复杂地层顺层定向钻孔轨迹设计方法优化

摘要

金泰煤矿M6煤层具有顶底板破碎、视倾角由双倾角控制（XZ视图倾角17°、YZ视图倾角3°）、煤层厚度薄且厚度变化差异大（1.08~1.68 m）的复杂产状特征，在顺层定向钻孔施工中，钻孔平面拐弯段采用原有的轨迹设计方法存在轨迹实控难度大、易偏离煤层进入不稳定顶底板而无法钻进、多分支孔施工降低施工效率和无效进尺的难题。本文基于视倾角计算公式，引入钻孔沿工作面走向倾角参数，针对钻孔平面拐弯段优化轨迹设计方法，并在金泰煤矿开展验证试验。结果表明：优化的钻孔平面拐弯段轨迹设计方法相对于原有轨迹设计方法，能够保持钻孔沿煤层中部钻进，克服煤层厚度变化干扰，实现钻孔平面拐弯段精确沿煤层钻进，有效进尺率分别为48.82%、76.72%和100%。8~10号试验钻孔瓦斯监测数据均呈现出较好的瓦斯抽采效果。

关键词

煤层产状; 顺层钻孔; 定向钻孔; 钻孔轨迹设计; 瓦斯抽采

0 引言

煤矿井下定向长钻孔成孔技术装备具备施工精度高、实钻轨迹可控、布孔层位灵活等技术优势，在煤矿瓦斯抽采、水害防治、构造探查等领域得到了广泛地应用^［1-7］。我国西南煤炭产区地质条件复杂，煤层厚度薄且走向厚度变化大，煤层产状在倾向和走向上多具较大起伏^［8-9］。关于煤矿井下近水平定向钻孔轨迹设计和控制技术研究较为统一，认为轨迹设计方法的不断优化和分支孔施工工艺的配合，是实现不同地层条件定向钻孔符合设计要求的主要技术路径^［10-14］。董小明^［15］等在金泰煤矿10605运输顺槽M6煤层进行了定向钻孔与普通钻孔在瓦斯治理效果上的研究，但施工工作面M6煤层不具备缓倾斜地层特征，因而未进行钻孔设计方法的研究。

金泰煤矿可采煤层共分为M6、M8和M12三层。其中，M6煤层内钻孔路径沿倾向倾角17°、沿走向倾角3°。M6煤层顶底板均为泥质粉岩层，综合柱状图的地层描述以及以往钻孔施工资料，M6煤层底板岩层稳定性差、难以成孔。同时，拟施工10606工作面巷道未完全揭露、地层产状信息缺乏、煤层厚度薄、导致该工作面顺层定向钻孔施工存在较大难度，故在10606运输巷开展顺层定向钻进成孔试验，为金泰煤矿及相似地层特征矿区提供可借鉴的顺层定向成孔工艺技术。

1 地层概述

M6煤层位于P3l上部，上距P3c底界平均厚24.83 m，下距M8煤层（B2）顶界平均21.49 m。煤层厚度1.08~1.68 m，变化系数为9.92%。采用直接法测定煤层瓦斯含量为5.05~16.07 m³/t，煤层瓦斯压力为0.10~0.57 MPa；煤的坚固性系数f=0.49~0.97^［16］。地层柱状图如图1所示。

图1  M6煤层简化地层柱状图

Fig.1  Simplified stratigraphic histogram of M6 coal seam

煤层结构简单，不含夹矸。煤层顶板岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。底板为粘土岩，含炭质泥岩，产植物碎片化石。煤层较稳定。

2 倾角设计方法

定向钻进能够实现轨迹精确控制是以实钻轨迹与设计轨迹的偏差值作为参考，通过控制螺杆马达弯头朝向（即工具面向角）来控制钻孔轨迹倾角和方位角值的变化^［17-18］，从而消除偏差保障实钻轨迹符合设计轨迹，因而钻孔初始设计的准确性具有重要意义。M6煤层受化觉背斜褶皱构造控制，钻孔路径呈现出XZ视图倾角17°、YZ视图倾角3°的产状特征。将定向钻孔从开孔到与主勘探线方位角一致之前的孔段定义为平面拐弯段，该段同时受XZ视图倾角和YZ视图倾角控制，且随着钻孔逐渐趋近主勘探线方位，XZ视图倾角控制减弱，YZ视图倾角加强，在达到主勘探线方位孔段后，钻孔仅受YZ视图倾角控制。M6煤层地层产状示意如图2所示。

图2  M6煤层地层产状示意

Fig.2  Schematic diagram of M6 coal seam stratigraphic occurrence

常规视倾角与真倾角的换算通常与真倾角α、岩层走向与观察剖面的夹角θ、比例尺纵横比η 3个数值有关，由关系式：tanβ=tanα·sinθ·η可计算得出视倾角值。视倾角与真倾角换算关系如图3所示。

