器（DDM）钻成1432.56m的瓦斯抽采孔。

1.2国外装备在国内的应用情况

鉴于近水平定向钻进技术在国外的成功应用，20世纪90年代中期,我国一些煤矿企业陆续从美国、澳大利亚进口9套千米定向钻机，例如美国的LHD-15型钻机、澳大利亚的LMC-75型和UDR系列钻机，分别在松藻、铁法、淮南、抚顺、平顶山等矿务局试用。由于这些煤矿地质条件复杂，煤层松软，进口钻机配套钻杆壁薄、强度有限，使用中经常发生钻杆折断、螺杆钻具脱落等孔内事故，成孔率非常低。即使在国外专家指导下,最深钻孔也只有470m，不足钻机标定钻进能力的一半。

1.3国内该技术领域研究发展状况

我国煤矿井下近水平定向钻进试验研究始于20世纪90年代初。2007年12月在陕西彬长矿区大佛寺矿现场试验中主孔终孔深811.8m，并侧钻深度211.8m的分支孔1个；2008年4月在淄博矿业亭南矿钻进主孔2个，终孔直径94mm，最大孔深超过1000m。在2个主孔中都进行了多分支孔侧钻，取得了可喜的成果。

2.煤矿井下近水平定向钻进技术特点

近水平定向钻进（HDD）技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。目前煤矿井下近水平定向钻进技术主要有稳定组合钻具钻进和孔底螺杆马达钻进2种工艺技术。

2.1稳定组合钻具的特点及适应性

稳定组合钻具由钻头、稳定器和短钻杆按照不同的组合形式连接组成。通过在稳定器之间连接不同直径和长度的钻杆，组成不同的组合钻具，利用钻杆自身的重力、给进力、离心力及其弯矩所形成的挠曲变形对与其刚性连接的钻头产生作用，使钻孔轨迹上仰、下斜或保直钻进，以达到控制钻孔方向的目的。

从稳定组合钻具的定向原理可知，该钻具具有以下特点与适应性：

（1）结构简单，对冲洗液性能没有特殊要求，成本低廉、可操作性强、易于维护使用。

（2）钻具强度高，地层适应性广，大小孔径都适用，在我国大多数矿井的较稳定煤（一般要求f≥1）、岩地层，可施工大直径（直径133～200mm）顺层和顶板高位定向长钻孔。

（3）对钻孔的倾角控制较好，而对方位角的控制能力较差，能满足钻进定向精度要求较低、深度在800m以内的定向钻孔施工。

2.2孔底螺杆马达钻进的特点及适应性

螺杆钻具又称螺杆马达，是以高压冲洗液作为传递动力介质的一种孔底动力钻具，采用带有不同形式造斜件（弯外管或弯接头）的螺杆钻具并配备随钻测斜仪器，可较灵活地满足不同定向钻进的需要。钻孔过程中通过正转孔口钻具（钻杆柱）来调整螺杆钻具上造斜件的工具面向角，使其朝向预定方向，即可控制钻孔的倾角和方位，达到定向钻进的目的。其关键在于：与传统的回转钻进不同，螺杆马达带动钻头旋转破碎岩石时，整个钻杆柱和螺杆钻具的外壳（包括造斜件）是不旋转的，所以造斜件弯曲的方向即是钻孔将要弯曲的方向。孔底螺杆马达定向钻进技术一般都和随钻测量技术结合使用，具有以下特点与适应性：

（1）钻具结构较为复杂，价格昂贵，对操作人员的技术水平要求较高。

（2）对倾角、方位角控制调节能力强，可进行实时精确随钻测量，定向精度高、效果好，易于实现千米以上深孔以及多分支孔钻进。

（3）受螺杆马达及配套钻杆结构和能力的制约，对冲洗液的净化要求高，可施工的钻孔直径较小(目前煤矿井下一般钻孔直径在96mm以下)，不易满足施工大直径钻孔的需要。

（4）地层适应性较弱，抗孔内事故能力差，一般要求在硬（f≥2）而完整的煤层或稳定的岩层中施工。

3.几点建议

我国煤矿井下近水平定向钻进技术的应用，应根据目前定向钻进技术的发展现状，结合我国煤矿具体的地质条件、煤层特征和定向钻孔的技术要求，从实际出发，因地制宜地选择对路的技术途径。为此提出以下几点建议：

（1）我国煤田地质构造复杂，成煤时代多，煤层特征差异大。一般在煤质较松软、破碎、断层褶皱发育的煤层，不适宜采用孔底马达定向钻进技术，相对而言,稳定组合钻具定向钻进技术具有一定的适应性。

（2）稳定组合钻具由于其成本低，简单易学，大小孔径都适用，因此在定向要求较低，孔深500m以内，甚至500～800m的钻孔施工中，有较好的应用前景。

（3）孔底马达定向钻进因其定向可控性好，定向精度高，因此在施工高精度定向、有分支孔，孔深800～1000m，以及1000m以上的定向钻孔时，在地层条件允许的情况下应优先选用。如我国的沁水煤田、河东煤田，以及神榆、彬长、宁武等煤田，有条件探索采用孔底马达定向钻进技术进行瓦斯抽采定向长钻孔施工，以实现瓦斯高效抽采。

（4）国内煤炭企业引进的国外千米定向钻机已有近30套，而真正使用起来的没有几家，用得好的就更少。其中主要原因除了地层问题外，另一个就是技术支撑不全，包括施工技术、维护技术、服务保障等。也就是说，光硬件好不行，软件也要跟上。

（5）已引进的装备有一个共同的缺点，就是采用普通的绳索取芯钻杆强度不足。因此，在开发国产装备时一定要尽量提高钻杆的强度，不但要研制Ф73mm的高强度大通孔钻杆，还要研制Ф89mm的钻杆，以减少钻杆断裂事故，并且在发挥螺杆钻具优点的基础上，还能施工大直径钻孔，使之具有“中国特色”。

4.发展前景

从我国目前煤矿井下近水平定向钻进技术与装备的现状来看，在近水平千米定向钻进、随钻测斜等技术与装备方面已跨入国际先进行列，但与发达国家以及先进的石油定向钻井、测井技术相比，还存在一定技术差距。今后发展我国煤矿井下近水平定向钻进技术与装备可考虑以下几个方向：

（1）在巩固现有研究成果的基础上，完善有线随钻测量技术，探索开发无线随钻测量技术与装备。

（2）通过对国外先进技术装备的引进消化，研制开发国产长寿命孔底螺杆马达，提高装备整体技术水平。

（3）借鉴和吸收国内外先进的石油定向钻井新技术，开发适合煤矿井下的高精度地质导向智能钻井系统，以便更有效地控制钻孔轨迹，使我国的定向钻机钻进能力达到1500m以上，跨入国际领先行列。

（4）研究和探索近水平定向长钻孔钻进过程中相关的固孔、防喷、钻具打捞等新技术，进一步拓展定向长钻孔施工的适用性和配套性，更好地为煤矿安全生产服务。

【参考文献】

［1］郝世俊.孔底马达在我国煤矿井下水平孔钻进中的应用前景[J].煤田地质与勘探,2004,32(2)：64-67.

［2］石智军.煤矿井下千米瓦斯抽采钻孔施工装备及工艺技术研究[R].煤科总院西安研究院科学技术报告,2008.