高位大直径大直径定向钻孔技术及其配套装备课件

高位大直径定向钻孔技术

及其配套装备陕西太合科技汇报提纲技术应用背景一施工用大功率定向钻机二施工用随钻测量系统三钻进工艺技术四研究展望五一、高位定向钻孔工艺技术应用背景U型通风回采工作面上隅角容易聚集瓦斯，严重制约着煤矿平安生产。采空区漏风携带采空区瓦斯为上隅角瓦斯主要来源。一、高位定向钻孔工艺技术应用背景瓦斯〔煤层气〕是优质洁净的新能源和化工原料，煤矿区煤层气开发利用是山西省经济开展的重要组成局部。煤矿回采工作面采空区有大量高浓度瓦斯〔煤层气〕，将之快速有效地抽采出来，有利于增加煤矿井下瓦斯抽采量。一、高位定向钻孔工艺技术应用背景目前，国内煤矿上隅角瓦斯抽采措施主要是采空区瓦斯抽采、上隅角抽采等。抽采方法通常情况下有：顶板走向钻孔抽采、高抽巷抽采和采空区埋管抽采或上述技术手段联合抽采。一、高位定向钻孔工艺技术应用背景

钻孔轨迹不可控，钻孔无法保证在顶板裂隙带内延伸，瓦斯抽采效果无法保证；钻孔施工时必须开拓高位钻场，费时、费力、效率低；钻孔深度受限。存在问题1常规钻机回转施工顶板高位长钻孔。存在问题2采空区埋管受工作面漏风影响较大，无法建立负压抽采，抽采浓度低；采空区冒落后，容易隔断管路，无法抽采瓦斯；采空区埋管抽采瓦斯效率较低。采空区埋管方式抽采回采工作面上隅角瓦斯和采空区瓦斯。一、高位定向钻孔工艺技术应用背景存在问题3高抽巷施工效率低，采掘接替紧张；高抽巷施工本钱高；高抽巷施工劳动本钱大。采用高抽巷治理工作面上隅角和采空区瓦斯。一、高位定向钻孔工艺技术应用背景针对常规顶板长钻孔和采空区埋管抽采上隅角和采空区瓦斯的缺点，采用随钻测量定向钻进技术与大功率钻机装备施工大直径顶板高位定向长钻孔解决上隅角瓦斯超限问题，可大幅度提高工作面瓦斯抽采量。随钻测控钻孔轨迹，使其在顶板裂隙带内延伸，控制钻孔上仰趋势，有利于瓦斯抽采；钻孔施工时不需要做高位钻场；钻孔深度大，减少工作面钻孔数量；钻孔施工效率高。优点一、高位定向钻孔工艺技术应用背景ZYL-15000D钻机主要用于煤矿井下瓦斯抽放孔、探放水钻孔、地质勘探孔等各类定向钻孔的施工。适用于岩石巩固性系数f≤10的各种煤层和岩层。该钻机主要配套产品有孔底马达、矿用随钻测量装置、定向钻杆、打捞钻杆等。二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机

2.1钻机主要技术参数二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机

2.1钻机主要技术参数2.2主要结构特征

钻机为双履带车式布局，分钻车和泵车两局部。钻车泵车二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机钻车局部主要由电机组件、回转动力头、给进装置、底盘总成、操作台组件、随钻测量装置、夹持器、油箱以及液压管路系统等局部组成。钻车结构紧凑，便于井下搬迁运输。2.2主要结构特征

二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机动力头底盘总成夹持器给进装置液压管路系统操作台组件测量装置电机组件二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机2.2主要结构特征

泵车是由履带底盘、操纵台、泥浆泵组件、电机组件、电磁起动器、液压油箱等局部组成。各局部之间用高压胶管和螺栓连接，结构紧凑，可靠性高。液压油箱底盘总成电机组件电磁起动器二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机2.2主要结构特征

电磁起动器speck泥浆泵2.2主要结构特征

二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机运用有限元分析软件〔ANSYS〕对关键零部件进行受力分析并根据结果进行了优化。◆关键零部件受力分析车架应力分析二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机2.2主要结构特征

进给架应力分析行星减速箱齿轮应力及变形分析二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机◆关键零部件受力分析2.2主要结构特征

2.3钻机主要优点采用主车+泵车双履带结构，结构紧凑，前后车实现独立行走；扭矩大、给进/起拔力大，施工效率高，大流量、高压力进口泥浆泵，排渣能力强，可一次性实现φ120/203级别扩孔，处理孔内事故能力强；机架角度可以调节〔0-15º〕，油缸起拔力大。二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机采用先进的负载敏感系统和先导比例控制系统，适应性好，操作方便；采用国际知名品牌的液压泵、多路阀、手柄、泥浆泵等，可靠性高；蓄能器多路阀水泵马达手动换向阀泥浆泵二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机2.3钻机主要优点采用嵌入式分体式油箱，能够改善整机布局空间，优化液压系统的工作条件，提高液压系统的传递效率；

