井下水平长钻孔定向钻进装备及工艺技术
水平定向钻机操作流程
水平定向钻机操作流程1. 概述水平定向钻机是一种用于油气井下进行水平井段钻探的设备。
本文档旨在介绍水平定向钻机的操作流程。
2. 准备工作在开始操作水平定向钻机之前，需要进行以下准备工作：- 确认井口安全情况- 检查钻机设备的完整性和正常运行状态- 确定钻孔位置和井筒设计参数3. 操作步骤3.1 安装钻机设备将水平定向钻机设备安装到井口附近的合适位置，确保固定牢固，并连接井口装置。
3.2 启动钻机设备按照钻机设备操作手册的指引，正确启动钻机设备，并确保各项参数设置正确。
3.3 进行下套管操作根据钻孔设计要求，进行下套管操作。
具体步骤包括：- 使用套管切槽工具切割套管- 在套管底部安装钻头- 使用钻具将套管插入井孔3.4 进行定向钻进操作以下是定向钻进操作的步骤：- 选用合适的定向工具，如测斜仪和定向底钻- 根据井筒设计要求，设定井斜角度和方向- 控制钻机设备进行定向钻进工作，同时记录测斜数据- 定期检查钻机设备的运行状态，确保正常工作3.5 完成水平段钻进当达到目标井段的设计长度后，完成水平段的钻进工作。
此时，需要进行以下操作：- 停止钻机设备的工作- 进行测斜数据的分析和记录- 将测斜数据传输至地面进行分析3.6 结束操作当水平定向钻机操作完成后，需要进行整理和清理工作：- 拆卸钻机设备并安全存放- 清理工作区域，确保无遗留危险物品- 记录并汇报井下作业情况4. 安全注意事项在操作水平定向钻机时，务必注意以下安全事项：- 遵守操作规程和操作手册中的安全要求- 保持设备、工作区域的整洁和安全- 定期检查设备的运行状态，及时发现并处理异常情况- 配备合适的防护设备，如安全帽、护目镜等以上为水平定向钻机操作的基本流程，具体操作步骤和安全事项可根据实际情况进行调整。
操作人员应严格遵守相关规定和操作规程，确保操作安全和井段钻进的顺利进行。
水平定向钻施工工艺
水平定向钻施工工艺水平定向钻进技术又称HDD技术（Horizontal Directional Drilling），是近年发展起来的一项高新技术，是石油钻探技术的延长。
主要用于穿越道路、河流、建筑物等障碍物，它和传统大开挖埋管施工方式相比，具有施工速度快、精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、自然气、石油等管线铺设工程中。
一、施工工艺简介水平定向钻机由钻机系统、动力系统、导向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成。
运用水平定向钻机进行管道穿越施工，首先依据设计曲线尽可能精确的钻一个导向孔，然后将导向孔进行来回扩孔，扩孔完成后将待铺管材沿着扩大了的导向孔进行拖拉，最终完成管线穿越工作，具体工艺如下图所示。
水平定向钻穿越施工须要两个分别的工作场地：钻机设备场地（钻进入土点工作区）和管线预制场地（钻孔出土点工作区）。
每个场地的主要施工工序如下：钻机设备场地：测量放线→三通一平→钻机设备进场→钻机组装调试→控向系统调试→钻导向孔→预扩孔→回拖→设备退场→复原地貌。
管线预制场地：测量放线→三通一平→设备进场→运管布管→组装焊接等→设备退场→复原地貌。
二、水平定向钻施工的优、缺点及适用范围（一）水平定向钻施工的优点1．接受定向钻穿越施工时，地上功能能够正常运用。
例如穿越公路、铁路时，可不阻断交通；穿越河流时，可保证河流畅通，不阻断通航、排洪。
2．由于接受了非开挖施工，削减了大量工程土的开挖、运输和堆放，有利于环境爱惜。
同时，也相应的削减了基础埋设、地面复原等的费用。
3．施工周期短、作业平安快速、综合成本低，社会效益显著。
在开挖施工无法进行或不允许开挖施工的场合，可用定向钻从其下方穿越。
在城市建设高速发展的今日，避开重复开挖、修复所造成的道路拉链工程，具有较高的社会及经济效益。
（二）水平定向钻施工的缺点1．由于水平定向钻施工是一项新的生产工艺技术，目前我国尚无统一的技术标准和施工验收规范，造成对工程设计、施工质量的把控没有官方依据。
煤矿井下水平定向钻进技术与装备的新进展
