顧北礦南-1煤采區(qū)煤層底板注漿加固多分支水平井鉆井工藝

蔣 博

(陜西煤田地質(zhì)油氣鉆采有限公司，陜西 710000)

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)構(gòu)造

顧北井田屬于淮南煤田潘謝礦區(qū)的一部分，位置位于淮南潘謝礦區(qū)顧橋井田的西部，地層總體走向?yàn)槟媳?北北東，傾向東-南南東，傾角 5°～15°的單斜構(gòu)造，淺部地層傾角較小。區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，斷層組總體走向均為東西方向。

井田內(nèi)的含水層由三部分組成，自上而下第一部分為新生界松散層砂層孔隙含水層，第二部分為二疊系砂巖裂隙含水層，第三部分為煤系地層底部灰?guī)r巖溶裂隙含水層。主煤層底部灰?guī)r水是開(kāi)采該煤層的充水水源之一。

底部灰?guī)r由石炭系及奧陶系灰?guī)r組成，其中太原組灰?guī)r距1號(hào)煤層平均距離 17.84 m，自然狀態(tài)下無(wú)水力聯(lián)系。1號(hào)煤層在進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，受多種因素影響因強(qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致1號(hào)煤層的底部隔水層(段)巖石破裂，引起底鼓，從而致使灰?guī)r水突入礦井。以斷層切割煤系最為重要，不斷縮小1號(hào)煤層與灰?guī)r之間的間距，或使煤層與灰?guī)r直接對(duì)口，斷層帶是灰?guī)r水進(jìn)入礦井的突破口。在礦井開(kāi)采1號(hào)煤層的過(guò)程中，灰?guī)r水是最為嚴(yán)重的安全隱患。

2 鉆井工藝

2.1 分支井軌跡間距設(shè)計(jì)優(yōu)化

主井眼軌跡剖面設(shè)計(jì)完成后，各分支井眼軌跡在平面上的間距如何布置，決定著該治理區(qū)域注漿改造的最終效果。各分支井間距過(guò)大，會(huì)造成漿液擴(kuò)散后無(wú)法形成交集，達(dá)不到預(yù)期的注漿效果；間距過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致鉆井成本的增加以及漿液的浪費(fèi)。本節(jié)討論在裂隙地層中漿液的一般擴(kuò)散距離，作為多分支井水平注漿井間距布置的依據(jù)。研究煤層底板含水層注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律的方法眾多，由于實(shí)際地層中裂隙的復(fù)雜性，以及眾多因素對(duì)漿液擴(kuò)散過(guò)程的影響，通過(guò)對(duì)注漿介質(zhì)概化，運(yùn)用 COMSOL Multiphysics 軟件，模擬靜水條件下，水泥漿液在裂隙地層中的擴(kuò)散形態(tài)及范圍，以確定合理的各分支注漿井間距，為水平方向上井眼軌跡控制提供指導(dǎo)。

分支井、次分支井的孔間距的確定是依據(jù)注漿漿液的擴(kuò)散半徑、鉆遇的漏層及是否遇到漏層等確定，不同的礦區(qū)漿液的擴(kuò)散半徑不一樣，考慮到實(shí)際地層裂隙結(jié)構(gòu)特征、漿液粘滯系數(shù)及管路損耗對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的影響，顧北礦區(qū)-1煤采區(qū)注漿的經(jīng)驗(yàn)，鉆孔的擴(kuò)散半徑為30m，即相鄰鉆孔的距離不超過(guò)60m，實(shí)踐中孔間距為60～80m。

2.2 鉆具組合

2.2.1 一開(kāi)鉆具組合設(shè)計(jì)

φ311.1mmPDC鉆頭+φ216mm螺桿+φ165mm定向短接+φ165mmNMDC(MWD組合)+φ165mm鉆鋌+φ127mm鉆桿串

2.2.2 二開(kāi)鉆具組合設(shè)計(jì)

φ215.9mmPDC鉆頭+φ165mm螺桿+φ165mm定向短接(MWD)×1根+φ165mm無(wú)磁鉆鋌×1根+φ165mm4A11*410轉(zhuǎn)換短節(jié)+φ127mm鉆桿串

2.2.3 三開(kāi)鉆具組合

φ152.4mmPDC鉆頭+φ120mm螺桿+φ120mm定向短接(MWD)×1根+φ120mm無(wú)磁鉆鋌×1根+φ101.6mm鉆桿串+φ101.6mm加重鉆桿+φ101.6mm鉆桿串

