專利名稱：煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法
煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤層頂板瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，利用孔底回轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆具和專 用造斜器進(jìn)行煤層頂板下向梳狀分支孔施工，可達(dá)到“一孔多用”的目的，實(shí)現(xiàn)“采前、采動(dòng)、 采后”綜合抽采瓦斯，大大提高鉆孔抽采瓦斯的效率。
二、背景技術(shù)我國(guó)是一個(gè)以煤為主的能源消費(fèi)大國(guó)，幾乎95%的煤炭資源來(lái)自井下開(kāi)采，煤層賦存 條件復(fù)雜多變，瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、頂板冒落等動(dòng)力災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生。在煤礦 頂板、瓦斯、水害三大災(zāi)害中，瓦斯事故在重特大事故中占有比例最高，瓦斯災(zāi)害是制約煤 礦生產(chǎn)的最大威脅。在我國(guó)可采煤層中，松軟低透煤層占有絕對(duì)比例，且隨著煤礦開(kāi)采深度 的不斷延伸，這一比例還將增大，煤礦井下作業(yè)的工況條件愈加復(fù)雜，施工人員受到的安全 威脅也越來(lái)越嚴(yán)重。松軟煤層由于結(jié)構(gòu)松散，在本煤層鉆進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)噴孔、瓦斯突 出、孔壁坍塌等孔內(nèi)事故，鉆孔深度受到很大限制，嚴(yán)重制約煤礦安全生產(chǎn)，影響掘進(jìn)或采 煤效率。
三、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是研制一種煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，主要針 對(duì)松軟煤層鉆進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)噴孔、瓦斯突出、孔壁坍塌等孔內(nèi)事故等特點(diǎn)，專門提出一 種沿煤層下布置多分支梳狀鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采的鉆進(jìn)成孔工藝方法，針對(duì)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、 容易推廣，可極大地提高頂板高位定向鉆孔抽采瓦斯的效率，為松軟突出煤層瓦斯抽采鉆 孔的布置方式提出了新的思路。
本發(fā)明提出沿煤層頂板布置近水平高位定向長(zhǎng)鉆孔，并在近水平定向孔中由孔底 向孔口布置向下多分支梳狀鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，其鉆孔抽采瓦斯目的有兩方面，第一方面 時(shí)保證井下作業(yè)安全；第二方面是將抽采的瓦斯輸送到地面作為潔凈能源加以利用，可避 免松軟突出煤層直接鉆孔事故多、效率低、深度受限的一系列難題，為松軟突出煤層瓦斯抽 采鉆孔的布置方式提出了新的思路。不僅能夠提高我國(guó)煤炭資源的開(kāi)采能力，而且能夠避 免或減少重大災(zāi)害事故的發(fā)生，對(duì)于保障我國(guó)煤炭的安全高效開(kāi)采具有重要意義。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是(為了理解方便，請(qǐng)同時(shí)參看附圖及附 圖說(shuō)明，圖中標(biāo)號(hào)放在括號(hào)內(nèi))煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，其特征在于利用孔底回轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆具和 專用封隔造斜器(3)進(jìn)行煤層頂板(II)下向梳狀分支孔施工，施工方法如下步驟a.