趙固一礦煤層底板灰巖加固多分支水平注漿井軌跡精準控制技術實踐

劉修剛，李俊峰，張 強，張 晶

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077；2.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城 048204）

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[1-3]，首先通過相關技術精準控制各分支孔軌跡按設計要求在目標層內鉆進，待鉆進至下步注漿要求工況，然后對定向水平分支孔揭露的目標治理層段進行注漿加固[4-6]。因此，實施煤礦地面區域水害治理工程關鍵在于如何精準控制各分支孔位于目標治理層內按設計鉆進。以趙固一礦15011 煤層工作面的底板L8灰巖加固多分支水平注漿井鉆進工程為對象，主要從以下2 方面深入研究：①從進行導眼探孔鉆進獲取治理目標灰巖層埋深、伽馬值等相關地質參數及構造信息，然后進行精確設計及控制煤層底板目標灰巖層多分支水平注漿井主孔進入治理灰巖層著陸點，以此實施精準控制注漿井軌跡；②優化常規多分支水平注漿井鉆具組合，采用雙扶穩斜鉆具組合降低定向及復合鉆進過程井斜和方位漂移量，以此精準控制注漿井各分支孔軌跡位于目標灰巖層穩定鉆進，也可減少分支軌跡定向調整頻次和定向段的長度。研究結果對于趙固一礦地面區域水害治理多分支水平注漿井實施精準軌跡控制具有一定借鑒意義。

1 工程概況

1）地質水文特征。趙固一礦西五盤區15011 工作面對應地面位置為輝縣市趙流村東部，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。經前期缺失地震勘探資料顯示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，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，以及工作面區域存在較大F15斷層。

2）井位部署。鑒于工作面水文地質條件較為復雜，遂采用地面區域多分支水平注漿井鉆進與注漿加固技術治理L8灰巖，地震資料反映二1 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1 個主孔及8 分支孔的水平井，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，保障煤礦安全高效開采。

3）井身結構設計。多分支水平注漿井采用三開井身結構設計[1]，因主孔地面井口位置距離趙流河村飲用水源直線距離為145 m，為防止鉆井對水源造成污染，一開采用φ311.2 mm 鉆頭鉆進至井深240 m，下入N80 鋼級φ244.5 mm 表層套管，封固上部松軟易漏地層、隔離地下飲用淺水層，采用高標號42.5硅酸鹽水泥，固井純水泥漿密度1.6～1.65 g/cm3，水泥漿返至地面；二開采用φ215.9 mm 鉆頭定向鉆進至見L8灰巖，井深至898 m，下入J55 鋼級φ177.8 mm 無接箍技術套管，封固上部煤層、漏層及F15斷層等段，采用高標號32.5 硅酸鹽水泥，固井純水泥漿密度1.65～1.7 g/cm3，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 導眼探孔鉆進

2.1 導眼探孔鉆進原因

現存趙固一礦15011 工作面區域三維缺失地震資料難以獲取煤層及底板L8治理灰巖層埋深、層厚、伽馬值以及其它相關精確地質信息，并且L8灰巖層小范圍內有起伏，對于L8灰巖層埋深造成較大不確定性；且上述復雜的煤礦區地質水文條件、及部分缺失的三維地震資料，為煤層底板多分支水平注漿井主孔著陸點設計及控制造成一定難度。趙固一礦15011 工作面區域現存三維地震資料難以解釋斷距小于5 m 的斷層，因此對于實際L8灰巖地層信息情況難以把握，從而可能致使設計L8灰巖著陸點與實鉆著陸點存在一定差距；煤層底板多分支水平注漿井技術對于進入L8灰巖著陸點要求較高，針對于多分支水平注漿井各孔而言，需要嚴格控制分支注漿孔位于L8灰巖層內鉆進，否則后續注漿工程難以滿足注加固漿液進入治理灰巖層內，L8灰巖著陸點的精確設計與控制對于分支水平注漿孔段鉆進具有重要意義，著陸點設計適宜能夠減少分支注漿孔段定向鉆進軌跡調整，確保軌跡光滑，減少隨著分支注漿孔深度增加所造成的嚴重托壓現象[7-9]，以及降低后期注漿過程漿液流經分支孔的沿程阻力損失。

