[01643946]长斜大直径定向反井钻井工艺与装备研究产业化应用

项目属于矿山及地下工程建设领域，研究方向为非爆破机械破岩钻井技术。大倾角斜井作为重要的井巷工程，存在凿井设备布置困难、矸石提升效率低、人员安全控制难度大、综合掘进效率低等技术难题，在矿山工程尽量避免采用，但以其具有的占地面积小、溜渣、通风效率高、辅助工程量少等优势，逐渐得到重视。结合反井钻机技术的发展，通过斜井定向反井钻井工艺、专用反井钻机、定向钻机、防卡扩孔钻头及斜井反井钻井工业性试验等研究，形成了一种新的“斜井定向反井钻井工艺”，开发出具有自主知识产权的钻杆、钻头、滚刀及反井钻机装备，实现安全、高精度、快速建设斜井目的。实现安全、高精度、快速建设斜井目的。成果对地下开采井巷工程优化，快速建设抽水蓄能电站改善国家能源结构意义重大，项目推动了建井技术及装备发展，具有十分显著经济效益和社会效益，推广应用前景广阔。也为煤矿建设队伍转型和产业结构升级起到推动和引领作用。 主要研究内容：1)长斜大直径定向反井钻井工艺研究；2)TDX-50型斜井专用定向钻机及配套的无线随钻测斜和井下动力纠偏钻具系统研发。3)ZFY3.0/160/500型斜井专用反井钻机研制。4)坚硬岩层破岩机理及钻头结构研究。5)配套斜井反井钻机钻具研究及斜井钻井工业性示范应用。 项目将地质、材料、机械、钻井、仪器等学科交叉融合，形成多项创新成果：1)首次提出了长斜大直径定向反井钻井工艺，形成定向钻机钻进超前孔并实现导孔轨迹控制，反井钻机扩大超前导孔、扩孔钻进一次形成高精度大直径斜井。2)研制出首台适合隧道(巷道)工程条件的斜井专用定向钻机，框架结构、整体移动、长钻杆高效安装拆卸、钻进自动控制，满足深度800m，直径190mm反井超前导孔钻进要求。3)研制出首台斜井专用反井钻机，实现了斜井钻进状态动力头的防渗、钻机快速安装、固定支撑传递反力和反扭矩、钻杆偏斜自动找正，满足深度500m，直径2.5m斜井反井钻进要求。4)发明斜井钻头防坠装置，在中心管发生断裂时，钻头能够在该装置的保护下不发生掉落和卡钻；发明了斜井锥形滚刀布置扩孔钻头结构，实现钻头在斜井状态下的平稳运转，减少了边刀磨损，提高了滚刀寿命。5)通过实验揭示了镶齿滚刀破碎坚硬岩石机理，取得了正压力与旋转滚动力、破岩能量消耗、破碎岩石体积关系及比能耗的关系。6)首次在斜井反井导孔钻进中实现了定向钻进，采用MWD系统、螺杆钻具及合理钻具布置，地面实时掌控钻孔轨迹，控制了导孔偏斜。7)首次完成了长斜井定向反井施工试验，验证了斜井施工中，定向测斜、纠偏，超前导孔扩大、坚硬岩层大直径扩孔等工艺，钻机适用性、钻具布置合理性及硬岩滚刀寿命。在丰宁抽水蓄能电站抗压强度>150MPa的岩石条件下，完成倾角53°、直径2.25m、深度302m的工业性试验，偏斜率小于0.45％。 项目申请专利17项，其中发明专利13项，授权发明专利8项，实用新型专利4项，发表论文24篇，培养博士后1名。成果在煤矿、金属、非金属矿山、铁路公路隧道通风井、水电站及抽蓄电站引水斜井等地下工程中广泛应用，钻进深度45035m、偏斜率均小于0.5％。经煤炭工业协会鉴定：成果达到了国际领先水平。