一种煤层顶板软岩定向长钻孔“四位一体”施工方法

本发明属于煤矿瓦斯治理，具体涉及一种煤层顶板软岩定向长钻孔“四位一体”施工方法。

背景技术：

1、我国煤层瓦斯含量与瓦斯压力普遍较高，现生产矿井中高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井所占比例已到达70%左右。为防止高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井回采工作面瓦斯事故，研究实施了多种瓦斯治理措施，除加强本煤层顺层钻孔预抽、穿层钻孔预抽、工作面抽采-风排相结合的综合措施外，还利用煤层开采卸压与采空区顶板“三带”渗透性增加，研发了顶板瓦斯巷抽瓦斯采、顶板裂隙带高位钻孔抽采瓦斯、地面钻孔采前抽-采中抽-采后抽“三阶段”抽采瓦斯等一批国内国际先进技术。其中，顶板瓦斯巷抽采瓦斯因存在大量瓦斯积聚隐患，随着相关煤矿安全技术规程规定出台已经停止使用；地面钻孔“三阶段”抽采瓦斯因受地质条件适应性、成本等因素现在只能在部分条件适合的矿井推广应用。

2、近年来在瓦斯防治理论与技术、仪器设备等研究方面，特别是定向长钻孔钻进技术与设备研究取得了长足进步，为高位钻孔精准施工、提高钻孔利用率等提供了保证；同时，煤矿瓦斯的主要成分是甲烷，是和天然气一样的优质清洁能源，瓦斯资源的高效抽采和利用对弥补我国天然气资源不足、改善我国能源消费结构具有重要意义，符合“节能减排”的国家政策。

3、煤层顶板定向长钻孔是在风巷内向煤层顶板或在高位钻场内沿顶板施工的钻孔，主要用于顶板裂隙带内、部分采空区内以及受采空区影响邻近层内卸压瓦斯的抽采，所依据理论基础是卸压抽采。相较传统钻进工艺，定向长钻孔具有可按照设计轨迹钻进、施工距离长、施工量少、施工时间较短、钻场数量少，抽采量大的优势，定向长钻孔技术是有效治理煤矿回采工作面回风流瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯浓度高的主要措施。

4、在煤层顶板定向长钻孔施工过程中常受到软岩层影响，包括：①泥岩中含有遇水膨胀的伊利石、蒙脱石成分。②力学性质差、坚固性差、易破碎、易垮塌的岩石，包括铝质泥岩、断层附近、褶曲轴部存在的断层泥、节理集中发育区造成的岩层松软破碎区。钻进过程中遇到此类岩层易发生钻孔垮塌、孔壁岩石碎裂、抱钻事故，影响定向长钻孔正常钻进，甚至导致钻进失败的问题。为此，发明了一种煤层顶板软岩层施工定向长钻孔方法，以增强-降扰相结合的钻进方法来解决煤层顶板软岩层施工中的问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种集精准预判、低速降扰、钻液增强、边洗边进及洗空钻进的煤层顶板软岩定向长钻孔“四位一体”施工方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种煤层顶板软岩定向长钻孔“四位一体”施工方法，包括以下步骤：

3、s1、根据定向长钻孔施工设计，整理钻孔附近地面、井下获得的各项地质资料，分析钻孔施工所穿岩层岩性与地质构造，判定煤层顶板软岩力学参数、水理性质、断层带岩性，结合定向长钻孔钻进机理和工艺参数，精准预判钻影响定向长钻孔施工的软岩层位、厚度，以及断层位置、断层带泥岩发育情况；

4、s2、制定定向长钻孔施工方案，重点设计钻孔穿过软岩层、断层带的施工方案，包括开始采用低速降扰、钻液增强护孔施工方法的位置，启动边洗边进、洗空钻进的定向钻机工况参数值与获得方法，钻液类型与配比参数、使用方式方法；

5、s3、开始在煤层顶板施工定向长钻孔，架设钻机，钻机驱动钻杆和钻杆前端的钻头高速旋转，钻液通过钻杆中心孔向钻头输送，在钻头钻进至软岩层、断层带前10m位置时，减小钻杆和钻头转速、提高钻液护孔强度，即开启低速降扰、钻液增强的施工方法；

6、s4、在钻孔过程中，实时观察钻机工况参数，主要包括进给速度、旋转压力是否发生明显变化以及钻液循环情况、返水量变化程度，以便及时启动低速降扰、钻液增强的施工方法；

7、s5、钻头穿过软岩层、断层带后及时、不间断观察钻进施工钻机工况参数，结合定向长钻孔钻进工艺特征，判定水膨胀性软岩稳定情况，发现钻孔收缩，孔内垮孔现象时立即开启边洗边进、洗空钻进方法。

