煤層底板地面加固區域鄰井注漿擾動鉆探卡鉆事故分析與處理

劉修剛，王林杰，李浩哲

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤層底板地面區域定向水平鉆井及注漿加固技術作為一種煤礦常用的防治水害方法[1-2]，先進行定向水平分支孔鉆進至注漿要求工況，然后對定向水平分支孔所揭露的治理層段進行注漿加固[3]。但是針對于同一個治理區域層段，布置2口距離較近的多分支水平井注漿加固時，若2口井同時分別施工鉆井與注漿工程可能會造成鄰井溢流、卡鉆等復雜工況[4]。為此，以趙固一礦地面加固區域內相鄰2口井：1口正在施工的注漿井造成另1口正在施工的水平分支孔鉆進井串漿溢流及卡鉆事故為例，介紹了現場通過采用強開泵沖砂橋、反絲倒扣打撈鉆具、單筒套銑、射流沖擊與單筒套銑組合等均處理卡鉆失敗，最后通過采用回接鉆桿下雙筒套銑處理卡鉆事故成功事故的處理過程，為后續類似鄰井注漿擾動鉆探卡鉆事故的預防、處理提供寶貴經驗借鑒。

1 工程概況

1）地質水文特征。趙固一礦西五盤區15021工作面對應地面位置為輝縣市大麻村，工作面上覆巨厚沖積層，屬新近系、第四系全掩蓋區。本區賦存地層主要有奧陶系中統馬家溝組、石炭系中統本溪組和上統太原組、二疊系下統山西組和下石盒子組、新近系、第四系，其中石炭系上統太原組和二疊系下統山西組為主要含煤地層。本工作面水文地質條件較復雜，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，存在突水危險性。

2）井位部署。鑒于工作面水文地質條件較為復雜，遂采用地面區域預注漿加固治理水害技術，探查二1煤層底板L8灰巖含水層的富水狀況及構造發育情況，在治理區域地面部署2口多分支水平井，施工長距離定向鉆孔對L8灰巖含水層進行超前探查及注漿加固，通過鉆孔注漿充填底板灰巖含水層的巖溶裂隙和導水裂隙，減弱含水層的富水性及切斷水源補給通道，使治理的含水層變為隔水層或弱含水層，以此增強二1煤層底板隔水層的強度，降低水害威脅程度。

3）井身結構設計。多分支水平井均采用三開井身結構設計，一開采用φ349.25 mm鉆頭鉆入穩定基巖10 m，井深至450 m，下入J55鋼級φ273.05 mm表層套管，封固上部松軟易漏地層，有助于下一步施工，固井水泥漿返至地面；二開采用φ222.25 mm鉆頭定向鉆進至見L8灰巖，井深至720 m，下入N80鋼級φ200.03 mm無接箍技術套管，封固上部煤層、漏層等段，固井水泥漿返至地面；三開采用φ152.4 mm鉆頭沿L8灰巖按照預先部署的水平分支孔設計進行定向鉆進，時至單個分支孔全段鉆進與注漿結束再進行該分支孔全裸眼段純水泥封孔。

2 事故發生過程

加固區域內1口井的分支孔鉆進至井深980 m，因螺桿鉆具故障起鉆更換，更換螺桿鉆具后，正常下鉆至井深902 m遇阻，開泵循環劃眼鉆進，出現憋泵及憋鉆現象。立即起鉆更換鉆具組合，以提高處理井下復雜工況效率、減少處理井下復雜工況期間造成定向儀器與螺桿等損失風險：更換前鉆具組合為φ152.4 mm PDC鉆頭+φ120 mm 1.5°螺桿+φ89 mm無磁承壓鉆桿（內含MWD測斜儀器）+φ89 mm鉆桿+轉換接頭+φ127 mm鉆桿+方鉆桿，更換后鉆具組合為：φ152.4 mm牙輪鉆頭+330×310轉換接頭+φ89 mm鉆桿+轉換接頭+φ127 mm鉆桿+方鉆桿。采用更換后鉆具組合掃孔至井深902 m再次出現憋泵現象，然后上提鉆頭至井深800 m再次向下掃孔，掃孔至井深902 m憋泵現象嚴重，泵壓8 MPa，且轉盤憋跳嚴重，上提鉆具提升力30 t，具有明顯阻力顯示。立即進行起鉆作業，起鉆至井深832.76 m時，上提鉆具提升力增加至80 t，且下放鉆具至提升力0 t，孔內鉆具無法活動，判斷為卡鉆事故。

