新的钻探工艺和钻井技术在煤矿水害防治中的2020年

新的钻探工艺和钻井技术在煤矿水害防治中的应用

随着煤炭开采的不断深入，矿井突水、矿井瓦斯问题成为制约煤炭资源开发的因素之一，由于地质构造条件的复杂性和治理手段的落后给煤矿灾害治理和恢复生产带来一定困难。 中煤大地公司在引进国外先进钻探设备之后，研究和改进了传统的钻探工艺，首次在我国华北能源基地金牛股份公司东庞煤矿突水事故的灾害治理中研究应用了潜孔锤冲击钻进工艺、定向钻井技术，采用了空气泡沫和泥浆钻井液相结合的施工方法以及分支定向侧钻等工艺，尝试了空气负压钻进技术并取得了理想的效果，发挥了一定作用，减少了钻井时间，提高了灾害治理的工作效率。 一、T685WS钻机的主要配置及性能 中煤大地技术开发公司在开拓地质市场的同时，分析调研了国内外钻井机械设备的性能和优点，于2002年引进了美国Schramm公司生产的车载顶驱钻机，该钻机车身长15m，宽2.3m，高4.1m，自重30吨，其主要配置如下： （一）T685WS钻机配置 1、动力系统 型号康明斯QSK-19C，1800r/min下功率563KW。电子燃料注入，12缸，4循环，双涡轮注入，低温二次冷却。从曲轴前法兰盘向液压泵提供动力，从飞轮一端驱动空压机。 2、回转及提升系统 由全自动液压系统高性能动力头驱动，提升能力 45t, 扭矩12045N?M,回转能力为r/min的可调速度，体积小、效率高、性能可靠。 3、井架结构 井架全部采用焊接的ASTMA500B级矩型钢管结构，总长15m，总宽1.073m，能够满足提升11.58m长度的钻具和套管。井架底部的滑块箱内有用于114mm、203mm和368mm标准钻杆和套管的滑块套子。所有滑块打开时，井架底部的开口直径为711mm。 4、空压机系统 两档油淹没旋转螺杆空压机，配有空气释放控制，ASME认证的空气/油箱、安全阀、油冷却剂、恒温计和高排放温度安全停机。1950r/min下排量35.7m3/min，排放压力2.41Mpa。 为保证钻深压力的需要，外配WF-1.6/型空气增压机，排气量35.7m3/min，增压达10Mpa。 5、钻具系统 配置Φ114.3mm钻杆1300m，215.9mm 和155mm潜孔锤钻头各一套，钻深达到1300m，可实现冲击钻进、空气泡沫循环，有效保护储层提高钻进效率。 （二）T685WS钻机的主要性能 该钻机经过一年多的生产实践，特别是在东庞煤矿抢险救灾、水害治理工程中充分体现了其机动灵活、安全可靠、实用高效的优越性能。其特点如下： 1、钻机体积小、性能可靠、高效率动力传动、耗能低、机动灵活、搬迁移位方便。 2、不使用传统钻机的方钻杆，缩短钻杆丝扣加接时间； 3、顶驱动力头加压均匀，保持孔壁稳定，减少孔内事故； 4、利用空气潜孔锤钻进，大大提高钻进效率； 5、采用空气泡沫循环，提高排渣能力，确保孔内安全。 二、新的钻井工艺和钻井技术 （一）液压顶驱动力头钻进工艺 它既可以回转钻进又可以冲击钻进。钻机的液压顶驱回转动力头可以直接加压，使一开钻就可将钻压增至10吨，提高了钻进速度。 （二）空气潜孔锤冲击钻井技术 空气潜孔锤冲击钻进以冲击为主要破岩方式，高压空气既作为冲击的动力，又作为循环介质，清理冷却钻头、排出井筒岩屑和克服井内水压。 通过使用空气潜孔锤冲击钻进工艺，一般能提高钻井效率达35倍以上。 （三）空气泡沫潜孔锤钻井技术 在选择潜孔锤冲击钻进时，可以用空气并加注泡沫剂作为循环介质，在孔径较大、地层不稳定或孔内涌水较多时，通过泡沫泵将水和泡沫剂的混合物喷入高压空气中来提高钻进效率。 （四）空气潜孔锤跟管钻进技术 在煤矿区的许多地段上大量的堆放煤矸石和回填墟渣，特别是在地表有回填墟渣的地基上钻进时，使用传统钻井工艺无法排出岩屑、无法使用钻井液、墟渣抱死钻头无法提升，而T685WS钻机的顶驱动力头和潜孔锤钻进工艺可以在墟渣上跟管钻进，潜孔锤一边钻进，动力头一边将护壁套管压入井筒，直到套管接触基岩，既满足安全生产的要求，又达到地质钻井的目的，该项钻井工艺技术可使钻效提高数十倍。 （五）定向钻进技术 定向钻进技术在我国是20世纪80年代首先由石油开发系统引进并推广应用的一门新技术，在煤炭及煤层气开发领域尚未见应用报道。大地公司在近几年石油开发井的施工中应用了定向技术，在东庞煤矿突水治理工程中推广这一技术，打出了井口与终孔井底位移小于0.5m的超直井，给巷道注浆堵水工作创造了良好的条件。定向钻井技术主要包括以下两个方面： 1、定向钻进的井下监控系统 井下监控系统主要是由无磁钻铤、单点照相测斜仪和螺杆三部分组成。 无磁钻铤主要是用来监测钻孔是否按照设计轨迹钻进的设备，它是检测钻孔方位角，保证准确测量的专用钻具。 单点照相测斜仪是在无磁钻铤中完成钻孔方位角和孔斜角的照像设备，用它检查钻孔的钻进轨迹。 螺杆是连接在无磁钻铤前面，控制钻进方向的导向设备，如果钻孔偏离设计方向，地面司钻人员就可以通过平台驱动调整螺杆导向，使钻头沿着设计方位钻进，达到造斜、纠偏的钻进目的。螺杆的弯曲度根据施工钻孔设计的井斜角变化要求有不同的选择，从0～3的不同弯曲度就可以满足施工的要求。 2、定向钻进的地面监控系统 地面监控系统主要由专用软件及电脑组成。 成像记录系统是由地面绞车将照像记录仪通过钻具内孔送到井下无磁钻铤中，进行感光照像，再到地面冲洗，记录井孔方位角及井斜角，通过电脑分析计算偏移距绘出井斜轨迹图。 驱动调控部份就安装在钻机平台上，由司钻人员根据井底方位通过顶驱动力头旋转钻杆调整，使井下螺杆所带动钻头的方位角发生变化，达到控制定向的目的，操作灵活方便。 三、新的钻井工艺技术在矿井灾害防治中应用 （一）在矿井水害防治工程中的应用 1、快速反应：特别适应于矿井抢险救灾 2003 年4月份，河北金牛能源股份有限公司东庞矿发生井下特大突水事故。事故发生后，中煤大地技术开发公司接通知从山西左权煤层气施工现场，紧急调动 T685WS车载钻机不到15小时就赶到事故现场，并达到开钻要求，而在基岩出露或第四系地层较薄的地区，直接使用空气钻进工艺，到达现场后半小时即可开钻,而常规钻机在同等条件下需35天才能达到开钻要求。 2、提高钻效 T685WS钻机具有的液压顶驱动力头功能，同时还具有空气潜孔锤冲击钻进与牙轮回转钻进功能，使得它比传统的千米钻机的钻进速度提高510倍。在东庞治水工程施工中，第四系松散地层钻进时老千米钻进时效2m/h，T685WS钻机10m/h。在基岩地层钻进老千米钻机时效12m/h，T685WS钻机时效20m/h左右，使用空气潜孔锤钻进工艺时效可达30 m/h。单井完钻时间老千米完钻时间40天，T685WS钻机完钻时间9天。 3、减少占地 由于T685WS钻机是车载钻机，相应占地面积小，包括现场摆放钻具、油料罐和工具房，总共需要占用面积约20m30m=600m2，而普通钻机则需占用面积约30m50m=1500m2以上，石油钻机甚至达到近5000m2。 4、目标准确 在东庞煤矿注浆孔的施工中，根据救灾任务要求，钻孔在垂深580m透巷，透巷位移不得偏斜1m，这在传统的地质钻井中是难以实现的，这是由于自然界的沉积环境不同，形成地层的岩性不同，地层倾角不同，钻井过程中钻压不同，势必造成钻孔的偏斜。我国煤田地质勘探规范中也规定了技术要求，以甲级孔的标准为例，钻探孔深300m以内孔斜要求不得大于3o，700m不得大于10o30′，也就是说钻孔深度700m时孔底允许偏移17m，这就无法满足治理灾害的施工要求。传统的钻探工艺为了使钻孔较直，采取轻压吊打的办法，精确度低，钻进速度慢。我们在T685WS钻机上配置了直孔纠斜的定向钻井工艺技术，使注浆孔透巷率达到百分之百，全部满足技术要求，在G3号孔进入巷道顶端时取芯器取到巷顶中央的护壁锚杆，证明钻孔目标正中靶心。 