在開(kāi)采工作面停止線附近巷道頂板(II)內(nèi)布置鉆場(chǎng)，在煤層頂板(II)內(nèi)開(kāi)孔，開(kāi)孔 方位指向工作面走向；鉆孔鉆進(jìn)15m提鉆、擴(kuò)孔，并安裝封孔管(5)、防噴及氣水分離器(6)， 封孔管( 長(zhǎng)度根據(jù)圍巖性質(zhì)確定；b.安裝完封孔管( 后進(jìn)行近水平定向鉆進(jìn)，采用孔底馬達(dá)，配套隨鉆測(cè)量裝置進(jìn)行 軌跡控制，使鉆孔軌跡盡量按照設(shè)計(jì)方向在頂板(II)裂隙帶范圍內(nèi)水平延伸，直到主孔設(shè) 計(jì)深度終孔；c.主孔終提鉆后，從主孔下入專用封隔造斜器( 直到孔底，然后再將封隔造斜器(3)提至第一個(gè)強(qiáng)制造斜點(diǎn)，調(diào)整封隔造斜器C3)斜面和鉆頭工具面方向，使其造斜面朝下方， 采用小直徑大彎角的孔底馬達(dá)(4)進(jìn)行造斜鉆進(jìn)，使鉆孔軌跡保持最小半徑延伸直到煤層 (I )，為盡量避免煤層(I )中卡埋鉆具，應(yīng)嚴(yán)格控制穿煤深度，終孔后必要時(shí)可用高壓空 氣沖洗鉆孔；采用“后退式”鉆進(jìn)分支法，同上操作依次完成其它分支孔，最終形成一組多分 枝梳狀鉆孔形狀。
d、最后起鉆，在封孔管( 上安裝瓦斯抽采管路相互連通，完成一組從煤層頂板 (II)下向梳狀多分支孔的施工。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案還包括所述的煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，其特征在于鉆場(chǎng)布置在煤層頂 板(II)中，主孔(1)直接從煤層頂板(II)開(kāi)孔點(diǎn)(A)開(kāi)孔，全孔采用孔底馬達(dá)(4)配合隨鉆 測(cè)量裝置進(jìn)行定向，嚴(yán)格控制鉆孔軌跡的上下偏差，確保軌跡在頂板(II)穩(wěn)定巖層里延伸； 鉆孔各個(gè)分支孔(2)為向下分布，采用專用封隔造斜器(3)引導(dǎo)小直徑大彎角孔底馬達(dá)(4) 和專用鉆頭進(jìn)行造斜分支，分支孔(2)進(jìn)入煤層(I )(目標(biāo)層)后終孔，煤層(I )條件較好 時(shí)可適當(dāng)延長(zhǎng)孔深；分支孔(2)以向下為主，數(shù)量不少于5個(gè)，曲率半徑R=50 IOOm之間。
所述的煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，其特征在于鉆進(jìn)沖洗液采 用無(wú)固相可降解型鉆井液，其性能要求為鉆井液切力5 20Pa，塑性粘度控制在8 40mPaS可調(diào)；漿液塑性粘度在1天時(shí)間內(nèi)保持40 25mPaS，之后的2 3日內(nèi)自動(dòng)地降至 5mPaS以下，滲透速率達(dá)到200ml/h。
下面換一個(gè)方式來(lái)描述1.利用孔底回轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆具和專用造斜器進(jìn)行煤層頂板下向梳狀分支孔施工，施工方法 包含如下步驟a.在開(kāi)采工作面停止線附近巷道頂板內(nèi)布置上山鉆場(chǎng)，在煤層頂板內(nèi)開(kāi)孔，開(kāi)孔方位 指向工作面走向；鉆孔鉆進(jìn)15m提鉆、擴(kuò)孔，并安裝封孔管、防噴及氣水分離器，封孔管長(zhǎng)度 根據(jù)圍巖性質(zhì)確定；b.安裝完封孔管后進(jìn)行近水平定向鉆進(jìn)，采用孔底回轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆具配套隨鉆測(cè)量裝置進(jìn) 行軌跡控制，使鉆孔軌跡盡量按照設(shè)計(jì)方向在頂板裂隙帶范圍內(nèi)水平延伸，直到主孔設(shè)計(jì) 深度終孔；C、主孔終提鉆后，從主孔下入專用造斜器直到孔底，然后再將造斜器提至第一個(gè)強(qiáng)制 造斜點(diǎn)，調(diào)整造斜器斜面和鉆頭工具面方向，使其造斜面朝下方，采用小直徑大彎角的孔底 馬達(dá)進(jìn)行造斜鉆進(jìn)，使鉆孔軌跡保持最小半徑延伸直到煤層，為盡量避免煤層中卡埋鉆具， 應(yīng)嚴(yán)格控制穿煤深度，終孔后必要時(shí)可用高壓空氣沖洗鉆孔；采用“后退式”鉆進(jìn)分支法，同 上操作依次完成其它分支孔，最終形狀如圖1所示一組多分枝梳狀鉆孔。
