河南省三门峡黄金工业学校 河南三门峡 472000
摘要：为了解决煤矿水害隐患探查及治理难题，解决常规钻孔施工距离短、难以钻入探测层位等问题，基于煤矿井下螺杆马达结合随钻测量系统定向钻进技术，介绍了一套煤矿水害探查治理精准定向钻孔施工技术，通过优化钻孔设计和轨迹精确控制技术，施工轨迹精确可控长距离定向探放水孔。结果表明:对于存在突水危险的工作面，通过精准对穿钻孔代替专用排水巷道掘进，可节省大量成本，提高效率；对于富水层探测，可有效钻进至设计层位，解决煤矿水害探查难题，为煤矿安全生产提供技术保障。
关键词：精准定向技术；非金属矿山开采；应用
1前言
煤矿水害是威胁煤矿安全生产的主要危害之一，一旦矿井出现突水、涌水灾害则常常会造成重大人员伤亡及财产损失，因此煤矿水害治理显得尤为重要。煤矿水害治理主要有“堵”、“疏”两种类型，“堵”以底板注浆加固为主，成本高昂，“疏”以钻孔探测排放为主。采用常规普通回转钻进方式进行探放水往往面临施工距离短、精度低，难以钻进至设计层位。虽然采用组合钻具定向钻进的施工方式可以达到一定范围内控制钻孔倾角，但是还是无法控制钻孔方位，且需频繁起下钻，对施工人员技术水平要求较高，难以大规模推广应用。以螺杆马达结合随钻测量定向钻进技术近年来发展迅速，在煤矿瓦斯灾害治理、地质探测等方面应用广，其具有钻孔轨迹实时测量，轨迹精确受控，一孔多分支等优势。
2精准定向钻探技术
精准定向钻进技术采用螺杆马达结合随钻测量系统达到受控钻进效果，螺杆提供孔底动力，钻进过程钻杆不旋转，随钻测量系统每间隔3m测量一次钻孔轨迹倾角、方位角及工具面向角，通过最小曲率法计算钻孔空间轨迹，钻进过程通过调整马达弯角(工具面向角)达到调整钻孔轨迹的目的。
2.1钻探装备
施工主要采用ZDY4000LD/6000LD/12000LD系列定向钻机，根据设计孔深选取相应型号，并配套FMC260/390/460泥浆泵系列、Φ89mm/73mm通缆钻杆、Φ98mm/120mm定向弧角钻头，YHD2－1000二代有缆随钻测量系统等。
2.2精准对穿排水钻孔施工技术
2.2.1设计及施工要点
精准对穿钻孔靶点往往为巷道迎头(4m×3.6m)，对钻孔设计及施工过程轨迹控制提出了较高要求，一旦设计不合理或钻孔轨迹控制不到位往往会造成成孔难或脱靶的后果，导致钻孔报废。因此，钻孔设计应遵循以下基本原则：选择相对稳定的岩层施工；对于存在水平高差的靶点采取先升后降，近水平对穿；钻孔轨迹设计尽量平缓；每隔60～80m预留分支点，对于钻孔施工过程轨迹控制，缩短测量间距，即使稳定岩层也确保3m一测，以提高钻孔轨迹精度；一旦钻孔轨迹偏离设计轨迹需及时纠偏，确保施工过程实钻轨迹偏离设计轨迹直线距离小于0.5m，对穿时小于0.2m；按设计在特定孔段预留分支点，以防止钻孔未能对穿后通过退钻开分支继续对穿。
2.2.2施工流程
精准对穿排水孔不用安装孔口防喷装置，首先采用Φ133mm钻头回转开孔12m，下入定向钻具组合定向钻进，顺利对穿后提钻更换Φ133mm/96mm扩孔钻头及Φ89mm外平钻杆扩孔，完成后二次扩孔采用Φ153mm/133mm将孔径扩至153mm，扩孔完成后不提钻在对穿巷道卸下扩孔钻头，采用变径与Φ127mm套管连接，采用回拖方式全程下入Φ127mm套管，注浆凝固，安装孔口排水花管。
2.3精准定向长距离探水孔施工技术
2.3.1设计及施工要点
