CN102031950B - 煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层顶板下向多分支梳状钻孔进行瓦斯抽采的工艺方法。目前，多采用顶板高位巷、顶板高位钻孔或底板穿层钻孔等进行瓦斯抽采，缺点是增加了抽采成本、影响开采效率和周期延长。本发明目的是研制一种煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，采用从煤层顶板采用孔底马达配合随钻测量装置进行定向钻进，提钻后从孔内下入专用封隔造斜器，采用小直径大弯角孔底马达进行“后退式”向下分支施工，形成一组从煤层顶板下向梳状多分支孔；起钻，封孔管连通瓦斯抽采管路进行瓦斯抽采。优点是施工成本低、周期短。用于松软突出煤层顶板高位钻孔抽采瓦斯，具有“一孔多用”的特点，可实现煤层瓦斯“采前、采动、采后” 综合立体高效抽采。

Description

煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法

一、技术领域

本发明涉及一种煤层顶板瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，利用孔底回转动力钻具和专用造斜器进行煤层顶板下向梳状分支孔施工，可达到“一孔多用”的目的，实现“采前、采动、采后”综合抽采瓦斯，大大提高钻孔抽采瓦斯的效率。

二、背景技术     

我国是一个以煤为主的能源消费大国，几乎95%的煤炭资源来自井下开采，煤层赋存条件复杂多变，瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、顶板冒落等动力灾害事故时有发生。在煤矿顶板、瓦斯、水害三大灾害中，瓦斯事故在重特大事故中占有比例最高，瓦斯灾害是制约煤矿生产的最大威胁。在我国可采煤层中，松软低透煤层占有绝对比例，且随着煤矿开采深度的不断延伸，这一比例还将增大，煤矿井下作业的工况条件愈加复杂，施工人员受到的安全威胁也越来越严重。松软煤层由于结构松散，在本煤层钻进过程中容易出现喷孔、瓦斯突出、孔壁坍塌等孔内事故，钻孔深度受到很大限制，严重制约煤矿安全生产，影响掘进或采煤效率。

三、发明内容

     本发明的目的是研制一种煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，主要针对松软煤层钻进过程中容易出现喷孔、瓦斯突出、孔壁坍塌等孔内事故等特点，专门提出一种沿煤层下布置多分支梳状钻孔进行瓦斯抽采的钻进成孔工艺方法，针对性强、操作简单、容易推广，可极大地提高顶板高位定向钻孔抽采瓦斯的效率，为松软突出煤层瓦斯抽采钻孔的布置方式提出了新的思路。

本发明提出沿煤层顶板布置近水平高位定向长钻孔，并在近水平定向孔中由孔底向孔口布置向下多分支梳状钻孔进行瓦斯抽采，其钻孔抽采瓦斯目的有两方面，第一方面时保证井下作业安全；第二方面是将抽采的瓦斯输送到地面作为洁净能源加以利用，可避免松软突出煤层直接钻孔事故多、效率低、深度受限的一系列难题，为松软突出煤层瓦斯抽采钻孔的布置方式提出了新的思路。不仅能够提高我国煤炭资源的开采能力，而且能够避免或减少重大灾害事故的发生，对于保障我国煤炭的安全高效开采具有重要意义。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是（为了理解方便，请同时参看附图及附图说明，图中标号放在括号内）：

煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，其特征在于：利用孔底回转动力钻具和专用封隔造斜器（3）进行煤层顶板（Ⅱ）下向梳状分支孔施工，施工方法如下步骤：

a．在开采工作面停止线附近巷道顶板（Ⅱ）内布置钻场，在煤层顶板（Ⅱ）内开孔, 开孔方位指向工作面走向；钻孔钻进15m提钻、扩孔，并安装封孔管(5)、防喷及气水分离器(6)，封孔管(5)长度根据围岩性质确定；

b.安装完封孔管(5)后进行近水平定向钻进，采用孔底马达,配套随钻测量装置进行轨迹控制，使钻孔轨迹尽量按照设计方向在顶板（Ⅱ）裂隙带范围内水平延伸，直到主孔设计深度终孔；

