0 引 言
为降低矿井掘进率，增加资源采出率，尽可能减少搬家倒面，缓解工作面接续紧张状况，现阶段综采工作面推采长度不断增加，多数煤矿工作面推采长度达3 000 m以上。在煤矿区域瓦斯治理中，一般在工作面形成前，从其两侧的盘区大巷向工作面内部沿走向施工顺煤层定向长钻孔进行瓦斯抽采，并要求两侧钻孔能够全面覆盖工作面，避免因钻孔深度不够造成工作面中间部位出现抽采盲区，从而大幅度提高工作面瓦斯抽采效率，有效缓解工作面抽-掘、抽-采接替矛盾[1]。
超长工作面瓦斯大区域超前治理，要求顺煤层定向钻孔深度普遍达到1 800 m以上，为实现该目标，2017年在保德矿二盘区81210工作面成功试验完成了2个深度2 000 m以上的顺煤层超深定向钻孔，最大钻孔深度达到2 311 m、孔径120 mm，创造了当时井下定向钻孔孔深世界纪录[1-3]。
但在后期的生产中，随着定向钻杆服役期限延长，其中心通缆密封零件逐渐出现老化、变形等现象，导致随钻测量信号传输能力逐渐降低，最终难以满足实际生产需要[4]；另外，现有的单弯无稳螺杆钻具在复合钻进中对钻孔轨迹倾角、方位角保持效果良好，钻孔轨迹基本呈直线延伸，这样便需要一定量的滑动钻进进尺来纠正轨迹，但过多的滑动定向进尺不利于实现深孔与高效钻进[5-6]。
针对上述2个问题，此次工程示范分别采用泥浆脉冲无线随钻测量系统与复合钻进倾角控制技术，成功完成了深度2 570 m顺煤层超深定向钻孔，再次创造了井下定向钻孔最深世界纪录，对于促进井下超长工作面瓦斯治理技术发展具有重要意义[7]。
1 工程概况
为实现保德煤矿超长工作面煤层瓦斯超前治理，此次工程示范在总结原2 311 m超深定向钻孔成功经验的基础上，通过技术改进、完善，解决有线系统信号传输以及滑动钻进影响钻进深度和效率的问题，使顺煤层超深定向孔深度普遍能够达到2 000 m以上，工程示范目标深度达到2 500 m以上。
1.1 工作面概况
钻孔布置在保德煤矿二盘区规划的81209工作面，该工作面为远期规划工作面，基本沿南北走向，呈东高、西低趋势；工作面规划区走向长度约3 340 m，倾向长240 m，位于二叠系山西组下部，开采8号煤层，煤层厚约8 m，走向两端的盘区大巷已形成，为超深定向孔施工提供了良好条件。
该工作面煤层原始瓦斯含量为4.87～8.96 m3/t，钻孔所在81209工作面推算原始瓦斯含量为8.48 m3/t。工作面直接顶为砂质泥岩，灰色至深灰色，水平层理，层厚约8 m，可作为钻孔探顶的标志层；伪底为灰褐色薄层泥岩，遇水膨胀变软，厚0.10～0.20 m，直接底为泥岩、砂质泥岩，半坚硬，泥质胶结，厚2.0 m，可作为钻孔探底的标志层。
1.2 钻孔设计
钻场位于保德矿81209工作面北侧的五盘区集中一号回风大巷，钻孔设计长度2 500 m，水平至81209工作面运输巷平距约42 m，钻孔水平位移约135 m，如图1所示。
图1 2 500 m超深钻孔平面设计
Fig.1 Plane design of 2 500 m ultra-deep borehole
1.3 施工装备配套
根据以往超深定向孔施工经验，选配ZDY12000LD大功率定向钻机，该钻机最大输出转矩12 000 N·m、给进/起拔力250 kN，可满足滑动定向钻进、回转定向钻进以及复合定向钻进等多种钻进工艺要求[8]；配套BLY460/13泥浆泵车可实现泵量0～460 L/min无级调节，泥浆泵额定输出压力13 MPa[9]；采用YHD2-1000有线随钻测量系统，装备配套ø89 mm通缆定向钻具，定向钻进一次成孔ø120 mm，具体配套如下：
定向钻机ZDY12000LD泥浆泵车BLY460/13随钻测量装置YHD2-1000(A)螺杆马达直径/mm89定向钻杆直径/mm89定向钻头直径/mm120
2 泥浆脉冲无线随钻测量系统
为解决通缆钻杆影响有线随钻测量系统信号传输质量问题，利用YHD3-1500泥浆脉冲无线随钻测量系统进行施工，并对泥浆脉冲无线随钻测量系统在超深钻孔中信号传输的稳定性进行检验。
YHD3-1500泥浆脉冲无线随钻测量系统总体分为孔口单元和孔底单元，其中孔底单元由测量短接、电池筒、驱动、脉冲发生器、过滤钻杆等组成，孔口单元包括：防爆计算机、防爆键盘、防爆存储器、压力变送器以及随钻测量软件等[11-12]。
