下载文档原格式
松软煤层钻孔钻进常见的问题及预防措施摘要：我国大多数矿井煤层透气性差，煤质松软，甚至有动力现象或突出危险性，属于松软煤层，这使本煤层预抽钻孔打钻难度极大，塌孔、卡钻严重，钻孔打不深，致使瓦斯抽放效果差，不能很好的满足生产和开发的要求，影响了煤矿生产的正常进行。
所以解决松软本煤层钻进问题对于我国煤矿生产具有极其重要的意义。
关键词：松软煤层；钻孔；钻进；问题；措施煤矿瓦斯治理和利用工作已经引起我国政府和煤矿企业的高度重视，国家在煤层气资源开发和利用方面作了大量的投入，很多煤矿企业也开始转变观念，变传统的安全性瓦斯抽放为利用性或生产性瓦斯抽放，将各种抽放技术结合起来，想方设法提高瓦斯抽放浓度和抽采率，既确保了生产安全，也有效利用了能源。
1 松软煤层顺层钻孔和穿层钻孔比较对于特定的煤层，煤的坚固性系数、煤的瓦斯解吸性系数、煤层中软分层厚度三个参数相对来说是难以改变的。
根据上述分析可以看出，为了减少和消除煤层突出危险性，主要是降低瓦斯压力，而钻孔预抽煤层瓦斯是降低瓦斯应力的有效方法。
目前钻孔预抽煤层瓦斯的方法主要有穿层钻孔预抽和顺层钻孔预抽两种方式。
以往普遍采用以穿层钻孔为主的本煤层瓦斯抽采方法，即先在煤层底板岩石中施工出一条岩石巷，然后沿岩石巷施工上仰穿层孔作为瓦斯预抽放孔。
这种瓦斯抽放方法有以下缺点：底板专用瓦斯抽放道每区段有一条岩石巷道，因此掘进巷道工程量大。
钻孔的工程量大，钻孔的岩石长度占比例较大，钻孔利用率低，成本较高。
工作面准备时间长，先打底板道，再打钻孔预抽瓦斯，最后掘煤巷。
穿层钻孔浅，预抽瓦斯范围受到限制，只解决了巷道掘进带防突，回采工作面瓦斯涌出并未得到解决。
而采用顺煤层钻孔抽采瓦斯则具有成本低，钻孔利用率高等优点。
因此在松软煤层瓦斯抽放多采用顺层孔瓦斯抽放。
顺层钻孔抽采煤层瓦斯减弱直至消除煤层突出危险的实质在于：煤层抽采钻孔的施工，造成钻孔周围煤层的局部卸压；通过抽排煤层中的瓦斯，可以使具有突出危险的煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量大幅度降低，使煤体内的瓦斯潜能得到释放并降低；由于瓦斯的排放可以引起煤层的收缩变形，使煤层的地应力下降、透气性增大，煤体应力的下降也使煤层中的潜能得到释放。
收稿日期：2012－04－25基金项目：中国平煤神马集团2011年科研重点攻关项目：松软煤层瓦斯抽放高强钻杆的研制（41040220111118）作者简介：赵万里（1985－），男，河南南阳人，工程师、硕士，2011年毕业于河南理工大学，现在中国平煤神马集团技术中心从事煤矿开采、安全技术研究工作。
松软煤层瓦斯抽采高强螺旋钻杆的研制与应用赵万里1，李莞歆2，路金萍3（1.中国平煤神马集团技术中心，河南平顶山467000；2.中国平煤神马集团电务厂，河南平顶山467000；3.平顶山工业职业技术学院，河南平顶山467000）摘要：针对目前钻杆在打松软煤层钻孔过程中常出现的钻杆性能不足现象，通过对螺旋钻杆的结构、材料、连接方式以及焊接方式进行设计，研制出适合松软煤层瓦斯抽放的新型高强螺旋钻杆，并在平煤十矿进行了工业性试验。
试验表明，研制的高强度瓦斯抽放钻杆设计合理，具有良好的强度和韧性，使用效果显著。
关键词：煤矿安全;松软煤层;瓦斯抽放;高强螺旋钻杆中图分类号：TD421.2+5；TD712+.6文献标识码：B 文章编号：1671－0959（2013）01-0113-04Development and Application of High Strength AugerDrilling Rod for Gas Drainage in Soft SeamZHAO Wan －li 1，LI Wan －xin 2，LU Jin －ping 3（1.Technical Center ，China Pingmei Shenma Group ，Pingdingshan 467000，China ；2.Electricity Administration Plant ，China Pingmei Shenma Group ，Pingdingshan 467000，China ；3.Pingdingshan Industrial