8、s6、继续向前钻进，严格按照精准预判、低速降扰、钻液增强、边洗边进以及洗空钻进的等“四位一体”顶板软岩定向长钻孔施工方法，完成施工作业。

9、步骤s1中的各项地质资料包括地面勘探钻孔柱状图、矿井采区采面地质构造图、先期定向钻孔资料信息；步骤s2中的钻液类型采用聚丙烯酰胺化学浆液。

10、步骤s1的具体过程为：

11、首先，钻孔设计完毕后，参照钻孔所在区域地面勘探钻孔柱状图，分析钻孔穿过的岩层岩性，应用岩性描述分析是否存在含有遇水膨胀成分、力学性质差的铝质泥岩，见图1；如果存在此类铝质泥岩，需要预测开始穿入与穿过时的钻进长度；应用矿井、采区、采面地质构造图分析钻孔是否需要穿过断层、褶曲轴部、节理集中发育区造成的岩层松软破碎带。如果需要穿过，预测开始穿入与穿过时的钻进长度；根据定向长钻孔钻机性能一般在进入岩层松软破碎带提前10m采取相应措施即可；

12、其次，先期定向钻孔取得的资料信息作为后期钻孔施工时精准预判依据；每一个定向长钻孔施工完毕后根据钻机工况参数和返渣观测信息得到一套钻孔所穿过地层、地质构造资料；第一个钻孔的钻孔资料最为重要；由于含煤地层存在一定区域的稳定性，断层、褶曲、节理构造存在一定的延展性，同一个采面布置的煤层顶板定向长钻孔间距较近，钻孔穿过的岩层、地质构造应基本相同，所以与先期定向钻孔取得的资料信息精准预判后期钻孔施工穿过软岩、地质构造的位置；

13、再次，利用定向长钻孔施工过程中钻机工况参数，包括进给速度、旋转压力精准判识正在钻进岩层的岩性；钻头突然钻进软岩后由于短时间内钻机的推进力、输出转速没有发生变化，岩石变软，螺杆马达在高压水驱动下带动钻头旋转切割岩石速度将增大，造成钻头推进度变大，旋转压力变小钻进速度变快，并通过监测电脑显示屏反应出来，这是钻进遇到软岩，利用钻机工况参数进行判识的第一次信号；之后，继续钻进，由于岩层岩性软，钻头刀片切入岩层深度增大，造成产生钻屑速度增大，钻渣颗粒变大，而钻机排屑排渣能力不变，可能发生钻屑钻渣堆积，发生抱钻事件；被钻头甩在后面的泥岩孔壁，由于岩石软易破碎，遇水膨胀，可能发生垮孔、抱钻事件；上述两种情况都将造成推进压力、旋转压力突然增大，进给速度突然降低，可能出现返水量变小甚至不返水的现象；这些信号通过监测电脑显示屏与现场观测得到，这是钻进软岩利用钻机工况参数进行判识的第二次信号。

14、步骤s2中低速降扰的具体原理及操作方式为：

15、根据煤层顶板岩层施工定向长钻孔穿过软岩层可能发生垮孔、抱钻问题，结合定向长钻孔钻进工艺特征，采用在软岩层钻进时改善钻进工艺参数，低速降扰的施工方法；软岩层施工定向长钻孔对岩层的破坏集中在两个方面：一是定向长钻孔普遍使用平地型胎体式pdc复合片钻头，在软岩层钻进如果保持推进压力不变，钻头刀片切入岩层深度增大，钻头旋转切削岩层产生的钻渣颗粒变大，推进速度增大；相应地使孔壁粗糙度增大、稳定性降低，集中地应力增大对孔壁围岩破坏强度增大，产生大量径向、轴线裂隙并向深部延展，较容易造成垮孔；二是钻头旋转带动冲孔液旋转，使冲孔液产生离心力，沿钻孔围岩裂隙压入深部围岩，使水膨胀性岩石发生膨胀、破坏，发生缩孔、垮孔、抱钻事件；

16、如果在软岩层钻进选择较低的适合软岩力学特性的推进压力，一则钻头刀片切入岩层深度适中，钻头旋转切削岩层产生的钻渣颗粒较小，钻进速度变小；相应地使孔壁光滑度增大、稳定性增强，集中地应力增大对孔壁围岩破坏强度降低，大量产生径向、轴线裂隙范围以及向深部延展的长度亦有所降低，不易发生垮孔；二则钻头高速旋转带动钻液旋转，使钻液产生离心力，沿钻孔围岩裂隙压入深部围岩，使水膨胀性岩石发生膨胀、破坏，发生缩孔、垮孔、抱钻事件；综上所述，为实现安全钻进，防止发生垮孔、抱钻事件，发明了低速降扰，即遇到软岩层钻进时采取降低钻进速度，降低对软岩扰动的钻进方法。

17、步骤s2中钻液增强护孔的具体原理及操作方式为：

18、根据煤层顶板岩层施工定向长钻孔穿过的软岩力学参数，结合定向长钻孔钻进工艺特征，采用软岩层钻进时改变钻液类型，采取钻液增强护孔方法，实现正常钻进，防止发生垮孔、抱钻事件；

