地面水平分支井注漿加固技術施工方法及應對措施

賈華峰，程 洲

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽宿州234000）

1 水平多分支注漿加固技術概述

地面水平多分支注漿加固技術是一種改善頂、底板隔水性，提高頂、底板完整性和抗水壓能力的重要的防治水技術措施，對防治煤礦頂、底板水患，保障礦井安全正常生產起到了很好的效果。頂、底板含水層注漿加固改造技術是目前防止頂板淋水、底板突水的重要舉措，根據巖水應力關系學說，煤層頂板含水層的良好補給條件是頂板淋水的物質基礎、煤層底板下伏承壓水是底板突水的物質基礎，水壓、礦壓是煤層頂、底板突水的力源，導水裂隙是水力通道。大量的生產實踐證明，削弱頂板底板淋水突水物質基礎最直接的方法是注漿充填、阻隔頂板和底板直接充水薄層含水層的裂隙、斷層和巖溶等導水通道和儲水空間，使其變為隔水層或相對隔水層。

2 水平井注漿加固技術優勢

21 世紀隨著全球性的新能源煤層氣、頁巖氣的開發和各采礦國家對礦山救援工作的重視，定向鉆井、水平井技術廣泛應用于煤層氣、頁巖氣領域，同時定向井技術在煤礦地面區域治理中得到廣泛應用。

與傳統的底板注漿技術相對比，水平分支井注漿技術具有以下優勢：

（1）采用水平井鉆井工藝最大程度在灰巖含水層中穿行鉆進，比井下注漿安全可靠。

（2）水平井以水平方式穿越灰巖地層，能有效地探查煤層頂底板灰巖地層構造變化（相對于直井只能控制局部一點的地質構造變化)，水平井的軌跡控制精確、效果明顯。

（3）施工中多個水平井共用一個直井段，節約了場地占用面積，減少工農關系的矛盾，降低成本。

（4）地面注漿比井下注漿壓力大，能有效克服灰巖含水層水頭壓力，這樣可以使得水泥漿的擴散半徑增大，地層突水能力減小，保證礦井安全生產。

3 水平井定向鉆進注意事項

水平井定向鉆進技術（HDD）是指利用鉆孔自然彎曲規律或采用專用工具使近水平鉆孔軌跡按設計要求延伸至預定目標的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。目前最常采用的是螺桿鉆具定向鉆進工藝。

水平井定向作業過程中應注意以下幾點：

（1）儀器經調試正常方可入井，校正儀器角差、鉆具角差并記錄下各項參數，儀器電池應保持電量充足，并記錄電池使用時長。

（2）螺桿在入井之前需仔細檢查，保證接頭牢固，絲扣無傷，旁通閥、萬向接頭等正常，并接上立軸試轉速、泵壓。在鉆進過程中也要記錄螺桿使用時長，到達使用壽命前提前更換。

（3）定向作業過程中，隨鉆儀配備伽馬短接，伽馬值可實時反映鉆孔地層變化，一般的，地層API值大小順序為：泥巖＞砂巖＞煤＞灰巖。由于物探的多解性，API 值并不能準確反映地層，必須配合巖屑錄井。巖屑上返需要一定時間，即遲到時間，故巖屑錄井是滯后的。

現場簡單計算：巖屑遲到時間=循環周時間－鉆井液下行時間

循環周時間指從開泵到標志物大量返出的時間。

鉆井液下行時間=井下鉆具內容積/排量

理論計算：

tw=V/Q=π（D2-d2）/4Q·H

式中：tw——鉆井液遲到時間，min；

V——井內環形空間容積，m3；

Q——泥漿泵排量，m3/min；

D——井眼直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

H——井深，m（H=鉆具總長+方入）。

（4）在側鉆過程中，鉆具與井壁接觸面積相對加大，在壓差作用下容易出現鉆具提升受阻，水平井的造斜段、扭方位等狗腿度較大時，井壁一側容易出現凹槽，鉆進參數和水力參數都受到限制，環室壓耗高，鉆時效率低，尤其在裸眼段大于200m或井深較深時，這一問題更加突出。分支設計時要把握好全角變化率，保證軌跡合理性，同時，在復雜地段減少定向次數及定向量，確保鉆井軌跡簡單、平滑，減小鉆具與井壁的摩擦阻力。