以上為常用鉆具組合，在現(xiàn)場(chǎng)施工中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可以適當(dāng)更換鉆頭和鉆具選型。

2.3 井眼軌跡控制

注漿多分支水平井井眼軌跡控制技術(shù)是以螺桿鉆具為井下動(dòng)力，通過(guò)無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡參數(shù)，利用定向軟件將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)調(diào)整螺桿彎頭方向，達(dá)到控制鉆孔軌跡的目的，實(shí)現(xiàn)實(shí)鉆軌跡沿設(shè)計(jì)軌跡延伸。

在實(shí)鉆過(guò)程在中，配合巖屑錄井、井下儀器伽馬監(jiān)測(cè)、鉆時(shí)錄井、水文觀測(cè)等方式(表1、圖1)，對(duì)地層情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤分析，隨時(shí)調(diào)整井眼軌跡，保證跟層率達(dá)到90%以上。

圖1 S-1-18分支孔巖屑對(duì)比圖

表1 巖屑錄井、伽馬測(cè)井和鉆時(shí)錄井綜合分析對(duì)比表

2.4 鉆井液配方

在三開(kāi)水平段施工過(guò)程中，灰?guī)r層位鉆進(jìn)時(shí)，相對(duì)穩(wěn)定。遇砂質(zhì)泥巖后，易出現(xiàn)掉塊、塌孔現(xiàn)象；通過(guò)降低失水量及增加液相黏度，增加K+、銨鹽的摻量后，孔壁趨于穩(wěn)定，減少了處理塌孔、埋鉆的費(fèi)用和時(shí)間，提高了鉆進(jìn)效率。

基巖中鉆進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)采用的鉆井液配方如下：清水+0.4%～0.8%Na2CO3+0.1%～0.3%K-PAM+2.5%～5%FT-1(GD-2、DYHF-1、FT-342)+0.5%～1%HV-PAC+0.1%～0.3%80A-51+0.1%～0.3%SL-2+0.3%～0.75%NaOH；在處理鉆孔復(fù)雜情況時(shí)，酌情添加0.25%～0.5%的SF-1，對(duì)抑制井壁坍塌、井身潤(rùn)滑有較好的作用。

2.5 鉆進(jìn)技術(shù)措施

2.5.1 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆進(jìn)施工時(shí)的鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鉆進(jìn)參數(shù)

2.5.2 鉆進(jìn)技術(shù)措施

(1)短程起下鉆。水平孔鉆進(jìn)時(shí)，每120～150m或鉆進(jìn)40h進(jìn)行一次短程起下鉆，至少應(yīng)起到上只鉆頭起鉆位置以上100m，如孔內(nèi)不正常應(yīng)起過(guò)復(fù)雜孔段或起至套管內(nèi)。在孔斜較大孔段，宜合理加密短程起下鉆次數(shù)，通過(guò)采用短起下鉆具和分段循環(huán)沖洗液的方法清除孔底巖屑。

(2)活動(dòng)鉆具。鉆具在裸眼孔段應(yīng)連續(xù)活動(dòng)，必須堅(jiān)持“鉆具在裸眼內(nèi)靜止不超過(guò)2min”的防卡規(guī)定，鉆具上下活動(dòng)幅度應(yīng)大于5m，活動(dòng)鉆具后應(yīng)將其恢復(fù)至原懸重，防止巖屑沉積卡鉆。

(3)加單根開(kāi)泵。接單根或下鉆時(shí)應(yīng)注意，距孔底至少4m時(shí)開(kāi)泵，先用小排量循環(huán)沖洗液，再加大排量沖洗孔底，孔底巖屑清理干凈后才能開(kāi)始定向鉆進(jìn)。接單根前必須認(rèn)真劃眼，鉆進(jìn)一根至少劃眼兩遍，并做到早開(kāi)泵、晚停泵，減少巖屑下沉。

(4)遇阻、卡處理。起下鉆遇阻、卡超過(guò)正常摩阻時(shí)，要堅(jiān)持“起鉆時(shí)少拔多放，下鉆時(shí)多提少放，多次活動(dòng)”的原則，禁止硬拉、硬壓、硬砸，應(yīng)及時(shí)開(kāi)泵循環(huán)，活動(dòng)鉆具。但不宜活動(dòng)次數(shù)太多以免形成鍵槽，可采用開(kāi)泵的方式慢慢下放，通過(guò)遇阻點(diǎn)后，應(yīng)上下活動(dòng)鉆具1～2次，才能繼續(xù)下鉆。

