多分支水平定向孔在斷層探查治理中的應(yīng)用

邱萬(wàn)蕊

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

水平定向技術(shù)最早應(yīng)用在石油開(kāi)發(fā)鉆井中，隨著地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、無(wú)線隨鉆測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，在煤礦頂?shù)装遄{治理得到快速應(yīng)用與發(fā)展。水平定向鉆井一般是先在地面施工垂直段到設(shè)計(jì)深度，然后造斜進(jìn)入設(shè)計(jì)目的層位，為保障順層鉆進(jìn)，著陸點(diǎn)井斜與地層傾角基本保持一致。通過(guò)多分支孔水平定向孔對(duì)斷層進(jìn)行探查治理。根據(jù)鉆探施工過(guò)程中γ 錄井、巖屑錄井、鉆時(shí)錄井、鉆井液消耗量情況等技術(shù)手段，準(zhǔn)確判定斷層的位置，采用壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)等技術(shù)手段，進(jìn)一步查明斷層帶水文地質(zhì)條件，從而判斷斷層的發(fā)育規(guī)律、規(guī)模及含導(dǎo)水性特征，并通過(guò)高壓注漿技術(shù)對(duì)斷層帶及兩側(cè)圍巖進(jìn)行注漿加固，使治理區(qū)內(nèi)斷層帶與煤系各含水層的導(dǎo)水通道得到封堵治理。該技術(shù)的應(yīng)用和推廣，拓寬了水平定向井施工技術(shù)的發(fā)展，完善了煤礦防治水技術(shù)手段[1]。

板集煤礦F104-1 正斷層位于首采面110801和接續(xù)面110504 之間，傾角55°～75°，落差0～120 m，延展長(zhǎng)度3 800 m，斷層帶寬度0～10.3 m，向下切割至底板奧灰，向上發(fā)育至松散層第四含水層底界，該礦區(qū)第四含水層底界基本無(wú)隔水層。而8 煤110801 和110804 工作面及后期5 煤回采可能存在該斷層受采動(dòng)影響導(dǎo)通第四含水層和底板灰?guī)r向工作面充水的風(fēng)險(xiǎn)[2]。利用多分支水平定向技術(shù)超前對(duì)該斷層進(jìn)行探查治理，保障工作面安全生產(chǎn)。

1 研究區(qū)概況

板集井田東自F12 斷層，南、西、北均至1 煤層隱伏露頭。該礦井為單一水平（-735 m 水平）上下山開(kāi)拓，且以F104 斷層為界劃分為東部塊段和西部塊段。其中東部塊段又以-735 m 主石門(mén)為界，-735 m 主石門(mén)以北為東一開(kāi)采塊段、以南為東二開(kāi)采塊段。每個(gè)塊段分中上組煤和下組煤2 個(gè)采區(qū)開(kāi)采，全井田共劃分6 個(gè)采區(qū)。首采區(qū)首采工作面為東一采區(qū)110801 工作面，根據(jù)現(xiàn)有資料，該區(qū)暫未發(fā)現(xiàn)陷落柱，無(wú)封閉不良鉆孔，F(xiàn)104-1斷層及斷層破碎帶受采動(dòng)影響導(dǎo)通第四含水層和底板灰?guī)r含水層向工作面充水的風(fēng)險(xiǎn)較大，需要超前進(jìn)行治理。

2 水平定向孔施工技術(shù)及注漿治理

水平定向孔施工技術(shù)是利用定向螺桿、無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀（MWD）等技術(shù)按照設(shè)計(jì)軌跡或者地層傾角進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工，并能鉆進(jìn)一定水平長(zhǎng)度孔段的定向鉆井技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)伽瑪錄井、巖屑錄井、鉆時(shí)錄井、鉆井液消耗等技術(shù)手段，準(zhǔn)確及時(shí)判斷地層變化，定向技術(shù)人員根據(jù)判層結(jié)果及時(shí)調(diào)整鉆孔軌跡，控制鉆孔軌跡在目的層中鉆進(jìn)，最大程度提高對(duì)目的層的探查治理效果[3]。

為了解決受8 煤110801 和110804 工作面及后期5 煤回采影響，造成F104-1 斷層導(dǎo)通第四含水層和底板灰?guī)r含水層形成導(dǎo)水通道問(wèn)題，利用多分支水平定向技術(shù)對(duì)F104-1 斷層分進(jìn)行注漿治理，在治理范圍內(nèi)布置2 個(gè)定向主孔，6 個(gè)分支孔，分上下兩層對(duì)F104-1 斷層進(jìn)行探查治理，設(shè)計(jì)工程量5 267 m[4]。

2.1 層位選擇

上分層鉆孔D1 孔組治理層位：斷層下盤(pán)為8煤層導(dǎo)水裂隙帶上方9 煤頂板第二層砂巖底，終孔位置進(jìn)入斷層帶。

下分層鉆孔D2 孔組治理層位：斷層下盤(pán)為太原組10 灰，鉆孔軌跡穿過(guò)斷層進(jìn)入上盤(pán)太原組4灰附近（圖1）。

圖1 F104-1 斷層探查治理剖面示意Fig.1 Exploration and control profile of No.F104-1 fault

2.2 鉆孔布孔

主孔水平定向段及分支孔與F104-1 斷層發(fā)育方向斜交布置，具體如下。

上分層鉆孔D1 孔組主孔水平段軌跡距F104-1斷層面30 m（下盤(pán)），終孔位置進(jìn)入F104-1 斷層帶，分支孔自側(cè)鉆點(diǎn)近水平鉆至F104-1 斷層帶；下分層鉆孔D2 孔組主孔軌跡距F104-1 斷層面50 m（下盤(pán)），終孔位置進(jìn)入F104-1 斷層上盤(pán)不少于30 m，分支孔自側(cè)鉆點(diǎn)近水平進(jìn)入F104-1 斷層上盤(pán)不少于30 m（圖2）。

