摘要：针对钻探施工过程中因钻杆公接头断裂导致的掉钻问题,基于仿生学原理,以动物“骨筋”结构为仿生原形,提出了“骨筋”特性仿生公接头技术,在公接头(骨)内孔设置自锁连杆(筋),形成骨筋复合双连接单元,满足了公接头螺纹部位正常施钻时承受载荷与断裂后保持轴向连接的双重要求,实现了“打断骨头连着筋”的效果;阐述了仿生公接头的工作原理,介绍了自锁连杆设计方法,对研制的ϕ73 mm仿生钻杆进行了接头螺纹及内筋性能试验。结果表明:“骨筋”特性ϕ73 mm仿生钻杆抗扭能力达到20.12 kN·m,抗拉能力达到1444 kN,断裂位置均位于公接头螺纹大端,接头断裂后自锁连杆仍能保持钻杆轴向连接,实现了断裂防掉功能,抗拉能力达到384 kN,满足了提钻强度需求。

摘要：井地联合压裂是煤矿井下长钻孔分段压裂的发展趋势之一,压裂液经地面压裂泵加压后通过地面贯通井、煤矿井下长输管路进入煤矿井下长钻孔实施大排量压裂。支撑剂在长输管路中的悬浮运移规律对于优化设计加砂参数、避免管路中砂堵具有重要意义。通过室内实验评价压裂液的流变性能和携砂性能;基于欧拉-颗粒流理论构建数值模拟模型,研究水平管内支撑剂悬浮运移规律及其影响因素;探讨压裂液携带支撑剂运移的流态以及临界沉降流速的计算模型。结果表明:1%降阻剂的加入能够使活性水压裂液黏度提高3~5倍,支撑剂密度越小,压裂液黏度、砂比越高,支撑剂在压裂液中的沉降速度越小;支撑剂在水平管内的流动受到多因素的综合影响,压裂液流速越小,支撑剂密度和粒径越大,支撑剂在管道底部的沉积越严重,携砂效果越差;随着管路直径的增大,管道出口截面支撑剂体积分数最大的位置由管道中下部移动至管道底部,支撑剂流动对于管路的磨损加重;砂比越大,支撑剂间的相互作用越强,压裂液携砂能力降低;优选采用疏浚技术规范推荐的模型计算活性水携砂条件下的支撑剂临界沉降速度,随着管路直径的增大,所需的临界携砂排量呈指数式增大,提高压裂液黏度可降低携砂所需的临界排量。建立的携砂运移临界排量模型和总结的支撑剂运移规律可对管路直径和压裂液排量进行优化匹配,为井地联合压裂施工提供理论支撑。

摘要：为解决切顶卸压无煤柱开采技术顶板预裂钻孔成孔效率低、钻孔角度调节偏差大、钻孔保直率差等问题,研制了ZDY2-300LM型切缝钻机,研究了切缝钻机的结构布局、车体平台、调角装置、施工钻具、水路系统和液压系统的关键技术和设计要点。进行了空载试验和负载试验,型式试验结果表明钻机各项指标满足设计要求。进行了3个煤矿井下试验,钻孔累计进尺近50000 m,井下试验结果表明:钻机满足切顶卸压无煤柱开采技术顶板预裂钻孔施工要求,并取得了良好的切顶卸压效果,有效解决了顶板预裂钻孔施工缺乏专用、可靠设备难题;且钻机具备施工作业高效、钻孔间距调节范围广、钻孔角度参数调节多,机身窄小及较好的钻孔保直率等显著特点。

摘要：为给煤矿井下加砂压裂泵组研发设计提供科学可依的关键技术参数,通过煤矿井下作业空间特点研究分析,提出分体模块、串式布置的井下加砂压裂泵组布局设计,给出了分体模块加砂压裂泵组的外形控制参数;通过煤矿井下的供水、供电条件系统分析,确定了煤矿井下加砂压裂泵组水电能力的上限;通过我国多省份矿区煤层破裂压力综合研究,基于注水压裂破岩原理和压裂泵做功原理进行分析,提出加砂压裂泵输出压力和排量的理论预设值,并通过压裂泵功率测算、管道携砂流动物理试验和裂缝铺砂数值模拟试验,对预设值进行了校验和模拟试验验证。最终给出加砂压裂泵分体模块外型控制尺寸,高不宜超过2.0 m、宽不宜超过1.4 m,供电电压宜选用1140 V或3300 V,泵组输出压力不应小于30 MPa,输出排量适宜区间为1~1.5 m^(3)/min等关键技术参数的适宜取值。