主要创新点嵌油箱二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机2.3钻机主要优点采用斜楔式自锁油缸型夹持机构，拆卸方便、夹持力大、可靠性高；采用旋转密封式配油套，具有联动功能，旋转同时冷却；卡盘装有液压锁，夹持力大而稳定。配油套卡盘夹持器二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机2.3钻机主要优点

主要创新点该装置主要用于煤矿地质勘探孔、瓦斯抽放孔等钻孔轨迹的跟踪监测。3.1YSX15矿用本安型随钻测量系统三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统测量范围与精度YSX15探管根本参数工作电压DC15V输出信号：两线制电流≤130mA通信距离1500m外形尺寸φ35×950mm耐水压≥12MPa重量：5.2kg三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统计算机根本参数工作电压AC127V工作电流≤150W通信接口1路485接口2路USB接口操作系统Windows64位操作系固态硬盘64G内存8G显示屏15寸外形尺寸570×563×153mm重量

59.2Kg3.1YSX15矿用本安型随钻测量系统测量软件三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统3.1YSX15矿用本安型随钻测量系统外供电可靠性高——防止电池耗尽引起测量数据中断探管与孔外设备的通讯与供电采用共线的方式，即用于信号传输的线路同时被孔外电源用来向探管供电

更换电池要在地面进行，至少需要2个小班的时间，钻孔报废率高钻孔效率高——

无需退钻更换电池节约本钱——不需要孔内探管电池，每年每台钻机可节省电池费用20万元左右三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统3.1YSX15矿用本安型随钻测量系统优点三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统煤矿井下钻探有线测量技术及设备已经无法满足日益复杂的煤矿地质条件无法满足生产需要，因此，亟需在随钻测量技术、随钻测量设备及随钻测量新工艺有所突破。无线电磁波随钻测量系统是电磁波地层传输的随钻测量技术，不受钻井媒质的影响。其优点如下：1〕适用范围广。由于它不受钻井介质的影响，因此克服了常规无线随钻在气体钻井和混合媒质钻井中应用的局限性。2〕本钱较低。低本钱的EM-MWD在水平井施工中，具有广阔的应用前景。3〕设备简单，无需动力设备，可靠性较高。4〕电磁波易实现双向传输，通过孔口遥测可在钻孔施工中随时根据需要控制孔内钻具。EM-MWD缺点：电磁波传输受地层电阻率影响较大，影响实际传输深度，适用范围受到限制。3.2无线电磁波随钻测量系统装置中状态检测单元实时检测钻具的振动状态，当检测到钻具处于静止时，短节将采集探管姿态信息编码输出，通过驱动电路馈送至孔内绝缘天线绝缘带的两端，信号耦合后以无线电磁形式通过地层和钻杆的引导传送至孔口接收天线局部，接收天线拾取信号，对其进行数字处理并终端显示。为司钻工程师提供钻孔轨迹的信息及钻头的位置，以便合理、有效的控制钻孔轨迹到达设计要求。三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统3.2无线电磁波随钻测量系统工作原理无线探管根本参数工作电压DC16V工作电流

≤640mA工作时间＞200h工作频率12.5Hz峰峰值12V～16V通信距离：600～1000m供电方式：电池供电外形尺寸φ40×2650mm重量：10kg耐水压≥12MPa三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统充电电流≤1A最高充电电压

18V充电截止电压

17.5V放电终止电压

14V电池容量37.5Ah无线探管精度参数3.2无线电磁波随钻测量系统探管以中间接头一分为二，左边电池组短节，采用主副电池组供电方式；右面为测量传感器和发射机短节上部接头采用三翼固定，并通过通缆绝缘实现与天线的连接探管长度2.6m，绝缘天线长度0.4m。三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统3.2YSX16无线电磁波随钻测量系统结构特征三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统YSX16随钻测量装置实物图绝缘天线3.2YSX16无线电磁波随钻测量系统系统组成三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统3.2YSX16无线电磁波随钻测量系统孔口装置三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统3.2YSX16无线电磁波随钻测量系统测量软件操作简单：探管+无磁外管=3m，可直接与钻具连接；可靠性高：无线采用电磁波传输方式，只依靠成孔周边的地层作为传输介质，相对有线无任何连接点问题；本钱低：只需要普通钻杆可完成数据的测量，产品使用寿命长；传输距离：根据不同煤层的电阻率，传输距离一般为600~1000米；电池续航能力：15-20天。三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统3.2YSX16无线电磁波随钻测量系统装置优点

