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“全程套管护孔工艺”改进
地质勘探工程处 2015年9月
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“全程套管护孔工艺”改进
为落实集团公司“以效益为中心”的管理思想，实现瓦斯“治得住、治得快、治得省”目标，勘探处积极开展自主创新，不断改进现有的工艺、装备。在“全程套管护孔工艺”改进方面，分别在谢一矿、朱集矿与顾桥矿试用了整盘式柔性套管、Φ103mm三翼式可开闭钻头及Φ73-40mm整体式宽翼片螺旋钻杆，对“全程套管护孔工艺”进行了较大改进，取得了很好的效果。
1 存在的难题
“全程套管护孔工艺”的成功应用实现了“管到底”，消除了因管下不到位形成的消突空白带，提高了抽采效果，缩短了抽采时间。但是，传统工艺使用的护孔管、钻头及钻杆不能较好满足打钻需要，存在难题亟待解决：
1、常规使用的插接式套管常出现脱节问题，造成抽采通道中断，抽采浓度低，若岩粉进入则形成堵塞，造成延期喷孔，大倾角钻孔还会因脱节形成下窜伤人风险。
2、原来使用的“可开闭四翼钻头”，当遇到稍硬岩石，易出现变形，造成中心翼片打不开。
3、常用ZDY系列钻机回转器通径为Φ75mm，若使用Φmm大通孔钻杆，需要更换钻机动力头。
2 上述难题的解决方案 2.1使用整盘式柔性筛管
2.1.1整盘式筛管，采用抗静电剂、阻然剂和聚乙烯材料混合注塑而成，具有抗静电、阻然等特性。
2.1.2套管具有一定的柔性也有一定的刚度，适应较小的空间条件，同时也能顺利顶开可开闭式钻头。
2.1.3花眼位置、直径、规格及数量可厂家直订，也可现场根据需要自己加工。图1是1吋整盘式筛管照片。
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图1 整盘式柔性筛管
2.2改进钻头
2.2.1钻头体中心凹槽由四翼通槽改为三翼半通凹槽，钻头在使用过程中，刀翼对中心凹槽有支撑保护作用，钻头体跟中心翼片不易变形，开闭式结构装置使用效果得到了保证。
2.2.2对复合片切削齿材料进行了优选调整，保证钻头适用于中硬岩层钻进。 2.2.3钻头刀翼由四翼改为三翼，减小了钻头钻进时的阻力，尤其岩石段钻进时，改型后的三翼钻头钻进效率提高明显。如图2所示。
a 原四翼钻头 b 现三翼钻头
图2 两种钻头外形比较图
2.3改进钻杆
2.3.1原钻杆杆体直径为Φ73mm，内径为Φ42mm，螺旋外径为Φmm，现钻杆杆体直径为Φ73mm，内径为Φ40mm，铣槽深度为4.5-5mm。
2.3.2原钻杆螺旋为焊接式，现钻杆为整体铣出式。如图3所示。
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a Φ-42mm大通径钻杆
b Φ73-40mm大通径钻杆 图3 两种钻杆外形比较图
3 现场试验情况
3.1整盘式柔性筛管试验情况 3.1.1基本情况介绍
此次试验地点为谢一矿-984mC13煤底板抽采巷，所揭C13煤层为高瓦斯“双突”煤层 ，其坚固性系数f＝0.28～0.14、瓦斯含量17.2m3/t，瓦斯压力6.2 MPa。
此次试验共施工第二、三组48个钻孔，钻孔深度28～54m，倾角为53～88°，要求全孔下护孔筛管。
3.1.2施工中存在的主要困难
3.1.2.1此处瓦斯压力大，存在喷孔威胁，所以要求下管时间短。
3.1.2.2所施工钻孔为上向钻孔，若使用插接式套管，易出现套管脱节现象。 3.1.2.3钻孔倾角较大，从钻杆内下套管，插接式套和没有下管空间，要求所下筛管有合适的刚性及柔性。
3.1.2.4钻孔倾角普遍较大，自53～88°，所下筛管不易固定。 3.1.3具体试验情况
第一阶段历时7天，共施工24个钻孔，累计进尺848.5m，筛管下放长度为810.5m，筛管下放成功率为95.5%，固定装置全部挂牢岩壁。第二阶段历时6天，共施工钻孔24个，累计进尺846m，筛管累计下放长度为839m，筛管下放率为99%，固定装置全部挂牢岩壁。
3.1.4取得的效果
3.1.4.1成孔率高。本次共施工钻孔48个，累计进尺1694.5m，其中扩孔6个，累计进尺217m，新施工钻孔42个，累计进尺1477.5m，所施工钻孔全部
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满足钻孔设计的要求，成孔率为100%。
3.1.4.2筛管下放率高。除刚开始施工的三个钻孔出现的状况外，后期筛管全部下到位，累计筛管筛入深度为19.5m，筛管下放效率为97.3%。
3.1.4.3筛管固定牢靠。大倾角专用固定装置共使用49个，除第一个钻孔使用2个外，其它钻孔均使用1个固定装置，但未出现筛管下窜现象，固定牢靠。
3.1.4.4下管时间短。由于空间有限，插接式套管只能1m/根，单孔下管时间约15～20分钟，而整盘式套管只需6～7分钟
3.1.4.5抽采效果好。初始抽采浓度达90%以上，且衰减较慢，整个考察阶段，瓦斯浓度提高近1倍。具体抽采情况见对比图4。
100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%3#试验钻场4#对比钻场5#对比钻场6#对比钻场7#对比钻场8#对比钻场95%88%82%75%70%60%53%40%58%55%48%60%85%80%74%58%60%55%40%32%41%28%38%35%初始1周后2周后3周后
