松软岩土层射流导向成孔-扩孔-防塌孔一体化钻进方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种松软岩土层射流导向成孔-扩孔-防塌孔一体化钻进方法。
【背景技术】
[0002]地表和地下松软岩土层施工近水平或倾斜较大孔径的钻孔难度较大，主要原因是在施工过程中钻孔容易边钻边塌，排渣量大，还可能出现卡钻、抱钻和掉钻等事故，导致钻进效率较低，同时，在，松软岩土层施工近水平或倾斜较大孔径的钻孔后，极易在短时间内塌孔，使钻孔失效。此外，在地表和地下岩土松软岩土层钻进过程中，由于钻杆自身重力和岩土强度不均匀性，在施工松软岩土层施工近水平或倾斜长钻孔时，钻进轨迹易发生偏移，影响钻孔过程质量。因此，需要一种钻进技术，既能解决松软岩土层钻进过程及成孔后塌孔，又能减少施工近水平或倾斜长钻孔时钻进轨迹偏移，同时还能够提高钻头切割钻进效率。
[0003]1、现有跟管钻进护孔技术
跟管钻进技术是利用钻头牵引后面连接的套管，实现打钻过程中的同步完成下套管，钻进结束后收缩钻头，将钻头和钻杆从套管中撤出。目前跟管钻进技术主要用于地面工程地质领域松软地层钻进应用，而在软煤钻进领域主要是理论研宄，井下工程实际应用较少。在井下应用存在的主要问题是钻孔排渣空间小、套管容易被抱死，难以实现全程下套管护孔，同时大直径套管成本较高。
[0004]2、钻杆内下套管护孔技术
钻杆内下套管护孔技术利用中部可打开钻头和较大内径钻杆进行钻进，结束后撤钻头和钻杆一小段距离，将较小直径套管自钻杆和钻头内插入钻孔中固定，再将钻头和钻杆撤出钻孔。钻杆内下套管护孔技术在井下应用存在的主要问题是不能解决打钻过程中的塌孔、卡钻问题，同时套管直径较小，抽放效率受限。
[0005]3、钻井液护孔技术
钻井液(原称泥浆)是指钻井中使用的工作流体。它可以是液体或气体。因此，钻井液应确切地称为钻井流体。钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。钻井液防塌孔主要应用于地面垂直钻进，对于水平井和井下水平钻孔防塌效果有限。
[0006]4、高压水射流切割辅助钻进技术
现有的高压水射流切割辅助钻进技术主要是采用钻头前方的高压水射流切割岩石或其他物质，利用高压水射流切割破岩作用，增加钻头在较硬岩层中的钻进效率。目前，这项技术能较大提高在硬岩或者其它高强度物质中的钻进效率，但是不适用于对于较软岩层和物质钻进。
[0007]5、射流导向钻进技术
射流导向钻进技术是先利用射流施工导向孔，然后利用钻头扩孔。导向孔钻进是通过导向钻头的高压水射流冲蚀破碎、旋转切削成孔的。导向钻头前端为15°造斜面。该造斜面的作用是在钻具不回转钻进时，造斜面对钻头有个偏斜力，使钻头向着斜面的反方向偏斜；钻具在回转顶进时，由于斜面在旋转中斜面的方向不断改变，斜面周围各个方向受力均等，使钻头沿其轴向的原有趋势直线前进。现有的射流导向钻进技术能够解决松软地层中直线钻进和定向钻进问题，但是不能解决松软地层导向钻进过程中的塌孔问题。
【发明内容】
[0008]本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种松软岩土层射流导向成孔-扩孔-防塌孔一体化钻进方法。该方法的目的是通过松软岩土层射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻进，实现在松软岩土层钻进过程中的射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化工艺过程，提高松软岩土层钻进效率和成孔质量，防止松软岩土层钻进过程中边钻边塌及短时间内塌孔垮塌。本发明实现松软岩土层钻进的防塌和导向钻进，提高松软岩土层钻进效率、提高松软岩土层成孔质量、减少松软岩土层钻进轨迹偏移、最大限度减少松软岩土层钻孔塌孔。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:松软岩土层射流导向成孔-扩孔-防塌孔一体化钻进方法，包括以下步骤，
(I )、加工和测试松软岩土层射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻进装置；
(2)、对松软岩土层射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻进技术参数设计； (3 )、配制喷浆防塌浆液，测试浆液凝固性能；
