摘要：针对传统滑动钻进方法施工千米以上长距离定向钻孔遇到的问题，借鉴石油钻井领域先进技术经验，提出煤矿井下水平复合定向钻进技术，对其高效钻进机理与钻孔轨迹控制原理进行了分析探讨。根据复合定向钻进工艺技术要求，完成了泥浆脉冲无线随钻测量系统选型，完善了复合定向钻进技术动力钻具。与传统滑动定向钻进技术相比，在钻进安全性显著提升的基础上，复合定向钻进技术综合钻进效率显著提升。
关键词：复合定向钻进；动力钻具；应用
1前言
随着我国煤矿井下高产高效抽采技术全面推广，煤矿安全生产对于煤矿井下地质异常体探测钻孔、水害防治钻孔与瓦斯抽采钻孔轨迹精确控制要求不断提高，随钻孔测量定向钻进技术在煤矿坑道钻探工程领域迅速推广，广泛应用于煤层瓦斯抽采治理，矿井水害防治，井下隐蔽致灾地质因素探查，采空区防灭火等工程领域。
复合钻进技术是起源于石油钻井领域的一种高效定向钻进技术，其在实践过程中显现出的技术优势可概括为以下几点：可有效缓解钻柱“托压”，提升钻井机械钻速缩短建井周期，有效控制井斜，提高建井质量等。复合钻进的实质是钻机动力头或转盘与孔底动力钻具同时驱动钻头工作。其在石油钻井工程领域的成功应用，为解决煤矿井下定向钻进工程中遇到的问题，提供了借鉴与参考。
2动力钻具发展现状
2.1空气螺杆
螺杆钻具自20世纪50年代中期问世以来在定向和水平钻井方面获得了广泛运用。由于钻井液不可压缩，在推动马达工作时拥有硬的机械特性和良好的抗过载能力。自1953年空气钻井在美国诞生以来，人们就尝试用气体去驱动螺杆，但是由于气体的压缩性，螺杆马达原本具有的机械特性由“硬”变“软”了。调研发现国内外的空气螺杆目前多用于泡沫钻井，但在干气体条件下的应用尚不成熟，存在的问题主要有：（1）寿命短，一般在30～50h以内，而常规螺杆的寿命超过120h。（2）容易飞车，造成定子橡胶过早失效，甚至抽筒，可靠性不足。
2.2自转式空气锤
冲击钻井和空气锤已广泛应用于地质钻探、建筑工程和石油钻井中，是提高硬地层破岩效率的常用技术。1992年美国率先开始了定向SPADS可旋转空气锤的研制。在国内2007年以来，中石油川庆钻探、中石化西南局、西南石油大学等单位均进行了自转式空气锤的研制，运用的原理大体一致：在原有空气锤基础上增加旋转机构使得活塞在上下往复运动同时伴随有旋转运动，活塞驱动钎头旋转，破岩机理仍以冲击为主。
2.3螺杆驱动式空气锤
面对自转式空气锤的缺点，人们尝试用空气螺杆驱动空气锤连续旋转，与冲击作用互不干涉，两种运动的叠加形成了回转冲击式破岩，保持了空气锤的优势。钻具组合为：空气锤+空气螺杆+减震短节+止回阀+扶正器+无线测量短节，整个组合中稳定器数量少，摩阻大幅小于满眼组合，空气锤产生的有序振动也改善了钻压传递效果。
3复合定向钻进技术原理
煤矿井下复合定向钻进技术是将传统的滑动定向钻进与旋转复合钻进相结合形成的一种高效钻进技术。其技术原理如下：当实钻轨迹偏离设计轨迹或者表现出偏离设计轨迹趋势时，实施滑动钻进对钻孔轨迹进行纠斜，利用螺杆马达自身特有结构弯角及其导向造斜作用引导钻孔轨迹向设计轨迹靠拢。待钻孔实钻轨迹与设计轨迹偏差小于特定值，实施复合钻进，钻机动力头通过钻杆柱带动孔底螺杆马达定子旋转，消除结构弯角的导向造斜作用，使钻孔轨迹按照现有的轨迹向前延伸，实现钻孔轨迹精确控制同时高效钻进的目的。
煤矿井下复合定向钻进工艺中的“复合”包含2层含义：①“滑动造斜”与“回转稳斜”2种定向模式的复合；②回转稳斜定向钻进过程中钻机动力头回转与孔底螺杆马达回转2种碎岩动力的复合。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆上述两种复合所体现的技术优势体现在以下几个方面：
