组合式套管钻进工艺在井下破碎地层条件下钻孔施工中的应用

时晓

摘 要：主要介绍了组合式套管钻进工艺在平煤股份公司某矿井下钻孔中的应用，总结了操作中的技术要点，分析了存在的问题，提出了建议，为在井下破碎地层条件下施工钻孔提供了经验。

关键词：套管跟进；破碎；地层；钻孔；应用

一、概述

在井下巷道底板施工下行钻孔时，由于底鼓现象已经成为煤矿中比较常见的矿压显现，经历采动影响的采准巷道底鼓问题尤为普遍和严重[1]，其特性类似于人工填土，地层破碎情况严重，孔壁坍塌强烈，采用套管钻进也难以正常施工[2]，而跟管钻进技术在井下也未普遍地应用。

目前，钻探所采取的化学泥浆钻进工艺，在有裂隙、破碎掉块、缩径、坍塌、砂层、漏失等地层钻进时，对保护孔壁起到了很大作用。但是在煤矿井下施工十分破碎底板钻孔时，泥浆在底板甚至数米范围内四处流溢，根本起不到任何护壁作用。还有一种常用的处理方法是使用水泥浆加固底板，一般需要凝固48小时，影响了钻探效率。同时，在钻孔需要穿揭煤层时，由于井下钻孔多数非垂直钻进，需要揭露煤层厚度可达数米，煤壁稳定性较垂直钻孔差，化学泥浆钻进工艺亦不能保证有效，给钻孔向深部钻进留下了安全隐患。

组合式套管钻进工艺有别于套管钻进和跟管钻进技术，其特点主要是使用传统的钻杆来传递机械能和水力能量，先钻杆带动钻头钻进，再将钻杆接上套管带动套管扩孔钻进跟进，是将两者组合进行的作业过程。与跟管钻进工艺相比，其优点主要体现在可以相对自由地选择钻头、套管的规格，可自由选择水力和风力方式排粉，排粉通畅，地层适应性强。与套管钻进工艺相比，其优点在于对套管的材质要求较低，结构简单，易于加工，成本低廉。它解决了开孔即塌、穿煤厚度大煤壁不稳定的因素，是在煤矿井下施工底板钻孔省时、省力、有效的钻探工艺。

2015年，我单位承担了平煤股份公司某矿气源孔的施工任务，采用本工艺，成功穿越了底板破碎带和厚煤层易坍塌带，圆满完成了7个钻孔的钻凿施工任务。

二、工程概况

平煤股份公司某矿拟在中区丁5、6-21180机巷车场钻场、东区并联总回风巷钻场和戊8、9-21192风巷车场钻场分别向本矿戊8、9-20230老空区、邻矿己15-17220回采工作面施工7气源孔，抽采瓦斯，加以利用。该矿丁组、戊组煤层厚煤层，中区丁组煤、东区戊组煤采掘活动开始于上世纪90年代，现已经结束采掘，回收工作已经接近尾，所有采掘巷道均已停止维护，底鼓量最大可达到1.2m，底鼓带十分破碎，特征与人工填土类似。而7个钻孔均需在巷道底板开孔，亦需穿越厚煤层。

三、设备、工具选型

ZDY-4000S煤矿用全液压卧式钻机；BW-250型泥浆泵；

73mm钻杆；94mm无芯复合片钻头；127mm地质套管；133mm锯齿钻头。

四、施工工艺

（一）钻具组合。（1）钻头钻进时钻具组合。Φ73普通圆钻杆+Φ94mm钻头。（2）套管钻进时钻具组合。Φ73普通圆钻杆

+Φ73/Φ127mm套管螺丝头+Φ127mm套管+Φ 133mm套管钻头。

（二）工艺流程。（1）开孔时钻头钻进操作步骤。与普通钻杆钻进相同。（2）孔内有扩孔钻进套管时钻头钻进操作步骤。其操作步骤与开孔时钻头钻进操作步骤相仿，仅在安装￠73mm钻杆前将￠127mm短接头拧到扩孔钻进套管顶端，以保护其丝扣部分不在钻杆高速旋转中磨损。（3）套管扩孔钻进操作骤。1）当￠73mm钻杆接缝之一处于前夹持器和孔口之间，且距离孔口不小于0.2m时，停泵、停电，取下送水器。2）使用牙钳卡紧钻杆接缝处前一根钻杆，反转，拧开钻杆。孔内钻杆在孔底岩面支撑下或在孔壁摩擦力支撑下自然停靠。3）送电，给进装置后退至最大行程。松开动力头，停电，将钻杆依次取出。4）将

