用于定向钻进和多孔底钻进的钻头

煤矿井下水平定向钻进技术的特点和分类是什么？~

煤矿井下实施钻探作业往往受井巷条件限制，首先要求钻探设备和工具能够适应狭小空间运输、搬迁和使用;煤矿安全生产规程要求所有用于煤矿井下的机电设备和仪器必须具备煤安标志;长期以来，煤矿生产由于受特殊生产条件、粗放型生产管理模式等因素影响，使煤矿企业对设备能力和技术水平要求不高，这在一定程度上也影响了一些先进技术在煤矿的发展应用，包括水平定向钻进技术。
煤矿井下水平定向钻进技术根据所用的钻具类型和钻进方式不同可分为两种。一种是稳定组合钻具定向钻进技术，该技术采用孔口回转的钻进方式，稳定组合钻具由钻头、稳定器和短钻杆按照不同的组合形式连接组成。通过在稳定器之间连接不同直径和长度的钻杆，组成不同的组合钻具，利用钻杆自身的重力、给进力、离心力及其弯矩所形成的挠曲变形对与其刚性连接的钻头产生作用，使钻孔轨迹上仰、下斜或保直钻进，以达到控制钻孔方向的目的。这种定向技术工艺原理简单、钻具成本低、地层适用性强、操作方便，能够满足对定向精度要求不高的定向钻孔施工要求。主要缺点是定向控制精度低、起下钻次数多、钻进效率低等。另一种是采用带弯接头的孔底马达定向钻进技术。孔底马达是以高压冲洗液作为传递动力介质的一种孔底动力钻具，采用带有不同形式造斜件(弯外管或弯接头)的孔底马达，配备随钻测量仪器，可较灵活地满足不同定向钻进的需要。钻进过程中通过钻机动力头正转孔内钻杆柱来调整孔底马达造斜件的工具面向角，使其朝向预定方向，即可控制钻孔的倾角和方位角，达到定向钻进的目的。其与传统的回转钻进工艺的不同之处在于:孔底马达带动钻头旋转破碎岩石时，整个钻杆柱和孔底马达的外壳(包括造斜件)是不旋转的，所以造斜件弯曲的方向即是钻孔将要延伸的方向。孔底马达定向钻进技术一般与随钻测量技术结合使用，具有定向精度高、对钻孔轨迹的控制调节能力强、钻进效率高、可进行实时精确随钻测量等优点。主要缺点是钻具成本高、地层适应性差，同时由于钻具结构较为复杂，对操作人员的技术水平要求较高。