（1）钻头绝对转速提高复合钻进模式下，螺杆马达转子与定子同时以不同的速度做同向旋转运动，钻头转速近似为钻机动力头转速与螺杆马达转速的数值叠加。叠加后的高转速适合PDC钻头高转速切削地层的特点[8]，有助于机械钻速的提升。
（2）节省辅助工序时间由于结构弯角的存在，滑动定向钻进模式下，螺杆马达始终处于造斜状态，形成的钻孔轨迹呈空间弯曲形态。单根钻进结束后必须根据实测钻孔轨迹参数对螺杆马达工具面进行调整；而复合钻进可有效节省螺杆马达工具面调整次数，节约辅助工序时间，一定程度上有助于实现保直孔段的高效钻进。
（3）有效减小钻柱托压实践表明，复合钻进可显著降低钻杆柱与孔壁间摩擦阻力，进而减轻水平孔段钻杆柱“托压”，有利于远距离定向走向长钻孔的施工。此外，螺杆马达随钻杆柱旋转过程中消除了结构弯角的导向造斜效应，有助于获得平直的钻孔轨迹。
（4）排渣效果得到改善复合钻进的技术优势还表现在，钻杆柱对孔壁下缘沉积的钻渣具有反复碾压与持续扰动作用，有助于循环介质对钻渣悬浮与携带，有效节省停钻冲孔时间，避免钻渣在水流变缓孔段堆积壅塞，降低沉渣卡钻事故风险。
4钻进设备与钻具配套
4.1大功率定向钻机
为满足长距离定向钻孔轨迹控制需要与钻进动力需求，钻进动力设备应具备以下功能：具备滑动钻进与回转钻进两种钻进操作模式，且能够实现灵活可靠切换；钻机动力头具有大扭矩、大转速范围等特点，以满足远距离定向钻孔钻杆柱回转动力及高低转速钻进需求；为应对长距离水平定向钻孔易出现的埋钻、卡钻和掉钻等孔内事故，钻机应同时具备强力起拔及使用多规格打捞钻具处理孔内事故的能力。结合煤矿井下长距离回采工作面瓦斯预抽钻孔和顶底板岩层大直径钻孔复合定向钻进技术需要，研制的ZDY12000LD大功率定向钻机采用了钻车和泵车两体式布局。该钻机整机功率大、钻进及事故处理能力强、工艺适应性广。动力头最大主轴输出扭矩达到12000N•m，给进起拔力达到250kN，主轴额定制动转矩达到2000N•m，对于1500m以上的煤层远距离定向钻孔施工具有良好的适用性。
4.2配套钻杆
结合泥浆脉冲无线随钻测量系统测量数据传输特点与无线随钻测量复合定向钻进工艺需求，设计高韧性高强度外平钻杆（图3、图4），钻杆采用整体外平结构，接头与杆体采用摩擦焊接工艺焊接。钻杆接头采用双顶结构，材质选用优质合金钢，经过多道热处理工艺，抗扭性能较常规钻杆提升40%[14-15]。满足远距离定向钻孔复合钻进动力传递及泥浆脉冲信号传输要求。杆体优选优质冷拔无缝地质管材，强度高韧性好，适应远距离定向钻孔轨迹强造斜需要。
4.3配套螺杆马达
煤矿井下现有定向钻进装备系统主要配备液驱式单弯螺杆马达，根据定向钻孔轨迹控制与钻孔直径要求，选用Φ73mm1.25°单弯螺杆马达，可满足Φ100mm以内定向钻孔一次性成孔需要。1.25°弯角在满足本煤层定向钻孔造斜需求的条件下，更有利于复合钻进模式下钻孔轨迹的保直。
5结束语
复合钻进动力钻具可以大大加快钻井速度，有效节约钻井成本，可以在该地区同类型井的施工中推广应用。
参考文献：
[1] 钱程远.井下动力钻具轴承发展现状调研[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2018（02）
[2] 李泉新.煤矿井下复合定向钻进及配套泥浆脉冲无线随钻测量技术研究[D].煤炭科学研究总院，2018
[3] 王佳.螺杆加PDC钻头复合钻具在大港油区研究与应用[D].东北石油大学，2016
[4] 邓虎.关于气体钻井定向动力钻具研究的新思路[J].钻采工艺，2018（05）
论文作者:刘云飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：钻孔论文; 螺杆论文; 空气锤论文; 轨迹论文; 钻杆论文; 马达论文; 动力论文; 《基层建设》2019年第1期论文;