顧北礦南-1煤采區煤層底板注漿加固多分支水平井鉆井工藝

蔣 博

(陜西煤田地質油氣鉆采有限公司，陜西 710000)

1 區域地質構造及水文地質構造

顧北井田屬于淮南煤田潘謝礦區的一部分，位置位于淮南潘謝礦區顧橋井田的西部，地層總體走向為南北-北北東，傾向東-南南東，傾角 5°～15°的單斜構造，淺部地層傾角較小。區內斷層較發育，斷層組總體走向均為東西方向。

井田內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巖巖溶裂隙含水層。主煤層底部灰巖水是開采該煤層的充水水源之一。

底部灰巖由石炭系及奧陶系灰巖組成，其中太原組灰巖距1號煤層平均距離 17.84 m，自然狀態下無水力聯系。1號煤層在進行開采時，受多種因素影響因強度過大導致1號煤層的底部隔水層(段)巖石破裂，引起底鼓，從而致使灰巖水突入礦井。以斷層切割煤系最為重要，不斷縮小1號煤層與灰巖之間的間距，或使煤層與灰巖直接對口，斷層帶是灰巖水進入礦井的突破口。在礦井開采1號煤層的過程中，灰巖水是最為嚴重的安全隱患。

2 鉆井工藝

2.1 分支井軌跡間距設計優化

主井眼軌跡剖面設計完成后，各分支井眼軌跡在平面上的間距如何布置，決定著該治理區域注漿改造的最終效果。各分支井間距過大，會造成漿液擴散后無法形成交集，達不到預期的注漿效果；間距過小，則會導致鉆井成本的增加以及漿液的浪費。本節討論在裂隙地層中漿液的一般擴散距離，作為多分支井水平注漿井間距布置的依據。研究煤層底板含水層注漿漿液擴散規律的方法眾多，由于實際地層中裂隙的復雜性，以及眾多因素對漿液擴散過程的影響，通過對注漿介質概化，運用 COMSOL Multiphysics 軟件，模擬靜水條件下，水泥漿液在裂隙地層中的擴散形態及范圍，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。

分支井、次分支井的孔間距的確定是依據注漿漿液的擴散半徑、鉆遇的漏層及是否遇到漏層等確定，不同的礦區漿液的擴散半徑不一樣，考慮到實際地層裂隙結構特征、漿液粘滯系數及管路損耗對漿液擴散范圍的影響，顧北礦區-1煤采區注漿的經驗，鉆孔的擴散半徑為30m，即相鄰鉆孔的距離不超過60m，實踐中孔間距為60～80m。

2.2 鉆具組合

2.2.1 一開鉆具組合設計

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 二開鉆具組合設計

φ215.9mmPDC鉆頭+φ165mm螺桿+φ165mm定向短接(MWD)×1根+φ165mm無磁鉆鋌×1根+φ165mm4A11*410轉換短節+φ127mm鉆桿串

2.2.3 三開鉆具組合

φ152.4mmPDC鉆頭+φ120mm螺桿+φ120mm定向短接(MWD)×1根+φ120mm無磁鉆鋌×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，在現場施工中根據現場實際情況，可以適當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是以螺桿鉆具為井下動力，通過無線隨鉆測量系統實時監測鉆孔軌跡參數，利用定向軟件將實測數據與設計軌跡進行對比分析，通過調整螺桿彎頭方向，達到控制鉆孔軌跡的目的，實現實鉆軌跡沿設計軌跡延伸。

在實鉆過程在中，配合巖屑錄井、井下儀器伽馬監測、鉆時錄井、水文觀測等方式(表1、圖1)，對地層情況進行實時跟蹤分析，隨時調整井眼軌跡，保證跟層率達到90%以上。

圖1 S-1-18分支孔巖屑對比圖

表1 巖屑錄井、伽馬測井和鉆時錄井綜合分析對比表

2.4 鉆井液配方

在三開水平段施工過程中，灰巖層位鉆進時，相對穩定。遇砂質泥巖后，易出現掉塊、塌孔現象；通過降低失水量及增加液相黏度，增加K+、銨鹽的摻量后，孔壁趨于穩定，減少了處理塌孔、埋鉆的費用和時間，提高了鉆進效率。

