煤矿井下近钻头随钻测量技术研究现状和发展趋势

近钻头随钻测量集成了近钻头多参数测量、跨螺杆钻具供电和通信、涡轮连续发电和高速泥浆脉冲无线传输等多项关键核心技术,可以获取钻头附近多种类型参数,是煤矿井下智能钻探技术的关键组成之一。在充分借鉴地面石油与天然气钻探领域近钻头随钻测量开发经验和发展路径的基础上,分析了现有技术应用于煤矿井下的局限性,依托煤矿井下现阶段随钻测量技术,提出了煤矿井下近钻头随钻测量技术的研究思路,探讨了煤矿井下近钻头随钻测量技术的研究现状,重点解决结构小型化、仪器单元化、防爆模块化、测量协同化和控制整体化的研发技术难题。在煤矿智能化建设大背景下,提出未来需要从近钻头多参数一体化测量、近钻头参数动态监测、近钻头旋转导向钻进和近钻头自适应钻进等方面入手,大力推动煤矿井下近钻头随钻测量与5G通信、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的融合发展。     

ZDY25000LDK智能化定向钻进装备关键技术研究

利用顺煤层、顶板高位钻孔抽采煤层气是当前煤矿井下煤层气综合治理最直接、有效的方法。提高定向钻孔钻进速度和起伏变化大、薄厚不均煤层中的钻遇率,降低施工人员劳动强度,提高钻孔事故预防能力,适应煤矿智能化发展需求,满足煤矿井下长距离定向钻孔施工的智能化钻进装备是当前煤矿井下钻探领域亟待解决的重要问题。基于地质导向和旋转导向钻进施工对钻机精确控制的实际需求,以及煤矿智能化发展的迫切需要,提出了基于防爆电液控制技术的煤矿井下长距离定向钻进装备自动化控制和分体紧凑布局设计的集成化解决方案。重点解决总体紧凑布局设计、关键执行部件设计、自动装卸钻杆技术、防爆电液控制技术、大流量泥浆泵单元设计等设计和技术。研制的ZDY25000LDK智能化定向钻进装备,实现了长距离定向钻进施工过程中自动化装卸钻杆控制、智能化定向钻进施工、参数实时监测以及典型故障智能诊断与预警等功能,使定向钻进装备的智能化水平得到全面提升,为旋转导向和地质导向施工,以及“以孔代巷”大直径定向钻孔高效施工提供了可靠装备保障。      

煤矿井下3 000 m顺煤层定向钻孔钻进关键技术

保德煤矿大盘区工作面采前瓦斯超前治理模式要求井下定向长钻孔能够沿煤层钻进3 000 m以上,针对现有技术装备在超长定向钻孔施工中存在滑动钻进困难、进水水路压耗大、有线随钻测量信号传输距离受限、冲洗液无法循环利用等问题,开发了煤矿井下基于螺杆马达水力加压和超长钻具正反扭转给进的滑动钻进减阻工艺、基于回转钻进倾角控制和侧钻分支的复合钻进轨迹控制技术,设计了低压耗进水水路系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统和冲洗液净化循环系统,结合保德煤矿生产需要,完成了主孔深度3 353 m、孔径120 mm的顺煤层超长贯通定向孔。钻进效果表明:滑动钻进减阻工艺有效降低了给进力,显著提高了深孔滑动定向钻进能力;基于复合钻进的轨迹控制技术,保证了钻孔轨迹沿煤层定向延伸,并提高了钻进能力和钻进效率;泥浆脉冲无线随钻测量信号长距离传输稳定可靠,克服了有线随钻测量信号传输的局限性;井下冲洗液净化循环系统净化效果良好,实现了井下定向钻进冲洗液循环利用。研究成果对支撑煤矿大区域瓦斯超前治理、以孔代巷工程、水害防治及地质勘探等技术进步具有重要意义。      

我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展

煤矿坑道近水平定向钻进技术是钻探工程领域的一项新技术,主要应用于岩层和较稳定、较硬煤层的瓦斯抽放钻孔和地质勘探孔。简述了国内外煤矿井下近水平定向钻进技术的发展概况,对目前煤矿井下近水平定向钻进技术所采用的稳定组合钻具钻进和孔底螺杆马达钻进两种主要方法的特点与适用范围作了分析。结合我国煤矿井下地质条件、煤层特征和定向钻孔的技术要求,对我国煤矿井下定向钻进技术的应用提出了几点建议,并对我国煤矿井下定向钻进技术与装备进行了展望。     

