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煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备现状及展望
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2020-04-16
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煤矿井下近水平定向钻孔可实现超前、区域、精准灾害防治与瓦斯抽采利用,在煤矿地质保障中发挥着重要作用。系统介绍了国内外煤矿井下随钻测量定向钻进技术发展历程与应用现状,对国内定向钻进装备中的钻机、泥浆泵车、防爆型随钻测量系统、包括中心通缆钻杆、螺杆马达和钻头在内的配套钻具、包括滑动定向钻进和复合定向钻进在内的定向钻进工艺技术与套铣打捞工艺技术等关键技术和装备进行了简要分析和总结,对小体积防爆型随钻测量系统中的有线随钻测量系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统、电磁波无线随钻测量系统和地质导向随钻测量系统的功能特点及适用性做了明确的阐述,针对解决提高复杂顶板岩层中定向钻进成孔率、超深孔钻进施工能力和地层适应性等难题,介绍了成套技术与装备在保德煤矿、龙王沟煤矿和顾桥煤矿进行顺煤层超深定向钻孔和复杂顶板高位定向钻孔具有代表性的典型现场应用案例。基于成套技术与装备发展现状和现场应用,展望了煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备的发展方向和趋势,指出装备的自动化、信息化和智能化将成为技术攻关的方向与现场重点需求,高效快速钻进的旋转导向钻进系统和大直径定向钻孔将得到现场实践验证。
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第 47 卷第 5 期
煤 炭 科 学 技 术
Vol 47 No 5
2019 年 5 月
Coal Science and Technology
May 2019
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石智军ꎬ姚 克ꎬ田宏亮ꎬ等.煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备现状及展望[ J].煤炭科学技术ꎬ2019ꎬ47
(5):22
-
28.doi:10 13199/ j cnki cst 2019 05 003
SHI ZhijunꎬYAO KeꎬTIAN Hongliangꎬet al.Present situation and prospect of directional drilling technology and e ̄
quipment while drilling measurement in underground coal mine[J].Coal Science and Technologyꎬ2019ꎬ47(5):22
-
28.doi:10 13199/ j cnki cst 2019 05 003
煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备现状及展望
石智军ꎬ姚 克ꎬ田宏亮ꎬ李泉新ꎬ姚宁平ꎬ田东庄ꎬ殷新胜ꎬ许 超
(中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西 西安 710077)
摘 要:煤矿井下近水平定向钻孔可实现超前、区域、精准灾害防治与瓦斯抽采利用ꎬ在煤矿地质保障
中发挥着重要作用ꎮ 系统介绍了国内外煤矿井下随钻测量定向钻进技术发展历程与应用现状ꎬ对国
内定向钻进装备中的钻机、泥浆泵车、防爆型随钻测量系统、包括中心通缆钻杆、螺杆马达和钻头在内
的配套钻具、包括滑动定向钻进和复合定向钻进在内的定向钻进工艺技术与套铣打捞工艺技术等关
键技术和装备进行了简要分析和总结ꎬ对小体积防爆型随钻测量系统中的有线随钻测量系统、泥浆脉
冲无线随钻测量系统、电磁波无线随钻测量系统和地质导向随钻测量系统的功能特点及适用性作了
阐述ꎬ针对解决提高复杂顶板岩层中定向钻进成孔率、超深孔钻进施工能力和地层适应性等难题ꎬ介
绍了该成套技术与装备在保德煤矿、龙王沟煤矿和顾桥煤矿进行顺煤层超深定向钻孔和复杂顶板高
位定向钻孔的典型现场应用案例ꎮ 基于成套技术与装备发展现状和现场应用ꎬ展望了煤矿井下随钻
测量定向钻进技术与装备的发展方向和趋势ꎬ指出装备的自动化、信息化和智能化将成为技术攻关的
方向与现场重点需求ꎬ高效快速钻进的旋转导向钻进系统和大直径定向钻孔将得到现场实践验证ꎮ
关键词:煤矿井下ꎻ定向钻进钻机ꎻ随钻测量ꎻ钻具ꎻ定向钻进
中图分类号:TD41ꎻP634 文献标志码:A 文章编号:0253
-
2336(2019)05
-
0022
-
07
Present situation and prospect of directional drilling technology and equipment
while drilling measurement in underground coal mine
SHI Zhijunꎬ YAO Keꎬ TIAN Hongliangꎬ LI QuanxinꎬYAO Ningpingꎬ TIAN DongzhuangꎬYIN XinshengꎬXU Chao
