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

瓦斯抽采既是煤矿瓦斯治理的主要方式之一,也是综合利用瓦斯(煤层气)的基础,井下定向钻孔因具有钻孔轨迹可控、有效抽采距离长、多分支孔和超前区域集中抽采等优点是进行煤矿井下瓦斯抽采的有效途径,在保障煤矿安全生产方面发挥了重要作用。然而随着定向钻孔孔深和孔径的增大以及施钻地层的复杂多样性,现有滑动定向轨迹控制技术与有线随钻测量技术自身固有的局限性逐渐显现。本文针对大直径/超长近水平定向孔和复杂地层近水平定向孔钻进施工难题,系统研究了煤矿井下复合定向钻进技术,揭示了复合定向模式下轨迹控制机理,定量分析了复合定向模式下钻具受力特点,设计出了适应复合定向钻进的泥浆脉冲无线随钻测量装置,提升了井下定向钻进技术装备的能力水平,为保障煤矿安全生产提供了有利技术支持。

首先研究了复合定向钻进技术原理,以钻孔轨迹调控为核心制定了钻进工艺流程,并从钻进效率、钻进安全性和深孔钻进三个方面对其特性进行了分析。基于井下近水平钻孔单弯无稳的钻具组合建立了复合钻进钻孔轨迹预测模型,并利用模拟计算,分析得出了复合钻进条件下钻进侧向力和孔斜趋势角随螺杆马达弯角、钻头侧向切削力、钻压、钻孔孔径扩大率、动力头转速和钻孔倾角变化规律;通过规律研究得出复合钻进时采用1.25度螺杆马达在钻压15kN,钻孔扩大率10%以上时,复合钻进轨迹控制处于稳斜打快状态。

通过建立复合钻进三维碎岩仿真模型,提取钻杆柱振动模态,并对钻头~钻杆系统切削破岩过程进行仿真分析。基于Abaqus/Explicit显式中心差分算法对钻头破岩过程进行了瞬态分析,得到了煤矿井下小直径近水平钻孔在复合钻进条件下孔底钻具组合不会发生共振现象;同时一定程度上定量分析出复合钻进过程中孔底钻具组合和地层之间周期性应力、应变状态,为钻进工艺参数选取及钻具组合选取提供参考。

其次针对煤矿井下特殊的施工环境和钻进技术要求,设计了一套适合煤矿井下条件的无线随钻测量装置,将脉冲发生器与73mm外管设计成一体式结构,采用比例先导控制技术,实现了96L/min小排量条件下脉冲信号稳定输出;应用压力脉冲幅值计算分析方法,得出脉冲压力幅值随阀头半径、泵压、泥浆排量和钻杆内径增加而增大的变化趋势,结合煤矿井下泵量参数得出煤矿井下泥浆脉冲传输的最佳阀头直径。为泥浆脉冲随钻测量装置在煤矿井下应用中工作参数的设定和钻进参数的选择提供参考。

最后结合中硬煤层、软硬互层煤层及顶板复杂地层三个典型现场进行复合定向钻进工艺技术和泥浆脉冲无线随钻测量装置的现场试验研究。验证了关于复合定向钻进及配套泥浆脉冲无线随钻技术的研究成果。本文所开展的复合定向钻进及泥浆脉冲无线随钻测量技术研究和相关结论,能够用于指导现场瓦斯抽采钻孔工程实践,对相关领域进一步研究应用有一定参考价值。