3 卡鉆事故原因

本井二開套管下入末端與鄰井二開套管下入末端位置相距67 m，且位于本井井深約900 m時，距離鄰井裸眼井段最近。本井分支孔掃孔期間，鄰井正在施工注漿工程，鄰井井口注漿壓力5.5 MPa，同時本井井口不斷有漿液溢出，注漿液串層，鄰井注漿造成地層應力變化，導致本井井壁失穩，發生地層掉塊，掃孔期間掉塊被破碎成較大顆粒，隨著泥漿上返困難。本井與鄰井于L8灰巖層段通過原生裂隙及擾動裂隙溝通致使串漿，注漿液串入本井環空，且因鄰井注漿材料含有大量水泥，造成本井內循環的鉆井液被Ca2+損害，鉆井液性能被破壞，此時其上返攜巖能力降低，泥漿泵停止循環后，巖屑不斷下沉，使得鉆具與環空間隙形成砂橋。由于停泵時間過長，使得下沉巖屑過多，砂橋形成段較長，起鉆期間鉆具向上運動，砂橋段相對向下運動，從而造成鉆具卡鉆及埋鉆現象。基于以上原因分析判斷事故為沉砂卡鉆。

4 事故處理過程

4.1 強開泵沖砂橋

井底鉆具無法活動，初判卡鉆事故，立即接方鉆桿開泵循環，泵排量20 L/s，泵壓12 MPa（正常鉆進該井深泵壓5 MPa），井口無鉆井液返出，開泵約3 min后，泵壓降至5 MPa，此時地層被憋漏。此時在開泵情況下反復上下活動鉆具，提升力至100 t，開轉盤正轉6.5～7圈后，轉盤無法繼續轉動，于是松開鉆機離合器，此時轉盤倒轉，大鉤可以往上提起，提升力19 t（正常起鉆提升力應為25 t），井口有鉆井液返出，泵壓降低至2 MPa，轉盤倒轉時將下部鉆桿絲扣倒開，起鉆提出51根鉆桿，井內剩余落魚鉆具41根及牙輪鉆頭，落魚頭位于井深437 m，魚尾位于井深832.76 m。強行開泵沖開砂橋解卡失敗，同時迫使地層被壓漏，井下情況更加復雜。

由于沉砂卡鉆井眼環空堵死、同時地層被憋漏，當前該井已無法建立正常鉆井液循環，因此無法通過調整鉆井液性能或注解卡劑等方法使鉆具解卡[5]。

獲取鉆具卡點位置，有助于現場采取高效處理卡鉆事故措施[6]，現場計算鉆具卡點根據胡克定律，自由鉆柱的伸長量和拉力成正比，與自由鉆柱的長度成正比，與鉆柱的橫截面積成反比，與鋼材的彈性系數成反比，鉆具卡點以上鉆具長度計算公式如下[7-8]：