相对于传统钻孔来说，精准长距离定向探水孔具有钻孔轨迹精确可控、探测覆盖范围广、钻遇率高、钻孔深度大效率高等优势。在设计方面，为便于排渣成孔，精准长距离定向探水孔应设计为近水平上仰钻孔；通过调整钻孔倾角快速进入目标层位，并尽量在目标层位穿行，以增大钻遇率；并通过开分支孔，在水平方向延展，以增加钻孔覆盖范围。通过对比可以看出，相较于传统回转探水钻孔，利用定向钻进技术施工精准长距离探水孔可以大大减少钻场、钻孔施工工作量，大大提高钻孔有效探测距离。在钻孔施工过程中，开孔后按探放水施工要求，下入孔口止水套管，至少下至稳定岩层内15m，井下封孔注浆候凝至少48h，进行耐压试验，合格后安装孔口止水阀、防喷器及孔口泄水三通，按设计进行定向钻进施工。施工过程严格按照要求每隔3m进行一次轨迹测量，以保证实钻轨迹按设计轨迹施工，一旦出现偏差，通过调整螺杆马达工具面及时纠偏；同时在施工过程中，要实时观察钻孔孔口返水情况，一旦出现钻孔孔内涌水量增大，降低钻进速度并详细记录，如涌水量持续增大，停钻并不得拔出钻杆，通过孔口阀门调节出水量，待水量稳定或变小后决定是否继续施工或提钻。
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2.3.2施工流程
根据设计调整钻机开孔倾角及方位，稳固钻机，对于施工500m以上深度钻孔需额外打地锚加固，回转开孔钻进至稳定岩层至少15m，扩孔至Φ153mm；下入配套深度Φ127mm套管，采用油井封孔注浆候凝48h后进行耐压试验，一旦出现渗漏则需重新进行注浆加固；待耐压试验合格后在孔口依次安装止水阀、防喷器及泄压排水三通；下入螺杆钻具安装逆止阀进行定向钻进，根据实钻轨迹与设计轨迹偏差时时进行纠偏；进入目标层位后施工过程严格观察记录钻孔返水情况，一旦返水量增大，根据预定措施做好排水施工，同时结合钻孔深度决定是否继续钻进或终孔。
3定向井技术发展情况介绍
对于定向井技术的发展，其最初出现是因为井下施工不能顺利钻进，尤其是侧钻井方面。定向井技术专业使用工具以及技术于1895年出现，真正发展是从1930年之后，美国加利福尼亚在进行海岸浅层石油开采期间应用定向井技术。在1934年定向井技术在井喷失控情况下应用于救援井。近二十年之内，对定向井的定义与研究不断创新，这样发展背景下，开采低渗透油气藏期以及从式井、海洋井等方面逐渐从定向井技术中延伸出水平井技术。定向井技术发展在当前阶段己经得到很高的提升，尤其是在矿山开发中应用越来越广泛，定向井技术应用中，剖面设计以及控制技术、轨迹测量等都己经应用的十分完善。一些矿山井深8000m，甚至水位多达5000m的大斜度井都能够科学应用。定向井技术在矿山平行断层中的应用，需要掌握以下几点要素才能保证顺利施工。
(1)井斜角。井斜角主要是定向井的井眼轴线在光照情况下，将会垂直投影在平面上，选择任意一条切线其与垂线之间的夹角都被称之为井斜角。
(2)方位角。定向井中的井眼确定之后，从水平投影角度观察井眼轴线，选择任意一条切线与井眼轴线的正北方向角度计算。
(3)水平位移。定向井的水平位移因素，主要是定向井的井底与井口之间水平投影距离。
(4)井斜变化率。井斜变化率需要通过一定的计算获得，涉及到井眼单位长度以及井深、井斜角之间相互作用下所产生的变化值。
(5）测量深度与垂深。定向井测量期间，其中的测量深度与垂深也是主要影响因素。测量深度的长度主要是钻具长度，按照定向井的井眼进行估计测量。当然垂深是根据井眼轨迹进行投影，对其长度测量，将定向井的垂直深度展现出来。
4矿山平行断层定向井技术施工要点