完成了注浆堵水工程之后，为了预防陷落柱在今后煤层开采时再次发生突水事故，金牛能源股份有限公司东庞矿要求实施陷落柱的探查工作，如果按照传统钻探工艺和方法，采取直孔钻井工艺，需要布置最少两个钻孔才能查到一个不确定的边缘，要查清四周边界至少要布置10个以上的钻孔，工程量相当大。这次我们采用了在同一个垂直钻孔中的造斜侧钻技术，成功地实施了分支钻孔的钻探技术，使侧斜钻孔从不同方位、不同角度定向斜钻延伸至陷落柱内，准确查清陷落柱的边界及陷落柱的破碎带和充填物，同时还将原来物探资料解释圈出的100m70m的陷落柱平面范围缩小到30m20m，而且通过计算机描绘出陷落柱的空间形态，为下一步防止陷落柱突水而预留保安煤柱提供了准确资料，也为今后治理陷落柱提供科学依据。 （二）在矿井其它灾害治理中的应用 1、适应环境。 在2003年底宁煤集团白芨沟煤矿灭火工程施工中遇到如下几个困难是常规钻井工艺无法克服的。一是山顶道路崎岖，地势陡峭，难以布置井场；二是火区地表为 1020m矸石堆积的墟渣难以成孔；三是天寒地冻，气温在零下20℃以下，难以保证施工用水；四是采空区冒落带难以逾越。 T685WS车载顶驱钻机及新的钻井工艺技术在此发挥了优势。首先在偏离火区30m以外地面的一小块平地安放钻机，采用造斜定向新工艺向火区定向侧斜钻进，钻孔准确进入火区，使灭火救灾、恢复生产方案得以实施。 在火区地表大量堆积的矸石、墟渣上施工，我们采用了跟管钻进的新工艺。在钻进过程中套管在动力头的施压下，跟随钻头向下移动，避免墟渣坍塌抱死钻头，保证施工正常进行。 在寒冷季节无法使用水钻和无法通电的情况下施工，T685WS钻机采用空气潜孔锤冲击钻进工艺，不用水作循环介质，也不需要外接电源，依靠钻机本身配置的动力系统和液压系统来实施钻井施工。 白芨沟煤矿火灾区上部存在着三水平采空区，灭火钻孔要穿越采空区到达火灾区煤层，常规钻井技术不可能达到目的。T685WS钻机采用空气潜孔锤冲击钻进工艺和采用无外接箍小钻具方法实施钻进。突破了传统钻探技术无法逾越采空区的禁区。 通过在以上困难环境中应用T685WS钻机和新的钻井工艺技术，使白芨沟煤矿火灾用常规钻井技术难以达到的目的仅用了42天时间，有效地完成了11口灭火井的施工任务。 2、井下救助 T685WS钻机曾在1998年澳大利亚一次井下巷道塌方的矿难事故中，利用钻孔内下罐笼的办法，成功救助被困井下的矿工。T685WS钻机采取打大口径直孔的方法成功实施了救援任务，这对我们来说是一个很好的启迪。 在我国山西省某煤矿，一青年矿工曾因矿井涌水被困井下15天，1986年唐山地震多名矿工被困井下14天。经积极抢救他们都得以生还，然而还有许多的矿难事故因抢救手段落后，造成人身遇难，使人痛心。现在我们已在考虑利用T685WS钻机的快速反应能力和我们的侧钻造斜技术工艺，在遇到严重矿难事故的时候，能够快速出动，在第一时间做到透析目标、了解灾情，如遇被困人员及时输送氧气、提供食品、传递信息、积极救助。 四、结论与建议 1、T685WS钻机具有整体移动、快速反应、适应环境和定向钻井等卓越功能，是煤矿灾害防治的理想钻井设备。 2、矿井生产中的突发性水灾事故是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，新的钻探工艺技术能准确锁定突水巷道，透巷率达到100%，是进行注浆堵水等防治措施的有效手段。 3、对我国北方大水煤矿区来说，通过采区精查工作和三维地震 勘探资料解释的导水构造（断层或陷落柱），采用新的钻井工艺和技术（定向侧钻），进一步准确地圈定其范围和构造形态，是对矿井水害综合治理的重要保证。 4、另外，在煤矿生产的其它灾害中，如井下被困人员救助；矿井瓦斯的排放；自燃煤层的灭火等，都能发挥其快速、安全、高效的积极作用。 5、建议在煤矿水害防治工作中，使用新的钻探技术和手段，及时进行预防和治理，确保矿井生产安全。