基巖中鉆進，現場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；在處理鉆孔復雜情況時，酌情添加0.25%～0.5%的SF-1，對抑制井壁坍塌、井身潤滑有較好的作用。

2.5 鉆進技術措施

2.5.1 鉆進參數

鉆進施工時的鉆進參數見表2。

表2 鉆進參數

2.5.2 鉆進技術措施

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

(2)活動鉆具。鉆具在裸眼孔段應連續活動，必須堅持“鉆具在裸眼內靜止不超過2min”的防卡規定，鉆具上下活動幅度應大于5m，活動鉆具后應將其恢復至原懸重，防止巖屑沉積卡鉆。

(3)加單根開泵。接單根或下鉆時應注意，距孔底至少4m時開泵，先用小排量循環沖洗液，再加大排量沖洗孔底，孔底巖屑清理干凈后才能開始定向鉆進。接單根前必須認真劃眼，鉆進一根至少劃眼兩遍，并做到早開泵、晚停泵，減少巖屑下沉。

(4)遇阻、卡處理。起下鉆遇阻、卡超過正常摩阻時，要堅持“起鉆時少拔多放，下鉆時多提少放，多次活動”的原則，禁止硬拉、硬壓、硬砸，應及時開泵循環，活動鉆具。但不宜活動次數太多以免形成鍵槽，可采用開泵的方式慢慢下放，通過遇阻點后，應上下活動鉆具1～2次，才能繼續下鉆。

(5)控制起鉆速度。水平孔段提鉆速度應均勻，速度不大于8m/min。

(6)定向措施。定向鉆進作業時按規定加壓，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，增加卡鉆的機率。螺桿定向或扭方位若鉆速較慢每15min活動一次鉆具，把鉆具提活。

(7)異常措施。鉆進中如果鉆進參數突然變化，應上提鉆具檢查，不正常應及時報告。發現蹩鉆、跳鉆應及時分析原因，切勿盲目鉆進。

(8)泥漿泵空氣包壓力調整。定向鉆進中MWD信號可能要求對泥漿泵空氣包壓力進行調整，調整時其壓力值應在規定的安全范圍內(立管壓力的30%～40%)。

3 工程關鍵環節控制

3.1 煤層段防塌措施

主孔施工過程中需穿過1號煤層，1煤層較厚，二開545m處見1號煤，557m穿過1號煤層，通過地質對比、標志層判斷及鉆進參數判斷，提前提高鉆孔液粘度，增加鉆孔液攜砂能力；到達1煤層時，加快鉆時，快速通過；同時如果測斜位置正處在煤層段，可推遲測斜，以減少對煤層的擾動。

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 過破碎帶、漏失區、鉆進異常區措施

在鉆探異常區過程中，根據鉆時、鉆速、鉆壓、水文觀測、漏失量、巖屑等實際觀測情況，初步判定異常區的類型，然后采取相應的措施。在S-1-13、S-1-14、S-1-15、S-1-16、S-1-17、S-1-18孔施工過程中，均出現鉆遇破碎地層，通過觀察泵壓、扭矩大幅波動，同時振動篩返砂增多且伴有掉塊，首先采用聚合物體系泥漿，通過在泥漿中加入優質的膨潤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力；同時通過提高泥漿密度平衡地層的坍塌壓力來維持孔壁的穩定。

在施工S-1-9孔時，鉆進至1270m出現漏失，漏失量最大達到2.24m3/h，為防止巖屑攜帶不徹底，立即控制鉆速，每打完一個單根，劃眼1～2次，延長鉆井液攜帶巖屑時間；同時做好鉆井液固控工作，及時清除劣質固相，降低鉆井液密度，防止鉆井液密度自然增長；每次開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；堵漏結束后，下鉆時分段循環出井眼內的堵漏鉆井液。避免鉆具下放過多，穿過漏層后開泵憋漏地層；采用小排量鉆進，在鉆頭遠離井漏井段后，再恢復正常排量；下鉆時嚴禁在已知漏層位置開泵循環，避免沖開封堵層再次發生井漏。在施工中其他復雜情況表現征兆及對策見表3。

表3 其他復雜情況表現征兆及對策