(1)防碰扫描
对于矿山开采期间采用定向井技术，需要对防碰扫描方案提高重视，杜绝出现井眼碰撞现象，导致影响正常钻井施工，甚至引发事故和环境灾难。定向井技术在很多大型的矿山开采中应用，期间最显著的特点便是地下井网密集，会经过不同时间的调整与加密处理。因此在上述这种情况下应用定向井技术，必须注意数量变化，及时进行防碰扫描。具体的防碰扫描实施，首先需要相关工作人员第一时间进行二维钻井设计，这样就能够实时跟踪井眼3D空间距离情况。当然如果检查过程中并不存在碰撞影响，表示钻井设计合理，规划设计也非常全面，结合具体情况进一步对其调整与完善。但是如果在检测中出现不规则现象或者存在井眼碰撞风险，即3D空间距离和分离系数小于安全临界值，就需要对钻井设计进行调整，寻找到障碍井，并针对所有防碰井进行轨道重新设计，以降低施工风险，提高对油井设计的质量。
其次是从参数统计与计算方面进行处理，如果一些二维常规设计己经不能满足当前的设计要求，就需要对变动参数进行动态调整，尽量帮助其避开障碍井。当然也可以结合三维模式进行设计，以三维绕障设计的方式，规避障碍设计，进而达到设计目标。
(2)定向井参数的确定
对于定向井施工技术的应用，必须确定相关参数，这样才能保证定向井技术施工的稳定性，同时提高矿山开采效率。特别是断层定向井技术应用中，需要保证基础设计准确，定向井运行轨迹设计的位置必须处于矿山平行断层面的中间，并且还要保证井身设计期间，必须与断层面之间拉开相应距离，防止在矿山钻井运行中对断层面产生影响，或者钻井波动问题造成断层面问题，当然这种设计还能够在一定程度上帮助矿山提升开采效率。定向井技术的应用非常看重断层面的变化以及断层的位置，需要对相关数据采集分析，这样才能保证断层边缘期间的开采中，及时将剩余油进行收集。具体的定向井参数确定，需要设计人员结合水平设计原则，将技术融入到轨迹控制设计模式中，在基本控制点基础上增加更多控制点，进而为定向井技术应用、钻井轨迹变化以及断层面设计等提供更多保障。控制好断层定向井钻进轨迹运行，保证能够始终与断层面之间位于平行状态，很好的规避断层断裂现象的发生。定向井技术应用中，钻进轨迹的运行，其实际与矿山断层面距离较近，所以需要采用靶窗设计的方式科学控制轨迹变化，将其从垂直方向引向斜向方向，这样就能够与断层面之间垂直。当然靶心设计中，半径一般都是十米，与断层之间的距离为三十米，靶窗与靶心半径为二十米。造斜段的技术施工，钻井的井眼运行轨迹必须实际测量，可以采用MWD的测定方式。常见的井段参数采集中，都是以旋转复合钻的形式实现，但是具体应用还要与实际施工相结合，总之必须适合科学规划井眼轨迹运行，利用相应的仪器设备对轨迹适当调整，不断延伸钻进线路，直接达到油层。
5结束语
综上所述，矿山开采一直是我国非常关注的发展对象，也是促进城市发展与社会建设的主要动力，将定向井技术应用到矿山平行断层开采中，注意具体的应用分类，利用适当手段调整技术应用模式，提高矿山开采效率。
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论文作者:李杰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/17
标签：定向井论文; 钻孔论文; 轨迹论文; 技术论文; 断层论文; 矿山论文; 测量论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;