c、主孔终提钻后，从主孔下入专用封隔造斜器(3)直到孔底，然后再将封隔造斜器(3)提至第一个强制造斜点，调整封隔造斜器(3)斜面和钻头工具面方向，使其造斜面朝下方，采用小直径大弯角的孔底马达(4)进行造斜钻进，使钻孔轨迹保持最小半径延伸直到煤层(Ⅰ)，为尽量避免煤层(Ⅰ)中卡埋钻具，应严格控制穿煤深度，终孔后必要时可用高压空气冲洗钻孔；采用“后退式”钻进分支法，同上操作依次完成其它分支孔，最终形成一组多分枝梳状钻孔形状。

d、最后起钻，在封孔管(5)上安装瓦斯抽采管路相互连通，完成一组从煤层顶板（Ⅱ）下向梳状多分支孔的施工。

本发明的技术解决方案还包括：

所述的煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，其特征在于：钻场布置在煤层顶板（Ⅱ）中，主孔（1）直接从煤层顶板（Ⅱ）开孔点 (A)开孔，全孔采用孔底马达（4）配合随钻测量装置进行定向，严格控制钻孔轨迹的上下偏差，确保轨迹在顶板（Ⅱ）稳定岩层里延伸；钻孔各个分支孔（2）为向下分布，采用专用封隔造斜器（3）引导小直径大弯角孔底马达（4）和专用钻头进行造斜分支，分支孔（2）进入煤层（Ⅰ）（目标层）后终孔，煤层（Ⅰ）条件较好时可适当延长孔深；分支孔（2）以向下为主，数量不少于５个，曲率半径R=50～100m之间。

所述的煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，其特征在于：钻进冲洗液采用无固相可降解型钻井液，其性能要求为：钻井液切力5Pa～20Pa，塑性粘度控制在8～40mPaS可调；浆液塑性粘度在1天时间内保持40～25mPaS，之后的2～3日内自动地降至5mPaS以下，渗透速率达到200ml/h。 

下面换一个方式来描述：

1.利用孔底回转动力钻具和专用造斜器进行煤层顶板下向梳状分支孔施工，施工方法包含如下步骤：

a．在开采工作面停止线附近巷道顶板内布置上山钻场，在煤层顶板内开孔,开孔方位指向工作面走向；钻孔钻进15m提钻、扩孔，并安装封孔管、防喷及气水分离器，封孔管长度根据围岩性质确定；

b.安装完封孔管后进行近水平定向钻进，采用孔底回转动力钻具配套随钻测量装置进行轨迹控制，使钻孔轨迹尽量按照设计方向在顶板裂隙带范围内水平延伸，直到主孔设计深度终孔；

c、主孔终提钻后，从主孔下入专用造斜器直到孔底，然后再将造斜器提至第一个强制造斜点，调整造斜器斜面和钻头工具面方向，使其造斜面朝下方，采用小直径大弯角的孔底马达进行造斜钻进，使钻孔轨迹保持最小半径延伸直到煤层，为尽量避免煤层中卡埋钻具，应严格控制穿煤深度，终孔后必要时可用高压空气冲洗钻孔；采用“后退式”钻进分支法，同上操作依次完成其它分支孔，最终形状如图1所示一组多分枝梳状钻孔。

d、最后起钻，在封孔管上安装瓦斯抽采管路，完成一组从煤层顶板下向梳状多分支孔的施工。

2.本发明采用一种无固相可降解钻井液，可在钻孔过程中进行护壁，防止钻孔塌孔，钻孔形成后可在一定的时间内自动降解，疏通煤层瓦斯涌出通道，不影响煤层瓦斯抽采。钻井液切力5Pa～20Pa，塑性粘度控制在8～40mPaS可调；浆液塑性粘度在1天时间内保持40～25mPaS，之后的2～3日内自动地降至5mPaS以下，渗透速率达到200ml/h。

