煤矿井下长钻孔定向施工与配套技术

2020-06-20 08:48:12 yysm 344

针对高瓦斯综采工作面长 、落煤强度大的特点 , 采用顺煤层或顶板岩石水平长钻孔代替顶板瓦斯巷抽放上邻近层瓦斯 , 其 目的在于保证综采工作面高效与安全生产 ,缩短工作面准备时间, 缓解矿井采掘接续的紧张矛盾 。对长钻孔的定向施工技术与配套技术的研究是利用定向钻进技术和配套设施 , 保证钻孔的实际运行轨迹在设计允许偏差内。

形成钻孔弯曲条件的原因大致可分为三类 , 即地质 、技术和工艺 。

一、地质因素

影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各 向异性和软硬互层 。地质因素是客观存在的 , 只能通过工艺技术措施来减弱甚至抵消它的促斜作用。

(1)岩石的各项异性

某些具有层理 、 片理等构造特征的岩石 , 其可钻性具有 明显的各向异性 。如图1所示 , 钻头沿垂直于岩层方 向钻进的碎岩效率最高 , 而平行于层理的方向效率最低 , 倾斜方 向的碎岩效率居中 。因此 , 在倾斜岩层中钻进 , 极易产生钻孔向垂直于层面的方向弯曲 俗称顶层进 。钻孔弯曲强度与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有关 。当遇层角约为 45度“ 时 , 钻孔弯 曲强度最大 。

通缆钻杆

图1 各向异性岩层钻孔示意图

(2)软硬互层

如图2 所示 , 钻孔以锐角穿过软硬岩层界面 , 从软岩进入硬岩时【图2 b】,由于软 、硬部分抗破碎阻力的不同 , 使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲 而从硬岩进入软岩时 【图2 c】 , 则钻具轴线有偏离层面法线方向的趋势 , 但由于上方孔壁较硬 , 限制 了钻具偏倒 , 结果基本保持着原来的方向 钻孔通过硬岩进入软岩又从软岩进入硬岩时 , 最终还是沿层面法线方向延伸 【图2 d】 。

钻孔遇层角存在着临界值, 超过此值时, 钻孔顶层进【图2 b】低于此植时,钻孔将沿硬岩的层面下滑 , 俗称顺层跑 【图2 a】临界值的大小决定于岩石的硬度和钻头的类型 , 通常为“10°- 20°“ 。

通缆钻杆

图2 软硬互层钻进的示意图

二、技术因素

开孔时钻机基础不平 , 立轴安装不正确 , 未下孔 口管或孔 口管方向不合要求都会使钻孔轨迹偏离设计的空间位置 。这些因素主要是在开孔阶段起作用 , 但钻孔一旦开始偏斜就会对以后的钻孔继续延伸产生严重的影响 。钻孔较深时, 即使顶角偏差不大,也会导致很大的水平偏距 。

钻进过程中造成钻孔弯曲的技术原因是钻具的结构和尺寸 。现行的钻进方法中 ,为了保证冲洗液畅通 、排除岩屑 , 钻头直径往往大于钻具直径 , 同时 , 钻头在钻进过程 中不可避免地还要产生一定程度的扩壁 , 所以孔壁与钻具之间的空隙必然存在 。钻进过程中必须对钻头施加轴向压力 , 由于存在孔壁间隙 ,而钻杆柱为一细长柔性杆件 ,在压力的作用下 , 钻杆柱将产生弯 曲变形 , 轴 向压力将沿弯曲钻杆产生水平分力 , 当钻具直径较大 、 长度较小时 , 钻具为一刚体 , 使钻具偏倒 , 所以 , 使钻具倾倒或弯曲的力也是客观存在的 。

 三、工艺方面的原因

影响钻孔弯 曲的工艺因素 , 主要有钻进方法 、钻进规程参数 。不同的钻进方法具有不同的破碎岩石特点 , 导致不同的孔壁间隙 。钢粒钻进时孔壁间隙最大 , 因此孔斜最大 。硬质合金钻进时孔壁间隙次之 , 一般孔斜中等 。金刚石钻进孔壁间隙最小 , 通常只有 一 , 在钻具刚度足够时 , 孔斜最小 。

钻进规程参数是影响孔斜的重要因素 。钻压过大 , 会造成钻杆柱甚至钻具弯 曲,使钻头紧靠孔壁一侧 , 此时偏倒角可能达到最大值 , 并且钻具与孔壁摩擦阻力增加 ,钻具只围绕 自身轴线 自转而不作公转 , 此时钻具倾斜面有固定方向 , 从而导致钻孔弯曲。转速过高 , 钻杆柱回转离心力增大 , 从而加剧了钻具的横向振动和扩壁作用 , 结果孔壁间隙增加 。但是 , 钻压过小 , 转速过低 , 则进尺慢 , 效率低 , 钻头停留在孔底时间长 , 也会扩大孔壁间隙 , 增加孔斜 。

冲洗液量过大 , 特别是在较软岩层中, 液流会冲刷 、破坏孔壁 。冲洗液质量不好 ,某些易塌岩石会产生 “大肚子 ”孔段 , 这些都会使孔壁间隙剧增 , 为钻具偏倒 、钻孔弯曲提供条件 。钻进规程参数过大 , 不仅会增大孔壁间隙 , 而且会使钻杆柱强烈弯曲 。


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