煤矿井下泥岩地层定向钻孔套铣打捞技术

管强盛

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

随着煤矿井下定向钻进技术的不断推广应用，定向钻孔钻遇的地层也越来越复杂多样，发生卡钻事故的情况也越来越多[1-3]。针对卡钻事故，一种利用专用套铣打捞钻具套取孔内事故钻具的套铣打捞技术开始得到广泛应用，但该技术目前多是在钻孔主层位为砂岩或完整煤层中取得了成功[4-5]，在泥岩地层，特别是大段泥岩地层中还未见成功应用。为此, 通过分析泥岩地层钻进技术特点并结合石油和地质领域针对泥岩地层采取的技术措施，研究总结了一套适用于煤矿井下泥岩地层的套铣打捞技术，应用该技术成功解决了新安煤矿孔深465 m，其中345～450 m 均为泥岩的顶板高位钻孔卡钻事故。为拓宽套铣打捞技术在煤矿井下卡钻事故中的应用范围，同时为煤矿井下定向钻进技术的应用提供更好更全面的技术保障。

1 泥岩地层套铣打捞技术

1.1 泥岩地层套铣打捞技术难点

泥岩，由于其自身天然成分的原因，其具有水化膨胀性强、强度低、黏弹性强的特点，在套铣打捞过程中主要存在以下几方面的技术难点[6-8]：

1）由于泥岩黏弹性强，在套铣打捞过程中，由于钻具的旋转与软泥岩孔壁表面发生强烈的剪切作用，使得这部分泥岩颗粒越来越细，比表面积增大，引起泥岩黏滞力增强和摩擦阻力增大，导致钻具回转阻力大。

2）由于泥岩易水化膨胀，而套铣打捞过程中的排粉介质恰恰是清水，在水的浸泡和冲刷作用下，钻孔极易出现缩径或坍塌的情况，导致套铣钻具容易被卡。

3）由于泥岩强度低，无法支撑套铣打捞时孔壁重新分布的围岩应力，会加剧泥岩缩径的情况。

综上，泥岩地层套铣打捞存在的技术难点主要表现为套铣钻具回转阻力大和缩径坍塌易导致二次卡钻的问题。

1.2 泥岩地层套铣打捞技术

由于受限于煤矿井下特殊的安全要求和场地限制，石油或地质行业普遍采用的抑制泥岩水化膨胀、平衡地层压力、降低钻具与孔壁摩阻的钻井液或泥浆则无法使用，那么要解决泥岩地层套铣打捞存在的问题，目前只能是从施工工艺的角度来解决。有鉴于石油和地质行业的施工技术，并结合以往在煤矿井下复杂地层的施工经验[9-12]，提出了2 种应对技术。①短扫孔：在泥岩地层，借鉴石油上“短起下钻作业”技术，通过短扫孔，及时修正孔壁，扫掉因水化膨胀和受围压挤压移动的泥岩，保证钻孔孔径，也能将因水化剥落的掉块及时排出孔外，根据套铣打捞过程中回转阻力的变化情况，每15 m 左右进行1次短扫孔；②扩孔技术：针对泥岩地层，特别是大段泥岩地层，由于泥岩孔段加长，套铣钻具与孔壁间的摩阻必然增大，仅仅通过短扫孔作业将很难使钻具回转阻力维持在一个安全范围，这时候就必须通过扩孔技术将钻孔扩大至更大一级，一方面减小钻具与孔壁的接触面积，另一方面增大环空间隙，保障孔内畅通。

扩孔技术根据钻孔深度可以采用全孔扩孔或局部偏心扩孔2 种形式。①全孔扩孔：采用常规套铣钻头，操作简单，但需要从孔口开始进行扩孔套铣，套铣工作量大；②局部偏心扩孔：采用偏心套铣钻头，该钻头有两同心不等径切削面，不回转情况下，可以下入孔径不小于钻头外径的钻孔，回转情况下，可以将钻孔扩大至偏心钻头大半径切削面所切削的孔径，起到偏心扩孔的目的，但该钻头外形近似椭圆，下钻过程中下钻速度控制不当的话，容易造成大半径部分突然接触孔壁而出现下钻遇阻的情况，另外，钻头切削面不等径的情况下，回转套铣时，回转速度控制不当导致大半径切削面切削齿突然接触孔壁容易出现切削齿崩落的情况，因此，偏心套铣扩孔不适宜长距离连续使用，建议使用长度不超过30 m。偏心套铣钻头结构示意图如图1。

图1 偏心套铣钻头结构示意图Fig.1 Structure diagram of eccentric sleeve bit

2 现场应用

2.1 事故钻孔介绍

新安矿16 大巷施工顶板高位钻孔期间，1 号钻孔钻进至孔深465 m 时发生卡钻事故，其中345～450 m 为泥岩孔段，钻进过程中塌孔现象严重，分析本次卡钻应是由于泥岩段缩径和坍塌导致的。卡钻事故发生后经过“强力回转起拔”工艺处理无效，决定采用套铣打捞技术进行处理，事故钻具组合为：φ120 mm 定向钻头+φ89 mm 螺杆马达（4.7 m）+φ89 mm 测量系统（7 m）+φ89 mm 通缆钻杆（453 m）。1号孔钻孔剖面轨迹如图2，1 号孔钻孔轨迹平面图如图3。