本发明和现有技术相比具有显著优势（优点和效果）：

松软突出煤层由于本煤层顺层钻孔成孔困难，多采用顶板高位巷、顶板高位钻孔或底板穿层钻孔等进行瓦斯抽采。采用顶板高巷道抽采法，由于巷道施工成本高、周期长，大大增加了抽采成本和影响开采效率；采用顶板高位钻孔或底板穿层钻孔抽采法，一般都需要在煤层顶板或底板施工专用巷道或钻场，辅助巷道的施工也带来了成本增加和周期延长。采用本发明提出的层顶板下向梳状多分支孔，可在开采煤层工作面直接开孔，不用专门施工辅助巷道，大大降低了施工成本。钻进过程中采用无固相可降解型钻井液提高钻孔目标层位的成孔率，且采用了水平定向和多分支均匀布孔方式，可大大保持了原有瓦斯的浓度和提高了瓦斯抽采效率。

四、附图说明  

附图1是本发明一组煤层顶板下向多分支梳状瓦斯抽采钻孔的施工原理图。附图2是图1中分支点局部放大结构示意图。附图3是本发明的封孔管及汽水分离器结构示意图。

图中标号及符号说明：1.表示主孔，2.分支孔，3. 封隔造斜器，4. 孔底马达，5. 封孔管，6. 汽水分离器；Ⅰ.煤层，Ⅱ.顶板，Ⅲ.未采区，Ⅳ.采动区，Ⅴ.采空区，A. 开孔点。

五、具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明内容的具体实施方式作进一步的详细说明：

本发明涉及一种煤层顶板下向多分支梳状瓦斯抽采孔钻进工艺方法，它是采用孔底马达4配合随钻测量装置进行轨迹控制钻进的工艺方法，主孔采用孔底马达4实现全孔定向，不断调整钻孔轨迹使主钻孔轨迹尽快趋于水平，并在预测裂隙带范围内保持水平延伸；利用专用封隔造斜器3控制分支钻孔的分支点，采用“后退式”钻进分支法，依次完成下向分支孔的施工，形成一组从煤层Ⅰ顶板Ⅱ下向多分支梳状钻孔。

．钻孔布置层位的确定

钻进前先根据地层资料确定钻孔主孔层位，要求主孔1在煤层顶板Ⅱ里延伸。

. 开孔并安装孔口管

根据钻孔轨迹设计要求，确定开孔点A（参见图1）、倾角和方位角，利用回转钻进钻进15m提钻，然后利用扩孔钻头扩至钻孔孔底提钻，安装封孔管5并利用聚氨酯对封孔管5进行封孔。为避免钻进过程中钻场瓦斯超限，需连接汽水分离器6实现边钻进、边分离气和水、边抽采瓦斯，确保钻进安全。

. 主孔的轨迹控制

封孔后开始进行主孔1钻进，采用孔底马达4配套随钻测量装置进行轨迹控制，使钻孔1轨迹尽量按照设计方向在顶板裂隙带范围内近水平延伸，直到主孔1设计深度终孔；

. 下向多分支孔施工    

主孔终提钻后，从主孔下入专用封隔造斜器3直到孔底，然后再将造斜器3提至第一个强制造斜点，调整封隔造斜器3斜面和钻头工具面方向，使其造斜面朝下方，采用小直径大弯角的孔底马达4（孔底马达4又称螺杆钻具，主要作用是在高压水的作用下旋转，从而带动孔底钻头旋转，其本身有弯度可实现钻孔定向钻进）进行造斜钻进，使钻孔2轨迹保持最小半径延伸直到煤层，为尽量避免煤层中卡埋钻具，应严格控制穿煤深度，终孔后必要时可用高压空气冲洗钻孔；采用“后退式”钻进分支法，同上操作依次完成其它分支孔，最终形状如图1所示。主孔为近水平定向孔，位于煤层Ⅰ顶板Ⅱ稳定层中；分支孔2以向下分布，数量不少于５个，曲率半径R＝50～100米之间。

