煤矿井下随钻测量定向钻进技术

1.煤矿井下随钻测量定向钻进技术煤矿井下定向钻进技术培训系列课程内容1.定向钻进技术简介2.定向钻进技术与装备3.定向钻进技术的应用4.研究与发展方向1.定向钻进技术简介（1）基本概念

近水平定向钻进（HDD）技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。目前煤矿井下近水平定向钻进技术主要有稳定组合钻具钻进和孔底螺杆马达钻进2种工艺技术。

孔底螺杆马达钻进以螺杆马达（高压冲洗液作为传递动力介质）作为孔底动力钻具，通过采用带有不同形式造斜件（弯外管或弯接头）的螺杆钻具并配备随钻测斜仪器，就可进行满足不同需要的定向钻进施工。（2）与常规钻进的区别和技术特点1.定向钻进技术简介与传统的回转钻进不同，螺杆马达带动钻头旋转破碎岩石时，整个钻杆柱和螺杆钻具的外壳（包括造斜件）不旋转，所以造斜件弯曲的方向即是钻孔将要弯曲的方向。

钻孔深度有限钻孔数量多劳动强度大施工周期长封孔质量差常规钻进轨迹精确控制有效距离长多分支孔钻进效率高一孔多用集中抽采定向钻进（2）与常规钻进的区别和技术特点1.定向钻进技术简介孔底螺杆马达定向钻进技术具有以下特点：a.钻具结构较为复杂，价格昂贵，对操作人员的技术水平要求较高；b.对倾角、方位角控制调节能力强，可进行实时精确随钻测量，定向精度高、效果好，易于实现深孔以及多分支孔钻进；c.受螺杆马达及配套钻杆结构和能力的制约，对冲洗液的净化要求高，施工钻孔直径一般在96mm，不满足施工大直径钻孔的需要；d.地层适应性较弱，抗孔内事故能力差，一般要求在硬而完整的煤层或稳定的岩层中施工。定向钻进技术应用于煤矿井下起步于20世纪六七十年代美、德、英等西方发达国家，初期主要是移植在石油钻井中成功应用的稳定组合钻具。进入20世纪90年代以后，螺杆钻具得到快速发展。美国用螺杆钻具和定向钻进监测仪器钻成1432.56m

的瓦斯抽采孔。澳大利亚在煤质较硬的稳定煤层中采用螺杆钻具、导向工具钻进时，孔深可达1000m以上，并进行多个分支孔施工；在易发生坍塌、掉块等事故的复杂地层使用普通回转和螺杆钻具相结合的钻进方法，孔深也达到400~700m。2002年2月，澳大利亚VLD公司用螺杆钻具完成了孔深1761m的煤矿井下水平定向孔。（3）煤矿井下定向钻进技术发展历程（国外发展）1.定向钻进技术简介

鉴于近水平定向钻进技术在国外的成功应用，20世纪90年代中期，我国一些煤矿企业陆续从美国、澳大利亚进口9套千米定向钻机，例如美国的LHD-15型钻机、澳大利亚的LMC-75型和UDR系列钻机，分别在松藻、铁法、淮南、抚顺、平顶山等矿务局试用。由于这些煤矿地质条件复杂，煤层松软，进口钻机配套钻杆壁薄、强度有限，使用中经常发生钻杆折断、螺杆钻具脱落等孔内事故，成孔率非常低。即使在国外专家指导下,最深钻孔也只有470m，不足钻机标定钻进能力的一半。（3）煤矿井下定向钻进技术发展历程（国内引进）1.定向钻进技术简介

2003年，山西亚美大宁能源有限公司利用引进的VLD定向钻机进行瓦斯抽采和探测煤层顶底板。在国外专家指导下，施工完成千米定向瓦斯抽采钻孔1个，主孔深度1002m，终孔直径94mm。晋城寺河矿自2005年开始，先后引进6套澳大利亚VLD1000型钻机，用于瓦斯抽采钻孔施工，并于2006年