图3  视倾角与真倾角转换关系

Fig.3  The conversion relationship between apparent dip and true dip

但在该公式中，默认地层走向倾角为（YZ视图倾角）0°，而金泰煤矿M6煤层具有YZ视图倾角3°，煤层的平均厚度薄，为保障钻孔在平面拐弯段的钻进过程中保持在煤层中钻进，故需重新进行计算公式推导。在原有计算参数中增加走向倾角，钻孔单位设计长度及其上下位移、倾向上的上下位移、走向上的上下位移，而岩层走向与观察剖面的夹角亦即钻孔设计方位与主勘探线方位的夹角，依据上下位移关系及三角函数关系得出：

$$H=H_{\mathrm{1}}+H_{\mathrm{2}}$$

（1）

$$H=L·\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta$$

（2）

$$H_{\mathrm{1}}=\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha ·\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta ·\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta ·L$$

（3）

$$H_{\mathrm{2}}=\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\gamma ·\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta ·\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta ·L$$

（4）

将式（2）、（3）、（4）代入式（1）可得：

$$\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \left(\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha ·\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta +\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\gamma ·\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \right)=\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta$$

（5）

则可得出：

$$\beta =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha ·\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta +\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\gamma ·\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \right)$$

（6）

式中：β——视倾角；α——地层XZ视图倾角（地层真倾角）；γ——地层YZ视图倾角；θ——钻孔设计方位与主勘探线方位夹角；L——钻孔单位设计长度，一般取3 m；H——钻孔单位设计长度上下位移；H₁——钻孔单位设计长度在倾向上的上下位移；H₂——钻孔单位设计长度在走向上的上下位移。

由上述公式可知，在平面拐弯段的钻孔设计中，视倾角值β随着钻孔设计方位与主勘探线方位夹角θ值的变化而变化，取钻孔单位设计长度为3 m，则钻孔视倾角值β随着设计方位角的变化（其与主勘探线方位角的夹角θ值的变化），每3 m进行一次计算，得到钻孔视倾角值。依据施工采用的Ø73 mm螺杆马达（弯角值为1.25°）造斜能力，定向钻孔设计一般采用0.5°/3 m等间隔变化量来进行。因而通过计算得出视倾角值后，然后根据上下位移关系式：H=H₁+H₂，采用0.5°值的四舍五入来进行设计倾角值的化整调整，最终得出钻孔设计倾角值。钻孔平面拐弯段长度对应的钻孔深度亦为夹角θ值为0时的孔深，θ值为0代表钻孔与主勘探线方位重合，后续孔段设计只与YZ视图倾角与地层产状变化有关。8号钻孔局部设计参数如表1所示。

表1  金泰煤矿M6煤层8号顺层定向钻孔设计倾角

Table 1  The design inclination angle of the 8# directional drilling in the M6 coal seam of Jintai Coal Mine

序号	孔深/m	夹角/(°)	夹角弧度值	倾向倾角/(°)	倾向倾角弧度值	倾角/(°)	倾角弧度值	视倾角值/(°)
1	0	36.5	0.64	17	0.30	3	0.05	12.62
7	18	35.5	0.62	17	0.30	3	0.05	12.41
10	27	34	0.59	17	0.30	3	0.05	12.10
14	39	32	0.56	17	0.30	3	0.05	11.66
17	48	30.5	0.53	17	0.30	3	0.05	11.32
︙	︙	︙	︙	︙	︙	︙	︙	︙
76	225	0.5	0.01	17	0.30	3	0.05	3.15
77	228	0	0.00	17	0.30	3	0.05	3.00

3 钻孔布孔设计

本次设计试验钻孔3个，钻孔编号8~10。钻孔剖面设计上，由于平面拐弯段受煤层XZ视图倾角和YZ视图倾角共同控制，因而在平面拐弯段倾角值为视倾角值，而在进入主勘探线方位段后，钻孔倾角仅受YZ视图倾角（走向）控制，因而与煤层走向倾角保持一致。由于煤层平均厚度薄，将钻孔布置在煤层中部有利于钻孔克服煤层变薄、产状起伏和人为轨迹控制偏差，保持钻孔沿煤层钻进。钻孔平面设计上，依据煤层瓦斯抽采半径2.5 m，钻孔设计平面间距为5 m，平面控制距10606运输巷帮47~67 m范围。钻孔平面设计如图4所示。

图4  钻孔平面设计

Fig.4  Drilling plan design

4 试验效果

4.1 控制精度分析

基于本文提出的平面拐弯段钻孔倾角设计方法及选用的定向分支孔探顶施工工艺，统计试验钻孔实钻轨迹数据，分析其工艺适用性。8号钻孔为第1个试验钻孔，在平面拐弯段的钻进中因钻出煤层开分支孔2个，在主勘探线方位段钻进中因钻出煤层开分支孔10个，主孔深度498 m，累计开分支孔12个，有效进尺率为48.82%，试验钻孔实钻平面轨迹如图5所示。