(5)控制起鉆速度。水平孔段提鉆速度應(yīng)均勻，速度不大于8m/min。

(6)定向措施。定向鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)按規(guī)定加壓，均勻送鉆，以保持恒定的工具面，從而使孔眼曲率變化平緩，減小狗腿度，避免形成鍵槽，增加卡鉆的機(jī)率。螺桿定向或扭方位若鉆速較慢每15min活動(dòng)一次鉆具，把鉆具提活。

(7)異常措施。鉆進(jìn)中如果鉆進(jìn)參數(shù)突然變化，應(yīng)上提鉆具檢查，不正常應(yīng)及時(shí)報(bào)告。發(fā)現(xiàn)蹩鉆、跳鉆應(yīng)及時(shí)分析原因，切勿盲目鉆進(jìn)。

(8)泥漿泵空氣包壓力調(diào)整。定向鉆進(jìn)中MWD信號(hào)可能要求對(duì)泥漿泵空氣包壓力進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)其壓力值應(yīng)在規(guī)定的安全范圍內(nèi)(立管壓力的30%～40%)。

3 工程關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制

3.1 煤層段防塌措施

主孔施工過(guò)程中需穿過(guò)1號(hào)煤層，1煤層較厚，二開(kāi)545m處見(jiàn)1號(hào)煤，557m穿過(guò)1號(hào)煤層，通過(guò)地質(zhì)對(duì)比、標(biāo)志層判斷及鉆進(jìn)參數(shù)判斷，提前提高鉆孔液粘度，增加鉆孔液攜砂能力；到達(dá)1煤層時(shí)，加快鉆時(shí)，快速通過(guò)；同時(shí)如果測(cè)斜位置正處在煤層段，可推遲測(cè)斜，以減少對(duì)煤層的擾動(dòng)。

如果遇到坍塌和掉塊，總的原則是能起則起，抓緊起出鉆具，起到安全井段，分析井下情況后再作決策。

3.2 過(guò)破碎帶、漏失區(qū)、鉆進(jìn)異常區(qū)措施

在鉆探異常區(qū)過(guò)程中，根據(jù)鉆時(shí)、鉆速、鉆壓、水文觀測(cè)、漏失量、巖屑等實(shí)際觀測(cè)情況，初步判定異常區(qū)的類型，然后采取相應(yīng)的措施。在S-1-13、S-1-14、S-1-15、S-1-16、S-1-17、S-1-18孔施工過(guò)程中，均出現(xiàn)鉆遇破碎地層，通過(guò)觀察泵壓、扭矩大幅波動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)篩返砂增多且伴有掉塊，首先采用聚合物體系泥漿，通過(guò)在泥漿中加入優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土材料及具有粘接作用的泥漿處理劑，提高泥漿的粘度和破碎巖塊之間的膠結(jié)力；同時(shí)通過(guò)提高泥漿密度平衡地層的坍塌壓力來(lái)維持孔壁的穩(wěn)定。

在施工S-1-9孔時(shí)，鉆進(jìn)至1270m出現(xiàn)漏失，漏失量最大達(dá)到2.24m3/h，為防止巖屑攜帶不徹底，立即控制鉆速，每打完一個(gè)單根，劃眼1～2次，延長(zhǎng)鉆井液攜帶巖屑時(shí)間；同時(shí)做好鉆井液固控工作，及時(shí)清除劣質(zhì)固相，降低鉆井液密度，防止鉆井液密度自然增長(zhǎng)；每次開(kāi)泵都要先小排量后大排量，先低泵壓后高泵壓，防止憋漏地層；堵漏結(jié)束后，下鉆時(shí)分段循環(huán)出井眼內(nèi)的堵漏鉆井液。避免鉆具下放過(guò)多，穿過(guò)漏層后開(kāi)泵憋漏地層；采用小排量鉆進(jìn)，在鉆頭遠(yuǎn)離井漏井段后，再恢復(fù)正常排量；下鉆時(shí)嚴(yán)禁在已知漏層位置開(kāi)泵循環(huán)，避免沖開(kāi)封堵層再次發(fā)生井漏。在施工中其他復(fù)雜情況表現(xiàn)征兆及對(duì)策見(jiàn)表3。

表3 其他復(fù)雜情況表現(xiàn)征兆及對(duì)策