（5）由于水平段一直在目的層中穿行，尤其遇到較薄目的層時，會造成頻繁定向、時刻修正鉆孔軌跡，導致鉆進效率低下。根據地層規律合理調整軌跡，優化各項參數，依據造斜工具的特點，合理確定定向的參數，盡量減少定向次數，使井身結構簡單，不但可以改善井眼清洗效果、減少摩阻和扭矩，還能提高生產效率，縮短施工周期。

（6）直井段施工中適合使用常規泥漿，待二開技術套管下入后，采用流變參數低的無固相泥漿，該泥漿配制簡單，又有很好的攜粉、護壁能力，但由于鉆孔結構及鉆探目的，會造成大的流失及滲漏，一定要配備充足的備用鉆井液，施工多分支水平，配備大功率泥漿泵，穩定地層可以分段清水鉆進，減少投入成本。

（7）井下儀器對泥漿流量、粘度、含砂量要求極高，鉆進過程中泥漿雜質及固相含量、細微巖屑對儀器沖刷較為嚴重，鉆具回轉過程中與井壁摩擦，導致泥漿中鐵屑對儀器脈沖信號影響，靈敏度衰減，磁場干擾嚴重，泥漿師要時刻掌握泥漿性能，減少鉆井液中鐵屑含量，從而改善儀器工作環境，提高各項數據精準率。

4 工程復雜情況預防及處理

4.1 破碎地層

（1）增加破碎地層破碎巖塊之間的膠結力。首先泥漿采用聚合物體系，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，在孔內液柱壓力作用下進入到地層之中的泥漿中所含有的膨潤土和粘接劑堆積在破碎巖塊之間，提高破碎巖塊之間的膠結力。

（2）合理調配泥漿，控制泥漿失水，在井壁形成有效泥餅保護孔壁。

（3）封堵裂縫，是破碎地層孔壁穩定的核心。 掉塊、坍塌的破碎地層，其地層坍塌壓力較大，需提高泥漿密度平衡地層的坍塌壓力來維持孔壁的穩定。如果不能有效封堵裂縫，泥漿就不能有效平衡地層的坍塌壓力，反而提高壓力會使地層裂縫進一步擴大、大量泥漿進入地層，甚至造成惡性循環而越塌越兇。

（4）對于具有掉塊、坍塌現象的嚴重破碎地層需適度提高泥漿的密度或粘度。提高泥漿密度是為了提高泥漿的液柱壓力，平衡地層的坍塌壓力。而提高泥漿的粘度，一方面是提高泥漿的懸浮能力，當地層發生掉塊或坍塌時不至于迅速下沉，另一方面是為了減小泥漿對孔壁的沖刷。

（5）謹慎施工，小心操作，避免由于操作失誤引起孔壁的不穩定。如起鉆灌漿，避免裸眼孔段因為失去泥漿的支撐而垮塌；起下鉆速度平穩、適度，避免抽垮地層或壓裂地層；合理控制鉆進速度，既要防止由于鉆進速度太快造成巖屑顆粒大或巖屑過多引發孔內事故，又要避免鉆時過慢，泥漿長時間沖刷孔壁造成地層坍塌越來越嚴重。

（6）鉆進至疑似破碎帶時，司鉆應密切觀察鉆井參數變化，預防井下風險的發生。技術人員應根據斷層或陷落柱位置提前提醒司鉆注意觀察鉆井參數變化，司鉆在鉆進過程中密切觀察泵壓、扭矩變化，泥漿工及時向司鉆匯報返砂返漿變化，一旦出現泵壓、扭矩大幅異常波動，同時振動篩返砂增多且伴有掉塊，司鉆應做好隨時停泵甩單根準備，一旦出現憋壓憋頂驅現象應及時停泵停頂驅甩鉆具起至安全位置，排量由小到大開泵循環觀察，待確認井下安全后，可通過調整泥漿及鉆井參數等方式試鉆進或等下步措施，不可貿然鉆進造成卡鉆等惡性事故。

