趙固一礦區域煤層底板灰巖層多分支水平注漿井優快鉆井技術

劉修剛，王 毅，李 鵬，宋昱播

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

多分支水平注漿井鉆進技術是煤礦地面區域水害治理工程常用關鍵技術[1-2]，采用相關技術精準優快按照預先設計的多分支井軌跡沿灰巖層內順層鉆進，鉆至分支孔完鉆孔深或鉆至達到漏失注漿標準時，方可進行起鉆及注漿作業[3-5]。然而，沿煤層底板灰巖層內實施多分支水平注漿井鉆進過程中，存在托壓現象嚴重，尤其對于長水平井段托壓極為嚴重、環空壓力損耗較大、復合鉆進過程井斜及方位漂移現象嚴重、鉆頭磨損程度嚴重、破碎巖屑上返困難、鉆井液泵憋泵工況頻次較多等問題[6-8]，從而致使難以實現精準優快鉆進。為此，以趙固一礦區域內多個煤層底板灰巖層的多分支水平注漿井實鉆為研究對象，從井身結構優化、鉆具組合優選、鉆頭優選及鉆井液性能優化等方面進行了如何實現煤層底板灰巖層多分支水平注漿井優快鉆井技術研究[9-11]，基于優化及優選研究實現了多分支水平注漿井優快鉆進。

1 區域地質水文概況

趙固一礦作為焦作煤業集團主要產煤礦井，位于河南省輝縣市境內，主采煤層為二1 煤層，煤層厚度約為3.73～6.77 m，平均厚度為6.02 m，位于二1煤層以下存在有含水豐富的奧灰含水層和太原群灰巖含水層，水文地質條件復雜，主要充水含水層為L8灰巖含水層，厚度10～10.7 m，上距二1 煤層底板27.5～28.5 m，水壓4.4～5.0 MPa，突水系數0.15～0.18 MPa/m，受斷裂構造影響，水平及垂向補給充分，對二1 煤層開采構成嚴重威脅，存在底板灰巖突水危險性。因此，通常需要采用地面多分支水平注漿井順灰巖層鉆進及注漿技術治理二1 煤層底板L8灰巖突水危害[12]。

2 井身結構優化

趙固一礦區域煤層底板灰巖層多分支水平注漿井常采用三開的井身結構[1]，采用該井身結構實施鉆進過程，環空壓力損耗較大，定向鉆進過程存在鉆具托壓現象，尤其對于長水平井段托壓工況極為嚴重，致使鉆進速度較慢、以及全井分支純完鉆周期較長。為優快多分支水平注漿井鉆進煤層底板灰巖層，分析了整個趙固一礦區域現場多個實鉆分支水平井井身結構，從而進行井身結構優化。煤層底板灰巖層多分支水平注漿井井身結構優化示意圖如1。

具體優化措施如下：

1）針對于一開井身結構采用?349.25 mm 鉆頭鉆至穩定基巖頂部，替代常用一開井身結構采用?311.15 mm 鉆頭鉆至穩定基巖數十米，然后下入J55 鋼級?273.05 mm 表層套管，替代?244.5 mm 表層套管，采用低標號32.5 固井水鉆井液返至地面。

2）針對于二開井身結構采用?222.25 mm 鉆頭定向鉆進至見煤層底板灰巖層頂部，此時井底最大井斜角空制75°～80°范圍內，替代常用二開井身結構采用?215.9 mm 鉆頭鉆至灰巖層且沿灰巖層水平鉆進3～5 m，此時井底最大井斜角約90°左右，然后下入N80 鋼級?200.03 mm 無接箍技術套管，替代?177.8 mm 技術套管，采用高標號42.5 固井水鉆井液返至地面。

3）針對于三開井身結構均采用?152.4 mm 鉆頭在煤層底板灰巖層內定向鉆進，裸眼完井，待鉆進至設計井深或達到漏失注漿標準時，方可進行起鉆及注漿作業。

采用優化井身結構的多分支水平注漿井位于煤層底板灰巖層鉆進，相比與常用井身結構，環空壓力損耗顯著降低，使得復合鉆進環空壓力損耗降低26.41%，定向鉆進環空壓力損耗降低25.59%；定向鉆進過程鉆具托壓值明顯降低，隨著順灰巖層水平段井深增加，鉆具托壓值仍然呈現增大趨勢，然而增大趨勢幅度較緩，鉆具托壓值的有效降低能夠減少定向鉆進結束后鉆具重復上下活動循環鉆井液頻次；鉆進速度顯著提高，對比井身結構優化前后相應類似順灰巖層位置的各分支孔段，復合鉆進速度提高約15%～25%，定向鉆進速度提高約20%～40%。位于井深1 500 m 井身結構優化前后環空壓耗對比表見表1。井身結構優化前后鉆具托壓值與井深關系曲圖如圖2。