1.开孔并安装孔口管开孔时，首先采用通缆钻杆配PDC定向钻头回转钻进12～15m，然后提钻更换扩孔钻头，回转扩孔至9～12m，提钻后安装孔口管。孔口管可以是PVC管或无缝钢管，直径≥127mm，封孔时孔口管外露长度应为100～500mm。封孔材料及封孔要求应符合AQ1027—2006中的相关规定。安装孔口管应注意以下事项:1)孔口四通直接与孔口管连接，后部须用盘根或密封垫进行密封;孔口四通上部与抽采管路的负压管连接，下部与气水分离器连接。
2)气水分离器应放置在钻场的下风侧，并通过软管与孔口四通的下侧接口连接;气水分离器的负压管与抽采管路连接。
2.连接瓦斯抽采管路钻孔施工前，钻场内必须安装瓦斯抽采负压管，并且在钻场外的顺槽巷道抽采主管路上安装管路放水器，具体要求见AQ1027—2006的相关规定。
1)每个钻孔施工完成后必须单独接入抽采系统。
2)每个钻场必须设置一个瓦斯浓度探测仪器。
3)安装管路放水器时必须安装负压平衡管。
3.连接定向钻具设备安装孔底马达钻具时，孔底马达应从钻机夹持器前方穿入动力头内，严禁孔底马达弯点通过钻机夹持器和回转器。连接孔底马达与下无磁钻杆、下无磁钻杆与无磁测量外管时，应将螺纹丝扣上紧，螺纹紧固力≥300N·m。连接下无磁钻杆、无磁测量外管、上无磁钻杆时丝扣上需涂抹螺纹密封胶，螺纹紧固力≥300N·m;与孔底马达匹配的钻头必须能够发挥孔底马达在孔底的造斜功能，推荐使用φ96mmPDC胎体钻头;测量仪器应安装紧固，避免钻进过程中因钻具震动而使测量仪器发生松动旋转。
4.开钻前检查工作为确保定向钻孔的顺利施工，开钻前应做好下述检查工作:1)检查钻机各项操作功能是否正常。
2)检查泥浆泵档位选择是否正确;检查泥浆泵吸水端是否安装滤水器;检查泥浆泵排量和压力大小是否正常。
3)检查孔底马达工作是否正常，开启泥浆泵观察孔底马达旋转状态及泥浆泵压力，孔底马达的启动压力一般为1.5～2.5MPa，如果孔底马达的启动压力大于2.5MPa或小于1MPa，应更换孔底马达。
4)检查通缆钻杆通缆接头，如有松动或变形，应将钻杆剔出进行维修;如发现通缆公接头密封圈磨损或丢失，应予以更换。
5)开钻前检查钻头，如果切削齿磨损严重则应更换钻头。
6)检查随钻测量系统是否工作正常。
7)调整孔底马达弯头方向，使孔底马达弯头(高边)点指向0°方向(正上方)，修正工具面向角。
8)驱动孔底马达旋转的高压冲洗液(通常为清水)要清洁，防止岩煤粉颗粒等杂质进入孔底马达内，避免损害容积腔内的转子和橡胶定子。
9)推荐使用的φ73mm孔底马达正常工作的理想排量界于150～250L/min之间，最大泵量不应超过300L/min，最小泵量不能低于120L/min。
10)钻具下到孔底后，钻头提离孔底10～20cm，然后测量工具面向角，根据钻进目的调整安装角到预定位置后，利用钻机的主轴制动功能，夹紧钻杆，打开钻杆夹持器，准备钻进。

定向钻进和多孔底钻进是降低钻探成本和缩短矿床勘探时间的重要方法之一。

当前地质勘探领域先进的定向钻进和多孔底钻进现代工艺已开始采用带弯外管的螺杆钻具+随钻测斜系统，通过调节螺杆钻具的工具面向角，控制钻孔倾角和方位，使钻孔轨迹沿预定轴线延伸，可较灵活地实现精确受控定向钻进的目的。但在许多野外生产单位仍主要靠在孔内安装固定式定向偏心楔的办法来施工。往往首先用小径钻头钻出0.3～0.4m深的导向孔，然后再用大径钻头在导向孔中扩孔，并把新孔孔底扩至2～3m深。实践中该工艺过程常因缺乏可靠的专用钻头而经常出现孔内复杂情况。

在导向孔段开始钻进之前，下入偏心楔之后，如果用传统的两牙轮钻头和聚晶金刚石钻头钻进，经常会出现偏心楔被切出槽子的情况，从而造成无法处理的事故，或造成该孔段过度弯曲，使标准岩心管难以通过偏心楔孔段。为了预防这种情况，后来采用如下工艺来钻进过渡孔段:首先用46mm直径的金刚石钻头钻出1.6m深的导向孔，然后用定向螺杆带59mm取心钻头或批量生产的直径59mm金刚石全面钻头扩孔，用刮刀钻头及其钻具反复扩孔以消除该孔段存在的“狗腿弯”，然后用59mm直径金刚石钻头带1.0m、1.5m、2.0m和3.0m长的组合钻具钻进新的定向孔段。

实践表明，在这种工艺过程中可避免偏心楔出现切槽。但是每钻过一个偏心楔，会因为外径过度磨损而报废1～2个金刚石钻头。同时因为必须经常提钻换钻头而延长了钻进作业时间。

为了研制更可靠的沿偏心楔钻进工具，防止出现金刚石钻头造成偏心楔切槽的事故，乌克兰超硬材料研究所研制了ИСМ－59钻头(图6－1)。

钻头上有6片装有TVESAL超硬材料的翼片和与长圆锥衔接的圆弧形端面，然后是钻头的圆柱形切削面。圆锥部分可扩展孔壁，顺着偏心楔体移动并防止其切槽。圆柱形切削端面可保持孔径达到给定值。