完成主孔深1005m

的钻孔1个，此外主要施工孔深在200~500m的沿煤层定向瓦斯抽采钻孔。

2007年宁煤集团引进同型号的钻机，在白箕沟矿半煤半岩地层也完成了孔深1023m的钻孔，终孔直径94mm。煤质较硬是这些应用实例取得成功的主要原因，虽然有些钻孔达到或超过1000m，但断钻杆、掉钻具的问题仍较突出。1.定向钻进技术简介（3）煤矿井下定向钻进技术发展历程（国内引进）我国煤矿井下近水平定向钻进试验研究始于20世纪90年代初。1993年煤科总院西安院在大同矿务局四台矿施工勘探地质异常体的近水平钻孔，采用以孔底稳定组合钻具为主，局部孔段使用国产的螺杆钻具纠斜钻进的方法，使孔深达到了302.5m。由于受当时国内螺杆马达、测斜仪器等制造技术落后的限制，西安院暂时放弃了用孔底螺杆马达实施定向钻进的技术途径。在接下来的近10年，倡导并积极推进以稳定组合钻具为核心技术的煤矿井下定向钻进技术的发展，并取得了很好的效果，分别于1999年、2000年和2002年完成603m、721m和865m的煤矿井下近水平定向钻孔，创造了当时国内之最。（3）煤矿井下定向钻进技术发展历程（国内发展）1.定向钻进技术简介从2005年起，煤科总院西安院以国家重大科技支撑计划项目为依托，对孔底螺杆马达定向钻进技术与配套机具进行研究开发，研制成功了适合我国矿井地质条件的千米定向钻机，Ф73mm高强度大通孔通信钻杆和新型随钻测量系统。

2007年12月在陕西彬长矿区大佛寺矿现场试验中主孔终孔深811.8m；2008年4月在淄博矿业亭南矿钻进主孔2个，终孔直径94mm，最大孔深超过1000m。1.定向钻进技术简介（3）煤矿井下定向钻进技术发展历程（国内发展）煤矿井下近水平定向钻进技术自2008年试验成功以来，已在国内30多个矿井进行推广应用，在硬煤层钻进中最大主孔孔深1212m，最大分支孔孔深915m，累计施工钻孔进尺达数百万米。从此之后，中煤科工集团重庆研究院、沈阳北方交通重工集团先后进行研究并生产出同类产品。1.定向钻进技术简介（3）煤矿井下定向钻进技术发展历程（国内发展）（4）适用条件和应用范围a)煤层条件煤矿井下定向钻进技术适用于普氏系数f≥1

的较完整煤层，避免在煤层破碎带或煤层陷落柱区域内布置定向钻孔。b)岩层条件煤矿井下定向钻进技术适用于普氏系数f≤6

的岩层，避免在裂隙发育带或炭质泥岩、铝质泥岩等遇水膨胀性岩层内布置定向钻孔。1.定向钻进技术简介（4）适用条件和应用范围1.定向钻进技术简介

煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术通过对倾角和方位角的实时调节实现对钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在目的层中有效延伸，并可进行多分支孔施工，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，现已成为国内外瓦斯高效抽采的主要技术途径，并应用于地质构造探测和探放水等领域。（5）国内外产品性能比较1.定向钻进技术简介西安研究院ZDY6000LD定向钻机6000LD(B)定向钻机4000LD(A)定向钻机重庆院ZYWL-6000定向钻机北方交通ZDY3500L定向钻机VLD1000定向钻机IDS1000定向钻机（5）国内外产品性能比较1.定向钻进技术简介主要性能参数ZDY6000LDZDY6000LD(F)ZYWL-6000ZDY3500LVLD1000IDS1000钻机最大扭矩/N·m6000/30006000/300060003048/228630003750/1720最大给进/起拔力

/N180/180180/180160/160160/160160/160150/150给进行程/mm100010001000150015001800电机功率/KW759090909090外形尺寸（长×宽×高）/mm3380×1450×18003230×1360×18603830×2100×19503970×2360×19353742×2100×16664310×2010×1885钻机质量/kg70005930/35001250014000850011000通缆钻杆直径/mm73/8973/8973707070长度/mm3000/15003000/15003000300030003000强度抗拉/KN≥950≥950----抗扭/N·m≥6000≥6000----测斜仪精度倾角/°±0.2±0.2±0.2±0.1±0.1±0.1方位角/°±1.5±1.5±1.5±0.5±0.5±0.5工具面/°±1.5±1.5±1.5±0.5±0.5±0.5终孔直径/mm969696969696（5）国内外产品性能比较1.定向钻进技术简介中煤科工集团西安研究院有限公司作为国内第一家研制煤矿井下定向钻进技术与装备的企业，目前已形成以ZDY120000LD、

