煤矿救援井快速钻井系统技术分析_水平井快速钻井技术

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煤矿救援快速钻井系统技术分析

钱自卫 姜振泉 吴慧蕾

（中国矿业大学资源与地球科学学院 徐州 221116）

摘要

在进行矿井的抢险救灾时，需要救援人员或一些救援物品尽快下井，通过救援钻孔建立直达灾区的通道进行施救是处理此类事故的常用且有效的方法。本文主要就快速钻井系统技术进行了研究，先分别对这些技术的概念、应用现状、前景进行了分析；然后对其系统性进行了初步的探讨；最后统计并分析了国产和国内公司引进的先进钻机的技术特点。该文主要为以后从事此方向研究的学者提供参考借鉴。

关键字：救援井，快速钻进，潜孔锤冲击钻进，复合钻进，随钻测量，跟管钻进

The studied of quick drilling system technology of mine rescue

QIAN zi-wei JIANG zhen-quan WU hui-lei

(The School of Resource and Earth Science, China University of Mining and Technology, XU Zhou 221116)Abstract: Conducting and disaster relief, some relief items or the rescuers need to go into underground as soon as poible.Through the rescue drilling to establish a direct channel to the disaster area to rescue is the common and effective method.In this paper, the quick drilling system technology was studied.Firstly, the concept, application status and prospect of these technologies are analyzed;Then a initial discuion of their systematic is carried out.Finally, technical characteristic of advanced drilling domestic or introduced by demestic companies are analyzed.Mainly in this paper, reference is provided for the future scholars engaged in research in this direction Key words: relief well, Quick Drill, DTH drilling, MultiPle Drilling Technology, MWD Technique, Pipe Drilling，瓦斯、粉尘爆炸，矿井明火火灾，煤与瓦斯突出，矿井突水，冲击地压和大面积冒顶被称为煤矿5大灾害，这些灾害发生时往往具有突发性、灾难性、破坏性、继发性的特点，一旦事故发生，就会使矿井系统遭受严重的破坏，它不但使生产中断、井巷工程和生产设备损毁，同时，安全通道堵塞、通风系统破坏、有毒气体扩散、严重缺氧，会造成更多人员的伤亡 [1]。所以在抢险救灾时，工作人员被困在灾区而救援人员又无法靠近灾区时，设法尽快下井，通过井上救援钻孔建立直达灾区的通道进行施救是处理此类事故的常用且有效地方法。目前在煤矿救援的快速钻井技术方面有部分专家学者已经开始研究，他们主要集中在钻井机具方面，但在整个救援井系统研究方面相当匮乏，笔者在此文中将主要就此方面作系统研究。救援井的施工的主要要求

救援井在施工的技术的主要要求主要有三点：快速、准确、安全。

（1）较高的钻进速度。在进行煤矿的救援时时间是最宝贵的因素，尽可能快的建立井上与井下被困人员的联系是钻孔救援的最主要任务，用时越短越意味着营救的可能性越大，所以我们进行救援第一项就要考虑时间因素。

（2）较准确的中靶率。在进行钻井救援时要考虑另一个重要的因素就是中靶率，即要保证钻孔能够较为准确的打到预定位置，救出被困人员。目前在这方面主要采取了随钻测量技术，是的钻孔的准确率得到显著提高。（3）安全钻进。在进行救援井的钻探施工时，一方面要保证不发生钻孔事故，使钻进正常进行；另一方面要保证成孔不会漏水掉渣，对井下被控人员造成二次伤害。煤矿救援井技术系统

煤矿救援井技术系统是多种技术综合利用的结果，主要有快速钻井技术、随钻测量技术和下套管技术三大核心技术。在快速钻井技术中有气动潜孔锤冲击钻进技术，复合钻进技术；随钻测量技术主要有LWD／MWD技术；下套管技术在救援井方面主要就是跟管钻进技术。具体见图1：

