中文摘要：

在空气/雾化钻进基础上，针对井下煤层气抽采钻井的"高速密集钻孔"要求和遇松散煤层"十钻九不正常"的现状，研究随钻注浆护壁关键技术基础及方法。首先研究引起煤层松散段垮塌的地质因素和固壁条件，建立其与钻井液配方关系的数学模型，分析不同地质条件和固壁条件下浆液配比、钻井液量、喷射时间、凝结时间等参数；空气/雾化压力随钻井深度变化的数学模型，利用其作为正常钻进和注浆两种工况的控制信号的传输方法和信号保持方法；正常钻进循环介质通道和注浆通道的互锁方法；建立射流方式和射流注浆机构参数，如喷嘴长度、数量、直径、锥度以及与钻杆的角度等对射流能力（如注浆深度）的影响模型。进而研究工艺和结构合理的随钻注浆工具，兼顾整体注浆工具的易风洗优化设计方法。然后研究机械刮板倾斜角度和形状与扫孔效果的关系，寻找最佳扫孔方法。最后通过试验对模型、方法进行修正，完善关键技术研究。研究有助于显著提高井下煤层气抽采钻井效率。

结论摘要：

在空气雾化钻进的基础上，针对井下煤层气抽采钻井的“高速密集钻孔”要求和遇松散煤层“十钻九不正常”的现状，研究了随钻注浆护壁关键技术基础及方法。（1）推导了渗透注浆浆液扩散规律偏微分方程，工程实例编程计算结果表明随着浆液扩散半径的增大，渗透注浆压力逐渐减小，当浆液扩散半径小于5mm时，注浆压力减小的速率比较大；当注浆压力P0≤1MPa，r>5mm时，浆液扩散能力降低；浆液压力P0>1MPa时，浆液扩散效果较好，能够达到护壁作用；P0>1MPa后，浆液扩散效果相差不大，说明决定浆液渗透效果的关键因素是煤层的渗透率。（2）Fluent模拟结果表明把煤层看成多孔介质时，即使对于模数为2.9-3.0，粘度达到1.75Pa.S的水玻璃，煤层气初始压力达到0.5MPa时，达到的注浆深度仍超过30mm；对破坏煤和强烈破坏煤理论可达的注浆深度类似，粉碎煤和全粉煤可达的注浆深度类似。Fluent 模拟注浆深度与推导的数学模型计算结果差异较大。（3）确定了两种可用于随钻注浆钻井的钻井液配方三醋酸甘油酯4%+20-40％水玻璃和1,4丁内脂4%+20-40%水玻璃，当遇到孔内事故可添加PH值稳定剂延长初凝时间，遇到地层破碎程度高、渗透率低时加入表面活性剂提高浆液的渗透率。（4）动态粘度测定结果表明该随钻注浆用钻井液前20分钟呈现弱胀塑性流体状态，浆液粘度约2mPa.s，近似于水，20分钟后粘度迅速增加。表明，不添加PH值稳定剂时，最优注浆时间在20分钟以内。（5）随钻注浆钻井液的性能测试实验结果表明研究的配方45分钟固结煤强度较低，使用场合受到限制，但该配方固结72小时后，沿煤粒边缘出现大量裂纹，具有自行破胶功能，有利于沟通产气通道。（6）研制的渗透注浆规律实验仪，可以观测不同深度处浆液压力随时间的变化关系，通过窗口还可以直接肉眼观测到浆液的渗流过程。（7）接钻头端的活动单向阀在反向风的作用下，采用纯机械的方式识别“正常钻进”和“注浆”信号，更适合煤矿井下应用。（8）设计的2位类棘轮换向机够实现了“正常钻进”和“注浆”所要求的钻井液通道切换功能。（9）旋流式雾化喷嘴机构对所研究的钻井液、风压和泵压条件有良好的适应性。（10）对随钻注浆工艺、随钻刮板式扫孔方法进行了理论研究。 研究成果能为随钻注浆技术的应用研究提供有价值的参考，部分研究成果可用于工程现场。