0 引言

采用顺煤层定向钻孔进行瓦斯抽采是预防煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸的关键措施，已成为国内外煤矿瓦斯治理的重要手段[1-3]。随着中国大型高瓦斯煤矿工作面走向长度不断增加和采煤强度增大，对顺煤层定向钻孔深度和钻进施工效率的要求越来越高。在顺煤层定向钻孔施工中常采用滑动定向钻进工艺，即泥浆泵输出的高压水经过钻杆内通孔至孔底，驱动螺杆钻具带动钻头碎岩钻进，钻杆不旋转，仅依靠孔口定向钻机主动加压钻进。但该工艺存在钻孔弯曲曲率大、排渣效果差、钻进效率低等问题。为解决滑动定向钻进钻孔深度受限的难题，采用复合钻进工艺，即利用钻机动力头带动孔内钻具回转的同时，通过高压水驱动孔底螺杆钻具带动钻头旋转，从而实现钻头旋转速度的叠加。由于复合钻进时孔内钻具处于回转状态，所以钻孔轨迹平滑、排渣效率高、机械钻速高，可有效降低孔内钻具摩擦阻力，促使钻孔向深部延伸[4-6]，但复合钻进时不能对钻孔轨迹进行精确调控。因此，提出了滑动定向钻进和复合钻进相结合的复合定向钻进[7-10]，即当实钻轨迹与设计轨迹偏差较小时采用复合钻进，当偏差较大时采用滑动定向钻进进行轨迹纠偏。

煤矿井下顺煤层超长孔定向钻进过程中，钻压只能由孔口钻机施加，而孔内钻具受钻孔尺寸、弯曲曲率、孔壁摩擦因数、冲洗液性能等影响，使得钻压损失严重，产生托压现象。本文在分析超长定向钻孔钻压传递影响因素的基础上，结合2 570 m顺煤层超长定向钻孔实钻情况，揭示复合定向钻进条件下顺煤层超长定向钻孔钻压传递规律，以期为进一步增加钻孔深度、提高超长定向钻孔钻进效率提供依据。

1 超长定向钻孔钻压传递影响因素

1.1 钻孔轨迹

煤矿井下顺煤层定向钻孔钻进过程中，钻孔轨迹需要根据煤层起伏变化情况调整，以保证其在煤层中有效延伸，孔内钻具要随钻孔轨迹弯曲情况而变化。滑动定向钻进时，钻孔轨迹不平滑，孔内钻具全弯曲强度较大，表明钻孔轨迹倾角和方位角变化明显，孔内钻具摩擦阻力大；复合钻进时，孔内钻具全弯曲强度相比滑动定向钻进时显著降低，孔内钻具摩擦阻力较低，有利于实现深孔钻压高效传递。

1.2 钻孔深度

随着钻孔深度的增加，钻杆的连接长度也逐步增加，而多根连接的钻杆呈现出显著“柔性”特征，由于钻杆在孔内发生屈曲，产生与孔壁间的附加接触应力，造成孔内钻具摩擦阻力增大，导致钻进过程中钻压传递效率降低[11]。在顺煤层超长定向钻孔钻进过程中，钻进摩擦阻力主要来自孔内钻具自重，随着钻杆长度的增加，孔内钻具质量越大，钻具与孔壁的接触面积越大，因此钻进摩擦阻力越大、钻压传递效率越低。

1.3 孔内沉渣

在连续钻进过程中，钻头切削煤层产生的钻渣随冲洗液(清水)排出钻孔，而清水携渣能力弱，同时由于顺煤层定向钻孔结构特点，钻渣容易在孔壁下部沉积，造成钻渣排除困难[11]。此外，随着钻孔深度的增加，泥浆泵排量不足导致钻孔排渣能力减弱，钻渣在孔内沉积会导致钻具与孔壁之间环空面积减小，局部孔段钻具与钻渣充分接触，造成摩擦阻力增大，消耗部分钻压。

1.4 钻遇地层

钻遇地层地质条件是影响钻压传递的重要因素：孔壁粗糙程度越大，孔壁与钻具之间的摩擦因数越大，对应的摩擦阻力也越大，不利于钻压传递；当钻遇地质异常体时，受泥岩缩径、塌孔卡钻等影响，可能会造成局部孔段钻具卡阻，使得到达钻头部分的钻压减小[12]。

2 工程实践

2.1 地质概况

保德煤矿绝对瓦斯涌出量为95.25 m3/min，相对瓦斯涌出量为10.19 m3/t，属于高瓦斯矿井，主采煤层为二叠系下统山西组8号煤层，煤层厚度为8 m左右，瓦斯含量高、压力大，原始瓦斯含量为4.87～8.96 m3/t，煤层普氏系数为0.72，地质构造发育程度较弱。

2.2 钻孔施工情况

利用ZDY12000LD大功率定向钻机、BLY460/13泥浆泵车、YHD2-1000(A)有线随钻测量系统、YHD3-1500泥浆脉冲无线随钻测量系统[13]、φ89 mm螺杆钻具等装备，采用复合定向钻进工艺，在保德煤矿二盘区某工作面施工完成了钻孔深度为2 570 m的顺煤层超长定向钻孔，钻孔施工参数见表1，钻孔轨迹剖面如图1所示。