图2 1 号孔钻孔剖面轨迹Fig.2 Sectional view of No.1 borehole

2.2 套铣打捞施工

2.2.1 套铣打捞施工技术措施

图3 1 号孔钻孔轨迹平面图Fig.3 Top view of No.1 borehole

通过分析钻孔轨迹并结合施工记录和施工人员对事故情况介绍，根据提出的泥岩地层套铣打捞技术，现场制定了针对性的套铣打捞技术措施，主要技术措施如下：①采用“φ153 mm 套铣钻头+φ127 mm套铣钻杆”钻具组合进行套铣打捞；②套铣打捞进入泥岩地层后根据套铣回转压力变化，选择每15 m左右进行1 次短扫孔作业；③当短扫孔作业对降低回转压力效果较差而无法继续套铣时，采用全孔套铣扩孔技术继续套铣，扩孔钻具组合为“φ168 mm套铣钻头+φ127 mm 套铣钻杆”；④套铣打捞过程中，仍视回转压力变化进行短扫孔作业，选择每9～15 m 进行1 次短扫孔；⑤采用φ168 mm 套铣钻具组合套铣回转压力无法控制在安全范围时，换用局部偏心套铣钻具组合进行套铣，偏心套铣钻具下钻受阻时开始回转套铣，钻具组合为“φ168 mm 偏心套铣钻头+φ127 mm 套铣钻杆”。

2.2.2 套铣打捞实施

1）0～340 m 孔段。0～340 m 孔段地层为粗砂岩，地层较稳定，采用φ153 mm 套铣钻具组合进行套铣打捞，初始回转压力为6 MPa，60 m 后每套铣钻进30 m 回转压力增加约1 MPa，240～340 m 套铣回转压力稳定在13 MPa，套铣过程中回转压力变化正常。

2）340～403 m 孔段。孔深340 m 之后进入泥岩地层，随着进入泥岩段的长度增加，套铣钻具回转压力开始逐渐增加，并持续高于15 MPa，开始进行短扫孔作业，每套铣钻进15 m 进行1 次短扫孔，其中，340～355 m 区间，通过短扫孔作业使回转压力由15 MPa 降至13 MPa，355～370 m 区间回转压力由18 MPa 降至13 MPa，370～385 m 区间回转压力由19 MPa 降至15 MPa，385～403 m 区间回转压力由20 MPa 降至19 MPa，压力数值取扫孔区间压力的平均值。由此可以看出，340～385 m 段，采用段扫孔作业后回转压力降低明显，效果比较好，但到385 m后回转压力在扫孔前后差别减小，且扫孔后回转压力仍超过15 MPa，此时短扫孔起到的作用已不大。分析其原因是套铣钻具进入泥岩孔段过长，通过短扫孔能对前端泥岩孔段进行修正，但后端泥岩孔段在水的浸泡下再次出现缩径现象，钻孔环空减小，造成套铣钻具回转阻力增大。

3）403～438 m 孔段。采用φ153 mm 套铣钻具组合套铣钻进至403 m 后，通过短扫孔作业已无法有效降低套铣钻进回转压力，决定换用φ168 mm 套铣钻具组合进行套铣扩孔，同时结合实际情况配合短扫孔作业。φ168 mm 套铣钻具0～390 m 套铣回转压力稳定变化，回转压力只由10 MPa 增大至13 MPa，390～405 m 回转压力逐渐升高至18 MPa，通过短扫孔作业，将回转压力降至13 MPa，405～420 m，回转压力由20 MPa 降至16 MPa，420～435 m，回转压力由20 MPa 降至17 MPa，435～438 m，回转压力由22 MPa 降至20 MPa，短扫孔已起不到作用。

4）438～446 m 孔段。考虑距穿过泥岩段的距离只有12 m，决定换用φ168 mm 偏心套铣钻头继续套铣。φ168 mm 偏心套铣钻头外径为φ168 mm，其中大半径为89 mm，小半径为79 mm，在不回转的情况下钻头可以下入经φ168 mm 套铣钻头套铣过的钻孔，在回转情况下，不考虑钻孔扩大率时能将钻孔扩大至178 mm，能明显提高钻孔环空间隙。采用φ168 mm 偏心套铣钻头+φ127 mm 套铣钻杆钻具组合下钻至孔深420 m 时下钻阻力增大，开始采用回转套铣，套铣钻进至446 m 后回转压力出现明显减小，由17 MPa 突然降至14 MPa，并伴随跳动幅度增大情况，可观察到孔内事故钻具随套铣钻具一同转动，判断已成功解卡，提钻将孔内套铣钻具及事故钻具全部提出。

从以上套铣过程可以清晰看出，在泥岩地层通过短扫孔和扩孔技术能够明显降低套铣钻具回转阻力，保障套铣钻进顺利实施，为成功解决泥岩地层套铣打捞难题提供可靠技术保障。

3 结 语

1）合理应用套铣打捞技术能够解决泥岩地层这种复杂地质条件下的钻孔卡钻事故，能够为套铣打捞技术的广泛应用提供有力支撑。

2）在泥岩地层套铣打捞过程中，随时根据套铣回转压力变化进行短扫孔作业，及时的短扫孔作业能有效降低钻具回转压力，建议每15 m 左右进行1次短扫孔作业，根据回转压力变化适当调整短扫孔作业间距。

3）在短扫孔作业基础上，根据孔深合理选择套铣扩孔方法，建议距目标点30 m 以内时选择采用偏心套铣方法，距目标点距离较远时采用全孔套铣方法，做到既保证钻具安全又减少套铣扩孔工程量。