煤矿井下水平定向钻进技术与装备的新进展石智军;李泉新;姚克【摘要】煤矿井下定向钻进技术作为一项工程领域的新技术,已经广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、防治水、地质勘探和精确工程钻孔施工等领域.经过在国内30多个矿区推广应用,煤矿井下定向钻进技术和装备逐渐完善并取得新进展,形成了ZDY12000LD型大功率定向钻机、无线随钻测量系统、地质导向钻进装置及复合定向钻进工艺.结合现场试验完成了主孔深度1881 m的煤层定向长钻孔和1026 m岩层定向长钻孔,充分说明了ZDY12000LD型钻机功率大、钻进及事故处理能力强,无线随钻测量系统测量精度高,配套复合定向钻进技术形成的钻孔孔壁光滑、沉渣少、钻孔曲率小,钻进效率高.【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》【年(卷),期】2015(042)001【总页数】5页(P12-16)【关键词】煤矿井下;定向钻孔;无线随钻测量;地质导向;大功率定向钻机;复合定向钻进【作者】石智军;李泉新;姚克【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077【正文语种】中文【中图分类】P634.7煤矿井下定向钻进技术可以实现钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在预定层位中的有效延伸，增长钻孔有效抽采距离，增加钻孔瓦斯抽采量，提高瓦斯抽采率;另外定向钻进技术可进行多分支孔施工，施工的钻孔能均匀覆盖整个工作面，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，能显著提高煤层瓦斯治理效果，现已成为我国煤矿区瓦斯高效抽采的主要技术途径［1－2］。
定向钻进技术自2008年开始在我国煤矿井下应用以来，据统计已在30多个矿区进行了广泛的推广应用［3－4］，不断改进完善并取得了新的重要进展，在国内煤矿井下完成了最大孔深1881 m，终孔直径98 mm和孔深1209 m，终孔直径120 mm的集束型瓦斯抽采水平定向长钻孔;完成了最大孔深1026 m，终孔直径153 mm的顶板岩石高位定向长钻孔。
水平定向钻施工技术-顶管施工技术介绍
水平定向钻施工技术-顶管施工技术介绍水平定向钻施工技术介绍“水平定向钻”是在不开挖地表面的条件下，采用定向钻机铺设各种地下公用管道设施的一种非开挖施工工艺，它广泛应用于供水、电力、通讯、燃气、石油、污水管道等管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土、卵石（含量较少）等地况。
它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点。
水平定向钻进设备一般适用于管径φ1200mm以内的的钢管和PE 管，目前最大铺管长度达到3302米。
（2016年中国石油天然气集团公司管道局穿越公司创下的世界纪录：5月21日，在靖江-江阴段长江河床下通过的水平定向钻管道穿越工程顺利完成，该管道直径711毫米，全长3302米，用于输送天然气）（公司目前完成的最长穿越为花都机场航煤DN406+DN110钢管，穿越长度为700米）一、定向钻进的工艺流程水平定向钻机进行管线穿越施工顺序为：地质勘探及管线探测、设计钻孔导向轨迹、导向施工、回拉扩孔（同时进行管道焊接）、管道回拖。
1、地质勘探：主要是通过地质钻探了解地质分布情况，形成地质勘查报告，为施工提供参考依据。
地质钻探现场钻探取样2、地下管线探测：主要是通过采用管线探测仪了解地下已有管线埋设的位置和深度等信息，为设计导向钻进轨迹提供依据。
雷迪8100管线探测仪管线探测仪地下管线探测3、导向施工：利用造斜原理，在地面导向仪引导下，按预先设计的铺管线路，由钻机驱动带导向钻头的钻杆，从入钻点至出钻点钻一个与设计轨迹尽量吻合的导向孔。
水平定向钻钻机（钻通25T）月蚀导向仪普通导向钻头岩石钻三牙轮钻头4、回扩施工：一般采用逐级扩孔，将钻孔扩大到管道回拖所需孔径，回扩终孔直径一般为回拖管道外包直径的1.2~1.5倍。
挤压式扩孔器（普通）三牙轮扩孔器（岩石）5、管道焊接：PE管通常采用热熔对接焊机将管道焊接成型，钢管则采用电焊焊接管道。
热熔对接焊机PE管道焊接钢管焊接。
定向钻穿越施工技术方案
4
3. 施工工艺流程
设计交底及现场交桩 测量放线
