摘要：本文从技术原理、应用作用、主要工艺等角度着手，对随钻测量定向钻进技术进行简要分析，并对该技术在煤矿井下地质勘探中的应用方法加以阐述，旨在延长钻进深度，扩大勘探范围，提高钻进效率。
关键词：随钻测量；定向钻进；煤矿地质勘探
引言：煤矿井下普遍存在断层、采空区、陷落柱等异常地质，为煤矿安全生产带来诸多不便。在实际勘探过程中，钻进技术也不断发展，从以往的常规钻孔发展为随钻测量定向钻进技术，可适用于长距离瓦斯抽采钻孔施工中，并具有显著的应用效果。
1.随钻测量定向钻进技术概述
1.1技术原理
在煤矿井下工作中，随钻测量定向钻技术是借助专用工具，根据钻孔自然弯曲规律与设计要求，使分支孔轨迹延伸到目标区域中的一种高效钻探方式，可使钻孔轴线实现灵活的弯直改变。定向钻进的配套装备由多个部分构成，为孔底马达、泥浆泵、测量探管、孔口监视器等等。在应用过程中，泥浆泵中的高压水将经过送水器进入到孔底马达中，成为马达运行的动力，推动钻头旋转对煤岩层进行切削，并在钻进中使钻杆柱不断运行，通过改变孔底马达弯角的变化，实现对钻孔轨迹的有效控制。在该系统中，随钻测量探管可对方位角、倾角与工具面进行调整，形成钻孔实钻轨迹，与钻孔轨迹以及偏移情况相结合，对孔底工具角进行调整，使其与钻孔轨迹目标相符合，实现钻孔轨迹向设计轨迹的延伸。
1.2主要作用
在以往的煤炭井下勘探中，主要采用常规钻孔法、地面钻孔勘探法等，勘探范围较小，且信息精准度较低，难以实现长距离的精准勘探。随钻测量定向钻进技术能够有效克服传统钻进技术中的缺陷，与大范围、高精度勘探需求充分符合，主要作用如下：一是勘探地质构造。该方式运用测量功能，在勘探过程中，对地质构造点的三维坐标进行记录，并在钻机受阻的四周开一些新的分支孔，当这些分支孔再次受阻时，对附近的三维坐标进行记录构建模型，便可直观的了解地质构造情况；二是煤层走向勘测。首先当钻孔受阻时对此坐标进行记录，然后将该坐标与地面距离进行转化为标高，最后根据新标高计算煤层倾斜角，从而得出煤层的具体走向[1]。
2.随钻测量定向钻进主要工艺
2.1水平长钻孔施工
在井下地质勘探过程中，要想使钻孔深入到更多的煤层中，延长钻孔长度，则需要借助强有力的钻进技术，尤其面对地质结构复杂、断层较大的情况时，更需要钻孔有效的避开各种障碍，延长钻孔长度，提高钻进效率。随钻测量定向钻进技术的应用可使上述要求得到充分满足，遵循“探地层，开分支”循环钻进的原则，可使每层探测深度与精度得到显著提升，同时也可使钻孔长度得到进一步增加，为施工提供更大的助力。
2.2分支孔施工
在当前煤炭井下分支施工中，主要采用缓慢磨削与反复磨削两种方式，在工艺原理上均为悬空侧钻，将钻头调整到适当的角度后，以较为缓慢的速度进行给进，并在分支点下方与边缘处磨削出新的钻孔。在缓慢磨削法应用中，首先对钻进设备进行调整，使其放置在预定分支点处，然后对马达的弯角进行调整，使工作面向角处于160—200°范围内，此时开启泥浆泵，以6—8m/h的速度缓慢增进，直至磨削出新的钻孔；在反复磨削法应用中，首先将设备移动到预定分支点处，对马达弯角进行调整，使其处于160—200°之间，然后开启泥浆泵，以20—30m/h的速度快速钻进，待到设备完全进入钻孔后，将设备退出，重复上述操作3—5次，加上钻杆后正常钻进，直至磨削出新的钻孔[2]。
3.煤矿井下勘探中钻进技术的应用
3.1钻进装备
定向钻进系统主要包括泥浆泵、定向钻机、通讯钻杆、测量探管、孔口监视器等构件，可提前精准的了解煤层地质情况，掌握地质构造，且勘探范围相对较大，与长距离、精准探测要求充分符合。