2.2 導眼探孔實鉆

基于上述導眼探孔鉆取多原因分析，為確保多分支注漿井主孔按設計要求精準著陸于L8灰巖治理層，以及精準控制各分支注漿孔位于L8灰巖層內鉆進軌跡，設計及實鉆1 個從正常一開固井結束后鉆取導眼探孔。實鉆導眼探孔過程如下；導眼探孔鉆進至井深681 m 時，鉆速開始變快，返出巖屑的巖性為灰黑色，灰巖顆粒逐漸變成土黃色泥糊狀斷層泥，繼續鉆進至824 m 井深時，鉆速開始變慢，返出巖屑巖性由土黃色泥糊狀斷層泥變成泥巖，推斷井深681～824 m 為斷層影響帶，寬度約為143 m。繼續鉆進穿過斷層，位于斷層上盤井深880～891 m 見煤，煤層垂深約為504.97～509.79 m，煤層厚約為4.82 m，因該治理區域內基巖以下所見第1 層煤即為二1 煤，同時鉆進所見該煤層垂深與二1 煤層三維地震資料極為相近，故而可準確推斷該煤層為二1 煤層，繼續導眼探孔鉆進至井深956～972 m 見深灰色灰巖，垂深538.62～545.42 m，巖層厚度6.8 m，上返巖屑滴鹽酸有強烈氣泡產生，灰巖頂相距二1 煤層底約為28.83 m，可精準確定該灰巖層為L8灰巖目標治理層，導眼探孔于井深980 m 鉆穿L8灰巖層，然后實施導眼探孔回填，采用高標號42.5 硅酸鹽水泥，水泥漿密度1.6～1.7 g/cm3，斜導眼井回填至井斜角約為25°井段，由于伴隨井斜角增大，定向及復合鉆進方位角越穩定，尤其井斜角達25°以上[10]，方位漂移量更小，更加有利于后續實施二開煤層底板灰巖多分支水平注漿井主孔增斜側鉆。

基于導眼探孔鉆進準確可得出：F15斷層地質構造信息，二1 煤層垂深及厚度，治理層L8灰巖垂深、厚度以及相距二1 煤層底距離，L8灰巖緊鄰上下部層巖性及地質參數信息等。基于導眼探孔所得L8灰巖及緊鄰層位的厚度、ROD 及伽馬值，為設計合理L8灰巖著陸點提供依據、為精準控制L8灰巖實鉆著陸點及各注漿分支孔位于伽馬值為10-20API 的L8灰巖層位內平滑鉆進提供參考保障。

目標治理灰巖層及緊鄰其上下層位地質參數信息如下：

1）砂質泥巖。層位緊鄰治理灰巖上層，為灰黑色、泥質結構，含粉砂、黃鐵礦散晶；層位厚度3 m，ROD 值91.5%，伽馬值45～50 API。

2）L8灰巖。層位為目標治理灰巖層，為黑灰色或灰色、泥晶結構，主要礦物成分方解石，含少量蜓類動物化石、存有夾泥巖薄層、黃鐵礦結核富集層、燧石條帶；層位厚度6.8 m，ROD 值85%，伽馬值10～20 API。

3）泥巖。層位緊鄰治理灰巖上層，為灰黑色或灰色、泥質結構，含零星白云母碎片、植物根莖葉部分化石、黃鐵礦散晶；層位厚度1.5 m，ROD 值68%，伽馬值51～56 API。