便道修筑、场地平整及施工区域清理 夯管机进场、安装、调试 套管安装 钻机进场、安装、调试 预制作业带清理、 扫线 运布管 管道组对、焊接 焊缝无损检测 磁方位角测量
泥浆配制
试 钻
试压、清管
导向孔对钻
补口、补伤、检漏
预扩孔
发送沟开挖/发射座安装
管道与钻具连接
2
2.2.2. 辅助钻机的主要参数
整机质量： 外型尺寸： 动力头最大理论推拉力： 系统设定最高工作压力： 液压系统最大流量： 钻杆直径： 钻杆最大长度： 动力头最大理论扭矩： 动力头最高转速： 动力头最高推拉速度： 主轴浮动距离： 最大泥浆通过量： 最高泥浆压力： 管钳最大夹持力： 管钳最大卸扣力： 履带最高行走速度： 工作允许环境温度： 工作允许环境湿度： 工作允许高程(海拨)： 最大回扩孔径： 最大施工距离： 入土角度： 最大爬坡度： 约 40T 17500×3400×3300mm 2860KN（286 吨） 35 Mpa 1200L/min
8
宽 1.1～1.8m。 一般设计车速 20km/h 时圆曲线 Rmin 为 30 米， 极限值为 15m。 6.1.1.4. 道路的等级为临时道路，路面不硬化。 6.1.2. 道路防护 为了防止路基塌陷与滑坡， 在路基高填方地段及路基不稳 定地段设置路肩式挡土墙， 高挖方地段及滑坡地段设置护面墙； 为了防止雨水对路基的冲刷， 在道路两侧的挖方地段设置排水 边沟。 6.1.3. 施工便道修筑 6.1.3.1. 修筑前，要将拟建便道的位置、宽度、长度、修筑方案等 报请业主或监理批准， 并征得有关主管部门 （例如土地、 公路、 水利等部门）的同意，办理有关手续。 6.1.3.2. 施工作业区与公路（伴行路）的连接通道应根据现场实际 情况确定， 报监理批准后实施。 连接通道应尽量利用现有道路、 平坦谷地等，以减少修筑工程量。 6.1.3.3. 施工便道应平坦并具有足够的承压强度，特殊地段（如需 要）以批准的专项施工方案为准。 6.1.3.4. 下路处，应采取堆填使施工便道与公路平缓接通，以不损 坏原有道路的路肩。与沟渠交叉时，要设置涵管。 6.1.3.5. 桥梁加固，利用现有道路作为施工便道，遇有需加固桥梁 时，采取加固措施，利用废旧钻杆、枕木、碎石等进行加固。 6.2. 施工作业带清理 6.2.1. 施工作业带清理原则 6.2.1.1. 施工作业带清理和平整应遵循保护农田、果林、植被及配 套设施，防止或减少水土流失的原则，尽量少占农田、树林和 少破坏地表植被和原状土。 通过灌溉、 排水渠时应采用预埋涵 管等过水设施，不能妨碍农业生产。
煤矿井下定向钻进工艺技术的分析
煤矿井下定向钻进工艺技术的分析摘要：随着社会经济的快速发展，定向钻进技术在石油工业、煤炭和地质等各个领域占据着十分重要的位置。
在我国煤矿综合推广工作的收益率和效率不断提升的情况下，矿井瓦斯地质异常检测和瓦斯钻孔轨迹的控制精度要求逐步提高，其在煤矿井下得到了十分广泛的应用，其不仅可应用于煤矿井下瓦斯抽采，还能够应用于煤矿井下探放水及工作面地质构造探测等工程领域，均取得了较好的效果。
关键词：煤矿井下；定向钻进工艺；应用1.煤矿井下定向钻进工艺技术的应用原理及特征1.1原理就现阶段煤矿井下定向钻进工艺技术来说，这是一种使用了随钻测量还有水力排渣功能的钻孔工艺技术[1]。
该技术应用的主要原理其实就是在泥浆泵加压静压水的过程中，采取钻杆里面的供水通道来将静压水运送到孔的底部，这样就可以使得孔底的螺杆马达在驱动的作用下进行旋转。
接着把动力提供给钻头旋转切削煤岩，以此来使得水沿着孔壁和钻杆之间的孔隙流动，进而将孔内的钻屑排除出去。
在具体施工的时候，对于孔底钻具的空间参数指标（如方位角还有倾角等）就可以利用随钻测量的系统来对其进行实施测量，这样操作的人员就可以通过设计参数和施工参数之间的对比来对孔底钻具的工具面向角来进行调整，以此来开展下一次的钻井施工[1]。
1.2特征煤矿井下定向钻进工艺技术具有以下特征：（1）稳定组合钻具该钻具具有着比较高的强度以及比较广的地层适应性，并且具有着操作性强以及成本低的特征，而且其结构相对简单，对于冲洗液的性能方面也没有特殊的要求。
同时，对于钻孔的倾角而言也是比较容易控制。
然而对于方位角来说，其控制方面的能力却是比较差的。
因此，该种钻具对于钻进定位精度要求不高并且深度在八百米以内的施工比较适用。