表1 位于井深1 500 m 井身結構優化前后環空壓耗對比表Table 1 Annular air pressure loss comparison table before and after optimization of wellbore structure at a depth of 1 500 m

3 鉆具組合優選

趙固一礦區域煤層底板灰巖層的多分支水平注漿井順灰巖層鉆進過程，通常采用“?152 mmPDC+?120 mm 單彎螺桿+?120 mm 無磁鉆鋌+MWD 定向儀器+?89 mm 普通鉆桿串+?89 mm 加重鉆桿串+?89 mm 鉆鋌串”的鉆具組合，該鉆具組合較為簡單，然而利用該鉆具組合實施順灰巖層鉆進易于造成：復合鉆進過程產生嚴重井斜上漂、方位左漂情況，隨著水平分支各孔段延伸，鉆進難度逐漸增加，鉆進效率降低，多分支水平注漿井的各個分支，尤其以最外側的2 個水平分支孔需經多次調整井斜和方位，定向鉆進極為困難，因此需要盡量降低復合鉆進時井斜和方位漂移量，以此降低定向鉆進次數和定向段長度，提高鉆進效率。

通過優選采用雙扶穩斜鉆具組合以降低復合鉆進過程井斜與方位漂移量，降低定向鉆進次數和定向段長度，以此實現煤層底板灰巖層內各分支水平孔優快鉆進。遂優選利用自帶欠尺寸對稱扶正器螺桿替換光單彎螺桿，以及在螺桿與無磁鉆鋌之間加1 個或多個欠尺寸（?146 mm）球形扶正器（凸起部位自帶滾珠球形扶正器），優化后雙扶穩斜鉆具組合為：?152 mmPDC+?120 mm 螺桿（自帶欠尺寸扶正器）+欠尺寸扶正器+?120 mm 無磁鉆鋌+MWD 定向儀器+?89 mm 普通鉆桿串+?89 mm 加重鉆桿串+?89 mm 鉆鋌串，形成雙扶穩斜鉆具組合，可高效降低各分支水平孔復合鉆進期間井斜和方位漂移量。如某采煤工作面底板灰巖層多分支水平注漿井實鉆過程，分支1 孔未使用雙扶穩斜鉆具組合，復合鉆進時井斜漂移為1.6°/30 m、方位漂移為0.98°/30 m，平均日進尺35 m；分支2 與分支3 孔均采用雙扶穩斜鉆具組合，復合鉆進時井斜漂移為0.9°/30 m、方位漂移為0.56°/30 m，經對比利用定向鉆進調整軌跡頻次明顯降低、定向鉆進段長度大幅度減小，平均日進尺60 m；優化后井斜漂移量降低43.75%，優化后方位漂移量降低42.86%，優化后平均日進尺提高41.67%。鉆具組合優化前后漂移量和日進尺參數對比表見表2。

表2 鉆具組合優化前后漂移量和日進尺參數對比表Table 2 Comparison table of drift and daily progress parameters before and after optimizing drilling tool assembly

4 鉆頭優選

煤層底板灰巖層強度、硬度及研磨性較大，遂選用6 刀翼單排齒PDC 鉆頭順灰巖層鉆進，PDC 鉆頭主要是通過復合片齒切削地層，能夠有效實現灰巖層破碎，但是6 刀翼單排齒PDC 鉆頭順灰巖層鉆進適應性較差，鉆進過程鉆頭磨損嚴重，且鉆頭使用壽命為110 m 較低，復合鉆進平均速度約為2.5 m/h，定向鉆進平均速度約為1.15 m/h，整體平均進尺速度較低，鉆進過程頻繁起下鉆更換鉆頭，嚴重影響了鉆進效率。為此，優選5 刀翼、中密度布齒、大后傾角、減振托齒和復合保徑雙排齒PDC 鉆頭，最外錐主切削齒采用抗研磨齒，此5 刀翼雙排齒PDC 鉆頭順灰巖層鉆進適用性較強，鉆進過程鉆頭磨損較輕，鉆頭使用壽命為174 m（較高），使用壽命較6 刀翼單排齒PDC 鉆頭提高58.18%；復合鉆進平均速度約為3.75 m/h，復合鉆進平均速度較6 刀翼單排齒PDC 鉆頭提高50%；定向鉆進平均速度約為1.8 m/h，定向鉆進平均速度較6 刀翼單排齒PDC 鉆頭提高56.52%，整體平均進尺速度較快；解決了因鉆頭磨損致使鉆進過程頻繁起下鉆更換鉆頭工況，在一定程度上提高鉆進效率。6 刀翼單排齒及5 刀翼雙排齒PDC 鉆頭入井前后磨損程度對比圖如圖3。

