顺煤层超长定向孔滑动减阻钻进关键技术研究.docxVIP

? ? 顺煤层超长定向孔滑动减阻钻进关键技术研究 ? ? 许 超，姜 磊，李泉新，方 俊，陈 盼，刘 智 （中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077） 煤矿井下定向钻进技术起步于20世纪60年代英国[1]，最初依靠稳定组合钻具及单点测斜仪实现倾角在一定范围内调节。随着弯螺杆钻具及随钻测量系统的引进，煤矿井下定向钻进技术得到极大发展[2-3]。我国煤矿井下定向钻进技术起步较晚，得益于国家长期坚持的煤炭能源结构，经过“十一·五”、“十二·五”等科技攻关，煤矿井下大功率定向钻进技术与装备取得重大突破，定向钻进技术已达世界领先水平[4-6]。 随着煤矿井下定向钻进技术与装备的进步，近水平定向钻孔以其精确的轨迹控制优势，逐渐被应用于瓦斯抽采、防治水及地质构造探测等方面，取得了显著的应用效果[7-10]。目前由定向钻进技术引申而来的应用场景正在不断扩宽，同时新的应用场景也为定向钻机技术提出更高的要求，在煤矿井下大区域瓦斯治理以盘区综合治理为目标的应用中，定向超长钻孔单次施工覆盖整个盘区，要求所施工的顺煤层定向钻孔长度大于3000m[11]，但受制于目前煤矿井下定向技术与装备，顺煤层钻孔滑动定向钻进钻进深度不超过2000m。 在顺煤层超长定向钻孔施工过程中，为实现钻孔轨迹高精度定向控制、安全高效钻进以及钻孔沿煤层延伸的钻进目标，“滑动钻进纠偏+复合钻进保直”的高效、精确定向钻进工艺技术与“主动探顶+侧钻分支+再探顶+再分支+…”的顺煤层递进式延伸钻进技术是顺煤层超长定向钻孔成孔的工艺保障。其中滑动定向钻进工艺在轨迹精确控制和侧钻分支作业中起到决定性作用。然而，随着钻孔长度增加滑动钻进阻力加速上升，滑动定向钻进阻力随孔深增加加速上升，造成钻机系统压力快速接近临界值[12]，从而制约了定向钻孔成孔深度。为此，从滑动钻进阻力影响因素分析出发，得出滑动钻进钻具阻力随孔深变化特性，并依此开发了滑动钻进减阻工艺技术，并通过现场试验结果进行验证。 1 滑动钻进钻具阻力 1.1 滑动钻进阻力影响因素 滑动钻进时，孔口钻机向钻具施加钻压，同时孔底煤岩给钻具以反作用力，致使钻具处于受压状态，定向长钻孔内随孔深增加钻具呈现出较强的“柔性”特征，受压变形后的钻具将与钻孔孔壁产生挤压接触，从而在滑动钻进过程中产生钻具与孔壁之间的摩擦力；另外，在近水平定向钻进过程中，钻屑容易在孔壁下部沉积形成岩屑床，岩屑床内钻屑与冲洗液混合形成的“固-液”两相流体对钻具产生一定的摩擦和黏附力。 因此，滑动钻进阻力可分为孔底对钻头阻力（钻压的反作用力）和钻具沿程摩擦阻力，其中后者包扩钻具与孔壁之间的摩擦阻力和钻具与岩屑床之间的摩擦与黏附阻力。 其中钻具与孔壁之间的摩擦阻力主要影响因素有3个方面：①钻孔深度：近水平定向钻进过程中，随孔深增加，钻具弯曲变形越来越严重，与孔壁之间的正压力也不断增加，从而造成孔内摩阻增大，导致钻压传递效率大大降低，这是影响滑动钻进深度的主要因素；②钻孔轨迹弯曲强度：钻孔轨迹弯曲强度越大，增大了钻具受压时径向偏移量，从而增加了钻具与孔壁挤压接触的正压力，导致摩擦阻力增大；③地层类型：地层对钻进过程中摩擦阻力的影响主要体现在2个方面：一方面钻进地层岩性造成孔壁与钻具之间的摩擦系数变化影响摩擦阻力，另一方面，钻进地层岩性坚固程度的影响，地层越坚硬，孔底煤岩给钻头的反作用力越大，钻具受压变形更严重，摩擦阻力就更大，反之亦然。 1.2 滑动钻进阻力特性 基于上述认识结合现场实际数据，在假设忽略法向力的增加对煤层摩擦系数的影响、钻孔沉渣沿钻孔孔壁均匀分布、忽略钻孔弯曲对摩擦力影响、钻孔延伸方向煤层力学参数均质等条件基础上，进行滑动钻进阻力特性分析。 滑动定向钻进过程中，钻进推力需要克服孔底钻进阻力和钻具摩擦力才能实现正常钻进。其中孔底钻进阻力是地层抵抗钻头压入和切削的阻力，其大小取决于地层力学参数、钻头结构和钻进工艺参数等，在各项条件确定的基础上，孔底钻进阻力近似为常数。 钻具摩擦力包括孔壁岩屑床对钻具的摩擦与黏附阻力和钻具与孔壁之间的摩擦力，其中前者大小与钻屑性质和沉积状况以及钻具长度有关，假设钻屑在孔内均匀分布，则孔内沉渣阻力将随孔深增加呈线性增加；后者在不考虑钻具与孔壁间摩擦因数变化情况下，随孔深增长，孔壁摩擦阻力逐渐增加、孔口推进力增大，钻进过程中钻具弯曲变形程度加剧，钻具与孔壁接触压力增大，导致孔壁摩擦阻力随孔深增长逐渐快速增加。滑动定向钻进阻力随孔深变化规律示意图如图1。 图1 滑动定向钻进阻力变化规律示意图Fig.1 Diagram of resistance variation law in directional sliding drilling 1.3 实钻滑动钻进阻力特征 钻孔施工过程中钻进系统压力是孔内钻进阻力的重要表征，两