ZDY6000LD、ZDY6000LD(F)、ZDY6000LD(A)、ZDY4000LD

等为代表的一系列定向钻机和配套产品，能够充分满足用户各种不同的施工需要。2.定向钻进技术与装备

千米定向钻机随钻测量仪器专用定向钻具配套钻进工艺系统组成（1）定向钻进系统组成与工艺原理2.定向钻进技术与装备（1）定向钻进系统组成与工艺原理

泥浆泵提供的高压水通过送水器、中心通缆钻杆进入孔底马达内驱动马达旋转，从而带动钻头旋转切削煤岩层。钻进过程中整个钻杆柱不旋转，仅孔底马达带动钻头回转碎岩钻进。

而钻孔轨迹控制主要通过改变孔底马达弯角的方向(即工具面向角)来实现。系统中随钻测量探管将钻孔的倾角、方位角和工具面向角等数据实时传输到孔口计算机内进行处理，形成钻孔实钻轨迹并显示。根据设计轨迹与实钻轨迹偏斜状况，调整工具面向角以达到调整钻孔轨迹的目的，保证钻孔轨迹沿预定方向延伸。螺杆钻具工具面调整钻孔数据与轨迹显示钻头马达弯头目前，西安研究院定向钻机有：ZDY12000LD、ZDY6000LD、ZDY6000LD(A)、ZDY6000LD(B)、ZDY6000LD(F)、ZDY4000LD、ZDY4000LD(A)等系列产品。使用时，可根据不同使用条件和需要选择相应型号的产品。（2）定向钻机ZDY6000LD定向钻机2.定向钻进技术与装备ZDY6000LD(A)定向钻机ZDY6000LD(B)定向钻机ZDY6000LD(F)定向钻机ZDY4000LD(A)定向钻机2.定向钻进技术与装备（3）随钻测量系统测量精度：倾角：±0.2°方位：±1.5°工具面：±1.5°YHD1-1000(A)随钻测量系统主要由孔口防爆计算机、孔底测量探管等组成。根据需要可进行测量数据记录、显示和存储等操作。防爆计算机与软件界面测量探管探管电池筒2.定向钻进技术与装备（4）通缆钻杆a）作为信号的传输通道，在孔底测斜单元与孔口检测设备之间传输信号；并可通过钻杆从孔口向孔底测斜单元供电。b）作为压力介质（高压水）的输送通道，用于驱动孔底马达，清洁孔底，冷却钻头以及携带岩（煤）粉。c）作为钻机与孔底动力单元的连接体，传递钻机施加的给进起拔力，并为孔底马达带动钻头克取孔底岩石提供反扭矩。通缆钻杆实物图钻杆杆体外径：Ф73×5.6mm；钻杆接头外径：Ф75mm；钻杆定尺长度：3m；钻杆抗拉能力：﹥950kN；钻杆抗扭能力：﹥6000N·M。2.定向钻进技术与装备（4）通缆钻杆1—钻杆体；2—芯管公接头；3—锥接头；4—定位挡圈；5—芯管；6—稳定器；7—芯管母接头；8—柱接头；9—变径弹簧；10—导线中心通缆式钻杆结构原理图2.定向钻进技术与装备（5）螺杆马达2.定向钻进技术与装备（5）螺杆马达外径mm钻头尺寸mm头数级数长度m重量kg排量L·min-1转速r·min-1额定输出扭矩N·m最大钻压kN最大压降MPa7382~1144：532.862113~265160~375257272758配套使用Ф73mm螺杆钻具主要技术参数表螺杆马达实物图2.定向钻进技术与装备3NB300型泥浆泵