图4 连续三周瓦斯浓度衰减情况柱状图
3.2钻头试验情况
“Φ103mm三翼式可开闭钻头”在朱集东矿1252（1）上、下顺槽顶板巷先后进行两次比较试验，共试验三翼钻头5个，四翼钻头20个。
3.2.1基本情况介绍
该地点钻孔均为下向穿层孔，设计角度在20～50°之间，设计钻孔需穿过两层砂岩，总伪厚度在15～20m之间，部分钻孔砂岩伪厚度能达到30m以上，其余是泥岩和煤层，具体岩性情况见图3。
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图3 施工地点岩性柱状图
3.2.2具体试验情况
本次试验施工参数为转速100转/分钟，给进压力4～5MPa，四翼钻头与三翼钻头分别由不同的钻机同时施工，试验数据如下。
钻头试验比较表
钻头编号 1 2 3 4 5 平均 四翼平均 施工孔数(个) 6 9 7 13 9 8.8 6.2 进尺数(m) 326.8 546.0 429.9 796.9 545.4 529.0 365.7 钻进硬岩长度(m) 110 200 180 270 208 193.6 143.4 硬岩钻进时效(m/h) 16 18 17 21 17 17.8 13.7 钻头打开成功率(%) 100 100 100 100 100 100 85 3.2.3取得的效果 3.2.3.1钻头打开成功率更高。Φ103mm三翼可开闭钻头在使用过程中，钻头体及中心翼片均未出现明显变形情况，钻头打开成功率100%，基本解决了因钻头容易变形造成打不开问题。
3.2.3.2单只钻头进尺量明显提高。三翼钻头平均进尺数比四翼钻头增加163.3m，降低了施工成本。
3.2.3.3硬岩钻进效率大幅度提高。四翼钻头硬岩钻进时效为13.7m/h，而三翼钻头为17.8m/h，提高29.9%。
3.2.3.4减少了无效施工时间。原来钻头如果打不开，需要起钻换新钻头重新下钻，无效施工时间较长，且增加工人的劳动强度。
3.3钻杆试验情况 3.3.1具体试验情况
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2015年4月28日开始在顾桥矿1414（3）轨顺提料斜巷、1413（1）轨顺试用Φ73-40mm整体式宽翼片螺旋钻杆（共试用200m），配套分体式履带钻机，施工顺层孔，钻孔设计120m，分别配套ZDY3200S、ZDY4300LF（A）型钻机及Φ103mm、Φ120mm开闭式钻头，截至2015年9月23日，使用Φ73-40mm整体式宽翼片螺旋钻杆累计施工110个钻孔，总进尺10584.4m。钻杆径向磨损量0.1～0.36mm，平均径向磨损量0.24mm，整个施工期间钻杆未出现断钻、开裂、弯曲、粘扣等异常现象，目前，该批次钻杆仍在继续使用。
为了考核其使用情况，在同等条件下，使用Φmm大通孔钻杆配合Φ120mm钻头与Φ73mm通孔钻杆配合Φ113mm钻头施工顺层孔，进行比较，使用情况如下。
钻杆类型 累计施工时间（天） 47 47 施工钻孔数（个） 82 90 总进尺（m） 9762.7 10584.4 综合台效（m/台·月） 6231.5 6756.0 比较 1 1.084 Φmm Φ73mm 3.3.2取得的效果
3.3.2.1 提高了施工效率。在同等条件下，使用Φ73mm通孔钻杆配合Φ113mm钻头施工顺层孔，施工效率提高8.4%左右。
3.3.2.2 降低了成本。使用Φmm大通孔钻杆需要另外增加一个钻机动力头，勘探处每年增加10个动力头计算，每年节省90万元。
3.3.2.3简化了施工程序。使用Φ-42mm大通孔钻杆，需要更换钻机动力头，而Φ73-40mm大通孔钻杆可直接使用，减少了无效的施工环节。
3.3.2.4钻杆使用寿命更长。由于整体铣出式钻杆外表强度比焊接式钻杆肋骨片强度高，故其耐磨性更高，使用寿命将更长。
3.3.2.5与标准钻头级配更加合理。Φ-42mm大通孔钻杆配合。Φ113mm钻头施工，易出现钻孔排渣不畅，故必须特制加工Φ120mm钻头，而Φ73-40mm大通孔钻杆配合Φ113mm钻头施工，钻孔排渣顺畅。
3.3.2.6降低了工人的劳动强度。Φ-42mm大通孔钻杆每米重37.122.2kg/m，Φ73-40mm大通孔钻杆每米重22.2kg/m，工人操作时，劳动强度大大降低。
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4 下一步工作计划
4.1与生产厂家合作，不断完善柔性套管各项性能指标，指导厂家形成套管规格规范。
4.2加大柔性套管推广力度，特别是用于工作面顺层注水钻孔中，使“一孔三用”真正落到实处。
4.3三翼钻头目前虽然能施工中硬岩石，但当f值为6及以上时，钻进效率低下，需要进一步研究，保证钻头能施工f值为9左右的岩石。
4.4由于Φ73-40mm大通孔肋骨钻杆比普通Φ73mm肋骨钻杆内径大，施工时风路阻力小，能保证施工更安全，下一步将逐步替换普通Φ73mm肋骨钻杆，以更好地保证勘探处施工效率与安全。
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