图5  试验钻孔实钻平面轨迹

Fig.5  Actual drilling plane trajectory of test hole

分析8号钻孔实钻轨迹得出：（1）提供的地层产状信息存在一定误差，需要通过实钻轨迹进行修正，通过定向分支孔探顶施工工艺，有效修正地层产状。（2）在平面拐弯段钻进中，实钻轨迹左右偏差符合设计要求的孔段，钻孔能够实现纯煤层孔钻进。2次钻出煤层都发生在左右偏差较大的孔段。分析认为，由于地层XZ视图17°的倾角，在实钻轨迹控制中，左右偏差导致钻孔易钻遇煤层顶底板，右偏差易提前钻遇顶板，左偏差易提前钻遇底板。（3）在主勘探线方位段钻进中，钻孔顺着煤层YZ视图倾角钻进，但在钻进过程中出现煤层局部变薄和YZ视图倾角偏离设计参考值3°导致的钻出煤层。通过8号钻孔实钻轨迹对地层产状的探明，同时强化在实钻过程中的左右偏差控制。在9号钻孔施工中，平面拐弯段无分支孔，而主勘探线方位段分支孔降为3个，主要为主勘探线方位段轨迹控制不佳产生左右偏差，导致钻孔钻出煤层。10号钻孔实现单一主孔全煤层孔钻进，未施工分支孔。试验钻孔轨迹剖面如图6所示。

图6  试验钻孔实钻剖面轨迹

Fig.6  The actual drilling profile of the test hole

通过最大孔深、分支孔数量、分支孔进尺、综合台班效率（8 h）、煤岩情况参数分析得出：（1）试验钻孔最大孔深501 m，3个钻孔均达到设计要求终孔。综合台班效率最大15 m/h，影响综合台班效率的主要因素为分支孔施工。（2）采用定向分支孔探顶施工工艺，通过探顶后提钻至煤层分支点处开分支孔实现煤孔段搭接，消除了主孔瓦斯抽采盲区孔段。钻孔施工参数统计如表2所示。

表2  钻孔施工参数统计

Table 2  Statistical table of drilling parameters

孔号	主孔深度/m	分支孔数量/个	分支孔进尺/m	综合台班效率/(m·h-1)	有效进尺率/%
8	498	12	522	8.54	48.82
9	501	3	152	10.89	76.72
10	498	0	0	15	100

实施3个试验孔有效进尺率分别为48.82%、76.72%和100%，通过设计优化，显著提高了有效进尺率，节约了时间成本和费用成本，并为煤矿安全生产提供了保障。

4.2 瓦斯抽采效果分析

8~10号定向钻孔瓦斯抽采负压13.6~18.0 kPa，平均14.5 kPa。瓦斯抽采数据统计如表3所示。

表3  定向钻孔瓦斯抽采数据统计

Table 3  Directional drilling gas drainage data

孔号	抽采天数/ d	平均抽 采混量/ (m3·min-1)	平均抽 采纯量/ (m3·min-1)	平均抽 采浓度/ %	日均瓦斯抽采量/(m3·d-1)
8	28	0.92	0.61	65	874.35
9	22	0.96	0.72	71	1039.48
10	15	1.31	1.00	76	1443.68

8~10号定向钻孔的抽采浓度在监测期间均呈现波动变化趋势，总体保持在50%~70%之间，而抽采混量在抽采第10~12 d均出现快速下降，最后稳定在0.5~0.6 m³/min，抽采纯量也随着呈现同样的趋势。而3个钻孔的瓦斯抽采数据由于抽采天数的不同，平均值随着抽采天数而降低，因而平均值不代表钻孔间的抽采差异，而是从总体上呈现出抽采浓度高、抽采量大的特点，有效保障了M6煤层的瓦斯预抽效果。8~10号定向钻孔瓦斯抽采情况如图7所示。

图7  定向钻孔瓦斯抽采情况

Fig.7  Directional drilling gas drainage

5 结论及建议

（1）针对钻孔路径上同时受XZ视图倾角和YZ视图倾角控制的大倾向地层，平面拐弯段钻孔倾角设计方法能够保障定向钻孔平面拐弯段倾角设计的准确性，同时结合定向分支孔探顶施工工艺，可以有效解决薄煤层因局部厚度及产状变化而导致钻孔钻出煤层情况。

（2）缓倾斜薄煤层顺层定向钻孔施工中，左右偏差对于钻孔保持纯煤层孔钻进影响较大，在实际施工过程中，尤其是平面拐弯段，要注重左右偏差的控制，降低钻孔钻遇煤层顶底板的概率。同时，5 m平面间距的产状变化较小，在施工顺序上，沿平面设计依次施工可以有效降低钻孔施工难度。

（3）定向探顶施工工艺能够保障主孔段达到设计深度且实现纯煤层孔搭接覆盖，8~10号试验钻孔28、22、15 d抽采数据均呈现出较好的瓦斯抽采效果，对于相似地层条件矿井瓦斯治理具有良好的参考意义。