（2）孔底螺杆马达钻进对于孔底螺杆马达钻进的钻具而言，其具备较为复杂的结构，所以其成本也比较高，而且还要求有关操作的人员要具有比较高的技术水平。
同时，还钻具对于方位角还有倾角都有着比较强的控制调节能力，可以精准实时的进行随钻测量，并且其定向精度比较高。
煤矿专用定向钻机定向钻进技术与装备
2.定向钻机系列简介——钻机
（4）ZYWL-4000D定向钻机（经济型）
13000钻机优势
岩石钻孔深度 定向钻孔直径 孔底马达转矩
钻杆直径 给进/起拔力
最大转矩 电机功率
≥500m
≥800m
提高钻孔效率，降低孔内事故
96mm
120mm
提高钻孔瓦斯抽放效率
450N.m
800N.m
提高了钻机岩石钻进效率
73mm 160kN 6000N.m
89mm 280kN 13000N.m
ZYWL-4000D定向钻机（标准型）
2.定向钻机系列简介——钻机
（3）ZYWL-4000D定向钻机（标准型）
项目
钻进深度 开孔直径 终孔直径 钻杆直径 额定输出转速 额定输出扭矩 给进/起拔力 给进行程 正常给进速度 调斜角度 制动扭矩 爬坡能力 电机功率
外形尺寸
整机重量
单位
m mm mm mm r/min N.m kN mm m/min ° N.m ° kW
为降低钻机成本，对普通履带式钻机的进行定向化改进，设计了经济型 定向钻机，钻机结构尺寸进一步缩小，开孔角度调斜范围进一步扩大，性价 比大幅提高。可配备履带式泵车（进口）或底座式泥浆泵（国产）。
ZYWL-4000D定向钻机（经济型）
履带式泵车（进口泵）
国产泥浆泵
2.定向钻机系列简介——钻机
（4）ZYWL-4000D定向钻机（经济型）
水平井钻井工艺技术
水平井钻井工艺技术引言水平井钻井工艺技术是一种在油气勘探开发中应用广泛的技术，它通过在地层中钻探水平井段，能够有效地提高油气井的产能和采收率。
本文将介绍水平井钻井的一般工艺流程、钻井液的选择和使用、钻头的选择以及井底工具的应用等方面的内容。
一、水平井钻井工艺流程水平井钻井工艺流程是指从井眼设计到井下实施的一系列步骤，下面将介绍水平井钻井的一般工艺流程。
1.井眼设计：根据地层特征和油气开发需求，确定水平段的位置、井眼直径以及水平段的长短等参数。
2.井口施工：进行井口设备安装，包括井口套管的安装、井口井口防喷器的安装等工作。
3.钻井液工艺设计：根据地层特征和钻井液性能要求，确定钻井液的配方和使用方案。
4.钻探井段：根据设计参数，进行钻井液的循环、钻头的下钻、钻进、切换水平井段、控制钻头方位等工作。
5.装备井下工具：根据后续作业需要，部署井下工具，如测斜仪、导向器等。
6.钻进水平段：通过使用导向技术和井下工具，控制钻头沿设计轨迹钻进水平井段。
7.钻井结束：到达设定的钻井参数或达到设计钻井目标时，钻井工作结束，开始下一步的工作。
二、钻井液的选择和使用钻井液在水平井钻井过程中起到冷却、润滑、悬浮废屑和井壁稳定等重要作用。
选择合适的钻井液并正确使用是确保钻井过程顺利进行的关键。
1.钻井液的类型：常见的钻井液类型包括水基钻井液、油基钻井液和气体钻井液等。
根据地层特征、环境要求和工程经济等因素，选择适合的钻井液类型。
2.钻井液的性能：钻井液的性能包括流变性、密度、滤失性、PH值等。
根据地层特征和钻井目标，确定钻井液的性能指标，并进行钻井液调配。
3.钻井液的处理：钻井液采用循环使用，需要定期对钻井液进行处理，包括固相控制、饱和度调整和污染物去除等。
三、钻头的选择钻头是在钻井过程中切削地层的关键工具，选择合适的钻头能够提高钻进速度和钻头寿命。
1.钻头的类型：常见的钻头类型包括三刃钻头、平头钻头、带牙钻头等。
根据地层特征和钻井目标，选择适合的钻头类型。
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分 支 钻 孔
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四 定向钻进工艺研究
钻孔轨迹设计与分析软件开发
应用效果：实现了长钻孔和分支孔在抽采区域的均匀布置
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四 定向钻进工艺研究
宁夏汝萁沟煤矿实钻轨迹
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五 推广应用情况