3 優化鉆具組合

3.1 優化鉆具組合原因

地面多分支水平注漿井各分支孔軌跡均沿15011 工作面方向設計布孔鉆進，因所治理的L8灰巖層垂深較淺、各水平分支孔段長度較大，實鉆過程井底鉆具組合與井壁摩擦較大，致使托壓現象較為嚴重，難以將鉆壓傳遞于鉆頭，位于L8灰巖層內定向鉆進速慢（約1～2 m/h）、以及復合鉆進時產生嚴重井斜上漂、方位左漂情況，因此現場需要通過增加定向頻次和定向井段長度，以此控制保障各分支注漿孔位于L8灰巖層內鉆進，基于上述原因致使鉆進成本較高、鉆進效率較低。

3.2 優化鉆具組合及效果

趙固一礦地面區域水害治理現場，為防止多分支水平注漿井鉆進過程發生井下卡鉆等復雜事故，目前針對于各分支注漿孔水平段鉆進采用“φ152 mmPDC+φ120 mm 單彎螺桿+φ120 mm 無磁鉆鋌+MWD 定向儀器+φ89 mm 普通鉆桿串+φ89 mm 加重鉆桿串+φ120 mm 鉆鋌串”的鉆具組合，該鉆具組合較為簡單，但是利用該鉆具組合實施鉆進易于造成：隨著水平分支注漿孔段延伸，鉆進難度逐漸增加，鉆進效率降低，位于注漿井的各分支，尤其以最外側兩個水平分支注漿孔需經多次調整井斜和方位，定向鉆進極為困難，因此需要可能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。

為此通過優化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，精準控制分支水平注漿孔位于L8灰巖層內鉆進，保障井眼軌跡光滑穩定于治理灰巖層穿越，轉換井下鉆具與井壁之間滑動摩擦為滾動摩擦，以此降低托壓現象，提高鉆進效率。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（φ146 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：φ152 mm－PDC+φ120 mm 螺桿（自帶欠尺寸扶正器）+欠尺寸扶正器+φ120mm 無磁鉆鋌+MWD 定向儀器+φ89 mm普通鉆桿串+φ89 mm 加重鉆桿串+φ120 mm 鉆鋌串，形成雙扶穩斜鉆具組合，可高效降低分支水平注漿孔復合鉆進期間井斜和方位漂移量。實例如15011 工作面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1.56°/30 m、方位漂移為0.94°/30 m，平均日進尺40 m；分支2 與分支4 孔均采用雙扶穩斜鉆具組合，復合鉆進時井斜漂移為0.94°/30 m、方位漂移為0.63°/30 m，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65 m，

鉆具組合優化前后漂移量與日進尺對比如下：

1）常規鉆具組合。井斜漂移量1.56°/30 m，方位漂移量0.94°/30 m，平均日進尺40 m。

2）雙扶穩斜鉆具組合。井斜漂移量0.94°/30 m，較常規鉆具組合降低；方位漂移量0.63°/30 m，較常規鉆具組合降低；平均日進尺65 m，較常規鉆具組合提高。

4 結 語

精準設計及控制井眼主孔在治理層的著陸點、保障各水平分支注漿孔軌跡位于治理層內平滑鉆進以及降低井斜、方位漂移量是多分支水平注漿井鉆進關鍵及保障后續注漿加固效果前提。通過設計鉆取導眼探孔精準獲得了煤層、治理L8灰巖及緊鄰上下巖層的伽馬、層厚及埋深等地質構造信息，為注漿井主孔在L8灰巖層精準著陸的設計與控制提供依據；通過優化常規多分支水平注漿井鉆具組合，優選欠尺寸對稱扶正器螺桿、欠尺寸（φ146 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，實現了精準控制多分水平注漿井軌跡位于L8灰巖層穩定光滑鉆進，減緩了長水平分支注漿孔鉆進過程造成的托壓現象，提高了L8灰巖層內日鉆進尺率，為趙固一礦區域后續實施地面注漿加固多分支水平注漿井精準控制軌跡提供了一定借鑒意義。