. 封孔连管

钻孔施工完毕后，将钻孔封孔管5与煤矿井下瓦斯抽放管路进行连接，抽采钻孔内瓦斯至地面利用或排放。

.钻井液的性能 （采用市售的型号为CMDL-1、CMDM-1等产品，只要能够达到本发明钻井液的性能即可）

（1）钻井液切力5Pa～20Pa（Pa是钻井液切力标准单位，表示钻井液静止时破坏钻井液单位面积上网架结构所需的力），塑性粘度控制在8～40mPaS可调，悬渣能力（静止状态下的下降速度）为清水钻井液的5倍以上。

（2）对于煤层普氏硬度系数f系数为0.3～0.8的不稳定煤层钻孔，能够抑制孔壁的垮塌。体现为钻井液失水量小于12ml/30min；浸泡软化程度仅为常规泥浆的60%；泥页质膨胀量小于常规钻井液的50%；对糜棱煤的粘力大于常规钻井液的1.2倍。

（3）浆液塑性粘度在1天时间内保持40～25mPaS，之后的2～3日内自动地降至5mPaS以下。渗透性恢复效果为：在符合实际工况的压差下，18小时内基本无渗透，之后渗透速率逐渐增加，至30小时时渗透速率达到200ml/h。可以使产层的渗透性恢复达到85%以上。

（4）钻井液流变性、液压特性、液力特性和含砂量指标满足螺杆马达的使用要求。

Claims (4)

1.煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，其特征在于：利用孔底回转动力钻具和专用封隔造斜器（3）进行煤层顶板（Ⅱ）下向梳状分支孔施工，施工方法如下步骤：

a．在开采工作面停止线附近煤层顶板（Ⅱ）内布置钻场，在煤层顶板（Ⅱ）内开孔, 开孔方位指向工作面走向；钻孔钻进15m提钻、扩孔，并安装封孔管(5)、防喷及气水分离器(6)，封孔管(5)长度根据围岩性质确定；

b.安装完封孔管(5)后进行近水平定向钻进，采用孔底马达,配套随钻测量装置进行轨迹控制，使钻孔轨迹尽量按照设计方向在煤层顶板（Ⅱ）裂隙带范围内水平延伸，直到主孔设计深度终孔；

c、主孔终提钻后，从主孔下入专用封隔造斜器(3)直到孔底，然后再将封隔造斜器(3)提至第一个强制造斜点，调整封隔造斜器(3)斜面和钻头工具面方向，使其造斜面朝下方，采用小直径大弯角的孔底马达(4)进行造斜钻进，使钻孔轨迹保持最小半径延伸直到煤层(Ⅰ)，为尽量避免煤层(Ⅰ)中卡埋钻具，应严格控制穿煤深度，终孔后用高压空气冲洗钻孔；采用“后退式”钻进分支法，同上操作依次完成其它分支孔，最终形成一组多分枝梳状钻孔形状。

2.根据权利要求1所述的煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，其特征在于：还包括下述步骤：

d、最后起钻，在封孔管(5)上安装瓦斯抽采管路相互连通，完成一组从煤层顶板（Ⅱ）下向梳状多分支孔的施工。

3.根据权利要求1所述的煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，其特征在于：钻场布置在煤层顶板（Ⅱ）中，主孔（1）直接从煤层顶板（Ⅱ）开孔点 (A)开孔，全孔采用孔底马达（4）配合随钻测量装置进行定向，严格控制钻孔轨迹的上下偏差，确保轨迹在煤层顶板（Ⅱ）稳定岩层里延伸；钻孔各个分支孔（2）为向下分布，采用专用封隔造斜器（3）引导小直径大弯角孔底马达（4）和专用钻头进行造斜分支，分支孔（2）进入煤层（Ⅰ）后终孔，煤层（Ⅰ）条件较好时可适当延长孔深；分支孔（2）以向下为主，数量不少于５个，曲率半径R=50～100m之间。

4.根据权利要求1所述的煤层顶板梳状瓦斯抽采钻孔的成孔工艺方法，其特征在于：钻进冲洗液采用无固相可降解型钻井液，其性能要求为：钻井液切力5Pa～20Pa，塑性粘度控制在8～40mPaS范围内；浆液塑性粘度在1天时间内保持40～25mPaS，之后的2～3日内自动地降至5mPaS以下，渗透速率达到200ml/h。 

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