未进行顶板抽采瓦斯流场进行顶板抽采瓦斯流场根据回采工作面采空区瓦斯运移规律，确定顶板钻孔抽采上隅角瓦斯和采空区瓦斯抽采机理。四、高位定向钻孔施工工艺技术4.1高位大直径定向钻孔瓦斯抽采技术剖面上：钻孔轨迹在顶板裂隙带内；平面上：回风侧顶板离层区内。四、高位定向钻孔施工工艺技术4.2高位大直径定向钻孔布孔原那么四、高位定向钻孔施工工艺技术4.3高位大直径定向钻孔布孔方式

寺河矿高位定向钻孔布孔原则：沿回风巷道每隔500m布置一个钻场，每钻场布置4个定向孔。平面布置：钻孔终孔孔段(主抽采孔段)在平面上沿工作面走向布置在工作面以内巷内帮15-60m范围内；剖面布置：高位定向钻孔布置在据煤层以上24～30m范围内的顶板中。高位定向钻孔平面布孔方法高位定向钻孔剖面布孔方法

对于地质稳定岩层：可用有线随钻测量系统配φ89螺杆马达、φ120mm钻头，使用常规滑动定向钻进工艺施工一次先导孔，之后采用φ120/203扩孔钻头二次扩孔直接施工φ203钻孔；对于地质欠稳定岩层：断层破碎带等地质构造较多，可用有线随钻测量系统统配φ89螺杆马达、φ120mm钻头，采用钻井液护孔技术，使用常规滑动定向钻进工艺施工一次先导孔，之后再用φ120/165扩孔钻头进行扩孔，最后用φ165/203扩孔钻头进行扩孔；对于地质构造复杂，松散破碎带多，成孔性较差岩层：采用无线随钻测量系统配三棱螺旋钻具，用复合定向钻进配合钻井液护孔进行一次成孔，之后再用φ120/165扩孔钻头二次扩孔，最后用φ165/203扩孔钻头三次扩孔。四、高位定向钻孔施工工艺技术4.4测量系统应用原那么Φ89mm高强度中心通缆式钻杆四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进工艺技术Φ89mm无磁钻杆Φ89mm无磁螺杆马达滑动定向钻进配套钻具Φ120/203mm整体式锥形油用复合片扩孔钻头Φ120/165mm整体式锥形油用复合片扩孔钻头Φ120胎体式增强型三翼弧角定向钻头四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进工艺技术滑动定向钻进配套钻具42大直径钻孔一次扩孔工艺：用于巩固地层〔f≥4〕89mm孔底马达+120mm定向钻头完成先导孔；后采用203mm/120mm扩孔钻头+89mm钻杆完成扩孔钻进。四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进工艺技术43大直径钻孔屡次扩孔工艺：用于不巩固岩层〔f≤4〕，地质条件较差的地层用φ120mm钻头钻施工一先导孔；再用φ165mm/120mm进行扩孔，最后用φ203mm/165mm进行扩孔。四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进工艺技术现场试验在寺河矿W1305工作面W13052巷9#、6#和3#横川先后进行了高位定向长钻孔的施工，共施工钻孔12个，最大孔深到达402m，总进尺4435m，钻孔孔径均扩大至153mm，钻孔主抽采孔段均位于设计的煤层以上24～30m范围内。现场应用W1305钻孔实钻平面图四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进施工工艺技术抽采效果分析寺河矿W13052巷9#横川四个平均单孔瓦斯抽采流量到达9.89m³/min，单孔最大抽采流量到达30m³/min以上，到达了良好的抽采效果。9#横川高位钻孔瓦斯流量随工作面推进变化曲线四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进施工工艺技术9#横川高位钻孔瓦斯流量随随抽采时间变化曲线现场应用四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进施工工艺技术在山西焦煤华晋吉宁矿2102工作面胶带巷进行了高位定向长钻孔施工，共施工钻孔3个，采用三次成孔工艺，用φ120mm钻头施工一先导孔；再用φ165mm/120mm进行扩孔，最后用φ203mm/165mm进行扩孔。3个钻孔φ120mm钻头施工定向孔均施工至设计孔深702m，总进尺2106m；因该矿调整生产进度，2102工作面提前回采，为保证钻孔平安施工，1#钻孔φ165mm/120mm扩孔至516m;2#钻孔φ165mm/120mm扩孔至687m、φ203mm/165mm扩孔至630m;3#钻孔φ165mm/120mm扩孔至702m、φ203mm/165mm扩孔至702m;，钻孔主抽采孔段均位于设计的煤层以上42～48m范围内。现场应用四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进施工工艺技术施工成果2102高位钻孔实钻平面图四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进施工工艺技术施工成果四、高位定向钻孔施工工艺技术4.5常规滑动定向钻进施工工艺技术施工成果四、高位定向钻孔施