摘要
为了解决煤矿井下复杂岩层破碎定向钻进出现孔壁坍塌而成孔难题，创新发明出复杂岩层跟管定向钻进技术护住复杂破碎孔段。该技术先采用中心定向钻具外跟套管穿过复杂地层，然后提出中心定向钻具利用外部套管护住复杂岩层孔段，最后在外部套管内下入下一级定向钻具施工。本文通过开展跟管定向钻具设计、跟管定向钻进工艺研究，并将该技术应用于淮北某矿高位定向钻孔试验。试验中该技术成功护住了由2层煤线、1层泥岩组成的103.5 m复杂岩层孔段，最终定向钻进成孔孔深530 m。试验表明，本技术可有效护住复杂地层孔段，提高复杂岩层定向钻孔深度和保护抽采通道。
目前煤矿井下定向钻进技术在煤矿井下瓦斯灾害治理、水害防治等钻探工程中得到广泛应用。但在实际应用中，由于成孔条件限制，只能应用于极少数煤层硬度f>1、成孔性好的顺层瓦斯抽采钻孔、稳定岩层高位定向钻孔、探放水钻孔、精准地质勘探钻孔以及顶（底）板注浆加固钻孔等岩层钻孔施
岩层定向钻孔施工过程中，常常会遇见煤系地层中断层破碎带、泥岩、高地应力软岩等复杂地层，在这些复杂地层施工中，易出现塌孔、卡钻等事故，施工难度大、成孔难，钻孔深度浅，达不到预期目标而导致应用效果不理想。当钻遇这类地层时，主要采取钻分支孔避让不稳定地层、孔内注浆和下套管护孔等几种方法尝试处理，现实使用中往往难以取得理想的效果。
为了解决破碎坍塌不稳定地层钻进护孔问题，地面钻探领域研究了偏心跟管钻进、双管钻进、气动潜孔锤跟管钻进工艺
煤矿井下跟管定向钻进技术方法是采用有线随钻测量系统与螺杆钻具带着套管进行定向钻进。钻进过程中，高压冲洗介质驱动螺杆钻具回转从而带动跟管定向钻头回转，跟管定向钻带动跟管扩孔套钻头一起回转破碎孔底岩石，而中心钻具（通缆钻杆、有线随钻测量钻具、螺杆钻具）与外部套管（套管、铰接接头、套管靴、跟管扩孔套）均不回转，通过调整工具面即改变螺杆钻具弯头朝向来实现钻孔轨迹控制，在给进力作用下外部套管随中心钻具一同进入孔内（如
图1 跟管定向钻进施工原理
Fig.1 Principle of casing while directional drilling
1-通缆钻杆；2-套管；3-有线随钻测量钻具；4-岩层；5-螺杆钻具；6-铰接接头；7-套管靴；8-中心定向钻头；9-跟管扩孔套
跟管定向钻进工艺的关键在于钻具结构设计，中心钻具主要由中心通缆钻杆、有线随钻测量钻具和孔底螺杆钻具（带弯接头）、跟管定向钻头等组成，外部跟管套管由高强度的PE管、铰接接头、套管靴、跟管扩孔套等组成。
首先为实现跟管时孔底钻头回转而外部套管结构不随跟管定向钻头回转，外部套管与跟管定向钻头（中心定向钻头、跟管扩孔套）之间结构设计成一套滚珠钻具结构；另外为了保证跟管定向钻孔轨迹控制，调整螺杆钻具弯头朝向时不影响造斜钻具的造斜，在螺杆钻具弯头部分对应套管部分设计成一套铰接接头结构，使套管跟随螺杆钻具弯头朝向全方位调节。
（1）为了满足工艺要求，设计了滚珠钻具，其主要由套管靴、跟管扩孔套和中心定向钻头组成（见
图2 滚珠钻具结构示意
Fig.2 Schematic diagram of the racing ball type drill
（2）中心定向钻头（见
图3 中心定向钻头结构示意
Fig.3 Schematic diagram of the concentric directional bit
（3）套管靴与跟管扩孔套（见
图4 套管靴与跟管扩孔套结构示意
Fig.4 Schematic diagram of the casing shoe and
reaming sleeve
由于中心钻具组合中螺杆钻具底部有1.25°的弯角结构，该结构可实现钻孔定向造斜，对应套管部分采用铰接结构保障套管随螺杆钻具向对应方向调整。
铰接接头由外接头和内接头组成（见
图5 铰接接头结构示意
Fig.5 Schematic diagram of the articulated joint
钻具组合由中心钻具、外部套管等内外两套钻具串组成（参见
（1）外部套管：Ø102 mm／Ø140 mm跟管扩孔套+Ø102 mm套管靴+铰接接头+Ø130 mmPE管。
（2）中心钻具：Ø102 mm／Ø140 mm中心定向钻头+Ø89 mm螺杆钻具+Ø73 mm有线随钻测量钻具+Ø73 mm通缆钻杆。
采用Ø96 mm复合片钻头回转开孔，并逐级扩孔至Ø193 mm后下入Ø178 mm孔口管护孔，然后下入定向钻具至孔底。