大雪山煤矿有线随钻定向钻进技术应用

简述了四川省珙县筠连矿区大雪山矿段（东段）煤矿普查工程的概况、项目由来及定向孔设计。重点介绍了钻探施工定向钻进的技术路线、方案及技术要点,有线随钻定向钻进效果、经济效益、取得的成果。主要工作包括：配套XY-2000型立轴式液压钻机、BW-320/10型泥浆泵、HC绳索取心钻杆;采用ADST测斜仪,通缆水笼头有线随钻测量定向,螺杆马达孔底动力钻具造斜施工受控定向钻孔。在2个1000 m以深的钻孔中,共造斜29回次,总进尺7378 m。钻孔轨迹基本受控,达到了地质目的。施工中,探索了定向钻进螺杆钻具弯接头的角度选择、适宜绳索钻杆钻进的弯曲强度等问题。     

我国煤矿井下智能化钻探技术装备发展与展望

煤矿井下智能化钻探技术装备是煤矿智能化建设的重要组成部分,也是当前煤矿企业深入推进减人增效工作所急需的先进技术装备。系统总结了“十三五”期间我国煤矿井下智能化钻探技术装备所取得的阶段性成果,重点介绍了自动化钻机、随钻参数监测系统和旋转导向系统等关键技术装备的发展现状。全面分析了制约井下智能化钻探技术装备研发与应用的关键因素:钻机智能化水平较低、随钻探测数据类型少、多系统集成控制难。在此基础上提出深入推进数字化、网络化、智能化技术与传统坑道钻探技术结合,强化多学科融合和协同创新能力;并不断加强智能化钻探技术装备研发与应用人才的培养力度,以技术装备为支撑、以数字化平台为保障、以人才队伍建设为基础;在智能化钻机、高精度数据获取与传输技术、钻孔轨迹智能优化与控制技术、辅助关联设备集成控制技术、数字化钻进平台开展攻关,以实现煤矿井下钻孔全流程智能化施工作业。      

贝克服务工具公司螺杆钻简介

贝克孔底钻进马达包括螺杆钻和涡轮钻。这里仅对螺杆钻作一介绍。贝克螺杆钻是由钻井泥浆或清水驱动的正排量液压马达。当液体泵入钻具时，钻头以一个与流量成正比的转速回转，并且不论负荷或产生的功率如何都保持相对稳定。贝克螺杆钻除了具有一般的优点之外（如：减少钻具和套管磨损；回转功率直接驱动钻头；受控倾斜孔钻进；快速定向钻进等等），它比其它孔底钻进马达具有三个重要的优点：     

矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置研发及应用

针对现有煤矿井下随钻测量系统信号传输必须依赖通缆专用钻杆而不能采用常规钻杆的技术限制,提出泥浆脉冲无线传输技术,以钻杆柱内环空间为信号传输通道,通过对孔内轨迹参数测量、泥浆脉冲载波信号传输、间歇工作模式设计与控制、孔口信号接收与解调处理等关键技术研究,研制了基于泥浆脉冲的矿用无线随钻测量装置YHD3-1500,并在山西晋城寺河和成庄煤矿进行了试验。试验结果表明:泥浆脉冲无线随钻测量装置信号幅度大、传输距离远、工作时间长、工作稳定性强。装置使用过程中不受钻杆限制,不但可提高钻孔深度,又可实现钻孔轨迹实时控制,进一步拓宽了定向钻进应用领域,具有极大的推广应用价值。      

煤矿井下硬岩定向钻进螺杆马达选型及试验

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进效率,在分析硬岩定向钻进螺杆马达要求的基础上,选择了4种不同类型的螺杆马达在陕西韩城桑树坪煤矿进行井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,四级7︰8头螺杆马达和五级5︰6头螺杆马达在定向钻进硬岩时,其平均机械钻速分别为2.52 m/h和2.15 m/h,累计纯钻进使用时间可达550 h。这2种类型的螺杆马达表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层。      

冲击螺杆马达研制

针对常规单弯螺杆马达钻进硬岩层效率低、钻头和钻具消耗大的问题,采用在马达万向轴与钻头之间增加冲击机构的方法,研制了冲击螺杆马达,其具有冲击和定向双重功能。介绍了冲击螺杆马达冲击机构结构组成和工作原理、关键零部件设计、分析了冲击螺杆马达的特点。对φ89 mm冲击机构进行了室内试验,测得其冲击力峰值达到5 000~9 000 N,与理论计算结果基本一致,由硬质合金与轴承钢组成的复合结构的冲锤和砧体的耐磨性能达到了工业性使用要求。在晋煤集团寺河煤矿进行了现场工业性试验,钻进效率较常规单弯螺杆马达提高20%~30%。      