L=（E×A×λ）/T

式中：L為卡點深度，m；λ為鉆具平均伸長量，cm；T為鉆具平均拉伸拉力，kN；A為鉆具橫截面積，cm2；E為鋼材彈性系數，2.1×105MPa。

該計算方法受鉆具使用時間影響，所得卡點位置不夠精確，可通過測幾組數據得到1個卡點位置范圍，經計算本事故卡點位置位于井深523～551 m。

4.2 反絲倒扣打撈

基于上述分析：當前落魚頭位于井深437 m，卡點位置位于井深523～551 m，卡點距離落魚頭86～114 m，且卡點距離落魚頭井段環空未被砂橋卡住。卡點與落魚頭井段采用下反絲倒扣打撈井底鉆具，鉆具組合為：倒扣接頭+反絲鉆具+變徑接頭+鉆桿，下鉆前井口認真檢查倒扣接頭尺寸、倒扣接頭漲扣、退扣等功能均正常進行下鉆，倒扣接頭與落魚頭對扣成功，上提力22 t反轉轉盤6圈，扭矩突然降低，勻速緩慢上提鉆具，大鉤懸重增加1 t，初判有鉆具被反絲倒扣打撈住，起鉆，打撈出鉆桿5根。

為防止落魚頭鉆具水眼被沉渣埋住，調整鉆井液性能，添加高黏纖維素、納土和燒堿，黏度增至54 s，開泵循環，將落魚頭沉砂沖洗干凈。繼續下反絲倒扣打撈鉆具，倒扣接頭與落魚頭對扣成功，上提力23 t反轉轉盤6.5圈，扭矩突然降低，同時勻速緩慢上提鉆具，大鉤懸重增加1 t，初判有鉆具被反絲倒扣打撈住，起鉆，打撈出鉆桿5根。此時，落魚頭位于井深532.74 m，魚尾位于井深832.76 m，井內剩余鉆具31根及牙輪鉆頭，落魚長度300.02 m，當前落魚頭可能已經位于卡點或接近卡點，此處鉆具卡死，鉆具扭矩增大，繼續采用下反絲倒扣打撈鉆具已經難以打撈出鉆具，應該采取下一種打撈措施。

4.3 單筒套銑

采用套銑筒逐根套銑，然后利用反絲鉆具打撈套銑開的鉆具[9-10]。由于逐根套銑，起下套銑筒，再起下反絲鉆具，輔助工作多，該方法耗費時間長，并且魚頭所位于的井段井斜為51°，魚頭緊貼套管內壁，因此能否把魚頭引入套銑筒內是該打撈方法的關鍵。

事故卡鉆點位于套管內，因此采用的套銑鉆頭不需要焊PDC復合片，只需在銑齒前端鋪焊少量合金焊料，銑齒外壁不焊合金焊料，以防止套銑期間磨穿套管，給后期施工帶來不便。落魚頭位于造斜段，緊貼套管內壁，因此采用與常規不一樣的套銑鉆頭，需要在套銑鉆頭上加工1個馬蹄口，以便于套銑時，落魚頭易于被套銑入套筒內，制作的馬蹄口套銑鉆頭如圖1。

下套銑鉆具：φ159 mm套銑鉆頭+φ159 mm套銑筒+轉換接頭+φ89 mm鉆桿，下鉆至落魚頭位置，開泵循環，加鉆壓1 t，開動轉盤，出現憋鉆及跳鉆現象，落魚頭難以被引入套銑鉆頭內，上提鉆具，旋轉鉆具調整馬蹄口位置，下鉆至落魚頭，多次嘗試，落魚頭始終難以引入套銑鉆頭內，套銑失敗，起鉆發現套銑鉆頭磨壞，銑齒向外側張開。分析套銑失敗原因在于落魚頭一側緊貼套管內壁，另一側被沉砂填死，致使落魚無法活動，馬蹄口套銑筒不能將落魚頭引入套銑鉆頭內，落魚頭使得套銑鉆頭銑齒磨壞、憋變形，套銑失敗。