摘要：下组煤煤层气超前预抽已成为煤矿区煤与煤层气共采的重要任务。以寺河井田为例,通过分析3号煤层采动卸压后下伏岩层应力分布、裂隙演化及渗透率变化规律,研究了通过地面抽采下煤组煤层气降低瓦斯含量的可行性,开展了下组煤地面煤层气抽采井位部署方法、钻井技术工艺及关键排采技术等研究。结果表明:下组煤15号煤层渗透率增加约2.20倍,有利于15号煤层进行地面煤层气预抽;根据煤层气开发工程要求,按照地面井下综合分析的方法,优化部署了穿煤柱下组煤水平井煤层气抽采井位,设计了三开钻井井身结构,优化了井眼轨迹设计及钻井轨迹控制技术,研究了不同钻井层段的钻井液体系、裂隙发育段堵漏及分级固井工艺等钻井技术;为有效减少L型水平井排采中管柱磨阻,采用“大井扶斜正+双保接箍防偏磨+导向器降扭矩”工艺。所实施的穿煤柱下组煤水平井,最高日产气量9522 m^(3),14个月内累计产气量220万m^(3),产气效果理想,证明了技术工艺的可行性。

摘要：煤矿井下施工瓦斯抽采孔作业过程中,钻孔机器人给进系统用于钻进过程加压、减压和给进。针对复杂地层不确定性扰动影响钻孔机器人工作性能和钻孔施工质量及效率的问题,首先分析钻孔机器人的结构组成和钻进施工工艺,根据其给进系统的工作原理,建立了减压阀控制数学模型,获得了控制输入量电磁铁电流与控制输出量减压阀出口压力的映射关系,并在明确给进力驱动方式的基础上对整个给进系统进行控制建模。随后设计了钻孔机器人给进力跟踪控制系统,使用Luenburger全维状态观测器重构被控对象状态,建立基于等价输入干扰估计(EID)与补偿的控制结构,设计了状态反馈控制器、状态观测器和干扰估计器增益矩阵,实现给进力闭环控制系统稳定的同时具有满意的跟踪与扰动抑制性能。最后利用Matlab软件搭建数值仿真模型,以某煤矿井下实际钻进施工时给进系统的实测钻进数据信号为例进行仿真研究,以给进力为控制目标,实测减压阀输出压力波动为依据设计外部扰动信号,分别采用所提EID控制方法和PID控制方法进行了对比仿真。结果表明:所提方法获得了比PID方法更小的稳态跟踪误差峰峰值,且跟踪误差更小,保证了给进系统稳定运行,具有较好的跟踪与扰动抑制性能。研究结果对提高钻孔机器人适应复杂煤层负载变化,保证其工作性能和安全高效施工提供了控制理论基础。

摘要：从随钻测量数字化、钻场环境监测数字化和钻机监测数字化3个方面分析了现有煤矿井下钻探数字化平台的国内研究现状;结合当前煤矿井下智能钻探实际需求,设计了煤矿井下定向钻探数字化平台总体架构,分析了多传感器数据融合和远程交互等关键技术内涵与路径,并在乌海矿区天荣煤矿开展了相关技术的工程实践,通过试运行系统验证了钻探数字化平台的综合管控能力;指出了煤矿井下定向钻探数字化发展趋势。

摘要：针对复杂煤岩层顶板高位孔定向钻进技术难题,提出复合强排渣定向钻进工艺,设计了以泥浆脉冲随钻测量系统与三棱螺旋钻杆为核心的强排渣定向钻具组合,分析了三棱螺旋钻杆强排渣技术原理,形成了复合强排渣定向钻进成套装备。在王坡煤矿3314采煤工作面进行了应用研究,结果表明:在以泥岩为代表的复杂顶板岩层中,完成顶板高位定向钻孔6个,成孔率达到100%,最大钻孔深度500m,日平均进尺不低于70m,累计定向钻孔进尺2325m,钻孔成孔效率与成孔率较常规定向钻进工艺大幅提升。为利用顶板高位定向长钻孔代替高抽巷进行工作面及采空区瓦斯抽采治理、保障采煤工作面的安全高效生产提供了技术支撑。

摘要：针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%;复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%;定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。

摘要：为填补大口径井钻井工程领域无专用金属落物打捞工具的空白,分析了现有打捞工具的不足之处,基于电磁技术,结合大口径井井下工况的特殊性,开发了大口径井金属落物打捞工具,设计了与其配套的打捞工艺,开展了地面测试试验。结果表明:研制的大口径井金属落物打捞工具运行稳定,磁吸引力强,可吸附金属物体质量高达369.90 kg,可满足大口径钻井施工中金属落物事故处理需求。