4.2 強漏失含水層

對于漏失層，要“以防為主，以堵為輔，防堵結合”，需要針對不同的漏失特點，采取相應的堵漏材料和堵漏方法，降低井漏對鉆井施工的影響。

4.2.1 鉆井過程中預防措施

（1）應適當控制鉆速，或者每打完一個單根，劃眼12次，延長鉆井液攜帶巖屑時間。

（2）采用低粘、低切、強抑制鉆井液性能，適當控制鉆井液的濾失量，采用合理的排量，如215.9mm 井眼，合理的排量應該為3032L/s，落實好短起下措施。

（3）搞好鉆井液固控工作，使用好離心機，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。

（4）需要提高密度時應首先把基漿處理好，先在井漿中加入足量的磺化瀝青、超細碳酸鈣和單封等，以提高地層承壓能力，循環兩周后，才能逐漸加重。嚴格執行加重程序，每周只提高0.02g/cm3，使易漏層井壁對鉆井液液柱壓力有一個逐漸適應的過程。

（5）鉆穿易漏失地層前，在鉆井液中加入堵漏劑，加量為8～14kg/m3，封堵細小裂縫和孔洞。易漏井段須注意更換適當的振動篩篩布。

（6）使用高密度鉆井液在小井眼中鉆進時，在保證能夠懸浮加重劑的前提下應盡可能降低鉆井液的動切力和靜切力，以減少環空流動阻力。

4.2.2 工程技術措施

（1）在鉆井液粘切較高、靜止時間較長的情況下，控制鉆具下放速度，下鉆時應分段循環，每次開泵都要先小排量后大排量，先低泵壓后高泵壓，同時轉動鉆具破壞鉆井液結構力，防止憋漏地層。

（2）如下部有高壓層，上部有低壓層，又不可能用套管封隔時，在鉆開高壓層之前，應對裸眼井段進行承壓試驗，不漏再鉆開高壓層。

（3）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。

（4）堵漏成功恢復鉆進后，可采用小排量鉆進，在鉆頭遠離井漏井段后，再恢復正常排量。

（5）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。

（6）下套管前，必須下雙扶正器通井，大排量洗井，對鉆進過程中已發現滲層要憋壓堵漏，做地層承壓試驗合格后方可下套管。

5 工程關鍵環節控制措施

主孔施工過程中需穿過煤層，通過地質對比、標志層判斷及鉆進參數判斷，提前提高鉆井液粘度，增加鉆井液攜砂能力；到達較厚二煤層時，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，分段循環來探明垮塌井段，起到安全井段，分析井下情況后再做決策。

（1）如返出巖屑不正常，其他參數無顯示，則可先充分循環后起出23根，再觀察井下情況，是否可能鉆遇破碎帶等；

（2）如泵壓不正常，其他參數無顯示，則可先上提循環觀察，檢查判斷地面循環系統及鉆柱內有無異樣，導致泵壓不正常；如泵壓和注氣壓力均有增大顯示，其他參數無顯示，則可認定為井眼循環不暢，采取充分循環活動鉆具，凈化井眼；

（3）如旋轉鉆進時，鉆時變慢，扭矩增大，其他參數無顯示，先緩慢上提幾米，在分析井下馬達及鉆頭均正常后，若此時扭矩等顯示恢復正常，則考慮地層可能變硬（夾矸或非煤層）；如同時伴隨有其他顯示，認定為垮塌掉塊，采取相應措施充分循環活動鉆具，凈化井眼，起鉆；

（4）如滑動鉆進時，有上述顯示，先停止鉆進，能上提就提，如不能則緩慢開頂驅倒劃，起至安全井段；

（5）起鉆困難(如負荷大于正常值5t)不可硬提，須先保證能開泵循環，適當下放活動鉆具，或緩慢開動頂驅旋轉鉆具，待工程相關參數正常或好轉后嘗試起鉆；

（6）堅持循環原則，能循環最好，若憋漏地層不返泥漿，復雜處理過程中也要單凡爾開泵，保持水眼暢通。

6 鉆進中拖壓現象處理

近水平井段施工過程中鉆具為平躺在井眼中，受重力作用，鉆具表面下部緊貼孔壁，摩擦阻力與扭矩大，鉆具重力不易傳遞到鉆頭，托底現象尤為嚴重，針對此現象，制定以下措施：

井眼軌跡差造成的托壓，解決措施主要是加強井眼軌跡的控制，控制好狗腿度，水平段原則不超過10°，嚴禁長距離定向（單次超過10m）。另外針對井眼軌跡不好的情況產生的托壓現象，最有效地解決措施是簡化鉆具結構，減少鉆挺的數量，增加加重鉆桿的數量，從而降低鉆具的剛性，減少鉆具與泥餅的接觸面積防止托壓和粘卡。