College of Technology ，Pingdingshan 467000，China ）Abstract ：According to the insufficient performances of the drilling rod occurred in the soft seam drilling process ，with the design conducted on the structure ，material ，connection method and welding method of the auger drilling rod ，a new high strength auger drilling rod was researched and developed suitable for the gas drainage in the soft seam and was conducted for a industrial trial．The trial showed that the researched and developed high strength drilling rod for the gas drainage was rational in design ，could have excellent strength and toughness and the application effect was remarkable．Keywords ：coal mine safety ；soft seam ；gas drainage ；high strength auger drilling rod 我国大多数煤层属于低透气性松软煤层，瓦斯抽放问题一直是亟待解决的难题［1］。
松软煤层钻孔成孔、护孔及高效抽采工艺研究与应用1 实施前状况及存在问题1.1 实施前状况**矿是高瓦斯矿井，所采煤层为3#煤，煤层分为硬质煤层和松软煤层。
目前，在松软煤层施工瓦斯抽放钻孔主要采用的工艺有两种：一种是光面圆形钻杆配合水力排渣，另一种是螺旋钻杆通过螺旋排渣。
在松软煤层中施工的抽放钻孔，普遍存在钻进困难、钻孔成孔难度大，塌孔、堵孔、卡钻、顶钻、掉钻等现象，抽放效果不理想，严重影响矿井正常的生产衔接。
如何解决煤质松软区段钻进成孔问题是矿井瓦斯抽采的一大难题。
1.2 存在的问题1.2.1 不同类型钻杆施工钻孔时成孔困难1.2.1.1 水力光面圆形钻杆施工在松软煤层中施工时，循环水对于孔壁的冲刷、浸泡破坏作用相当严重，钻孔极易破碎塌孔，由于地应力、瓦斯压力、钻杆震动等因素，在钻进过程中经常出现局部塌孔、堵孔现象，成孔极其困难。
同时因钻孔塌孔、堵孔，导致水力排渣通道堵塞，轻者卡钻、掉钻，严重时因摩擦发热引起煤和瓦斯燃烧，酿成重大安全事故。
1.2.1.2 螺旋钻杆施工螺旋钻杆施工时采用干钻进没有水的润滑，长时间和煤体进行干摩擦容易产生高温甚至火花，使摩擦力增大，钻杆老化，易发生掉钻事故。
采用干钻进施工，现场煤尘飞扬不易控制，作业环境恶劣，且煤粉容易被抽采系统的负压带进管路，增加瓦斯抽放管路自重，造成管路坠落事故，严重威胁抽采系统安全运行。
螺旋钻杆采用插接式连接，钻杆在钻进过程中摆动大，造成钻孔偏离中心，孔壁不平直，增加钻进时的阻力，同时孔壁受钻杆摆动影响而破坏，容易出现钻孔塌孔、堵孔等现象。
退钻时滞留在孔内的煤渣多，减少孔内的有效抽采面积，影响钻孔抽采效果。
1.2.2 钻孔孔壁稳定性差，容易出现塌孔无法抽采井下松软煤层中施工的裸眼钻孔，煤壁稳定性差，在钻孔施工到位退钻后，钻孔孔壁短时间内将出现坍塌，堵塞孔内通道，导致堵塞段以里无法抽采。
2 改进目的2.1在松软煤层中，采用光面圆形钻杆和螺旋钻杆钻进时，均出现塌孔、堵孔、卡钻、掉钻等异常情况，无法继续施工，严重制约矿井瓦斯抽采工作的顺利开展。
专利名称：深井软煤岩棱状钻具钻进方法
专利类型：发明专利
发明人：王永龙,王振锋,宋维宾,孙志东,王志明,韦纯福,余在江,陆云飞
申请号：CN201811387089.6
申请日：20181121
公开号：CN109538115A
公开日：
20190329