煤矿井下智能化钻机及问题探讨

煤矿井下智能化钻探技术及装备是煤炭生产企业急需的先进技术装备。文章介绍了相关科研院所及企业在研制自动化钻机方面取得的一些阶段性成果。由于钻探施工环节多、工艺复杂、现场条件多变,许多关键技术仍未解决,智能化程度、可靠性、适应性和实用性还需进一步提高。文章分析了钻机装备适应性、工艺复杂性及需求的多样性问题、防爆问题和钻杆连接及钻杆补充问题。指出需要开展导航与定位、程序控制自动钻进、自动装卸钻杆、参数实时监测及传输等技术攻关,从而达到智能钻机功能实用、施工高效及性能稳定的目标。同时指出真正意义上的智能化钻机大量应用还需要持续的研发投入和数年的时间过程,并提出逐步按全自动钻机阶段、智能化钻机阶段和钻孔机器人3个阶段分级实现井下智能化钻探较为适宜。     

东庞矿奥灰含水层多分支水平孔卡埋钻事故处理

近年来,随着定向钻进技术的不断发展,随钻测量技术和受控定向螺杆钻具的制造工艺日趋成熟。地面定向水平钻孔在石油、天然气、页岩气、盐矿等领域得到广泛应用。地面定向水平分支孔注浆在煤矿防治水领域的应用开始大面积推广,在钻进过程中经常发生各种各样事故,造成大量的人力、物力、财力的损失,甚至导致全孔报废及人员伤亡。因此,如何减少或是避免事故的发生,保证钻进工作的顺利进行,是当前面临的重要课题。本文结合冀中能源股份有限公司东庞矿9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期工程钻探工程DB2-E3地面定向水平孔施工时发生卡埋钻事故成功处理的实例,总结了水平注浆孔卡埋钻事故预防措施,对水平孔安全施工具有一定参考意义。     

顺煤层超长定向钻孔复合钻进摩阻规律研究

煤矿井下超长孔定向钻进中孔内摩阻是限制其成孔率及成孔效率的主要因素, 为适应大盘区瓦斯抽采模式的客观需求, 研究实钻过程中摩阻及其影响规律。为顺煤层超长定向钻孔复合钻进减摩阻工艺参数选取提供依据, 对煤矿井下顺煤层近水平复合钻进工况下钻柱的钻具运动特性及受力状态进行分析。通过一定的条件假设, 建立复合钻进轴向摩擦阻力和旋转摩擦扭矩力学模型, 通过数值计算, 针对常用?89 mm定向钻具组合, 在不同孔深及钻进工艺参数匹配下的摩阻规律特性进行分析。结果表明:机械钻速、钻具转速、钻孔深度是滑动摩擦阻力和旋转摩擦扭矩的主控影响因素, 与超长定向钻孔实钻参数统计分析对比, 推进阻力和旋转扭矩变化规律与模型计算结果吻合, 该结果对于指导近水平钻孔复合定向钻进工艺参数选取、钻进工况判断具有重要的现实意义, 同时, 对于煤矿井下自动化、智能化定向钻进控制系统设计开发具有借鉴意义。      

井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺研究

碎软煤层钻进过程中易发生喷孔、塌孔,造成钻孔深度浅、成孔率低,严重制约碎软煤层瓦斯高效治理。随着“以孔代巷”、递进式抽采等瓦斯治理模式的兴起,煤矿对碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔提出了更高的要求,为了进一步提高碎软煤层钻孔深度、钻孔精度和成孔率,以满足煤矿安全、高效、精准瓦斯治理的需要,提出煤矿井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺方法。针对该钻进方法涉及的关键钻具和钻进工艺,根据煤矿井下空气螺杆钻具规格和通过性试验,分析确定外管套管、内管螺杆钻具、领眼钻头以及扩眼器等钻具级配;通过理论分析螺旋钻进煤粉颗粒运动速度,优化套管螺旋叶片螺距、头数等参数;根据钻进排粉需求、空气螺杆钻具用风要求,计算双管钻进用风量、风压;采用数值模拟方法,研究排粉规律和最佳钻进工艺参数,最后通过现场钻进试验,验证双管双动钻具级配和钻进工艺的合理性。结果表明:增加风量比增加转速提高排粉效果更明显;钻进时套管转速40 r/min时,对应风量应最小达到500 m3/h,内管钻具滑动定向造斜完成后,应尽快复合钻进排粉,当风量低于400 m3/h时,应当充分回转扫孔排渣;采用?90 mm领眼钻头+?120 mm扩眼器+?73 mm空气螺杆钻具+?73/35 mm宽叶片螺旋钻杆的内管钻具+?140 mm套管钻头+?120/96 mm反螺旋套管的外管钻具组合,采用风量1 000 m3/h、风压1.25 MPa以上的风源、转速40~120 r/min的工艺参数,钻孔深度达到350 m以上、套管护孔深度168 m以上,钻孔轨迹可控制在煤层内,有效提高了钻孔深度和精度,为碎软煤层随钻护孔精确钻进提供新工艺方法。      

煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用

针对传动滑动钻进方法施工千米以上长距离定向钻孔遇到的问题,借鉴石油钻井领域先进技术经验,提出煤矿井下近水平复合定向钻进技术,对其高效钻进机理与钻孔轨迹控制原理进行了分析探讨。根据复合定向钻进工艺技术要求,完成了泥浆脉冲无线随钻测量系统选型,完善了复合定向钻进技术装备配套,形成了泥浆脉冲无线随钻测量复合定向钻进工艺,开展了煤矿井下长距离定向钻孔复合定向钻进现场试验,完成一个1 566 m本煤层定向长钻孔。试验结果表明,与传统滑动定向钻进技术相比,在钻进安全性显著提升的基础上,复合定向钻进技术综合钻进效率显著提升,实现了本煤层定向长钻孔的安全高效钻进。      

定向钻进套铣打捞钻杆的设计

通过对常用定向钻进配套钻具打捞工艺的对比分析,明确了采用套铣打捞工艺处理煤矿井下近水平定向钻进中出现的塌孔、卡钻、埋钻等孔内事故的可行性与实用性。根据其工艺施工要求,结合煤矿井下近水平定向钻进系统配套钻具具体参数,研制了能够满足额定扭矩6000 N·m钻机使用要求的定向钻进套铣打捞钻杆。成庄矿的应用表明,采用套铣打捞工艺处理近水平定向钻进时孔内事故（塌孔、卡钻、埋钻等）可行性较强,且套铣打捞钻杆结构设计合理,能满足套铣打捞工艺的使用要求。     

煤矿井下水平定向钻进技术与装备的新进展

煤矿井下定向钻进技术作为一项工程领域的新技术,已经广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、防治水、地质勘探和精确工程钻孔施工等领域。经过在国内30多个矿区推广应用,煤矿井下定向钻进技术和装备逐渐完善并取得新进展,形成了ZDY12000LD型大功率定向钻机、无线随钻测量系统、地质导向钻进装置及复合定向钻进工艺。结合现场试验完成了主孔深度1881 m的煤层定向长钻孔和1026 m岩层定向长钻孔,充分说明了ZDY12000LD型钻机功率大、钻进及事故处理能力强,无线随钻测量系统测量精度高,配套复合定向钻进技术形成的钻孔孔壁光滑、沉渣少、钻孔曲率小,钻进效率高。     

软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备

针对软煤钻进成孔深度浅、钻孔轨迹不可控、易出现瓦斯抽采盲区等问题，发明了气动螺杆钻具定向钻进技术，开发了由气动螺杆钻具、窄体定向钻机、随钻测量系统等组成的煤矿井下气动定向钻进技术装备。其中，气动定向钻进工艺和完孔技术，解决了松软煤层顺层定向钻孔长距离安全成孔和可靠护孔难题。在淮南某矿进行试验，试验钻孔30个，最大孔深300 m，平均见煤率92.9%，并全孔段安设筛管；钻孔抽采瓦斯纯量32万m3，试验区域煤巷平均掘进效率9.3 m/d，实现覆盖区域煤层安全高效回采。该技术的成功研发探索出软煤横穿工作面递进式瓦斯治理新模式。      

孔底马达在我国煤矿井下水平孔钻进中的应用前景

孔底马达在国外已成为煤矿井下水平孔定向钻进的主要手段,我国于上世纪80年代末将其应用于煤矿井下水平孔的施工,目前在我国煤矿仍处于试验阶段.作为一种定向钻探的主要工具,孔底马达的推广应用,关系到我国煤矿井下水平孔定向钻进技术的发展趋势、方向和速度.本文回顾了孔底马达在我国煤矿的应用情况,并分析了其在我国煤矿的应用前景.     

我国煤矿坑道钻探装备技术进展与展望

煤矿坑道钻探装备技术在发展过程中受到诸多不利条件的限制,导致新技术发展滞后,随着我国煤矿大力推进智能化建设,给煤矿坑道钻探装备技术带来了革命性的发展机遇。通过分析了国外坑道钻探装备的技术特点和发展状况,以及国内坑道钻探装备技术的三个阶段发展,包括初级阶段的分体式钻机与稳定组合钻具轨迹控制方法,蓬勃发展阶段的履带式钻机、定向钻进装备技术及松软煤层钻进技术,新发展阶段的自动化和智能化装备技术,提出了今后我国煤矿智能化发展阶段钻探装备技术需要解决的关键问题,为推进钻探装备技术的智能化水平提高提供支撑。