圖3 6 刀翼單排齒及5 刀翼雙排齒PDC 鉆頭入井前后磨損程度對比圖Fig.3 Comparison of wear levels of six-blade single-row and and five-blade double-row tooth PDC bits before and after entering the well

5 鉆井液性能優化

地面多分支水平注漿井主孔著陸于灰巖層，三開水平段沿灰巖層順層鉆進，由于所治理目標層灰巖層埋深較淺、各分支孔水平段較長，水垂比達到1.7，致使鉆進過程中水平段鉆具與井壁摩阻較大，特別是滑動鉆進過程中鉆具托壓現象較為嚴重，難以將鉆壓有效傳遞于鉆頭，嚴重影響鉆進效率，位于灰巖層內滑動鉆進速度較慢約0.25 m/h。

鉆進過程中，井內鉆具主要與套管以及井壁上形成的泥餅產生摩擦作用力，隨著井深的增加以及泥餅厚度的增加，鉆具與井壁間的摩扭逐漸增大，因此通過改善鉆井液性能達到減摩降扭的效果。在傳統水基低固相鉆井液的基礎上，根據井深、井眼軌跡和拖壓情況調整鉆井液配方，傳統水基低固相鉆井液主要由鈉基膨潤土（5%）、純堿、羧甲基纖維素鈉鹽（0.2%）組成，在此基礎上加入無熒光潤滑劑（3%）、低黏羧甲基纖維素鈉鹽（0.3%）、聚丙烯酸鉀（0.1%）進行鉆進過程中維護改善鉆井液性能，提高井壁潤滑性，降失水減小鉆井液的慮失量，絮凝部分有害固相，減少固相顆粒在鉆井液中的懸浮，進而提高泥餅質量，減小泥餅厚度，提高其強度，使得鉆具與井壁的接觸面積減小，從而達到減摩降扭的效果。利用改善后的鉆井液滑動鉆進速度約為3 m/h，鉆進速度提高至原鉆速的12 倍，鉆井液性能的改善對提高鉆進效率效果十分顯著。

6 結 語

基于趙固一礦區域內多個煤層底板灰巖層的多分支水平注漿井實鉆分析研究，進行了井身結構優化、鉆具組合優選、鉆頭優選及鉆井液性能優化等措施，以此實現煤層底板灰巖層多分支水平注漿井優快鉆進。

1）井身結構優化。一開井身結構采用?349.25 mm 鉆頭鉆至穩定基巖頂部，下入J55 鋼級?273.05 mm 表層套管；二開井身結構采用?222.25 mm 鉆頭定向鉆進至見煤層底板灰巖層頂部，井底最大井斜角空制75°～80°范圍內，下入N80 鋼級?200.03 mm無接箍技術套管，降低環空壓力損耗及鉆具托壓值，復合鉆進速度提高約15%～25%，定向鉆進速度提高約20%～40%。

2）鉆具組合優選。優選欠尺寸對稱扶正器螺桿、欠尺寸（?146 mm）凸起部位自帶滾珠的球形扶正器構成雙扶穩斜鉆具組合大幅度降低了定向及復合鉆進過程井斜和方位漂移量，明顯減少了分支孔軌跡定向調整頻次和定向段的長度，使得平均日進尺率提高了41.67%。

3）鉆頭優選。采用含有減振托齒和復合保徑及抗磨的5 刀翼雙排齒PDC 鉆頭，復合鉆進平均速度提高約50%，定向鉆進平均速度提高約56.52%。

4）鉆井液性能優化。基于傳統水基低固相鉆井液，加入無熒光潤滑劑（3%）、低黏羧甲基纖維素鈉鹽（0.3%）、聚丙烯酸鉀（0.1%）維護改善鉆井液性能，鉆井液性能的改善對提高鉆進速度效果十分顯著，利用優化后的鉆井液使得滑動鉆進速提高至原鉆速的12 倍。