根据设计轨迹，调整工具面后开始跟管定向钻进。通过转动通缆钻杆带动螺杆钻具回转改变螺杆钻具弯头朝向，即可改变中心定向钻头和跟管扩孔套在孔底的造斜方向，实现定向钻孔轨迹控制。调整给进压力大小，确保孔底螺杆钻具平稳高效钻进；在给进力作用下，套管随钻具一同进入孔内；冲洗介质从通缆钻杆中进入，驱动螺杆钻具碎岩，钻渣随冲洗介质从中心定向钻头与跟管扩孔套中间返入导流槽，通过外部套管和中心钻具之间环空间隙返出孔外。
每钻进一段深度，采用有线随钻测量系统测量钻孔数据，根据钻孔轨迹情况选择合理的工具面向角来控制钻孔轨迹，使钻孔沿着预定的方向延伸。
采用跟管定向钻具钻进到预定深度后，停止钻进，慢慢逆时针旋转通缆钻杆，中心定向钻头与跟管扩孔套分离，将中心钻具（通缆钻杆、螺杆钻具和中心定向钻头）提出孔外，外部套管（套管、铰接接头、套管靴和跟管扩孔套）则留在孔内，起到对复杂岩层孔段护孔的作用（见
图6 跟管定向钻进提出中心钻具
Fig.6 Tripping out the concentric drilling tool in casing while directional drilling
连接小直径定向钻具：Ø96 mm小直径定向钻头+Ø73 mm螺杆钻具+Ø73 mm有线随钻测量+Ø73 mm通缆钻杆。
将小直径定向钻具从套管内下到孔底，此时外部套管作为护孔管保护孔壁，采用定向钻进技术方法继续钻进至设计孔深。冲洗介质从中心钻具中心进入孔底，携带钻渣沿着钻杆与孔壁间隙外返至套管位置后，再沿着外部套管与钻杆之间环空间隙返出孔外（参见
图7 小直径定向钻具定向钻进
Fig.7 Directional drilling at smaller diameter
1-通缆钻杆；2-套管；3-岩层；4-有线随钻测量钻具；5-铰接接头；6-套管靴；7-小直径螺杆钻具；8-跟管扩孔套；9-小直径定向钻头
试验地点位于淮北某矿工作面风抽联巷高位钻场，钻场底位于9号煤层顶板5 m位置。该钻场设计B组孔2个，穿过7号煤层沿其顶板5 m位置钻进施工，解决由于9号煤层回采后7号煤层上溢瓦斯。钻进施工地层主要为中砂岩，块状，其间穿过7号煤层、部分煤线和泥岩薄层，局部存在断层破碎带。钻进地层情况如
图8 钻进地层柱状图
Fig.8 Drilling formation geology
试验装备采用ZDY12000LD型定向钻机，具有Ø135 mm大通孔结构，满足配套钻具尺寸结构要求。配套BLY460型泥浆泵，排量大，满足施工的要求。
跟管钻进试验钻具和材料主要包括Ø102 mm/Ø140 mm滚珠钻具、Ø89 mm螺杆钻具、铰接接头、Ø130 mmPE管、有线随钻测量系统和Ø89 mm通缆钻杆等。护孔后定向钻进钻具为Ø73 mm螺杆定向钻具，主要钻具实物见
图9 Ø102 mm／Ø140 mm滚珠钻具实物
Fig.9 Ø102mm／Ø140mm racing ball type drill
图10 跟管钻进护孔套管
Fig.10 Screen pipe for borehole protection
试验钻孔为B1钻孔，钻孔开孔倾角+6°，距离回风巷侧帮距离40 m。开孔扩孔12 m后下入Ø178 mm孔口管护孔。钻至孔深22 m处见煤线、泥岩破碎带无法通过。采用跟管定向钻具开始钻进施工，正常跟管钻进至38 m时发现套管不前进，提钻发现套管与管靴之间脱开，导致套管无法继续跟进。分析认为PE套管接头强度较低，因而出现脱扣情况。
下入小直径定向钻具“Ø96 mm小直径定向钻头+Ø73 mm螺杆钻具+Ø73 mm有线随钻测量+Ø73 mm通缆钻杆”进行定向钻进施工，给进压力为空载压力+1~2 MPa，钻进过程采用滑动钻进或复合定向钻进工艺，泥浆泵流量选用250 L/min，驱动Ø73 mm螺杆马达带动Ø96 mm钻头碎岩，该孔最终正常钻进至530 m，达到了设计的深度。试验钻孔轨迹剖面如
图11 钻孔轨迹剖面示意
Fig.11 Section view of the drilling trajectory
（1）针对煤矿井下复杂岩层，开展了跟管定向钻进技术研究，研制了一套跟管定向钻具组合，通过现场试验，初步形成了跟管定向钻进工艺方法。
（2）现场试验中最终顺利实现103.5 m定向跟管钻进，并利用外层套管护孔。试验表明，该技术工艺原理可行。
（3）尚需研究改善套管结构、连接强度和跟管方式，采取推拉结合的方式跟入孔内，改善套管受力形式，从而提高跟管工艺的可靠性，增加跟管深度，提高该技术的推广应用范围。
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