救援井快速钻

井系统

快速钻井技术

随钻测量技术

跟管钻进技术

潜孔锤冲击钻进技术 复合钻进技术 LWD／MWD技

术

扩孔技术 根管技术

图1 煤矿救援井快速钻井系统技术结构图

Fig.1

Structure diagram of quick drilling system technology in mine rescue

2.1 快速钻井技术

最快的钻进速度应该是救援井快速钻井技术的核心。在目前钻井技术方面以冲击回转钻进和复合钻井技术的钻进速度最高。

2.1.1 气动潜孔锤冲击钻进技术

因为救援井要求钻孔要安全，不能对井下被困人员造成次生的伤害，所以在钻井液选择上主要选择气体冲洗液，潜孔锤钻进技术属于冲击钻进中较为成熟的技术，在工程钻进中已得到较为有效地应用。

潜孔锤钻进工艺，是利用压缩空气驱动潜孔冲击器活塞，以较大的冲击功和高频冲击潜孔锤钻头，同时在钻机转盘的带动下，钻头低速回转，使岩石破碎，所产生的岩屑被高压气流携带返至地表[2] [3]。潜孔锤具有钻井凿岩效率高，钻头寿命长，钻井质量好的特点。是一种高效钻井手段，在钻进中硬一硬岩层时，更有效。

由于潜孔锤结构性能不断改进和配套设施逐步完善，机械钻速大为提高，钻头和冲击器寿命延长，钻探成本显著降低。例如美国英格索兰公司的DHD系列潜孔锤，钻速最高可达40.84m／h(风压2.11MPa，风量24.92m／min，钻头直径152.4mm)[2]；大直径的DHD112型潜孔锤平均时效可达17.98m／h。2.2.2复合钻进技术

复合钻进就是转盘和井下动力钻具同时驱动钻头工作的一种钻井方式[4]。

据有关的资料显示，复合钻进用于油井的钻进的钻速可达15-25m/h，像这么快的钻进速率在煤矿救援井的钻井施工中是必须的，但目前复合钻进技术主要应用于油井的钻进，主要钻进一些孔径较小但较深的孔，这一点在进行较深矿井救援时将具有优势，所以加强对复合钻井的研究将更有利于深井的救援。06年塔河油田Φ311.2mm的TK1106大尺寸井眼应用快速钻进技术的钻探成功，使得复合钻进技术钻进成孔的孔径上迈进了一大步。这也使得复合钻进技术在煤矿救援快速钻井技术系统中更具更具研究价值。

并且近年有部分学者对涡轮复合钻进进行了研究，涡轮钻具的最大优点是不含橡胶件、耐高温(工作温度可达250~300℃),适用于深井、超深井和高温高压井的钻井作业[6]。2.2 随钻测量技术

所谓随钻测量技术，就是在正常的钻井条件下用仪器自动、连续、及时地测量井底附近的有关参数，并把这些参数传输到地面进行仪表显示、记录、打印的一种遥测技术。

利用实时采集的井下工程参数，如：钻压、扭矩、环空压力等，可以对井下复杂情况提前预测，并提醒钻井人员及时采取有效的补救措施，避免事态的进一步扩大，避免钻井事故的发生，从而达到节省钻井时间，提高钻井效率的目的。

随钻测井发展到今天，已经发展到了系列化、成套化的随钻测井装备，有随钻电法测井系列、随钻声波测井系列、随钻核测井系列，随钻地层压力、随钻核磁共振测井以及随钻地震等等。斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿、威得福等大的油田技术服务公司都已经开发出成套随钻测井装备。集成化的程度进一步提高，根据地层评价的需要可以选用不同的仪器组合力式，并坦能够满足各种不同的井眼尺寸[8] [9]。

