煤矿井下孔底马达随钻测量定向钻进技术

2019-06-19 15:30:10 晓勇

定向钻进技术,是利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使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。

定向钻进技术分为稳定组合钻具定向钻进技术和孔底马达随钻测量定向钻进技术2 种。

最早应用的是稳定组合钻具定向钻进技术,20 世纪60~70 年代起始于美、德、英等西方发达国家,20世纪90年代国内瓦斯抽采得到重视。进入20 世纪90 年代以后,随着定向工具、钻孔弯曲测量技术的发展,特别是微电子、微型计算机和航空航天技术的引用,发展出了煤矿井下孔底马达随钻测量定向钻进技术,并在美国和澳大利亚率先得到应用。

煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术可以实现长钻孔定向钻进和对钻孔轨迹的精确控制,保证钻孔轨迹在目的层中有效延伸,并可进行多分支孔施工,具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点。

但煤矿井下定向钻进技术并不适用于所有的煤层和岩层。

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煤层条件。煤矿井下定向钻进技术适用于普氏系数f≥1 的较完整煤层,避免在煤层破碎带或煤层陷落柱区域内布置定向钻孔。

岩层条件。煤矿井下定向钻进技术适用于普氏系数f≤6 的岩层,避免在裂隙发育带或炭质泥岩、铝质泥岩等遇水膨胀性岩层内布置定向钻孔。

定向钻进技术装备由定向钻机、随钻测量系统、孔底马达、配套钻具等构成。

定向钻机是实现定向钻进技术的关键装备之一。根据定向钻进施工工况要求,定向钻机应满足以下要求:

1. 钻进近水平钻孔时,可远距离操作,工作安全可靠。

2. 便于实现顺序动作和联动,起、下钻具方便

3. 自动化程度高,便于搬迁运输。

4. 可无级调速,通过油压表随时监视执行机构工作负载的大小并及时进行调整,工艺适应性较强。

5. 外形尺寸满足井下运输条件。

6. 钻机可以钻进水平辐射状分支钻孔和大角度顶底板穿层钻孔。

7. 液压系统采用负载敏感、恒压变量和比例先导控制等先进的液压技术,可以实现转矩、转速和压力等参数的方便调节和系统节能。

8. 为满足开孔段下大直径孔口管的需要,或为解决孔底马达施工硬岩效率较低的问题,需要通过回转钻进和孔底马达钻进相结合的复合钻进工艺,要求定向钻机可同时满足孔口回转钻进和孔底动力定向钻进以及复合钻进等3 种工艺方法。

9. 钻进过程中不可避免地发生埋钻、卡钻和掉钻等孔内事故,需要钻机通过强力起拔或使用打捞钻具来处理孔内事故。

随钻测量系统按信息传输介质的不同可分为有线式随钻测量和无线式随钻测量。目前无线随钻测量系统在地面石油和天然气钻探领域应用较多。但无线随钻测量系统尺寸大,工作电压和电流较大,煤安设计困难,在煤矿井下暂未使用。目前国内煤矿井下使用的随钻测量系统主要采用有线传输方式,利用安装在孔底马达后的测量探管在需要时测量钻孔轨迹参数和孔底马达状态参数,并通过中心通缆钻杆传递测量信号和操作指令,实现孔内和孔口的双向通信,实时控制随钻测量和钻孔轨迹。

孔底马达是定向钻进过程中钻头切削岩煤层的动力来源。目前用于煤矿井下定向钻进施工的孔底马达按弯角分为单弯孔底马达和可调式孔底马达,弯角介于0° ~ 3°。按材料可分为无磁孔底马达和有磁孔底马达。

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