19、目前，正常岩层施工定向长钻孔均使用清水作为钻液，清水只具有冷却钻头和冲洗岩屑作用；理论研究和工程实践表明，如果在清水钻液中加入适当其他成分作为添加剂，则可有效改变钻液的黏度、密度、泡沫型、粘合性性能，使钻液具备护孔性能；因此，软岩层钻进时在低速降扰基础上结合改变钻液类型，采取钻液增强护孔方法；根据定向钻机孔底马达的驱动原理、软岩矿物成分与力学特征、钻液与孔壁的接触方式，应用聚丙烯酰胺（pam）作为钻液添加剂，增强钻液的护孔功能；聚丙烯酰胺（pam）是一种线型高分子聚合物，化学式为(c3h5no)n，能以任意比例溶于水，水溶液为均匀透明的液体，为润滑剂、悬浮剂、粘土稳定剂，在钻井、压裂、堵水、固井中得到了广泛应用；聚丙烯酰胺钻液从钻头流出后，在钻头旋转产生离心力的作用下附着在孔壁上，即起到粘合，增强孔壁强度作用，又隔断了钻液经过裂隙被压入软岩，使软岩膨胀的作用，实现钻液增强护孔目的。

20、步骤s2中边洗边进、洗空钻进的具体原理及操作方式为：

21、根据煤层顶板岩层施工定向长钻孔穿过软岩的力学参数和水膨胀性，结合定向长钻孔钻进工艺特征，采用软岩层钻进时改善钻进方式，采取边洗边进、洗空钻进方式，实现正常钻进；随着钻头进入深部岩层后，钻头后部的孔壁软岩逐渐进入集中地应力稳定状态，钻液不再受钻头旋转影响产生离心力挤压孔壁，而是在钻孔与钻杆形成的环状空间中向下流出，这样软岩快速变形、垮孔、遇水膨胀的条件得到一定解除；但是，施工定向长钻孔是一个时间较长的过程，由于孔壁软岩依然受集中应力影响，流动钻液持续向孔壁缓慢渗透，较长时间积累后仍可能发生孔壁围岩破碎、垮孔、抱钻施工发生；钻进过程中，当发现返水变小，返渣颗粒变大时，一般可判定为孔内发生垮孔现象；此时需要退钻杆（约 2 根）进行洗孔排渣操作，操作方法为前后来回活动钻杆，时间根据孔深情况决定，直至钻渣大量排出，泥浆泵压力正常后继续钻进，保持边洗边进；

22、因垮孔、返渣沉积的原因，在钻进中可能出现不返水的抱钻现象；如果泥浆泵开机后，压力就上升，达到安全值，则应停止开启泥浆泵，直接退杆，一般退 2 根钻杆后再试泥浆泵，观察是否退出垮孔位置，然后利用泥浆泵进行洗孔操作；如果遇到压杆，先进行推进，前后拉杆，压力一般不超过 12 mpa，直到洗空钻孔再恢复钻进。

23、步骤s6的具体原理及操作方式为：

24、针对煤层顶板岩层存在岩石力学性质较差的泥岩，以及地质构造复杂带包括断层附近、褶曲轴部存在断层泥、节理集中发育区存在松软破碎岩层，定向长钻孔钻进过程中易发生钻孔垮塌、孔壁岩石碎裂，影响正常钻进，甚至导致钻进失败的问题，根据定向长钻孔钻进机理和工艺参数，参考煤层顶板软岩力学参数、水膨胀性性，结合定向钻孔施工钻机工况参数，采用从钻孔施工前与施工过程中的精准判识，到降低钻进速度、降低施工对孔壁围岩扰动，采用钻液增加围岩强度，以及钻头前进后其后部软岩仍可能垮孔、抱钻而采取的边洗边进、洗空钻进的完整、成套的四位一体顶板软岩定向长钻孔施工方法。

25、采用上述技术方案，本发明原理科学，根据定向长钻孔钻进机理和工艺参数，参考煤层顶板软岩力学参数、水理性质，结合定向长钻孔的施工工艺，发明了集精准判识、低速降扰、钻液增强、边洗边进及洗空钻进等“四位一体”顶板软岩定向长钻孔施工方法，包括：应用地面勘探钻孔柱状图、矿井采区采面地质构造图、先期定向钻孔资料信息、定向钻孔施工钻机工况参数等分阶段精准预判钻进前方岩性；降低钻进速度以降低钻进与冲孔液对钻孔围岩的扰动；利用聚丙烯酰胺化学浆液作为钻孔液增加孔壁强度；边洗边进、洗空钻进、防止抱钻的定向长钻孔施工方法。通过在豫北某矿区应用，已经成功完成了三对矿井六个钻场计20余个穿过铝质泥岩层、断层破碎带定向长钻孔的施工，取得了良好效果。