图6－1 用于定向钻进的ИСМ－59钻头

第一阶段进行无岩心定向钻进试验，钻头所钻岩石可钻性为Ⅸ～Ⅹ级。试验结果表明，随着钻头转速和轴向载荷增大，钻头的机械钻速增长不明显。当n=585r/min和P=25kN时，机械钻速等于0.7m/h。由于机械钻速太低，说明ИСМ－59型全面钻头不适宜钻进这类地层。

在后续试验中，ИСМ－59型钻头曾用于沿着KOC－57偏心楔把直径46mm的钻孔扩至59mm。ИСМ－59型钻头可沿KOC－57偏心楔扩孔并避免使楔体出现切槽。而批量生产的金刚石钻头很难沿偏心楔正常钻进。单个钻头的最大进尺曾达11m，经过8次这样的固定式偏心楔造斜钻进，其直径磨损仅1.3mm。而批量生产的ИКШ型钻头在这种情况下只能经受1～2次偏心楔钻进便无法继续工作。

生产试验过程中，钻进造斜孔段和绕过事故孔段时，在孔深200～500m处发现造斜后楔体出现切槽。采用修复孔内偏心楔的传统办法并见效，看来出现孔内事故是不可避免的。于是，现场决定后续作业采用ИСМ－59型钻头来铣削并修复偏心楔的切槽。所用的钻头为阶梯形，与57mm加重钻铤的锁接头刚性相连，从而既可修复切槽，又可继续钻进。现场用ИСМ－59钻头成功地修复了KOC－57固定式偏心楔，消除了其上的4个切槽，此后该钻头仍可继续工作。

上述实践证明，ИСМ－59钻头对于沿固定式偏心楔钻进并消除其上的切槽而言是高效工具。但它用于钻进完整孔底时并不合理，因为它无法保证必需的钻速。因此，在后续阶段专门研制了ДСИ－59型金刚石孕镶钻头，其结构呈内凹形(图6－2)。钻头用粒度800/630μm的金刚石对端面补强，并在保径层上装有两圈直径5mm的TVESAL镶嵌体。

在该钻头的结构中，钻头特别重要的承载部分既有孕镶金刚石层，又有TVESAL镶嵌体。

图6－2 用于造斜孔钻进和扩孔的ДСИ－59型钻头

ДСИ－59型钻头曾在ЗИФ－650M钻机上进行钻进可钻性Ⅹ级钠长岩的试验。用于承担钻进造斜孔的导向孔扩径任务，并把新定向孔钻至10m深，同时修复因偏心楔切槽造成的事故。进行造斜孔钻进和导向孔扩孔钻进的规程如下:轴向载荷10～12kN，转速576r/min，泵量70～80L/min。

定向孔的钻进工艺循环包括:安装偏心楔，用碎石和碎玻璃填充加固它，用直径46mm的钻头钻进导向孔达2m深，在钻进导向孔的同时用被刚性固定的ДСИ－59全面钻头切削弯曲的孔段，并进一步加深新的定向孔身。

钻过偏心楔时采用如下钻具组合:ДСИ－59全面钻头，阶梯形异径接头和用不同长度钻杆连接的4个金刚石取心钻头。这种组合的长度等于1.3m，未超过偏心楔切槽的长度。在试验过程中，这2个ДСИ－59新钻头在10个KOC－57偏心楔上完成的钻进进尺达23m。试验表明，ДСИ－59钻头既具有扩孔的功能，又能避免楔体切槽。刚性组合有利于很好地铣削孔身并使新导向孔加深2～3m。

此外，采用刚性组合的ДСИ－59钻头可省去1.0～1.5m长的岩心管，并减少起下钻作业的次数，从而在整个作业循环中节约时间10～12h。

所进行的试验表明，ИСМ－59和ДСИ－59型钻头是进行定向钻进和多孔底钻进的高效工具。

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