泥浆脉冲无线随钻测量系统工作流程如图2所示，单回次钻进完成后，停止泥浆泵向钻杆内供水，测量短接的流量开关复位，探管判断确认停泵，开始采集钻孔轨迹倾角、方位角以及工具面向角等参数并进行编码；当泥浆泵启动向孔内供水时，测量短节流量开关打开，探管判断确认开泵，将测量的数据传递给驱动短节，驱动短节根据数据信号编码控制电磁阀的动作使脉冲发生器改变钻杆内水力通道的流道面积，限制部分冲洗液流入钻杆内通孔，从而产生泥浆压力正脉冲，并被安装在泥浆泵的出水口的压力变送器检测出来，传递到防爆计算机，防爆计算机内系统软件按预先设定的编码规则对压力脉冲信号进行解调，得出正确的钻孔轨迹和定向钻具状态数据。数据传输完成后，探管测量短节自动停止供电，脉冲发生器复位钻具内部通道恢复原状，泥浆泵压力恢复到正常值，开始正常钻进[11-12]。
图2 井下泥浆脉冲随钻测量系统工作流程
Fig.2 Workflow diagram of downhole mud pulse while drilling measurement system
井下泥浆脉冲随钻测量系统采用水压脉冲的方式进行信号传输，摆脱了测量系统信号传输对通缆钻杆的依赖，但是当前井下泥浆脉冲随钻测量系统最大传输距离仅为1 566 m[13-14]，能否满足2 500 m以上钻孔随钻测量有待现场验证。
3 超深孔高效定向钻进工艺
3.1 复合定向钻进技术
当前煤矿井下随钻测量定向钻进技术主要是基于螺杆钻具孔底动力碎岩。早期井下定向钻进采用纯滑动定向钻进工艺，钻进过程中泥浆泵泵送高压水通过钻杆内通孔进入螺杆马达，从而驱动螺杆马达转子带动钻头旋转碎岩，同时钻机推动钻具向孔内滑动，这样螺杆钻具弯头保持稳定朝向，实现钻孔轨迹连续人工定向控制，因此它是一种连续造斜的定向钻进技术。滑动定向钻进工艺具有钻孔轨迹平滑性差、钻孔排渣效果差等局限性，相比较传统回转钻进，滑动定向钻进孔内钻具摩阻显著增大、钻压传递效率大幅降低，钻进系统压力随孔深增加快速升高，不利于深孔安全、高效钻进[15-16]。
为了解决滑动定向钻进的技术局限，提出了复合钻进，复合钻进过程中螺杆马达转子带动钻头旋转碎岩，钻机施加轴向给进力的同时还带动钻杆进行回转。相对滑动定向钻进而言，复合钻进钻头转速更高、碎岩动力更强、辅助作业更简单，因此综合钻进效率更高；同时，复合钻进钻具的持续转动发挥着辅助排渣作用，孔内钻屑堆积更少、孔壁更加光滑，复合钻进孔段弯曲强度显著降低，从而有效低了孔内钻具摩阻力，提高了深孔钻进钻压传递效率，降低了钻进风险[15-16]。
复合钻进过程中，钻杆的持续转动导致螺杆钻具弯头朝向不断变化，因此无法进行钻孔轨迹控制，通过力学计算以及试验数据分析得知，采用单弯无稳螺杆钻具在复合钻进时钻孔轨迹倾角、方位角基本保持不变，钻孔保直效果良好，为了充分发挥复合钻进技术优势，同时实现定向钻进，利用复合钻进轨迹自然弯曲规律，形成了“滑动纠偏+复合保直”的钻进工艺技术，即复合定向钻进技术[5-6,16]。
3.2 复合定向钻进倾角控制技术
现有复合定向钻进技术的滑动纠偏，既包括方位角的纠偏，也包括倾角的纠偏。为实现井下定向钻孔深度的更大突破，在保证钻孔轨迹控制精度的情况下，应尽量增大复合钻进进尺比例，为了实现这一目标，提出了复合钻进倾角控制技术，即利用复合钻进代替滑动钻进进行倾角纠偏控制。倾角控制包括增倾角、降倾角和稳倾角3种工况。
3.2.1 增倾角控制机理
为了实现复合钻进增倾角，对现有单弯无稳螺杆钻具结构进行改进，如图3所示，新螺杆钻具定子弯接头上设置1个螺旋稳定器，直径ø114 mm，略小于定向钻头。根据煤矿井下近水平钻孔回转钻进岩屑对钻孔轨迹弯曲影响的“岩屑楔”理论，在以较高的钻进速度和较低的钻杆转速钻进时，钻屑粒径、钻屑量增大，易在钻孔下缘发生堆积，当工具面旋转至(0°，90°)和(270°，360°)区间时，螺杆弯头朝上，稳定器受堆积钻屑的支撑形成支点，增加钻头向上造斜的趋势，当工具面旋转至(90°，270°)区间时，受钻屑支撑作用，限制了钻头向下侧向切削能力，从而总体上产生了增倾角的效果[17]。
图3 新型螺杆钻具结构示意
Fig.3 Structural sketch of new screw drill tool
3.2.2 降倾角控制机理
复合钻进中，螺杆钻具在转动过程中，弯头朝向周期变化，工具面向角旋转至(90°，270°)区间时，钻头正面切削孔底煤岩体的同时，钻具组合在重力作用下，钻头外出刃[18-20](图4)会切削孔壁下缘煤岩体，使钻孔有向下偏斜的趋势，此时可以通过降低钻进速度、提高钻杆回转速度的方法，提高钻头下切位移量与正向进尺量的比值，从而达到降低钻孔倾角的目的。