(Xi’an Research InstituteꎬChina Technology & Engineering Group Corp.ꎬ Xi’an 710077 ꎬChina)
收稿日期:2019
-
01
-
31ꎻ责任编辑:赵 瑞
基金项目:国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045
-
003
-
001)
作者简介:石智军(1955—) ꎬ男ꎬ陕西富平人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎮ E
-
mail:shizhijun@ cctegxian.com
Abstract:Near
-
horizontal directional drilling in coal mine can realize advancedꎬ regional and accurate disaster prevention and gas extraction
and utilizationꎬ and plays an important role in coal mine geological guarantee. This paper systematically introduces the development course
and application status of directional drilling technology with measurement while drilling in underground coal mines at home and abroad.For
drilling rigsꎬ mud pump vehiclesꎬ explosion
-
proof while drilling measurement systems in domestic directional drilling equipmentꎬ supporting
drilling toolsꎬ including central cable drill pipesꎬ screw motors and drill bitsꎬthe key technologies and equipmentꎬ including sliding direc ̄
tional drilling and compound directional drillingꎬ and sleeve milling and salvage technologyꎬ are briefly analyzed and summarized. The func ̄
tional characteristics and applicability of wired while drilling measurement systemꎬ mud pulse wireless while drilling measurement systemꎬ e ̄
lectromagnetic wave wireless while drilling measurement system and geological guidance while drilling measurement system in small volume
explosion
-
proof while drilling measurement system are described.In order to improve directional drilling hole formation rateꎬ ultra
-
deep hole
drilling construction ability and formation adaptability in complex roofꎬthe paper introduces the typical field application cases of ultra
-
deep
directional drilling and high directional drilling of complex roof in Baode Mineꎬ Longwanggou Mine and Guqiao Mine. Based on development
status and field application of complete set of technology and equipmentꎬ the development direction and trend of directional drilling technolo ̄
gy and equipment with measurement while drilling in underground coal mine are prospected. The automationꎬ information and intelligence of
the equipment will become the direction of technical research and key requirements of the field.The rotary guided drilling system and large di ̄
