贵州青龙煤矿碎软煤层区域瓦斯递进式抽采技术

针对碎软煤层瓦斯抽采钻孔存在轨迹不可控、成孔深度浅和瓦斯抽采效果差的问题,分析了现有瓦斯抽采钻孔回转钻进技术瓶颈,集成了基于长距离顺层钻进技术和双动力复合排渣技术的压风定向钻进技术,在此基础上提出了利用压风定向钻进技术,开展碎软煤层区域递进式瓦斯抽采技术。选取黔北煤田中部青龙煤矿21606运输巷道进行现场试验,在坚固性系数为0.37碎软煤层中,施工完成253个顺煤层压风定向钻孔,95%钻孔达到设计孔深,累计进尺超过3万m,单孔瓦斯抽采纯量是普通回转钻孔的10倍以上,单孔瓦斯抽采甲烷体积分数提高约50%以上。试验表明,采用压风定向钻进技术钻进碎软煤层钻孔轨迹可控,成孔率在95%以上,区域递进式瓦斯抽采技术具有无抽采盲区的显著优势,有效缓解了采掘接替紧张局面,提升了矿井瓦斯治理技术水平,为碎软煤层瓦斯治理提供了新的技术途径。      

煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采钻孔钻进工艺

碎软煤层在我国煤矿区分布广泛,具有瓦斯含量高、压力大、渗透率低等特征,在碎软煤层中钻进存在喷孔、塌孔、排渣不畅等问题,导致碎软煤层钻进困难、孔内事故频发,进而影响成孔深度和成孔率,造成瓦斯治理盲区;尤其是随着我国煤矿开采深度的增加,碎软煤层瓦斯抽采孔工作量和成孔难度不断增大。针对碎软煤层瓦斯抽采对钻孔施工需求,研究开发了高转速螺旋钻进工艺、中风压空气钻进工艺、气体定向钻进工艺等实用、经济的碎软煤层高效钻进技术,破解了碎软煤层钻孔排渣护孔、轨迹控制和高效成孔等方面难题,实现了碎软煤层钻孔在服役周期内的长效利用,相关技术在安徽、贵州、山西等地区成功推广应用,达到高效、精准抽采的目的,为矿井安全生产提供了技术保障。     

煤层底板孔多分支点取样钻进技术及应用研究

针对碎软煤层长距离瓦斯参数测定、瓦斯抽采钻孔工程设计指导和抽采效果评价的技术需求,在分析现有碎软煤层取样钻进技术存在问题的基础上,提出了煤层底板孔多分支点取样钻进方法,制定了取样钻进工艺流程,开发了随钻轨迹精准调控、“机械+水力”高效排渣等关键钻进技术,选型配套了定点取样钻孔钻进装备和密闭取样装备。在安徽省宿州市某矿开展了现场试验,施工了1个主孔深度301 m的取样定向钻孔,在取样分支孔中实施了2次定点密闭取样,取样深度分别为178、238 m,顺利在碎软煤层中采取了煤样,获取煤样的瓦斯含量分别为9.05 m3/t和10.08 m3/t,与常规方法相比测得瓦斯含量分别提高了12.4%和25.2%,确保了煤层瓦斯参数测试的准确性,可为碎软煤层瓦斯参数测定提供一种新的技术途径。      

煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展

我国碎软煤层赋存层位多、分布广,普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点,钻进时易塌孔、喷孔、孔壁失稳,导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞、存在抽采盲区等问题。随着煤炭开采深度的不断增加,碎软煤层瓦斯抽采钻完孔就更加困难。因此,碎软煤层高效、深孔、精准钻进技术以及增透、增产、护孔的完孔技术一直是碎软煤层瓦斯治理的重大技术需求和研究热点。从护孔、排渣、轨迹控制、完孔等成孔的关键技术难题方面,总结了碎软煤层顺层钻完孔技术研究现状和应用情况,分析了目前碎软煤层钻进技术存在的问题,提出了改进完善建议,分析了内控导向式旋转定向钻进技术,多孔介质充填式筛管、折叠膨胀管完孔技术等碎软煤层钻完孔技术新进展,为进一步完善现有碎软煤层钻完孔技术提供了思路。      

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。      

底板梳状钻孔在碎软煤层瓦斯治理中的应用

针对碎软煤层顺层钻孔成孔深度浅、成孔率低、存在抽采盲区等突出问题,基于贵州省青龙煤矿煤层及顶底板岩层赋存特征,提出利用底板梳状钻孔进行碎软煤层长距离、区域瓦斯抽采与治理。首先分析了底板梳状钻孔的施工工艺原理及技术优势所在,从布孔层位、分支点位和钻孔间距的选择等方面总结了底板梳状钻孔的设计原则。通过钻进装备的优选、钻进工艺参数和钻具组合的优化,成功穿越破碎煤岩层孔段,并实现了127 mm套管全程护孔下放,在21605底抽巷施工完成了多组底板梳状定向钻孔。瓦斯抽采效果表明：底板梳状定向钻孔瓦斯抽采流量大、浓度高、衰减速度慢,单孔瓦斯抽采浓度60%～85%、抽采纯量08～25 m3/min,实现了碎软煤层瓦斯高效抽采。为碎软煤层矿井区域瓦斯抽采与治理提供了重要的借鉴。     

碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术应用研究

针对碎软煤层空气定向钻进存在空气螺杆马达降温润滑, 煤尘降尘处理和孔内煤层出水处置技术需求, 在分析钻渣运移特性的基础上, 通过集成稳定高效发泡、“机械+泡沫”复合排渣和“空气+泡沫”复合钻进等关键技术, 配套定向钻机、泡沫发生灌注系统、空气螺杆马达、异形钻杆和随钻测量系统等关键装备, 开发了碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术。在安徽省宿州市某矿开展了应用试验, 在出水碎软煤层中顺利施工了主孔深度232 m顺煤层定向钻孔, 与应用空气定向钻进技术施工的2个钻孔相比, 成孔深度分别提高了97%和105%, 显著提高了顺煤层定向钻孔成孔深度, 增强了碎软煤层瓦斯抽采效果, 同时达到了降温润滑空气螺杆马达, 降低孔口返出煤尘目的, 可为碎软煤层定向钻孔施工提供一种新的技术途径。      

韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采工程实践

韩城矿区碎软煤层发育,煤层透气性差,本煤层钻孔钻进困难,瓦斯抽采效果差。顶板梳状孔水力压裂技术结合了水力压裂技术和定向钻进技术二者的优势,是解决碎软低渗煤层瓦斯抽采难题的有效技术途径。在韩城矿区王峰煤矿3号煤层顶板粉砂岩中施工长钻孔并向煤层开分支,采用套管+封隔器座封的整体压裂方式进行水力压裂工程试验。钻孔总长度344 m,有效压裂长度284 m,累计注水量874.79 m3,最大泵注压力9.4 MPa。试验结束后对钻孔瓦斯抽采相关参数连续监测86 d,钻孔瓦斯抽采体积分数27%~51%,平均42.11%,钻孔瓦斯抽采纯量8.25~21.41 m3/min,平均17.02 m3/min,钻孔累计抽采瓦斯量约210万m3。与常规的穿层钻孔水力冲孔技术相比,该技术百米钻孔瓦斯抽采量提高了11.48倍,初步证明了该技术在碎软煤层瓦斯强化抽采领域的适用性。      

芦岭煤矿碎软低渗煤层高效抽采技术

针对碎软煤层地面煤层气难以抽采,水平井钻进容易塌孔的问题,在借鉴页岩气和致密气开发先进技术的基础上,研究碎软低渗煤层顶板分段压裂水平井技术。通过优化煤层顶板水平井钻进、定向射孔和分段压裂等工艺流程,从地面抽采碎软煤层中的瓦斯气体。运用该技术在安徽淮北芦岭井田开展了LG01水平井组试验。试验结果表明:LG01水平试验井组日产气量超过1.0×104 m3,与同一井田的压裂直井相比,相当于4口以上直井的产量,实现了碎软煤层从地面高效抽采煤层气的目的。      

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障,针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题,以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象,提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法,验证模式适用性,阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征,进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系,实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础,在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践:压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右,单孔压裂6段,压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上;压裂后,钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上,抽采效果是常规钻孔的4倍,120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m,实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。      

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。      

矿用随钻动态方位伽马仪器的研制与应用

顺煤层瓦斯抽采钻孔是目前最直接最有效的瓦斯治理方法,自然伽马作为含煤地层识别常用的判识依据,可以根据地层放射性判断钻孔轨迹是否在目标层中。但现有的矿用伽马测井仪器只能进行滑动钻进测量,不适用于复合钻进及旋转导向钻进,无法满足伽马动态连续测量的工况。针对以上问题,在分析了煤矿井下随钻测量工况特点和伽马测井原理的基础上,通过低压直流载波双向通信技术进行孔底多扇区方位伽马数据的实时传输;采用屏蔽开窗的结构设计,实现单伽马晶体的8扇区分区测量;基于三轴MEMS加速度传感器和三轴MEMS陀螺仪不同的频率特性,采用互补滤波的动态测量方法,克服了回转钻进过程中振动和旋转对工具面向角测量的影响。通过地面性能测试和井下的工业性试验,验证了仪器在不同放射性地层分界面能正确反映出地层放射性变化规律。试验结果表明,仪器可以满足复合回转定向钻进时的地质导向测量要求,为煤矿井下顺煤层定向钻进提供了技术保障。      

煤矿井下电磁波无线随钻轨迹测量系统设计与应用

井下钻探是煤矿日常生产中获取地质资料及消除安全隐患的技术手段。而现阶段煤矿生产中施工的钻孔多不进行钻孔轨迹测量,造成地质资料误判、安全措施客观上不到位的情况时有发生。为根本解决这一问题,根据钻孔轨迹测量原理研发出基于航姿参考系统的电磁波无线随钻轨迹测量系统。该系统具有成本低、方便应用的特点,且能满足无线随钻测量的要求。井下实验证明,该系统可以高效地完成随钻钻孔轨迹测量,提高钻进效率。      

煤矿井下随钻测斜仪误差联合校正方法

为降低煤矿井下随钻测斜仪随钻测量钻孔姿态角参数的误差，建立基于递推最小二乘的误差补偿数学模型，采用椭球拟合法、点积不变法和旋转平面拟合法的联合校正方法对随钻测斜仪进行误差补偿校正。对研发的随钻测斜仪进行数值仿真和双轴转台实验，用联合校正方法对实验数据进行误差补偿校正，校正前俯仰角和方位角的最大绝对误差分别为4.7°和5.1°，校正后为0.8°和0.9°，校正后测量精度满足随钻测斜仪要求。实验结果表明，该方法可以对煤矿井下随钻测斜仪进行有效的误差补偿校正。      

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。      

煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难,瓦斯抽采浓度低,抽采效果差,无法实现大面积区域预抽的问题,在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上,结合前期研究成果,提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术,并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m,包含8个分支孔,钻孔总进尺1 188 m,主孔距煤层0~3.28 m,平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺,分4段进行水力压裂施工,累计注水2 012 m3,最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m,且裂缝主要位于钻孔下方,向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m3/min,抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍,是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明,顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题,实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽,为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。