圖2 工程布置示意Fig.2 Engineering layout

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

（1）直孔段：孔徑311 mm，下入不低于φ244.5mm×8.94 mmJ55 無(wú)縫鋼管，下至穩(wěn)定基巖，封閉第四系地層。

（2）造斜段：孔徑216 mm，下入不低于φ177.8mm×8.05 mm J55 無(wú)縫鋼管，封閉目的層以上地層。

（3）分支段：孔徑152 mm，裸孔。

2.4 鉆孔軌跡

（1）孔眼全角變化率應(yīng)盡可能小，使孔眼平滑，避免狗腿度太大形成鍵槽。鉆孔及分支水平孔全角變化率控制在8°/30 m 左右，不宜大于11°/30 m。

（2）鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡平面誤差應(yīng)小于5 m，關(guān)鍵點(diǎn)誤差小于2 m[5]。

2.5 施工順序

多分支水平定向孔施工時(shí)，鉆孔順序采取由遠(yuǎn)及近原則依次施工。

2.6 鉆孔施工流程

（1）直井段。鉆至預(yù)定層位后下入一開(kāi)套管。采用P.O42.5 水泥固井，水泥漿返出孔口，水泥候凝48 h 進(jìn)行打壓試驗(yàn)，檢查合格后進(jìn)入下一步工序。

（2）造斜段段。采用鉆頭加螺桿鉆具配合MWD 無(wú)線隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)定向鉆井，鉆進(jìn)至預(yù)定層位后，下入二開(kāi)套管，采用P.O42.5 水泥固井。水泥漿返出孔口，水泥候凝72 h 進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后進(jìn)入下一步工序。

（3）主孔水平定向段及各分支孔。孔徑均為152.4 mm，采用鉆頭加螺桿鉆具配合MWD 無(wú)線隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)定向鉆井直至終孔位置。

（4）注漿前進(jìn)行洗孔，目的是將孔壁上的泥皮通過(guò)循環(huán)泥漿脫落，達(dá)到?jīng)_洗孔內(nèi)裂隙的目的。

（5）注漿前壓水試驗(yàn)，主要目的是疏通注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙，測(cè)定單位受注層透水率。

（6）注漿，根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果，確定漿液的初始配比、密度等。在注漿過(guò)程中及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整漿液配比。

2.7 注漿治理

注漿治理伴隨著水平定向孔施工的全過(guò)程，上分層治理鉆孔孔口注漿壓力不低于6.5 MPa，下分層治理鉆孔孔口注漿壓力不低于12.5 MPa[6]，注漿材料為不低于32.5 號(hào)水泥漿液。鉆探施工過(guò)程中一旦鉆井液漏失量大于3 m3/h 立即進(jìn)行注漿作業(yè)，若漏失量小于3 m3/h，只進(jìn)行一次終孔注漿。終孔注漿前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定注漿參數(shù)[7]。終止注漿標(biāo)準(zhǔn)以孔口壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，且穩(wěn)定30 min 吸漿量小于30 L/min，達(dá)到斷層治理的目的。

3 施工難點(diǎn)

（1）第四系地層結(jié)構(gòu)松散，主要巖性為中粗砂、粉細(xì)砂為主，夾雜粘土、砂巖粘土，屬河流相及河漫灘相沉積。D1 主孔自第四系第三隔水層400 m 開(kāi)始造斜，需井斜85°左右進(jìn)入9 煤頂板砂巖。因第四系地層松散，造斜曲率不易過(guò)大，故采用比重1.04～1.01 g/cm3鉆井液保護(hù)孔壁，防止孔壁坍塌；采取低檔、低泥漿泵排量、輕壓、造斜曲率選取3°～6°/30 m[8]，采取多手段保障造斜段按設(shè)計(jì)井斜進(jìn)入目的層。

（2）地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜易造成孔內(nèi)事故。此次探查治理對(duì)象為可能“活化”的斷層破碎帶，各分支孔均需要揭露該斷層，鉆進(jìn)過(guò)程中巖石破碎、鉆井液異常漏失、高水壓等因素將加大水平定向孔施工難度，極易造成卡鉆、埋鉆和定向儀器損壞等事故[9]。

（3）地層起伏較大，跟層鉆進(jìn)困難，需要現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)員及時(shí)根據(jù)巖屑和隨鉆伽瑪進(jìn)行判層，定向人員根據(jù)鑒定結(jié)果及時(shí)利用MWD 無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀和螺桿定向鉆具進(jìn)行鉆孔軌跡調(diào)整，保證鉆孔軌跡在目的層中鉆進(jìn)。

（4）斷層空間位置的不可確定性，F(xiàn)104-1 斷層空間位置出現(xiàn)擺動(dòng)，D1、D2 主孔水平定向段預(yù)計(jì)斷層位置未見(jiàn)該斷層，初步分析為F104-1 斷層向西北偏移[10]。

4 結(jié) 論

（1）多分支水平段鉆孔在煤礦斷層地面治理工程中取得了顯著的效果，實(shí)現(xiàn)了1 個(gè)孔組分序次分段加固治理斷層的目的。

（2）多分支水平段鉆孔為煤礦工作面回采過(guò)斷層帶提供了一種有效的地面預(yù)治理技術(shù)手段。

（3）引用石油鉆井技術(shù)解決了煤田地面鉆探工程項(xiàng)目當(dāng)中存在的難題，定向水平孔鉆孔軌跡精度需要深入研究，提高軌跡精度是提高治理效果的一項(xiàng)重要研究課題。