定向钻进装备已在我国22个矿井进行推广应用，累计 施工瓦斯抽采钻孔近257745m，不但为煤矿企业的安全生 产提供了保障，同时也提高了矿井瓦斯抽采利用，为煤 矿企业带来可观的经济效益。截至2010年11月我院已累 计销售44余台套煤矿井下定向钻进装备。
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五 推广应用情况
● 陕西彬长大佛寺煤矿，最深孔810m。 ● 陕西长武亭南煤矿一期，最深孔1046m。 ● 陕西长武亭南煤矿二期，最深孔830m。 ● 神华宁煤汝箕沟煤矿，最深孔961m。 ● 金能公司二矿 ，最深孔600m。 ● 晋城煤业集团成庄矿，最深孔600m。 ● 阳泉煤业集团石港煤矿，最深孔510m。
澳大利亚VLD钻机
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一、设备研发背景
2.存在问题
15~18
国外 国内
8~10
15
1~2
高价销售 孔内事故多 售后服务滞后
价格(百万)
服务周期(天)
国外设备使用效果不理想，严重制约着瓦斯高效抽采
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二 履带定向钻进钻机
ZDY6000LD(A) ZDY6000LD ZDY4000LD
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2.3.2 随钻测量系统主界面
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2.3.2 探管检测、测量操作界面
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3.4 钻头
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3.5 螺杆马达
测斜仪
无磁钻杆
旁通阀
马达
万向轴
传动轴
钻头
螺杆马达组合结构示意图
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3.5 螺杆马达
螺杆马达结构图
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五 推广应用情况
● 阳泉煤业集团新景煤矿，最深孔600m。
● 神华神东保德煤矿，最深孔984m。
● 山西焦煤杜儿平矿，最深孔570m。
● 西山矿务局汾西煤矿，最深孔552m。
● 山西焦煤双柳煤矿，最深孔744m。
● 铜川矿务局陈家山煤矿，最深孔648m。
● 晋城煤业集团寺河煤矿，最深孔1059m。
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3.1 高强度大通孔钻杆
a. 能够进行孔底马达定向钻进 (内径≥55mm)； b. 具有传输测量定向信号的能力; c. 能够进行大直径钻孔回转钻进(扭矩
≥3000Nm)； d. 具有施工千米近水平钻孔和分支孔的能力。
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3.1 高强度大通孔钻杆
中心通缆式高强度大通孔钻杆
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螺杆马达主要技术参数
外径 mm
钻头 尺寸
mm
长度 排量 m lpm
转速 rpm
上紧 扭矩
Nm
输出 扭矩
Nm
最大过 载拉力
kN
最大 钻压
kN
82
113 140
73
- 2.85 -
- 1620 257
89
27
114
350 375
进口φ73螺杆钻具按不同分类方式的主要技术参数表
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● 晋城煤业集团沁秀公司岳成煤矿，最深孔
300m。
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5.1 陕西长武亭南煤矿一期
钻孔轨迹示意图
1# 主孔终孔深度1046m，创造了我国煤矿井下瓦斯抽放水平定向钻孔的最高记录，
并施工3个分支孔，1-1分支和1-3从运顺巷道中部中靶穿出。