图4 ø120 mm定向钻头结构示意
Fig.4 Structural sketch of 120 mm directional drill bit
3.2.3 稳倾角控制机理
增倾角控制的“低转速、高钻速”工艺特点与降倾角控制的“高转速、低钻速”正好相反，因此它们之间必然存在一个稳倾角的中间状态。
4 施工情况及效果分析
2019年1月，在保德煤矿81209工作面，历时20天，成功完成了主孔深度2 570 m的顺煤层超深定向钻孔，又一次创造了井下顺煤层定向钻孔孔深纪录。单孔施工总进尺3 164 m，开分支孔9个，钻孔探顶8次、探底4次，煤层钻遇率97%，孔径120 mm，正常钻进情况下平均日进尺达到200 m以上，钻孔轨迹剖面如图5所示。
1-1—1-9为分支孔编号
图5 2 570 m顺煤层超深定向钻孔轨迹剖面
Fig.5 Track Profile of ultra-deep directional borehole drilling along coal seam of 2 570 m
4.1 关键装备适应性分析
4.1.1 钻机
钻进过程中，钻机主要作用是提供回转动力和给进、起拔力。当孔深达到2 000 m以上时，钻机复合回转压力、滑动给进压力和复合给进压力最高分别为14、26和6.1 MPa，除了滑动给进压力接近极限压力28 MPa，其他2项参数均有较大的富余量，分别达到50%和78%。
4.1.2 泵车
泥浆泵流量和压力随孔深变化如图6所示，在等流量条件下，受沿程阻力影响，泥浆泵压随孔深增加基本呈线性增长，当孔深达到1 700 m时，泥浆泵压接近额定值压力13 MPa，为避免泥浆泵压力达到极限，将流量下调至300 L/min以下，孔深达到2 100 m以上时钻进流量稳定在250 L/min，能够满足钻进及排渣需要。
图6泥浆泵泵量和压力随孔深变化曲线
Fig.6 Variation curves of pump volume and pressure of mud pump with hole depth
4.1.3 测量系统
钻进开始采用YHD2-1000(A)有线随钻测量系统，当钻进至1 824 m时，受通缆钻杆影响，有线随钻测量系统已无法稳定传输信号，信号电压随孔深变化曲线如图7所示，信号衰减系数为新钻杆的2.65倍[1]。
图7 信号电压随孔深变化曲线
Fig.7 Signal voltage variation curve with hole depth
随后起钻更换YHD3-1500泥浆脉冲无线随钻测量系统并完成后续孔段施工，成功测量至2 570 m，期间测量解调误码率低于3%，信号传输稳定。
4.2 复合钻进效果分析
通过试验得出利用复合钻进动力头转速和给进速度的调节实现钻孔轨迹倾角的调节模式。根据试验数据，在煤层中，当复合钻速高于60 r/min、给进速度低于0.25 m/min，倾角降低；当复合钻速低于40 r/min、给进速度低于0.4 m/min，倾角上升；当复合钻速约40 r/min、给进速度约0.3 m/min，倾角基本保持不变。复合钻进控制倾角造斜率可以达到0.15°/m，完全可以满足定向钻进轨迹控制的需要。
通过复合钻进倾角控制，复合钻进比例明显提高，该钻孔复合钻进占比达到76%，较2 311 m钻孔提高11%，回转压力也由19 MPa降低至14 MPa，有效降低了钻进摩阻。
4.3 瓦斯抽采数据分析
钻孔施工过程中，定期对钻孔的瓦斯涌出量进行统计，如图8所示，随着钻孔深度增加，钻孔瓦斯涌出量也逐渐增大。
图8 瓦斯流量随孔深增加变化趋势
Fig.8 Trend of gas flow rate with increase of hole depth
5 结 论
1)采用大功率定向钻进装备及泥浆脉冲无线随钻测量系统，配合使用复合定向钻进工艺完成了煤矿井下2 570 m顺煤层超深定向钻孔，对于解决超长工作面瓦斯超前治理提供了可靠的技术与装备保障。
2)通过优化螺杆钻具结构及调整钻进工艺参数实现了复合钻进倾角有效控制，提高了复合钻进孔段长度占比，使钻进系统压力明显降低，对超深孔安全、高效钻进发挥了重要作用。
3)对超深孔施工关键装备适应性分析可知，除了钻机滑动给进压力接近极限外，其他压力参数均有较大的富余量，说明该套技术装备能满足2 500 m超深定向钻孔施工要求。
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