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种深井软煤岩棱状钻具钻进方法，属于钻探工程领域。
本发明是为了解决棱状钻具应用于软煤岩钻进钻孔易偏斜、钻孔深度浅、钻孔事故多等技术问题。
基于钻孔变形特征设计前端棱状钻杆结构，能够预防钻屑在钻孔孔底堆积；基于后段钻孔变形量确定后端棱状钻杆外径，使变形后钻孔的直径与钻杆外径大小接近，有效降低了钻杆的扰动，有利于减小钻孔弯曲；依据钻探介质确定钻进速度ν、钻杆旋转速度ν，使钻屑量与钻进速度相适应，有利于提高排渣效率，预防钻孔堵塞。
本发明实现了“钻机‑棱状钻杆‑钻头‑排渣动力”的合理匹配，能够有效提升棱状钻杆应用于软煤岩的钻探效果。
申请人：河南理工大学
地址：454000 河南省焦作市高新区世纪路2001号
国籍：CN
更多信息请下载全文后查看。
专利名称：高强度圆弧角三棱钻杆
专利类型：发明专利
发明人：房增河,张显荣,李丽,王庆虎,高山,张松林申请号：CN202010050243.1
申请日：20200117
公开号：CN111155941A
公开日：
20200515
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种高强度圆弧角三棱钻杆，包括连接头，连接钻杆，底部钻杆和开口槽，本发明连接头的设置，柱形块通过连接方块和连接螺纹头分别钻井机器和连接钻杆连接，结构简单，拆卸方便，可随意增减连接钻杆的使用数量；连接钻杆的设置，作为中间连接件，拆装方便，数量可随意掌控；底部钻杆的设置，钻取部设置为锥形，在钻井的时候，如果钻取部钻到石块正中间时，能以最小的接触面积进行钻取，加大钻透效率；如果钻取部钻到石块侧边时，随着钻杆的转动，能够轻易的避开石块；开口槽的设置，开口槽在钻井的时候具有较好的排土效果，运行顺畅，阻力较小，而且有效的减少了钻杆的整体重量，并节省了大量的材料。
申请人：邹城兖矿泰德工贸有限公司
地址：273500 山东省济宁市邹城市西外环路中段路西
国籍：CN
代理机构：青岛高晓专利事务所(普通合伙)
代理人：张清东
更多信息请下载全文后查看。
孔令沪等:高强度柔性钻杆的研制与应用第23卷 第1期高强度柔性钻杆的研制与应用孔令沪1,2,程林1,2,王克虎1,2,满国祥1,2,朱立强1,2(1.河北省地矿局国土资源勘查中心,石家庄 050081;2.河北石探机械制造有限责任公司,石家庄 050081)摘 要:柔性钻杆是超短半径侧钻水平井钻进的专用钻具㊂本文重点介绍了高强度柔性钻杆的设计研发过程和结构特点,以及根据高强度柔性钻杆的现场应用效果,并针对应用中发现的风险隐患进行的优化设计㊂高强度柔性钻杆的研制成功将有助于推动超短半径钻杆的发展㊂关键词:高强度,柔性钻杆,超短半径,侧钻水平井中图分类号:P 634.4,T E 921 文献标识码:B 文章编号:1009282X (2022)01002003D e v e l o p m e n t a n d A p p l i c a t i o n o f H i g h S t r e n g t h F l e x i b l e D r i l l P i pe K O N G L i n g h u 1,2,C H E N G L i n 1,2,W A N G K e h u 1,2,M A N G u o x i a n g 1,2,Z H U L i q i a n g1,21.L a n d a n d R e s o u r c e s E x p l o r a t i o n C e n t e r o f H e b e i B u r e a u o f G e o l o g y a n d M i n e r a l R e s o u r c e s ,S h i j i a z h u a n g 050081,C h i n a ;2.H e b e i S h i t a n M a c h i n e r y M a n u f a c t u r i n g C o .,L t d .,S h i j i a z h u a n g 050081,C h i n a A b s t