摘要：顶板水平井是实现碎软煤层煤层气高效抽采的有效技术途径,穿层压裂是决定顶板水平井成败的关键工程手段,对顶板水平井穿层压裂裂缝扩展行为的深刻理解是穿层压裂方案优化设计的基础。通过交叉偶极子声波测井解释得到碎软煤层及其顶板岩石力学组合特征,建立基于岩石力学强度的“顶板-煤层”胶结物理模型,开展顶板水平井穿层压裂物理模拟试验,研究顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律及穿层压裂效果的敏感性因素。结果表明:水平井位置、注入排量、射孔方式及垂向与水平应力差是影响顶板水平井穿层压裂裂缝扩展形态的4个重要因素。穿层压裂效果随水平井与煤层间距和注入排量的增加而减弱,随垂直与水平应力差的增大而增强,定向射孔具有诱导裂缝向煤层扩展延伸、提高穿层压裂效果的作用。穿层压裂效果对垂向与水平应力差因素最敏感,定向射孔和注入排量影响因素次之,对水平井与煤层距离的敏感性最低。研究结果可为碎软煤层顶板水平井穿层压裂参数优化设计及效果评价提供依据。

摘要：为研究双管定向钻进技术中套管、套管钻头尺寸及套管转速对煤粉排出的影响,以碎软煤层气动双管定向钻进成孔为背景,分别设计了3种不同尺寸的套管及套管钻头,分析了其不同组合下煤粉排出率及煤粉出口速度的变化,得到了不同转速对煤粉悬浮率及煤粉输送轨迹的影响规律。数值模拟结果表明,φ120/96 mm套管与不同套管钻头配合均有较高的煤粉排出率;煤粉输送速度随环空通道总截面积的增大而减小,随内通道截面积的增大而增大;煤粉悬浮程度随套管转速的增加先增大后减小。基于数值分析结果开展了现场试验,对不同套管组合携粉能力及套管转速变化对煤粉排出的影响进行了对比分析,试验表明:φ140 mm套管钻头与φ120/96 mm套管组合在套管40 r/min转速时取得最大钻进深度。研究结果为碎软煤层双管定向钻进参数的选择以及钻进设备的选配和研发提供技术借鉴。

摘要：为提高双管定向钻进钻孔施工时钻具加装和拆卸的自动化水平,提高装卸效率,开发一种双管自动加卸装置,实现不同工况下钻具的全自动装卸,解决双管定向钻进过程中钻杆和套管的同时加装和拆卸的技术难题,完成装置结构和控制系统的设计,运用末端柔顺技术,限制施工过程中装置承受的载荷,明确控制程序关键边界条件,制定不同工况下钻具自动装卸施工工艺流程。在安徽淮北矿业祁南煤矿展开工业性试验,试验顺利完成4个钻孔的施工,共进尺1170 m。试验过程中双管自动加卸装置运行平稳,能够满足不同工况下钻具组合的加装和拆卸需求。将原本需要2~3人密切配合才能完成的钻具组合自动装卸工作,变为依靠程序控制自动完成,钻杆和套管同时装卸和单独装卸平均效率较人工装卸分别提高了350%和110%,保证了双管定向钻进综合施工效率,减少了作业工人数量,降低了工人劳动强度,保障了施工安全。试验结果表明:双管自动加卸装置运行稳定可靠,施工工艺流程合理,装置各项性能满足双管定向钻进需求。研究成果为双管定向钻孔施工钻具的自动装卸提供了技术和装备支撑,为双管定向钻进技术在煤层气开采相关领域的推广应用奠定了基础。

摘要：【目的】针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求,提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。【方法】在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上,开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、钻孔轨迹精确控制技术、深孔高效排渣技术、气动套铣打捞技术,优化了气动定向钻进装备配套方案,并在阳泉矿区碎软煤层中开展了现场工业性试验。【结果和结论】结果表明:(1)通过优化气动螺杆钻具结构和工艺流程、设计低风阻管路,有效解决了气动螺杆钻具的异常制动,实现了稳定高效运转。(2)通过优化钻孔设计轨迹和工艺参数、设计大角度造斜钻具组合和研制气动冲击螺杆钻具,保障了钻孔轨迹的精确调控,提高了煤层钻遇率。(3)通过复合强排渣技术和短起钻冲孔工艺的应用,有效提升了钻孔排渣效率。(4)通过采用气动套铣打捞技术,配套设计的专用可退式打捞筒,满足阳泉区矿区碎软煤层孔内复杂事故处理需要,并成功处理2起严重卡钻事故。(5)在阳泉矿区某矿施工完成孔径120 mm的10个定向钻孔,成孔深度均达到450 m以上,最大钻孔深度达到607 m,最大单班进尺76 m。碎软煤层定向孔取得了显著的瓦斯抽采效果,单孔日均抽采瓦斯纯量最大达971.96 m^(3),实现了阳泉矿区碎软煤层瓦斯长时间稳定抽采。研究成果为阳泉矿区碎软煤层瓦斯高效治理提供了新的技术途径,具有显著的应用和推广价值。