ameter directional drilling system with high efficiency and fast drilling will be verified by the field practice.
Key words:underground coal mineꎻ directional drilling rigꎻ measurement while drillingꎻ drilling toolsꎻ directional drilling
22
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石智军等:煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备现状及展望 2019 年第 5 期
0 引 言
煤矿井下定向钻进施工是进行瓦斯治理与抽
采、水害防治、地质构造探查和火灾治理等重要途径
和安全保障措施
[1]
ꎮ 传统回转钻进工艺技术无法
适应瓦斯高效抽采和灾害防治要求ꎮ 20 世纪 80 年
代ꎬ国内开始开展利用稳定组合钻具、偏心楔和造斜
器等造斜工具进行人工造斜定向钻进的研究ꎬ但由
于地层条件复杂ꎬ施工人员很难控制钻孔倾角和方
位角的变化ꎬ定向孔深度不能有效突破
[2]
ꎮ
20 世纪 90 年代先后ꎬ我国从美国和澳大利亚
引进千米定向钻机ꎬ分别在松藻、铁法、淮南、抚顺、
平顶山等煤矿区应用ꎬ但效果不甚理想
[3]
ꎮ 2003 年
山西亚美大宁能源有限公司引进 Vally Longwall 公
司的 VLD
-
1000 钻机进行瓦斯抽采和探测煤层顶底
板ꎬ取得了成功ꎮ 国内多家煤矿企业引进使用ꎬ但钻
机能力偏小、配件价格较高、售后服务跟进不及时等
问题较突出
[4]
ꎮ
2005 年开始ꎬ国内开始国产化研究ꎬ经过“十一
五”、“十二五”、“ 十三五” 的持续攻关ꎬ履带式钻进
装备已由小能力、滑动定向钻进技术发展到大功率、
复合定向钻进技术ꎬ产品性能大幅提升ꎬ随钻测量技
术多样化也更可靠ꎬ钻进能力已由近 1 000 m 发展
到 2 000 m 以上ꎮ 国产煤矿井下随钻测量定向钻进
技术与装备已在我国多个矿区进行了推广应用ꎬ技
术与装备水平的不断进步为煤炭产业安全保障和健
康发展发挥着重要作用ꎬ取得了显著的应用效果ꎬ标
志技术与装备能力水平的钻孔深度不断突破ꎮ 2008
年国内技术与装备钻孔突破千米孔深ꎬ在陕西亭南
煤 矿 成 功 钻 进 至 1 046 m 深ꎬ 2014 年 利 用
ZDY12000LD 钻机在晋城寺河矿达到 1 881 mꎬ超过
之前国外同类钻孔 1 776 m 的孔深纪录ꎻ2015 年澳
大利亚公司在 Metropolitan 矿成功钻进至 2 151 m
孔深ꎮ 2017 年底和 2019 年初中ꎬ煤科工集团西安
研究院在神东保德矿利用 ZDY12000LD 定向钻进装
备ꎬ分别施工 2 311 m 和 2 570 m 两个纪录孔深定向
长钻孔ꎬ将顺煤层定向钻孔深度世界纪录提高至 2
570 mꎬ进一步巩固了我国煤矿井下近水平定向钻进
技术与装备世界领先的地位ꎮ
1 我国定向钻进技术发展历程与现状
1.1 随钻测量定向钻进技术原理与装备组成
随钻测量定向钻进作为钻探工程领域的一项新
技术ꎬ通过实时测量钻孔轨迹和孔底螺杆马达工具
面向角ꎬ控制钻孔轨迹沿设计延伸ꎬ增加了钻孔深
度ꎬ提高了钻孔空间定位精度ꎬ扩大了钻孔有效覆盖
范围ꎻ另外定向钻进技术可进行多分支孔施工ꎬ确保
施工的钻孔能均匀覆盖预定区域ꎬ具有钻进效率高、
一孔多用、集中瓦斯抽采和治理等优点ꎮ 研制了适
用于不同矿井巷道大小、不同钻孔深度、不同钻孔类
型的系列化定向钻机ꎬ开发了矿用有线随钻测量系
统、矿用泥浆脉冲和电磁波无线随钻测量系统、矿用
地质导向随钻测量系统等ꎬ建立了高强度大通孔通
缆钻杆和通缆送水器等组成的信号传输通道ꎬ开发
了滑动定向钻进技术和复合定向钻机技术ꎬ形成了
事故预防措施和处理技术与机具ꎬ从不同环节满足
了定向孔的需要ꎮ 煤矿井下随钻测量定向钻进技术
作为钻探工程领域的一项新技术ꎬ逐渐发展成为我
国煤矿区瓦斯高效抽采和灾害超前区域防治的重要
技术途径
[5]
ꎮ
煤矿井下定 向钻 进装备 主要 由定 向 钻机、泥
浆泵、随钻测量系统、孔底螺杆马达、钻杆、送水器
及钻头等组成ꎬ其系统连接如图 1 所示ꎮ 其工作
原理是泥浆泵提供的高压水通过钻杆进入孔底驱
动螺杆马达旋转ꎬ从而带动钻头旋转破碎煤岩层ꎮ
钻进过程中钻孔轨迹控制主要通过改变螺杆马达
弯角的工具 面向角来实现ꎬ根据 设计钻 孔的 轨迹
与实钻轨迹 偏斜状况ꎬ调整 螺杆马达工具面向角
以达到调整 钻孔轨迹的目的ꎬ保证钻孔轨迹沿设
计轨迹延伸
[6]
ꎮ
图 1 随钻测量定向钻进系统连接示意
Fig.1 Connection diagram of MWD directional drilling system
2 定向钻机装备
定向钻机主要用于提供钻进的孔口动力ꎬ适用
回转钻进、滑动定向钻进和复合定向钻进多种工艺
方法ꎮ 钻机转矩在 3 000 ~ 6 000 Nm 的常规定向
钻机主要施工 500 ~ 1 000 m 孔深的定向钻孔ꎬ代表
机 型 有 ZDY4000LD、 ZDY6000LD、 ZDY6000LD ( A)、
ZDY6000LD(B)、 ZDY6000LD ( F)、 ZYWL6000D 等
[7]
ꎮ
转矩为 10 000~15 000 Nm 大功率定向钻机一般可以
32
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