(4)、安装松软岩土层射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻进装置；
(5)、进行松软岩土层射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻进作业；
(6)、至设计深度后停止钻进，利用清水清洗喷浆管路和浆液喷嘴，撤出钻杆钻头；
(7)、检测松软岩土层射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻进效果。
[0010]所述步骤(I)中松软岩土层射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻进装置采用射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻头，钻头前端设置2-3个射流导向切割喷嘴，钻头两侧安装2-3个射流扩孔切割喷嘴，钻头后端连接2-3个浆液喷嘴；钻杆由内层钻杆和外层钻杆组成，内层钻杆采用薄钢管或塑料管；内层钻杆和外层钻杆之间采用支撑片固定连接；钻杆之间的连接采用平扣连接，外层钻杆和内层钻杆之间形成的环形通道用于通水、排渣和射孔，内层钻杆内部轴向设有用于通过混凝土和速凝剂浆液的浆液通道。
[0011]所述步骤(2)中，射流导向成孔-射流扩孔-喷浆防塌孔一体化钻进参数主要包括浆液凝固时间、注浆速度、喷浆厚度、浆液凝固强度、水射流压力、水射流扩孔直径、水射流扩孔速度、水射流导向切割速度、钻进速度；所述参数需要预先根据理论、经验及测试进行初步设计；
①水射流压力
水射流压力需要与松软岩土层硬度系数或力学强度对应，当松软岩土层硬度系数0-0.5时，射流压力20-25MP范围即可满足水射流扩孔和射流导向钻进；当松软岩土层硬度系数0.5-1.0时，射流压力25-35MP范围即可满足水射流扩孔和射流导向钻进；
②水射流导向钻进速度
水射流导向钻进速度与水射流压力、松软岩土层硬度系数及钻机转速有关，射流压力越大，松软岩土层硬度系数越小，钻机转速越大，水射流导向钻进速度越快；确定合理的水射流导向钻进速度应等于或略大于水射流扩孔速度、喷浆速度及钻进速度；
③水射流扩孔深度
水射流扩孔深度与水射流压力、松软岩土层硬度系数、钻机转速及钻进速度有关，射流压力越大，松软岩土层硬度系数越小，钻机转速越大，钻进速度越小，水射流扩孔深度越大；扩孔深度应等于或略大于钻孔壁喷浆厚度；
④注浆压力
在喷嘴直径一定时，浆液在钻杆内流动速度随注浆压力增加而增大；随着钻杆长度的增加，浆液流动的距离加长，为保持稳定浆液在钻杆内流动时间，需要逐步增大注浆压力；在钻进转速和钻进速度一定时，注浆速度和注浆厚度随注浆压力增加而增大，为了稳定注浆厚度，需要在增大注浆压力的同时增加钻进速度；
⑤喷浆厚度
喷浆厚度影响钻孔支护强度，在地表埋深较浅时，地应力较小，浆液厚度l_5mm即可防止塌孔；当在地下深部施工钻孔时，地应力较大，为延长钻孔垮塌时间，钻孔厚度应大于1mm ;喷浆厚度与喷浆压力和钻进速度相关，喷浆压力越大，钻进速度越小，则喷浆厚度越大；
⑥液初凝时间
液初凝时间为混凝土与速凝剂混合至初步凝结所需时间Tl，初凝时间应略大于混凝土与速凝剂混合浆液在钻杆中流动时间T2 ;在注浆压力不变时，T2随着钻进深度的增加而增大，为始终保持Tl略大于T2，应逐步增大注浆压力，以增加浆液在钻杆内的流速，T2保持稳定；当增加压力不能满足Tl大于T2，需要调节混凝土与速凝剂混合比例，延长混合浆液液初凝时间；
⑦浆液凝固强度
浆液凝固强度包括初凝强度和终凝强度；浆液层应具有一定的初凝强度，以便能防止钻进时钻孔松散煤壁立即掉渣或垮落；终凝强度应尽可能大，以尽可能增强浆液层对后期钻孔壁后期支护强度。
[0012]所述步骤(3)中，固孔浆液采用混凝土浆液和速凝剂混合液，也可采用其他具有较高支护强度的快速凝固的材料；采用少量试样不同配比下混凝土浆液和速凝剂混合液凝固性能，调试固孔混合浆液的成分和添加比例，使得混合后浆液初凝时间略大于浆液在钻杆内流动时间；在应用时，先搅拌混凝土浆液，速凝剂在喷浆过程中根据需要按不同比例添加；当喷射薄层浆液护孔时混凝土浆液采用水泥浆液或水泥细砂子混合浆液；当喷射厚层浆液护孔时混凝土浆液采用水泥和粗砂混合浆液；速凝剂采用铝酸钠、铝酸钾铝酸盐类速凝剂，用于湿混喷射混凝土护孔层，常用剂量一般为混凝土用量的2.5%?5.5%。
[0013]所述步骤(4)中，安设钻机、钻杆和钻头，通过钻杆末端旋转密封盖上的两个接头分别连接注浆泵和脉冲