2.3 跟管钻进技术

煤矿救援井的特点要求救援井一般必须下套管，以保证成孔后钻孔不会涌水掉渣而对井下被困人员造成二次伤害，加上一些救援井的地质状况较为破碎，在目前应用的主要是传统的下套管技术，例如在郑煤集团超化矿的救援施工中,钻孔纯钻进时间24小时52分钟,辅助时间(下套管、固井、上下钻具、安装设备等)8小时15分钟,事故处理(粘钻和二次封固表土层套管)16小时50分钟,从钻进效率上讲并不十分理想。所以加强对快速下套管技术的研究就相当重要。目前跟管钻井技术是最节省时间的一种技术，这正好是救援井所必须的。所以加强跟管钻进技术在救援井的研究和应用有十分重要的意义。

跟管钻进技术即为一种边钻进边下套管的技术，具体是在钻杆底部安装扩孔钻头，钻成的孔径比套管外径稍大,使套管同步随钻头下入孔内。套管无独立的驱动装置,为使套管能顺利跟进,在套管靴和钻具上安装上一种迫使套管跟钻头同步跟进的装置,跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用,而且钻进、排渣和护壁3个工序同时进行,使钻孔工作得以顺利进行。这样大大节省了下套管的时间，目前跟管钻进技术这要与上面介绍的潜孔锤冲击回转转进技术结合使用。主要结构组成见图2。

图2偏心跟管钻具结构组成图

Fig.2

Diagram of Pipe Drilling structure 主要有跟管套管、潜孔冲击器、跟管套靴、跟管钻头组成，跟管钻头一般为扩孔钻头，扩孔钻头的种类目前主要有偏心扩孔钻头、正反转扩孔钻头、可调式的扩孔钻头，因为偏心扩孔钻头耐冲击强度较高，所以目前在跟管钻进中应用较多，也取得了不错的效果。比如像07年都匀市的筑匀大厦塔楼的几个百米的勘探钻孔采用潜孔锤偏心跟管钻进技术节约施工工期30%左右。08年小浪底水利观测孔，上覆有50m左右的渣石层，在施工中对上覆渣石层采用潜孔锤跟管钻进技术，工期有原来的6-7天，缩短至一天。07年跟管钻进技术在龙滩电站应急支护工程中得到很好的应用。根据现有技术，目前根管技术主要应用于一些较浅的钻孔或深孔的浅部，应用于像救援井这种几百米的井孔技术还不太成熟，所以跟管技术在救援井的应用还处于研究阶段。2.4 技术系统研究

[11]像上面笔者提到的三大技术应该是目前在快速钻井方面最先进的技术，加强三种技术之间的融合，使之成为一个系统，最大限度的发挥系统的作用将是我们最重要的任务。例如现在跟管钻进技术已经与扩孔技术和冲击回转钻进技术很好的结合，随着煤矿开采深度的加深研究复合钻进技术与扩孔冲击回转技术的结合将同样重要，这本身就要加强研究根管技术的深部适用性。相比上两项技术，随钻测量技术相对独立，但要加强随钻测量技术与上述技术的链接钻具的研究，使之尽可能的靠近钻头，这样将更有效准确的反映井下状况，增加钻孔的中靶比例，节省钻孔时间。

另外，在具体的煤矿救援井实施时，并不意味着应用越多的先进准确快钻技术越有利。因为现在的这些准确快钻技术相对都不太成熟，特别是它们之间的协同性上，应用的越多越是意味着越大的风险。在工作中，我们应该根据救援煤矿的实际情况，比如灾害区域较浅，我们就可以在保证救援时间的情况下，主要应用一些较成熟的技术，保证整个救援过程的顺利进行。

06年美国油气杂志(OIL&GAS)发表编辑文章，介绍美国埃克森公司近期实施的快速钻井方法。该方法特别强调将近年来力学研究成果，综合性地应用到钻井实践中去。中心内容为，强调从设计上提高钻井速度，而非从工作进度上加快钻井速度。目前，这一技术使公司钻井速度提高50％～100％，钻井时间减少35％。近期又装置井底扭矩监测仪，以及随钻压力监测系统，以进一步提高了钻井速度