r a c t :F l e x i b l e d r i l l p i p e i s t h e s p e c i a l t o o l f o r s i d e t r a c k i n g h o r i z o n t a l w e l l d r i l l i n g w i t h u l t r a s h o r t r a d i u s .T h i s p a pe rf o c u -s e s o n t h e d e s ig n a n d d e v e l o p m e n t p r o c e s s ,s t r u c t u r a l ch a r a c t e ri s t i c s o f h i g h -s t r e n g t h f l e x i b l e d r i l l p i p e ,a s w e l l a s t h e o pt i -m a l d e s i g n a c c o r d i n g t o t h e f i e l d a p p l i c a t i o n e f f e c t o f h i g h -s t r e n g t h f l e x i b l e d r i l l p i p e a n d t h e h i d d e n d a n g e r s f o u n d i n a p pl i c a -t i o n .T h e s u c c e s s f u l d e v e l o p m e n t o f h i g h s t r e n g t h f l e x i b l e d r i l l p i p e w i l l h e l p t o p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o f s i d e t r a c k i n g ho r i -z o n t a l w e l l d r i l l i n g wi t h u l t r a s h o r t r a d i u s .K e yw o r d s :h i g h s t r e n g t h ,f l e x i b l e d r i l l p i p e ,u l t r a s h o r t r a d i u s ,s i d e t r a c k i n g h o r i z o n t a l w e l l 收稿日期:20210922作者简介:孔令沪(1971-),男,河北省辛集人,机械设计专业,高级工程师,从事地质机械㊁钻探机具研发工作,E -m a i l:l i n g h u k o n g@s i n a .c n ㊂0 引言通用采用柔性钻具与常规钻井设备相结合的方式实现超短半径侧钻水平井,柔性钻具由数十或数百节活动短节连接组成,单节钻具长0.15~0.20m ,每节可弯曲3ʎ~5ʎ㊂活动短节的可靠性直接关系到该项技术的成败,常规柔性钻具采用的虎克十字万向节存在传动过程中不等速㊁造斜成功率低㊁承扭能力差㊁无法重复利用㊁使用成本高等问题,因此一直未能实现大范围应用㊂采用柔性钻具进行超短半径定向钻井可解决三低一高 的油气田开采难题,也可解决矿山止水成本高㊁效果差等径向井施工难题,但柔性钻杆强度低㊁使用寿命短的缺点却严重制约柔性钻杆的应用领域和应用范围㊂研究高强度柔性钻杆,提升柔性钻杆抗拉㊁抗扭强度及耐磨性,提高柔性钻杆使用寿命,才能使柔性钻杆应用更广泛,为矿产资源开采发挥更大作用㊂1 