摘要：为解决常规钻机在碎软煤层顺层钻孔中存在的钻孔深度浅、易卡钻、施工扇形孔姿态调整困难等难题,研制了碎软煤层顺层自动钻机。介绍了该钻机的总体结构、参数和液压系统;分析了高转速钻进工况下,影响接卸扣可靠性的关键因素,研究了动力头马达排量自适应调节技术;研究了矩阵式大容量钻杆箱及基于路径规划的双机械手协同送杆技术;分析了影响卡钻的主要因素,形成了自适应防卡钻技术;针对顺层钻孔中扇形布孔的特点,研制了悬置式旋转提升机构。通过现场试验得出:该钻机结构合理、运行可靠,与相关钻具配合,在碎软煤层实施自动化钻孔时,钻孔深度可提升1倍以上。研究成果可为相关煤矿用自动钻机的设计及碎软煤层钻孔施工提供参考。

摘要：针对目前碎软煤层干式定向钻孔产尘量大、粉尘扩散严重的问题,提出一种钻孔孔口非接触式控尘技术方案,设计并研制出集尘罩样机。对集尘罩与钻杆间隙宽度、密封装置气缝宽度、控尘气幕压力等影响控尘效果的工艺参数进行了试验研究,得到了最佳控尘效果的工艺参数。研究结果表明,当钻杆与集尘罩间隙宽度为2.0 mm、气缝宽度为0.2 mm、排渣气体压力为0.3 MPa、控尘气幕压力为0.5 MPa时,粉尘质量浓度由540 mg/m^(3)降低到15 mg/m^(3),控尘效率达97.2%。现场应用结果表明,使用集尘罩后控尘效率达到98.3%,取得了较好的控尘效果。

摘要：针对碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔深度浅、轨迹无法测控、定向钻进困难等问题,提出了采用复合定向与排渣技术施工碎软煤层定向钻孔的技术方案,介绍了其技术原理,开发了泥浆脉冲无线传输技术、复合定向钻进技术、水力正循环与异性钻杆复合排渣技术等关键钻进技术,研制选配了定向钻机、矿用泥浆脉冲随钻测量系统、泥浆泵、螺旋螺杆马达、异形钻杆、过滤钻杆、螺旋无磁钻杆和定向钻头等关键钻进设备,形成了成套技术与装备,并在晋城寺河矿和成庄矿进行了现场试验,在碎软煤层区域内完成定向钻孔4个,最大孔深402 m,总进尺4 808 m,成孔率达到75%,成功覆盖工作面和待掘巷道设计区域,为碎软煤层区域递进式瓦斯抽采治理和一孔两消提供了一种新的技术手段。

摘要：针对碎软煤层中存在的钻进困难、事故频发、成孔深度浅、难以满足瓦斯治理要求等问题,开展了气动定向钻进在碎软煤层中的影响机制及应用效果研究。借助气固两相流、达西定律等相关理论,划分了气动定向钻进煤渣运移过程中的压力损失类型,建立了碎软煤层气动定向钻进风压、风量的计算公式。分析了风压、风量的影响因素及其作用,编绘了地质参数、钻孔设计参数和钻进工艺参数在典型条件下的风压、风量关系图版。山西某矿气动定向钻进技术现场应用表明,利用本文方法计算的风压、风量结果与实际吻合程度高;采用图表法分析了理论风压、风量与实测风压及风量的误差,获得了各因素对风压和风量的影响权重,发现粒径和倾角是风压和风量的主要影响因素,密度和孔深对风压和风量影响较小。

摘要：目前间接压裂技术已成为低渗碎软煤层高效开发技术。文章以大宁—吉县区块5号煤层为研究对象,提出利用夹矸间接压裂技术提高煤层气开发效果,通过开展煤层夹矸可压性评价、水力压裂数值模拟、现场试验等研究,建立了低渗碎软煤层夹矸水平井分段压裂的工艺流程,揭示了该技术下水力裂缝的扩展规律。研究结果表明:与煤分层相比,夹矸的脆性和可浸泡性较好,可压性更高;在夹矸中进行压裂能够沟通上下部煤层,大幅降低施工压力与裂缝延伸压力,减少煤粉产出,裂缝延伸好,增产效果显著。射孔点距夹矸顶面0.5 m时,对夹矸上下煤层改造效果最优;夹矸煤层最小主应力差异系数为1.1时,水力裂缝在夹矸段少量扩展后,迅速向夹矸与煤层间的弱面延伸,进而撕裂夹矸上下部煤层,建立渗流通道。研究成果为低渗碎软煤层气开发提供了新的技术思路,同时可为射孔段优选以及压裂设计提供参考。

摘要：针对碎软煤层瓦斯抽采钻孔存在轨迹不可控、成孔深度浅和瓦斯抽采效果差的问题,分析了现有瓦斯抽采钻孔回转钻进技术瓶颈,集成了基于长距离顺层钻进技术和双动力复合排渣技术的压风定向钻进技术,在此基础上提出了利用压风定向钻进技术,开展碎软煤层区域递进式瓦斯抽采技术。选取黔北煤田中部青龙煤矿21606运输巷道进行现场试验,在坚固性系数为0.37碎软煤层中,施工完成253个顺煤层压风定向钻孔,95%钻孔达到设计孔深,累计进尺超过3万m,单孔瓦斯抽采纯量是普通回转钻孔的10倍以上,单孔瓦斯抽采甲烷体积分数提高约50%以上。试验表明,采用压风定向钻进技术钻进碎软煤层钻孔轨迹可控,成孔率在95%以上,区域递进式瓦斯抽采技术具有无抽采盲区的显著优势,有效缓解了采掘接替紧张局面,提升了矿井瓦斯治理技术水平,为碎软煤层瓦斯治理提供了新的技术途径。