d、最后起鉆，在封孔管上安裝瓦斯抽采管路，完成一組從煤層頂板下向梳狀多分 支孔的施工。
2.本發(fā)明采用一種無(wú)固相可降解鉆井液，可在鉆孔過(guò)程中進(jìn)行護(hù)壁，防止鉆孔塌 孔，鉆孔形成后可在一定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)降解，疏通煤層瓦斯涌出通道，不影響煤層瓦斯抽 采。鉆井液切力5 20Pa，塑性粘度控制在8 40mPaS可調(diào)；漿液塑性粘度在1天時(shí)間 內(nèi)保持40 25mPaS，之后的2 3日內(nèi)自動(dòng)地降至5mPaS以下，滲透速率達(dá)到200ml/h。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)(優(yōu)點(diǎn)和效果)松軟突出煤層由于本煤層順層鉆孔成孔困難，多采用頂板高位巷、頂板高位鉆孔或底 板穿層鉆孔等進(jìn)行瓦斯抽采。采用頂板高巷道抽采法，由于巷道施工成本高、周期長(zhǎng)，大大 增加了抽采成本和影響開(kāi)采效率；采用頂板高位鉆孔或底板穿層鉆孔抽采法，一般都需要 在煤層頂板或底板施工專用巷道或鉆場(chǎng)，輔助巷道的施工也帶來(lái)了成本增加和周期延長(zhǎng)。 采用本發(fā)明提出的層頂板下向梳狀多分支孔，可在開(kāi)采煤層工作面直接開(kāi)孔，不用專門施 工輔助巷道，大大降低了施工成本。鉆進(jìn)過(guò)程中采用無(wú)固相可降解型鉆井液提高鉆孔目標(biāo) 層位的成孔率，且采用了水平定向和多分支均勻布孔方式，可大大保持了原有瓦斯的濃度 和提高了瓦斯抽采效率。
四

附圖1是本發(fā)明一組煤層頂板下向多分支梳狀瓦斯抽采鉆孔的施工原理圖。 附圖2是圖1中分支點(diǎn)局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖3是本發(fā)明的封孔管及汽水分離器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)及符號(hào)說(shuō)明1.表示主孔，2.分支孔，3.封隔造斜器，4.孔底馬達(dá)，5. 封孔管，6.汽水分離器；I .煤層，II.頂板，III.未采區(qū)，IV.采動(dòng)區(qū)，V.采空區(qū)，A.開(kāi) 孑匕點(diǎn)。
五具體實(shí)施方式
下面參照附圖并結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明 本發(fā)明涉及一種煤層頂板下向多分支梳狀瓦斯抽采孔鉆進(jìn)工藝方法，它是采用孔底馬 達(dá)4配合隨鉆測(cè)量裝置進(jìn)行軌跡控制鉆進(jìn)的工藝方法，主孔采用孔底馬達(dá)4實(shí)現(xiàn)全孔定向， 不斷調(diào)整鉆孔軌跡使主鉆孔軌跡盡快趨于水平，并在預(yù)測(cè)裂隙帶范圍內(nèi)保持水平延伸；利 用專用封隔造斜器3控制分支鉆孔的分支點(diǎn)，采用“后退式”鉆進(jìn)分支法，依次完成下向分 支孔的施工，形成一組從煤層I頂板II下向多分支梳狀鉆孔。
φ.鉆孔布置層位的確定鉆進(jìn)前先根據(jù)地層資料確定鉆孔主孔層位，要求主孔1在煤層頂板II里延伸。