￠127mm套管短接头卸下，接上套管，再将螺丝头拧到套管上。将￠73mm钻杆拧到螺丝头上。5）将￠73mm钻杆依次通过动力头并与螺丝头上钻杆接合，使用牙钳拧紧。6）将送水器接入动力头后端钻杆上。7）送电，开启泥浆泵，待孔口返水时，闭合动力头。调整好将给进压力调整为2MPa，转速调整至100r/min。调整泥浆泵压力为2MPa，泵量250L/min。操作钻机给进手柄，钻进。（4）扩孔护壁套管跟进循环步长。由于钻杆在孔内自然停靠，如果跟进步长过大的话，￠127mm套管螺丝头则研磨钻杆，形成不进尺的现象，严重的话将钻杆丝扣磨损，造成钻孔报废。套管跟进循环步长最大不超过1.2m。

（三）技术要点。（1）根据巷道情况，钻机尽量靠后，尽量抬高，使前夹持器与孔口距离保持最大，最好保持在0.8m及以上。同时根据前夹持器与孔口距离确定套管长度，一般为0.8～1.2m。（2）套管扩孔钻进跟进步长不宜超过一根套管和螺丝头长度之和，一般在1.2m以下。（3）施工钻孔时，宜同化学泥浆钻进工艺配合使用，确保排渣充分，孔内干净。（4）套管扩孔跟进结束时，要留足时间，充分排粉，保证孔底干净，避免孔底沉渣埋没钻头。（5）套管底切削合金质量必须过硬，焊接必须牢固，确保套管钻头至少可以使用到穿过破碎易坍塌地段。（6）套管必须是国标地质套管，壁厚不能小于6mm，强度必须至少为

DZ40，套管丝扣宜为梯形扣。（7）套管扩孔跟进时，必须根据地层软硬情况合理调整给进压力和转速，给进压力一般为2MPa左右，转速一般为100 r/min左右，确保套管不会被扭断。（8）钻杆钻进时，最上一根套管加短接头，以保护孔内套管丝扣。

五、存在的问题和建议

采用本工艺，虽然成功施工了7个气源孔，但仍存在一些问题和需要改进的地方，并提出相应的建议，以便对本工艺时进行优化改进，更好地应用到在煤矿井下破碎、易坍塌地层条件下钻孔施工上来。

（一）存在的问题：（1）在扩孔护壁套管钻进时，由于钻杆要靠孔底支撑力或孔壁摩擦力自然停靠在孔内，因此本工艺适用于下行钻孔和倾角小于20°左右的上行钻孔，对于倾角大于20°左右的钻孔，无法使用本工艺。（2）本工艺对套管材质、操作参数、套管钻头、循环跟进步长要求严格，一旦出现问题，钻孔往往报废，基本上没有补救的余地。（3）本工艺操作相对复杂，对职工现场判断能力和操作技能要求较高。（4）本工艺对套管跟进深度有严格的要求，一般不应大于25m，超过25m，则由于套管连接部分太多，被扭断的机率大大增加。

（二）建议。（1）选取强度更高套管材，这样，无论在跟进深度、给进压力和转速上均可进一步提高，对于深部存在易坍塌地层的钻孔适用性更高。（2）设计钻孔时，尽量选择巷道断面大的钻场，钻孔与巷道的夹角尽可能最小，以便钻机前夹持器与孔口距离最大，套管可以更长，降低套管丝扣连接处被扭断的机率。（3）本工艺适用于十分破碎、极易坍塌地层，对于一般破碎、坍塌地层，应优先选用化学泥浆钻进工艺或其它钻进工艺。

结语：本工艺可以相对自由地选择钻头、套管的规格，可自由选择水力和风力方式的排粉方式，地层适应性强，对套管的材质要求较低，结构简单，易于加工，成本低廉，是在煤矿井下破碎、易坍塌地层条件下施工钻孔的一种有效的手段。

本文从钻孔施工中总结经验，介绍了工艺流程，罗列了技术要点，分析了存在的问题，提出了合理改进的建议，为套管跟进钻进工艺在井下破碎、易坍塌地层条件下钻孔施工中的研究、改进、推广提供了参考资料。

参考文献：

[1] 柏建彪，李文峰，王襄禹等，等. 采动巷道底鼓机理与控制技术. 采矿与安全工程学报[J]. 中国矿业大学，2011，28（1）：1-5.