3.2钻进工艺技术
该技术主要包括两项工作，一是钻孔轨迹设计，二是施工工艺。其中，钻孔轨迹设计应与工程现场实际地质情况相结合，在符合施工规定的基础上，设计和编制定向钻孔布孔方案。通过对钻孔轨迹中的各项测点进行设计，确定钻孔轨迹中各个测点的精确参数，为钻孔轨迹施工提供有力的参考与指导；在施工工艺方面，根据随钻系统中孔口监视器采集的信息，对钻孔设计参数进行确定，制定出科学合理的钻孔轨迹方案，并对钻具弯头方向进行调整，使其与钻孔轨迹方向相一致。在现有钻孔轨迹曲线基础上，选取最佳分支点进行开分支孔施工。
（1）轨迹参数计算
在煤矿井下定向钻进过程中，通常将系统间隔设置为3—6m左右，对1组钻孔轨迹参数进行采集，包括方位角、预角、工具面向角等，随钻系统中的测量参数值如下：倾角的测量范围为-90—+90°，允许误差为±0.2；方位角的测量范围为0—360°，允许误差为±1.5；工具面向角的测量范围为0—360°，允许误差为±1.5；上述三项指标主要是对钻孔轨迹要素进行描述，另外还需要获取孔深数值，可根据钻具累计深入长度计算而得。要想确定钻孔轨迹，需要对某点的水平、上下、垂直位移轨迹进行计算，公式如下：
是钻孔设计方位角，也就是x轴的方位角；y代表的是第i个测点中的左右位移。
（2）钻孔轨迹的控制
孔底测量探管与螺杆钻均借助螺纹进行连接，且同步回转，透过孔口监视器对弯头的运行方向进行实时监控。在钻进过程中，可利用螺杆钻具对弯头方向进行调整，再继续钻进即可实现对轨迹弯曲方向的灵活控制。
（3）开分支孔
在煤矿井下勘探工作中，定向钻进分支孔可采用悬空开分支法，对螺杆钻具弯头的方向进行调整，使其为正下分别，即工具面角为180°，通过缓慢磨削或者反复磨削法，在孔壁位置磨出键槽，在键槽深入不段加深的同时，钻头也逐渐埋入到键槽之中，与原钻孔相脱离，此时便代表分支成功[3]。
与随钻测量定向钻进工艺特点相结合，在钻进过程中，可采用“探顶—开分支孔—再次探顶—再次分支”的循环方式进行钻进，直至完成长钻孔施工。与此同时，可对煤层中钻孔的准确位置进行确定。当钻头深入地质后，与异常区域相接触时，如陷落柱、顶板、底板、断层等，此时钻孔的反水情况与相关工艺参数将发生改变，需要与孔底坐标位置相结合，根据该地地质信息对地层情况进行初步判定，再利用退钻开分支孔的方式，按照原孔的轨迹朝着其他方向钻进，继续探测，直至将异常区域被准确的测定出来。由此可见，定向钻进技术的应用对煤矿井下地质勘探效率提升具有显著的促进作用。
结论：综上所述，随着各项技术的不断革新，随钻测量定向钻进技术在煤矿井下生产中的应用作用得到充分发挥，有效克服了以往技术在范围、效率方面的弊端，使煤矿井下生产效率与安全得到进一步提升，成为当前最先进的钻探技术，为煤矿行业发展做出了巨大贡献。
参考文献：
[1]石智军，李泉新，许超.煤矿井下随钻测量定向钻进技术及应用[J].地质装备，2016，14（6）：32-36.
[2]原金科.煤矿井下随钻测量定向钻进技术及应用[J].内蒙古煤炭经济，2015（11）：40-41.
[3]孙荣军.国产随钻测量定向钻进系统在汝箕沟煤矿的应用[J].煤田地质与勘探，2017，39（4）：77-80.
论文作者:李加文
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/3
标签：钻孔论文; 轨迹论文; 测量论文; 井下论文; 技术论文; 分支论文; 煤矿论文; 《基层建设》2019年第9期论文;