应用现状老油田往往面临单井产量低㊁井网能量下降快㊁开采率低等问题,超短半径侧钻水平井技术用最小的投资成本,直接连通剩余油富集区域,在解决近井污染问题的同时,增大泄流面积,增加渗流通道,动用非主力油层,从而大幅提高单井产量,实现老油田的高效开发㊂老井开发中,通常使用注水的方式补充地层能量,但随着注水深度增加,注水压力升高,水体波及面减小,形成无效注水㊂超短半径侧钻水平井技术可以精确定位注水方向,精准注水,减小注水压力,扩大波及面㊂此外,在油井开发生产过程中,由于井下各种复杂因素造成油层附近套管变形22022年2月地质装备或错断损坏,致使油井长停或者报废,超短半径侧钻水平井技术利用其超短半径的特点,定向侧钻,沟通油层,快速恢复套损井产能㊂在超薄㊁低渗油藏的开发中,往往采用水平井组的方式开发,投资大㊁收效低,很难实现油藏的高效开采㊂使用超短半径侧钻水平井技术可以在同一层位布置多个渗流孔道,在相同投资金额条件下,将渗流孔道和泄流面积成倍增加㊂除了超薄低渗油藏,在边底水活跃油藏的开采中,超短半径侧钻水平井技术增大渗流通道,降低流体运动速度,有效抑制底水锥进,提高油藏采收率㊂埋藏深度在地表以下200~400m的油藏称作超浅层油藏,浅层油藏往往稠度大,使用常规技术开采困难,超短半径侧钻水平井技术可以在油层直接开窗㊁侧钻,并使水平分支井眼在油层中穿行,实现增产的目的㊂固体矿山开采前的止水作业是保障矿山安全生产的必要前提,采用超短半径侧钻水平井技术可降低止水井施工密度㊁提高止水效果㊁缩短作业时间,减少施工成本㊂超短半径侧钻水平井技术由于其超短距离侧钻优点,应用领域日趋广泛,在煤层气㊁页岩气等钻井以及油田注水井中均有应用㊂2柔性钻杆设计超短半径侧钻水平井技术是采用由柔性钻杆(图1)与侧钻单牙轮钻头(图2)组合成柔性钻具,配合定向装置,进行超短距离侧钻水平井施工的技术方法㊂在研究中,我们深入剖析常规柔性钻具的 致命伤 ,创新设计了传动销柔性传动结构,从原理和机械结构上解决了原有虎克十字万向节钻杆存在的弯曲传动不等速的致命缺陷,避免了钻具末端周期性剧烈振动产生的疲劳破坏,不仅将最大承受扭距由10k N㊃m提升至15k N㊃m,还将单节钻杆零部件数量由9件减少为4件,钻具的使用寿命也得到了显著提升㊂2.1结构设计柔性钻杆主要由柔性传动系统和高压传输系统两部分组成,其结构示意图如图3所示㊂高压传输系统包括塞管㊁锥套㊁涨紧套㊁高压胶管等部分,塞管㊁锥套㊁涨紧套主要起保证高压胶管的固定及连接时的密封作用,便于高压胶管更好发挥其传输功能㊂柔性传动系统各单节之间通过球节和连接轴由特殊螺纹组成刚性连接㊂每个单节包括连接轴㊁球节㊁锁紧球套㊁传动销4部分,其中连接轴和锁图1柔性钻杆F i g.1F l e x i b l e d r i l l p i pe图2侧钻单牙轮钻头F i g.2S i n g l e c o n e b i t f o r s i d e t r a c k i n g d r i l l i n g紧球套以及锁紧球套和传动销之间也是通过特殊螺纹刚性连接,连接轴㊁传动销和球节的连接均为柔性连接㊂柔性传动系统是保证柔性钻杆实现高强度和传递扭矩的关键部分,其技术参数如表1所示㊂柔性钻杆在起下钻时受拉伸,造斜段只承受扭矩,水平钻进时承受钻杆轴向力和扭矩同时作用㊂设计中采用传动销柔性传动结构,并且单节柔性钻杆在任意方向上最大弯曲度不小于3ʎ,在钻进过程中,既能传递扭矩和钻压,又能满足柔性钻杆曲率半径要求㊂表1柔性钻杆参数T a b l e1T h e p a r a m e t e r o f f l e x i b l e d r i l l p i p e外径/m m内通径/m m扣型节距/m m曲率半径/m 12032N C381681.5 2.2关键零部件的优化设计试制过程中发现柔性钻杆单节在扭矩试验台上测试扭矩达到13~14k N㊃m时,球节会发生转动不灵活现象㊂分析其原因,虽然传动销采用柱形头,强度高㊁传递扭矩大,但受强力后,柱形头与球头凹槽之间会因为受力不均匀而发生变形,导致球头转动不灵活㊂为解决这个问题,最终采用了将传动销12孔令沪等:高强度柔性钻杆的研制与应用第23卷 第1期图3 柔性钻杆结构图F i g .3 S t r u c t u r a l d r a w i n g o f f l e x i b l e d r i l l p i pe 改为球形头,与之相配合的球头凹槽也改为球形,同时,为了保证强度及传递的扭矩,采取了增大传动销外形尺寸以及增加传动销数量相结合的方法㊂3 实际应用及改进优化120型高强度柔性钻杆在河北省邢台市某铁矿止水井施工中应用,采用超短半径侧钻水平井工艺,成功实现一井多分支,扩大了单井的止水范围㊁提升了止水效果,并可减少钻孔数量80%以上,实现了高效㊁经济钻井㊂试验井深度200m ,井孔直径216m m ,在钻孔195~198m 段实施4口超短半径侧钻水平井,钻孔直井段采用常规,钻至200m 后下入直径178m m技术套管,下入定向装置,采用143m m 侧钻单牙轮钻头连接120型高轻度柔性钻杆进行超短半径侧钻水平井施工,水平井段进尺3m ,径向均布4口侧钻水平井,成井后进行注浆止水试验,止水范围较常规直井增加300%㊂在提钻后发现柔性钻杆各别短节上的传动销螺纹有松动现象,经分析为钻井过程中的高扭矩及冲击载荷造成的,长时间使用有传动销脱落的风险㊂给转动销增加防脱设计,在传动销孔增加了卡簧防脱结构,解决了脱落风险,经下井试验该装置安全可靠㊂结构示意图见图4㊂图4 柔性钻杆改进后结构F i g .4 I m p r o v e d s t r u c t u r e o f f l e x i b l e d r i l l p i pe 4 结语通过优化设计开发的高强度柔性钻杆解决了原结构柔性钻杆强度低㊁使用寿命短㊁使用成本高的问题,使其不再是超短半径水平井施工工艺推广的制约因素㊂将超短半径水平井施工工艺从最早的油气井开采和注水井施工,扩展到煤层气和页岩气开采,固体矿止水等领域,随着钻具的成熟,该工艺必将在矿产资源开发中发挥更大作用㊂参考文献:[1] 燕金友,张克键,董士同.深井小井眼短半径水平井钻井技术[J ].石油钻探技术,2006,34(4):3437.[2] 吕育声.钻井侧钻技术研究与应用[J ].化工设计通讯,2017,43(5):229,243.[3] 朱建军.侧钻超短半径水平井J 37-26-P 14井钻井设计与施工[J ].石油钻探技术,2011,39(5):106109.[4] 辛长青.超短半径侧钻水平井工艺技术[J ].油气田地面工程,2013,32(4):108109.22。
收稿日期:2022-09-06作者简介:常开鹏(1990-),男,山西晋城人,助理工程师,从事采矿工程方面工作。
doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.05.023四棱钻杆在松软煤层瓦斯钻孔施工中的应用常开鹏(山西潞安工程有限公司,山西长治 046031)摘 要:本文针对松软煤层瓦斯钻孔施工面临的难题,针对软煤钻孔孔壁失稳分析,结合三棱钻杆和刻槽钻杆优势,设计研发了一种新型四棱钻杆。
通过现场工业试验,四棱钻杆相对其他常用钻杆,在正常钻进和造穴单位时间内的排渣量效率有明显提升,且极大降低了钻孔偏移度,保证了钻孔成孔精度,为解决松软煤层瓦斯钻孔成孔难题提供了一种新型钻杆设备。
关键词:松软煤层;瓦斯抽采;钻孔;四棱钻杆中图分类号:TD712.6 文献标识码:B 文章编号:1005-2798(2023)05-0083-03 松软煤层是在受到多期地质构造应力作用下,煤体发生不同程度的破碎、变形破坏、脆裂等现象,造成煤体松散、容易发生破碎,且容易造成瓦斯含量集聚、瓦斯突出的煤层,在煤矿安全生产中,将煤体坚固性系数f ﹤1的煤层成为松软煤层[1]。
由于松软煤层力学强度低,瓦斯钻孔施工过程中,在钻头和钻杆的公转扰动,以及煤层松软、瓦斯集聚等多重作用下,经常出现大范围塌孔,形成钻穴;同时,由于松软煤层瓦斯含量及压力大,瓦斯解吸速度快,会在钻孔前方形成高压区,出现顶钻、喷孔等瓦斯动力现象[2]。
以上两种情况均会造成夹钻、抱钻事故,迫使打钻作业停止,严重的还会造成安全事故,煤体坚固性系数越低,钻孔成孔难度越大,目前,在煤体坚固性系数f ﹤0.3的煤层中,瓦斯抽采钻孔成孔深度仅有数十米,严重制约了瓦斯抽采研究工作的进展。
为此,基于松软煤层打钻成孔难题,改进创新钻孔设备方法,提升钻孔成孔率,进而保证安全生产,势在必行。
1 四棱钻杆设计依据煤层钻孔孔壁的稳定性与煤层中包含的破碎带、断层、陷落柱等多期地质构造具有密切联系,地质构造的存在致使煤层坚固性降低,钻孔在这些区域钻进,极易造成钻孔周边煤层坍塌,所产生的应力作用导致孔壁失稳,造成钻具卡进,而地质构造和煤层埋深直接影响到松软煤层所处力学环境,在地应力和地层压力双重作用下松软煤层面临的破裂压力和坍塌压力更加强烈,孔壁失稳现象更为严重[1-2]。