②·幵孔并安裝孔口管根據(jù)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)要求，確定開(kāi)孔點(diǎn)A (參見(jiàn)圖1)、傾角和方位角，利用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆進(jìn) 15m提鉆，然后利用擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)至鉆孔孔底提鉆，安裝封孔管5并利用聚氨酯對(duì)封孔管5進(jìn) 行封孔。為避免鉆進(jìn)過(guò)程中鉆場(chǎng)瓦斯超限，需連接汽水分離器6實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)、邊分離氣和 水、邊抽采瓦斯，確保鉆進(jìn)安全。
③·主孔的軌跡控制封孔后開(kāi)始進(jìn)行主孔1鉆進(jìn)，采用孔底馬達(dá)4配套隨鉆測(cè)量裝置進(jìn)行軌跡控制，使鉆孔 1軌跡盡量按照設(shè)計(jì)方向在頂板裂隙帶范圍內(nèi)近水平延伸，直到主孔1設(shè)計(jì)深度終孔；0 ·下向多分支孔施工主孔終提鉆后，從主孔下入專用封隔造斜器3直到孔底，然后再將造斜器3提至第一個(gè) 強(qiáng)制造斜點(diǎn)，調(diào)整封隔造斜器3斜面和鉆頭工具面方向，使其造斜面朝下方，采用小直徑大彎角的孔底馬達(dá)4 (孔底馬達(dá)4又稱螺桿鉆具，主要作用是在高壓水的作用下旋轉(zhuǎn)，從而帶 動(dòng)孔底鉆頭旋轉(zhuǎn)，其本身有彎度可實(shí)現(xiàn)鉆孔定向鉆進(jìn))進(jìn)行造斜鉆進(jìn)，使鉆孔2軌跡保持最 小半徑延伸直到煤層，為盡量避免煤層中卡埋鉆具，應(yīng)嚴(yán)格控制穿煤深度，終孔后必要時(shí)可 用高壓空氣沖洗鉆孔；采用“后退式”鉆進(jìn)分支法，同上操作依次完成其它分支孔，最終形狀 如圖1所示。主孔為近水平定向孔，位于煤層I頂板II穩(wěn)定層中；分支孔2以向下分布，數(shù) 量不少于5個(gè)，曲率半徑R = 50 100米之間。
⑤·封孔連管鉆孔施工完畢后，將鉆孔封孔管5與煤礦井下瓦斯抽放管路進(jìn)行連接，抽采鉆孔內(nèi)瓦 斯至地面利用或排放。
.鉆井液的性能(采用市售的型號(hào)為CMDL-1、CMDM-I等產(chǎn)品，只要能夠達(dá)到本發(fā)明鉆井液的性能即可)(1)鉆井液切力5 20 (Pa是鉆井液切力標(biāo)準(zhǔn)單位，表示鉆井液靜止時(shí)破壞鉆井 液?jiǎn)挝幻娣e上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所需的力)，塑性粘度控制在8 40mPaS可調(diào)，懸渣能力(靜止?fàn)顟B(tài) 下的下降速度)為清水鉆井液的5倍以上。
(2)對(duì)于煤層普氏硬度系數(shù)f系數(shù)為0. 3 0. 8的不穩(wěn)定煤層鉆孔，能夠抑制孔壁 的垮塌。體現(xiàn)為鉆井液失水量小于12ml/30min ；浸泡軟化程度僅為常規(guī)泥漿的60% ；泥頁(yè)質(zhì) 膨脹量小于常規(guī)鉆井液的50% ；對(duì)糜棱煤的粘力大于常規(guī)鉆井液的1. 2倍。
(3)漿液塑性粘度在1天時(shí)間內(nèi)保持40 25mPaS，之后的2 3日內(nèi)自動(dòng)地降至 5mPaS以下。滲透性恢復(fù)效果為在符合實(shí)際工況的壓差下，18小時(shí)內(nèi)基本無(wú)滲透，之后滲 透速率逐漸增加，至30小時(shí)時(shí)滲透速率達(dá)到200ml/h。可以使產(chǎn)層的滲透性恢復(fù)達(dá)到85% 以上。
(4)鉆井液流變性、液壓特性、液力特性和含砂量指標(biāo)滿足螺桿馬達(dá)的使用要求。權(quán)利要求