。救援钻机

煤矿救援钻机除上述的要求具有较高的钻进成井速度外，还要求有较高的机动能力和场地适应性，即要最短的时间开赴现场进行钻孔救援，目前还没有煤矿钻井救援的专用钻机，在救援中主要是选择一些机动性和技术较为先进的钻机进行。

在目前我国自主生产的最先进的钻机是石家庄煤矿机械公司2008年底研制生产的SMJ5510TZJ15/800Y型钻机，此钻机为液压顶驱动力头钻机，达到了世界先进水平，且相比引进的钻机价格也相对便宜。但目前在煤矿救援中应用的主要为国内公司引进的先进钻机。这些钻机基本都参与了救援经历，且都取得了不错的效果，比如在近期发生的内蒙古骆驼山煤矿透水事故中从德国宝峨公司引进RB50钻机，美国引进的T685WS钻机和T200XD都参与了钻井救援。表1为我国自主生产及引进的一些先进钻机技术统计：

表1 我国自主生产及引进的一些先进钻机技术统计

Table 2 Statistics of advanced drilling technology demestic or introduced from abroad

钻机 型号 平均 钻速（m/h）钻进能力(m)

钻孔直径(mm)

运移形式

运移 速度（km/h）

生产 单位

国内引 进单位 中煤大地、中煤地质总局、河南矿山救灾中心、鲁煤二队-------河南省煤田地质局、中煤地质

总局 中煤地质总局、山西煤田地质

局

救援实践（举例）

美国T685WS[13]

郑煤超化煤矿透水、金牛能源东庞煤矿突水-------20 400 190-500 车载 100 Schramm公司

SMJ5510TZJ15/800Y RB50 15-25 1000

石家庄煤机厂 德国宝峨公司 美国35 1500 91-1200 车载 120

2010神化骆驼山煤矿透水 2010神化骆驼山煤矿透水 T200XD >20 >1000

4结论及建议

（1）要加强采煤安全理论及实践方面的研究，使尽可能的少发生煤矿安全事故。（2）在矿井灾害的救援中，通过井上救援钻孔建立直达灾区的通道进行施救是处理此类事故的常用且有效地方法。

（3）加强快速钻井系统技术的研究，就是加强快速钻井技术的快速钻进、随钻测量和跟管钻进三大核心技术的系统研究。

（4）要认真的学习和大量的引进国际先进的快速钻井机具。同时努力的加快加强国内的快速钻井工具的研究。

参考文献

[1]隋旺华,王档良.矿井抢险救灾呼唤快速通道钻掘[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2006(3):4.[2]袁新民.潜孔锤钻进工艺及技术问题探讨.中国煤田地质,2007（6）：76-78.[3] 金鑫光，郭连红等.空气潜孔锤钻进工艺在基岩钻进中的应用分析[J].西部探矿工程，2003(10):105-106 [4] 张东海,刘俊山.复合钻井技术提高深井钻井速度[J].断块油气田,2003(6):79-82 [5] 吴虎,侯学军.TK1106井大尺寸井眼复合钻井技术的应用[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2007(1):13-15 [6] 冯定.涡轮钻具复合钻进技术[J].石油钻采工艺,2007(3):19-21

[7] 李巨龙,于宗仁.定向钻进技术[M].徐州:中国矿业大学，2008 [8]马哲.无线随钻测量技术的应用现状与发展趋势[J].石油钻探技术,2007(6)：112-115 [9]孟耀华,朱宝泉等.随钻测量技术的发展现状及前景展望[J].黑龙江科技信息，2005 杨坤

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作者简介 钱自卫（1986-），安徽蒙城人，现为中国矿业大学资源与地球科学学院硕士研究生，地质工程专业，从事煤矿灾害治理方面的研究。ziweidav@163.com