Φ96mm复合片钻头Φ94mm/Φ153mm扩孔钻头（6）泥浆泵与钻头3NB300型泥浆泵主要性能参数2.定向钻进技术与装备

（7）随钻测量与轨迹控制技术用于近水平定向钻孔施工过程中的随钻监测系统，钻进中测量钻孔倾角、方位、工具面向角等主要参数，实现孔口钻孔参数、轨迹的即时显示，便于施钻人员随时了解钻孔施工情况，并及时调整工具面方向和工艺参数，使钻孔尽可能的按照设计的轨迹延伸。随钻测量系统测量软件界面2.定向钻进技术与装备（7）随钻测量与轨迹控制技术通过调整孔底马达工具面向角，控制钻孔倾角和方位角变化总结分析钻进过程中反扭矩对钻孔轨迹的影响钻孔轨迹的分析及钻进趋势预测2.定向钻进技术与装备（8）裸眼侧钻开分支技术低速磨削开分支方法反复磨削法开分支方法开分支工艺流程2.定向钻进技术与装备（9）斜向器侧钻开分支技术斜向器辅助螺杆钻具下向岩层梳状分支钻孔成孔工艺技术在井下近水平孔钻进中将可回收式封隔斜向器和螺杆钻具结合进行梳状分支孔定向钻进，实现了在坚、中硬岩层中进行分支与轨迹控制。2.定向钻进技术与装备3.定向钻进技术应用煤矿井下随钻测量定向钻进技术主要应用于：（1）工作面沿煤层瓦斯抽采长钻孔施工；（2）松软煤层梳状瓦斯抽采钻孔施工；（3）精细地质勘探钻孔施工；（4）探、放水钻孔施工；（5）定向工程钻孔施工等。3.定向钻进技术应用煤矿瓦斯抽采硬煤层和松软煤层煤矿井下探放水煤矿井下底板注浆煤矿井下地质构造探测探测煤层顶、底板井下水平定向长钻孔最大主孔深度1212m，单孔最多分支孔24个，最大分支孔深度698m，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰，为各应用矿区在瓦斯抽采和利用方面创造了可观的间接经济效益。3.定向钻进技术应用

在国内17个矿区30个煤矿成功推广118台套。（2013.8）宁煤4台内蒙9台阜新1台龙煤2台神华8台沈煤1台柳林15台阳泉13台西山6台汾西7台晋城长治14台焦作8台两淮2台黄陵2台陕煤4台彬长4台冀中能源1台盘江1台3.定向钻进技术应用宁煤汝箕沟煤矿32215工作面钻孔轨迹图（1）工作面沿煤层瓦斯抽采长钻孔施工（宁煤汝箕沟矿）3.定向钻进技术应用宁煤汝箕沟煤矿534工作面2号钻场钻孔轨迹图（1）工作面沿煤层瓦斯抽采长钻孔施工（宁煤汝箕沟矿）3.定向钻进技术应用（1）工作面沿煤层瓦斯抽采长钻孔施工（彬长大佛寺矿）2011年8月大佛寺煤矿2#辅运大巷1#钻场4#钻孔

施工最大主孔孔深1212m，探顶两次，开分支5次，单孔纯瓦斯流量达到8.27m³/min。3.定向钻进技术应用（1）工作面沿煤层瓦斯抽采长钻孔施工（彬长大佛寺矿）3#、4#定向钻孔日瓦斯抽采量变化曲线和累计瓦斯抽采量曲线（3#钻孔主孔深度933m，总进尺1623m；4#钻孔主孔深度1212m，总进尺1527m）3.定向钻进技术应用（1）工作面沿煤层瓦斯抽采长钻孔施工（山西保德矿）钻孔平均深度达到800米以上，瓦斯抽采效率达到常规钻孔的5倍，瓦斯抽采浓度达到85%以上。钻进最大孔深1111.6m，开分支7次，探顶5次。3.定向钻进技术应用（1）工作面沿煤层瓦斯抽采长钻孔施工（长武亭南矿）

1号主孔：终孔深度1046m；2号主孔：终孔深度822m；4个分支孔分别按照设计轨迹从回风顺槽和运输顺槽的靶区穿出；钻进最高时效：26.4m/h，平均进尺：160m/d；终孔直径：96mm；

钻孔纵向偏差不足1m，横向摆动不超过8m。钻头穿出靶区现场3.定向钻进技术应用（2）松软煤层梳状瓦斯抽采钻孔施工（朱仙庄煤矿）在淮北矿业股份有限公司朱仙庄矿10715工作面10煤顶板进行梳状定向孔施工，共施工梳状定向钻孔3个，1#梳状孔主孔孔深为603m，分支孔8个；2#梳状孔主孔孔深603m，分支孔9个；3#梳状孔主孔孔深570m，分支孔4个；分支孔最大孔深达到181m，施工总进尺3530m