表1 顺煤层超长定向钻孔施工参数
Table 1 Construction parameters of ultra-long directional borehole along coal seam

煤层钻遇率/%纯钻进时间/d日均进尺/m复合钻进比例/%971619876

图1 顺煤层超长定向钻孔剖面轨迹
Fig.1 Profile trajectory of ultra-long directional borehole along seam

2.3 超长定向钻孔钻压传递规律

2.3.1 钻机液压系统压力

目前，煤矿井下无法直接测得孔底钻头部分的钻压，因此一般通过钻机液压系统压力来表征钻压，钻机液压系统压力包括钻机给进压力(滑动定向钻进给进压力、复合钻进给进压力)和回转压力。顺煤层超长孔定向钻进情况下钻机液压系统压力随钻孔深度变化曲线如图2所示。

图2 钻机液压系统压力随钻孔深度变化曲线
Fig.2 Variation curve of hydraulic system pressure of drilling rig with borehole depth

由图2可看出：

(1) 滑动定向钻进给进压力与钻孔深度呈指数关系：

(1)

式中：y为滑动定向钻进给进压力；x为钻孔深度。

① 当钻孔深度为0～1 000 m时，滑动定向钻进给进压力从6.5 MPa增大至8.0 MPa，增长幅度为0.15 MPa/hm，呈缓慢增长模式。这是由于在0～1 000 m孔段，孔内钻具摩擦阻力增长幅度较小，而大功率定向钻机提供的最大给进压力较大，能克服该孔段钻具摩擦阻力进行定向钻进。② 当钻孔深度为1 000～2 000 m时，滑动定向钻进给进压力从8 MPa增大至18 MPa，增长幅度为1.0 MPa/hm，呈稳定增长模式。这是由于随着钻孔深度的增加，孔内钻具摩擦阻力持续增大，消耗大部分钻压。③ 当钻孔深度超过2 000 m时，滑动定向钻进给进压力从18 MPa迅速增大至28 MPa，达到钻机额定给进压力，增长幅度约为3.3 MPa/hm，呈急剧增长模式。这是由于当钻孔深度超过2 000 m后，钻机提供的最大给进压力不足以克服孔内钻具摩擦阻力，导致滑动定向钻进受阻。

(2) 复合钻进状态下，随着钻孔深度的增加，复合钻机给进压力始终较小，最大不超过7 MPa，远低于钻机额定给进压力。这是由于当孔内钻具开始回转时，孔内钻具与孔壁的接触状态从连续接触转变为间断接触[14-15]，孔内钻具摩擦阻力状态从静摩擦转变为动摩擦，导致钻具摩擦阻力快速下降，复合钻进给进压力能有效传递到钻头部分，为孔底碎岩提供持续动力。

(3) 复合钻进状态下，随着钻孔深度的增加，钻机回转压力从4 MPa增大至14 MPa，近似呈线性增长：

z=0.004x+2.93

(2)

式中z为钻机回转压力。

这是由于随着钻孔深度增加，钻具摩擦阻力不断增大，当钻机动力头回转时，不断克服孔内钻具摩擦阻力，所以需要孔口钻机能提供较高的输出转矩，钻机回转压力随之增大，但低于钻机额定回转压力。

2.3.2 泥浆泵泵压和泵量

泥浆泵泵压和泵量随钻孔深度变化曲线如图3所示。为保证孔底螺杆钻具快速旋转和孔内排渣顺畅，当钻孔深度不超过1 700 m时，泥浆泵泵压一直处于增长状态，并逐渐接近泥浆泵额定泵压(13 MPa)，泵量维持在300 L/min，此时孔内沉渣少，钻具摩擦阻力小，钻压传递效率高。随着钻孔深度不断增加，泥浆泵输出的高压冲洗液不仅要驱动孔底螺杆钻具启动和旋转，还要克服孔内循环阻力并携带钻渣返出孔口，冲洗液沿程能量损失不断增大。为避免长时间高负荷运转对泥浆泵造成损害，当钻孔深度大于1 700 m，泵压维持在10～12 MPa，泵量快速下降并最终稳定在250 L/min，但泵量降低会使得螺杆钻具输出转速和排渣效率降低，导致钻压传递效率降低。

图3 泥浆泵泵压和泵量随钻孔深度变化曲线
Fig.3 Variation curve of pump pressure and pump volume of mud pump with borehole depth

3 结论

(1) 随着钻孔深度的增加，滑动定向钻进给进压力呈指数型上升，即呈先缓慢增长、后稳定增长、再急剧增长趋势，最终达到钻机额定给进压力，钻压传递效率降低；复合钻进状态下，随着钻孔深度的增加，复合钻进给进压力始终保持在较低水平，且远低于钻机额定给进压力，钻机回转压力近似呈线性增长，但低于钻机额定回转压力，孔口钻压能有效传递至钻头，钻压传递效率高。

(2) 泥浆泵泵压和泵量越高，排渣效率越高，钻具摩擦阻力越小，钻压传递效率越高，反之钻压传递效率越低。

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