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二 履带定向钻进钻机
可实现定向功能的机型：
ZDY4000LD
ZDY6000LD
ZDY6000LD(A)
适应中型矿井巷道断面 适应中大型矿井巷道断面 适应大型矿井巷道断面 （长4m×宽4m×高3m） （长6m×宽4m×高3m） （长6m×宽6m×高3m）
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三 随钻测量定向钻进系统
钻进最高时效26.4m/h， 平均进尺 160m/d；终孔直径 96mm 。在1000m的设计
目标位置，钻孔纵向偏差不足1m，横向摆动不超过8m，体现出了我国定向钻进装备和
工艺202的2/3最/2高3 水平。
32
垂直位移 (m)
50
45 4.2 陕西长武亭南煤矿一期
40
35
30
25
20
15 10 开孔倾角- 2.3 度 5
限制条件
倾角 －90°～90° ±0.2°
水平为0，低于水平为-
方位角 0～360°
±1.5°
倾角：-84°～84°
弯头方向 0～360°
±1.5°
倾角：-84°～84°
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3.3 孔口监视器
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3.3.1 钻孔轨迹设计软件界面
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3.3.1 钻孔轨迹参数设计界面
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3.5 螺杆马达
a. 能够满足定向不同钻进的需要； b. 工作性能稳定，工作基本参数能够满足配套
机具的要求； c. 使用寿命长，可以满足施工千米近水平钻孔
的能力。
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3.6 无磁钻杆
无磁钻杆分为上无磁和下无磁钻杆。
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四 定向钻进工艺研究
多级无孔底侧钻分支技术
井下定向水平长钻孔
装备及配套工艺技术 李泉新
煤炭科学研究总院西安研究院 装备研发中心
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目录
一、设备研发背景 二、履带定向钻进钻机 三、随钻测量定向钻进系统 四、定向钻进工艺研究 五、现场应用 六、与国外定向装备主要技术性能对比
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一、设备研发背景
传统的钻孔施工设备及工艺不能完全满足瓦斯高效抽采的需求。
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钻杆特点
钻杆抗拉强度 ≥950 kN 抗扭强度 ≥6000 Nm。
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3.2 孔底测量探管
最长工作时间 达45天，超进 口产品近50%
测量精度 提高1倍
可反复充电，循 环使用
测量探管
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3.2 孔底测量探管精度指标
项目
测量范围 测量精度
红色线条为设计轨迹 蓝色线条为实测轨迹 黑色线条为煤层顶底板曲线
存在问题
➢ 钻孔深度有限 ➢ 钻孔数量多 ➢ 劳动强度大 ➢ 施工周期长 ➢ 封孔质量差
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一、设备研发背景
水平定向长钻孔是国内外瓦斯高效抽采的主要技术途径。
主要优点 ➢ 有效距离长 ➢ 多分支孔 ➢ 钻进效率高 ➢ 一孔多用 ➢ 集中抽采
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一、设备研发背景
2.存在问题