1.煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，其特征在于利用孔底回轉(zhuǎn)動(dòng)力鉆具 和專用封隔造斜器(3)進(jìn)行煤層頂板(II)下向梳狀分支孔施工，施工方法如下步驟a.在開(kāi)采工作面停止線附近巷道頂板(II)內(nèi)布置鉆場(chǎng)，在煤層頂板(II)內(nèi)開(kāi)孔，開(kāi)孔 方位指向工作面走向；鉆孔鉆進(jìn)15m提鉆、擴(kuò)孔，并安裝封孔管(5)、防噴及氣水分離器(6)， 封孔管( 長(zhǎng)度根據(jù)圍巖性質(zhì)確定；b.安裝完封孔管( 后進(jìn)行近水平定向鉆進(jìn)，采用孔底馬達(dá)，配套隨鉆測(cè)量裝置進(jìn)行 軌跡控制，使鉆孔軌跡盡量按照設(shè)計(jì)方向在頂板(II)裂隙帶范圍內(nèi)水平延伸，直到主孔設(shè) 計(jì)深度終孔；c.主孔終提鉆后，從主孔下入專用封隔造斜器( 直到孔底，然后再將封隔造斜器(3) 提至第一個(gè)強(qiáng)制造斜點(diǎn)，調(diào)整封隔造斜器C3)斜面和鉆頭工具面方向，使其造斜面朝下方， 采用小直徑大彎角的孔底馬達(dá)(4)進(jìn)行造斜鉆進(jìn)，使鉆孔軌跡保持最小半徑延伸直到煤層 (I )，為盡量避免煤層(I )中卡埋鉆具，應(yīng)嚴(yán)格控制穿煤深度，終孔后必要時(shí)可用高壓空 氣沖洗鉆孔；采用“后退式”鉆進(jìn)分支法，同上操作依次完成其它分支孔，最終形成一組多分 枝梳狀鉆孔形狀。
2.d、最后起鉆，在封孔管( 上安裝瓦斯抽采管路相互連通，完成一組從煤層頂板(II) 下向梳狀多分支孔的施工。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，其特征在于 鉆場(chǎng)布置在煤層頂板(II)中，主孔(1)直接從煤層頂板(II)開(kāi)孔點(diǎn)(A)開(kāi)孔，全孔采用孔底 馬達(dá)(4)配合隨鉆測(cè)量裝置進(jìn)行定向，嚴(yán)格控制鉆孔軌跡的上下偏差，確保軌跡在頂板(II) 穩(wěn)定巖層里延伸；鉆孔各個(gè)分支孔(2)為向下分布，采用專用封隔造斜器(3)引導(dǎo)小直徑大 彎角孔底馬達(dá)(4)和專用鉆頭進(jìn)行造斜分支，分支孔(2)進(jìn)入煤層(I )(目標(biāo)層)后終孔， 煤層(I )條件較好時(shí)可適當(dāng)延長(zhǎng)孔深；分支孔(2)以向下為主，數(shù)量不少于5個(gè)，曲率半徑 R=50 IOOm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，其特征在于 鉆進(jìn)沖洗液采用無(wú)固相可降解型鉆井液，其性能要求為鉆井液切力5 20 ，塑性粘度 控制在8 40mPaS可調(diào)；漿液塑性粘度在1天時(shí)間內(nèi)保持40 25mPaS，之后的2 3日 內(nèi)自動(dòng)地降至5mPaS以下，滲透速率達(dá)到200ml/h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種煤層頂板下向多分支梳狀鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采的工藝方法。目前，多采用頂板高位巷、頂板高位鉆孔或底板穿層鉆孔等進(jìn)行瓦斯抽采，缺點(diǎn)是增加了抽采成本、影響開(kāi)采效率和周期延長(zhǎng)。本發(fā)明目的是研制一種煤層頂板梳狀瓦斯抽采鉆孔的成孔工藝方法，采用從煤層頂板采用孔底馬達(dá)配合隨鉆測(cè)量裝置進(jìn)行定向鉆進(jìn)，提鉆后從孔內(nèi)下入專用封隔造斜器，采用小直徑大彎角孔底馬達(dá)進(jìn)行“后退式”向下分支施工，形成一組從煤層頂板下向梳狀多分支孔；起鉆，封孔管連通瓦斯抽采管路進(jìn)行瓦斯抽采。優(yōu)點(diǎn)是施工成本低、周期短。用于松軟突出煤層頂板高位鉆孔抽采瓦斯，具有“一孔多用”的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯“采前、采動(dòng)、采后”綜合立體高效抽采。
文檔編號(hào)E21B43/00GK102031950SQ20101057458
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者姚寧平, 孫榮軍, 李泉新, 王毅, 田東莊, 石智軍 申請(qǐng)人:煤炭科學(xué)研究總院西安研究院