加強短起下作業破壞井壁巖屑床：在施工中原則上每鉆進200m進行一次短起下作業，用物理的方式清楚井壁上的巖屑，破壞井壁上形成的巖屑床。在水平段巖屑易沉在下井壁形成巖屑床，注意的是每次短起下的長度盡量拉到上次短起下井深以上200～300m。

合理調配泥漿：水平段鉆進時控制好泥漿比重及粘度，粘度控制在30～35s左右為宜，避免泥漿過稠，在井壁形成虛泥餅導致托壓，水平段鉆進時泥漿中適當加入潤滑劑減少托壓影響。

加強固控設備的使用：泥漿中有害固相、劣質沉土等含量過高易造成泥餅較厚，在水平鉆進中易造成粘卡。所以使用好離心機、震動篩加強有害固相的清除是加強泥漿凈化的關鍵，泥漿本身的攜帶巖屑的效果再好，如果地面設備利用效果差，被攜帶上的有害固相同樣又進入井下對井眼的凈化造成破壞。

剎把操作：定向托壓時，司鉆操作剎把采取點送送鉆方式應勤送短送，并時常上下活動鉆具，防止托壓時間過長突然釋放后鉆頭接觸井底造成螺桿制動憋壓誘發井下復雜。托壓時工具面擺放困難，司鉆擺工具面前應上下長距離大幅度活動鉆具使鉆具扭矩全部釋放處于伸展狀態并調整好鉆壓和反扭角之間的關系，防止反復在同一位置來回擺工具面沖出大肚子井眼。托壓嚴重時，司鉆可與定向井工程師溝通是否可以上提劃眼或先復合鉆進再行定向鉆進。

合理使用造斜工具，準確計算螺桿造斜率，根據傾角變化合理預測地層走向，優化井眼軌跡設計，控制狗腿度，盡量保證井眼軌跡平滑。

7 分支側鉆技術措施

（1）側鉆位置確定和水泥塞的質量決定了側鉆是否順利，甚至一次成功的關鍵。選擇側鉆的位置時，要考慮報廢進尺少、可鉆性好、無大肚子的井段。如果是直井，要在井斜要求范圍內的井段，實施反扣便于形成較厚的夾壁墻。

（2）填井時要求較高的水泥漿密度，以保證高質量的水泥塞，水泥塞長度不小于30m。水泥塞候凝不小于48h。掃水泥塞時，必須把混漿段全部掃除，探出高質量的水泥面。

（3）側鉆開始時，必須控制鉆進速度，采用輕壓慢打方法，特別是側鉆井段較深，可鉆性較差的地層。待返出的巖屑基本不含有水泥，可適當提高速度。

（4）如果是直井而井斜又很小側鉆完成后，建議使用穩斜鉆具組合穩斜一段，以增加夾壁墻的厚度。

（5）下鉆到側鉆井段前要控制速度，防止把夾壁墻沖塌。如果在側鉆井段遇阻可輕轉轉盤下放，或開泵下放，如必須劃眼時要警惕劃出新井眼。

8 水平分支孔全角變化率偏大處理措施

（1）將井斜控制合理范圍內。井斜是指鉆孔軸線上任一點的方向線與通過該點的重力線之間的夾角，故鉆場選址要結合采區工作面設計盡可能選在區域煤層標高相對高處對應的地面位置，避免出現水平段井斜過大的情況。

（2）井身全角變化率控制在合理范圍內。井身全角變化率俗稱“狗腿度”，是指單位孔段內鉆孔鉆進的方向在三維空間內的變化，即包含了井斜角的變化和方位角的變化，數值可在定向軟件中自動生成。在滿足設計要求的前提下，將狗腿度控制在8°～9°/30m左右，一般不超過10°/30m，能有效提高進尺，縮短鉆孔周期。