。3#钻孔实钻轨迹图钻孔工作面与剖面分布图3.定向钻进技术应用

在梳状孔底部10#煤回采后，造成8#煤和10#煤间岩层产生“卸压增透”效应,通过梳状孔负压抽采卸压瓦斯，隔绝8#煤瓦斯进入10#煤，防止造成10#煤瓦斯富集影响其开采。截止2011年9月底，已抽采瓦斯纯量183204.98m3。类型总进尺/m最大孔深/m施工周期/月抽采瓦斯纯量/m3梳状孔26396031183204.9顶板孔24000150692658.3梳状钻孔抽采煤层效果较好，能够满足松软煤层煤层气抽采的需要。朱仙庄煤矿10715工作面高位孔与梳状孔煤层气抽采量曲线图（2）松软煤层梳状瓦斯抽采钻孔施工（朱仙庄煤矿）3.定向钻进技术应用河南焦作九里山矿16141工作面，施工梳状孔3个，其中：1#梳状孔主孔深510m，含分支孔11个，分支孔最大孔深81m；2#梳状孔主孔深510m，分支孔7个，最大分支深度120m；3#梳状孔主孔深564m，分支孔7个，最大分支深度81m；（2）松软煤层梳状瓦斯抽采钻孔施工（九里山煤矿）焦作九里山煤矿梳状定向钻孔施钻轨迹图（主孔深510m，梳状分支孔7个，试验总进尺848m）3.定向钻进技术应用该工作面2012年5月下旬回采，截止到12月底，3个梳状钻孔累计抽采瓦斯纯量达到109万m3，有效保障了工作面回采。九里山梳状孔瓦斯抽采浓度与每天纯瓦斯抽采量

九里山三个梳状孔每月纯瓦斯抽采累计量（2）松软煤层梳状瓦斯抽采钻孔施工（九里山煤矿）3.定向钻进技术应用（3）精细地质勘探钻孔施工——探测煤层顶、底板寺河东归大巷1号错车场4#长钻孔剖面示意图

2010年11月，晋城煤业集团寺河矿探测主采煤层顶、底板，勘探主孔深达到1059m，开分支16次，探顶7次，探底8次。3.定向钻进技术应用（3）精细地质勘探钻孔施工——探测陷落柱

2010年在该区域施工两个定向钻孔，其中1#孔有分支孔25个，主孔最大孔深达570m，分支孔最大孔深达246m，实钻总进尺2736m；根据实钻轨迹在煤层采掘工程面图分布图，结合实钻施工情况分析出陷落柱、断层位置（如图中A、B、C点）及附近破碎带区域，为矿方提供准确地质资料。

杜儿坪矿1#定向孔轨迹平面图

实钻轨迹3.定向钻进技术应用（4）探、放水钻孔施工2013年3月～4月，在内蒙母杜柴登矿施工完成3个定向探水钻孔，1#钻孔主孔深510m，2#钻孔708m，3#钻孔615m，试验总进尺1797m。内蒙母杜柴登矿定向探水钻孔轨迹平面图设计轨迹实钻轨迹3.定向钻进技术应用（4）探、放水钻孔施工

1#钻孔在318m处出水，出水量约2m3/h；2#钻孔在680m处出水，出水量约为14m3/h；3#钻孔未出水。通过本次施工，探明了该区域煤层顶板含水情况，为巷道掘进施工提供了准确的地质资料。3.定向钻进技术应用（5）工程注浆孔施工随钻测量定向钻进技术与装备还可用于井下探放水及顶、底板隔水层注浆加固钻孔施工。河南赵固一矿底板注浆加固钻孔设计平面布置图3.定向钻进技术应用（5）工程注浆孔施工技术途径：利用回转钻进施工下斜钻孔至预定层位，然后利用定向钻进技术进行造斜钻进，调整钻孔倾角与地层倾角一致后，使钻孔在欲加固的层位延伸，成孔后高压注浆，将钻孔钻遇的裂隙填满，形成隔水层。底板注浆加固定向钻孔布置示意图3.定向钻进技术应用钻孔注浆效果：1#钻孔：610.5m，14768m35#钻孔：687m，1633.2m34#钻孔：527m，921.3m32#钻孔：519m，646.8m31#钻孔：8次，35m3/h5#钻孔：6次，11m3/h4#钻孔：3次，8m3/h2#钻孔：1次，10m3/h①②④⑤4.研究与发展方向目前，国内煤矿井下近水平定向钻进技术与装备尽管有了长足的进步，在某些应用方面处于国际领先水平，但与石油定向钻井、测井技术相比，还存在一定技术差距。近几年煤矿井下定向钻进技术与装备将在以下几个方向取得新进展：（1）在现有有线随钻测量的基础上，适用于煤矿井下条件的电磁波、泥浆脉冲等无线随钻测