4.4 射流沖擊與單筒套銑組合

φ165 mm三牙輪鉆頭代替φ152 mm三牙輪鉆頭+雙母接頭+φ89 mm鉆桿鉆具組合，下入至井底，利用大泥漿泵排量，循環鉆井液1 h，依靠鉆井液從鉆頭水眼內噴射出產生的射流沖擊力，沖洗落魚與套管環空間隙的沉砂，使魚頂松動，起鉆。基于上次套銑鉆頭磨損及變形情況，本次套銑重新加工套銑鉆頭，擴大馬蹄口寬度，鉆具組合為：下套銑鉆具：φ159 mm套銑鉆頭+φ159 mm套銑筒+轉換接頭+φ89 mm鉆桿，套銑鉆頭下至井深532.74 m成功將落魚頭引入套銑筒內；向下套銑鉆具，鉆壓1 t，泵排量25 L/s，套銑約10 m魚頭頂接近套銑筒頂部，泵壓升高，起鉆;下入反絲鉆具打撈，加鉆壓1 t正轉鉆具使倒扣接頭與落魚頭連接，絲扣漲緊，上提力1 t，反轉鉆具6圈，扭矩降低，懸重增加，但不明顯，起鉆，打撈出1根鉆具。再次下套銑筒，又出現套銑鉆頭無法引入落魚頭至套筒，即使上次套銑已將落魚頭以下0.5 m套銑，經分析落魚頭仍緊貼套管內壁，因此套銑鉆頭無法套住落魚頭。

4.5 回接鉆桿雙筒套銑

基于上述套銑失敗原因，采用下入回接1根鉆桿，回接鉆桿鉆具組合：φ89 mm鉆桿×1根+倒扣接頭+反絲鉆具+變徑接頭+鉆桿，下鉆至井底，加壓1 t反轉鉆具，倒扣接頭退扣，起出反絲鉆具；然后增加1個套銑筒，利用雙筒套銑，下入套銑鉆具組合：φ159 mm套銑鉆頭+φ159 mm套銑筒×2根+轉換接頭+φ89 mm鉆桿，順利將落魚頭引入套筒進行套銑，套銑約19 m魚頭頂接近第2個套銑筒頂部，起鉆；下反絲鉆具，使倒扣接頭與落魚頭相連，上提升力至35 t，落魚整體有松動，開啟泥漿泵，采用小泵排量10 L/s，嘗試建立鉆井液循環，但泵壓增至8 MPa仍繼續上升，說明井底存在鉆具水眼堵死情況；停泵，然后緩慢旋轉及上提鉆具，鉆具被緩慢起出，時至方鉆桿被全部起出轉盤面時，大鉤提升力突然下降至正常懸重，并且起鉆期間沒有明顯阻力，落魚鉆具均活動開，正常起出全部鉆具，沉砂卡鉆事故處理結束。

5 結 語

水平定向鉆井及注漿加固技術作為煤層底板地面區域加固常用方法，該方法技術要求較高，且定向水平鉆井與注漿工程應默契地相互配合，方能有效保證鉆井與注漿工程順利進行。因此，煤層底板地面加固區域內，相鄰較近2口井，其中某口井注漿施工擾動地層裂縫溝通致使正直鉆探施工井井口溢流串漿，應該停止鉆探施工，然后進行2口井分支孔同時注漿；無法滿足同時注漿工況，先關閉其中某井口，等待另外口井分支孔注漿結束，再進行2口井的掃塞或重新分支孔鉆進；加固區域內，部署多口多分支水平井，應將相鄰井組之間緊鄰分支孔間距（平距）控制合理范圍；或者其中1口井最先施工相距最近分支孔，另外1口井施工相距最遠分支孔，將相鄰兩井的分支孔鉆探與注漿施工順序控制合理；卡鉆事故產生后，切勿僅憑想象強開泵沖卡，否則壓漏地層，使井下工況更加復雜、無法建立鉆井液循環，應該采用小排量嘗試建立井下鉆井液循環；切勿強提鉆具，以免卡點處沉積的巖屑被擠壓實；卡鉆落魚頭處于井斜較大且緊貼井壁，采用回接鉆桿下雙筒套銑鉆具能夠高效快捷處理卡鉆事故；落魚頭處于套管內，套銑鉆頭無需焊PDC復合片，防止套銑過程磨穿套管。該事故處理過程中的經驗及教訓為后續類似鄰井注漿擾動鉆探卡鉆事故的預防、處理提供寶貴經驗借鑒。