定向鉆孔孔口段成孔技術在陽泉礦區的應用

孫昊達，唐勝利，劉徐三

（1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

我國煤炭表現為總體資源豐富但地質條件復雜，隨著煤礦井下鉆探尤其是定向鉆進技術[1-4]的推廣應用，使得定向鉆進技術和工藝趨近系統和完備。但是在煤礦井下探放水、瓦斯抽采、底板注漿加固、水力壓裂等各種定向長鉆孔的施工過程中，在鉆口孔口段（0～150 m 范圍）遇到各種斷層、破碎帶、褶皺等地質異常體的情況不在少數，同時存在多層煤線等復雜地層。為了長距離定向鉆孔軌跡能夠在預定巖層中延伸及施工安全，定向鉆孔孔口段必須設計套管，以往套管設計深度也就30～50 m 范圍之間，一般的回轉擴孔工藝就能夠滿足施工要求，但是對于超深套管（≥100 m）的安設，簡單的回轉擴孔工藝已經不能滿足施工精度，因此，按設計完成超深套管安設就成為井下定向鉆進施工前極其重要的一項技術[5-10]。超深套管安設一旦出現問題，輕者造成原材料浪費，嚴重的會造成鉆孔報廢，導致工程施工周期延長。

因此，針對陽泉礦區新景煤礦井下施工底板梳狀定向鉆孔時，在孔口段安設套管過程中，遇到鉆孔軌跡偏斜、套管脫扣等等孔內事故，研究煤礦井下定向鉆孔孔口段成孔技術[11-13]就成為實現定向長鉆孔施工的關鍵技術之一。

1 孔口段事故分析和預防

1.1 鉆孔軌跡偏斜

1）軌跡偏斜分析。由于施工條件制約，鉆孔有時候會布置在地質構造異常帶和較破碎的巖層段，受構造應力作用或破碎巖層的影響，孔口段必須安設套管。一般孔較淺時，簡單的采用先導孔+多級擴孔回轉工藝成孔就能滿足下套管[14]，但對于鉆孔較深孔徑較大時，因鉆具組合及鉆進工藝不適配等原因，易造成鉆孔軌跡偏斜，影響鉆孔保直度，導致套管下不到預計深度。影響鉆孔軌跡偏斜的鉆具因素有：①孔內鉆具與孔壁之間環狀空間的大小；②鉆進時孔內鉆具偏斜產生的力矩和造斜力的大小；③孔底鉆具組合與鉆孔延伸存在的傾斜夾角大小。地層因素有：①軟硬互層；②頻繁換層；③鉆孔大角度穿層。

2）軌跡偏斜預防。預防鉆孔軌跡偏斜應從設計入手，因為在基巖部分鉆孔軌跡一旦發生偏斜，設計軸線與施工軸線的距離偏差誤差過大后，就無法在基巖孔段實施糾斜工作。因此，鉆孔在設計時應以防斜為主，糾偏為輔；在施工先導孔階段，孔內鉆具和孔壁環狀間隙應盡可能采取與鉆頭直徑臨近的鉆具，鉆具穩定性得到保證，同時盡量使用與鉆頭尺寸接近的穩定器，使鉆具在孔內達到“滿眼”保直效果。在擴孔階段，擴孔鉆頭其前端的導向鉆頭應具有一定的長度，位于擴孔鉆頭前端，盡可能延伸到先導孔內，起到扶正導向作用，從而使擴孔軌跡沿著先導孔軌跡延伸。遇到軟硬互層地層，采用回轉鉆進工藝，鉆孔易出現“順層跑”現象，造成鉆孔頂角、方位角錯位，再加上換層多出現軌跡偏斜疊加效應，使得鉆孔孔斜更趨嚴重。因此，預防此類孔斜問題主要采取改進底部鉆具，同時控制鉆進工藝參數（鉆壓、鉆速）來解決。多級組合擴孔鉆頭鉆具示意圖如圖1。

圖1 多級組合擴孔鉆頭鉆具示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling tool of multistage combined reaming bit

1.2 套管脫扣

套管脫扣的原因主要在于套管螺紋接頭質量和上扣操作2 方面。

螺紋接頭一要考慮管體及接箍材質是否符合規定，以及套管螺紋偏差是否滿足公差要求；二要考慮套管脫扣時的承載載荷與套管柱強度的關系；三是考慮套管接頭抗粘扣性能是否符合規定。

下套管過程中，孔內下入的套管應與鉆孔軸線一致。實際上孔口端套管軸線會與孔內底部的套管（尤其上仰孔）形成一定夾角，從而形成偏斜對扣和上扣。上扣過程中，會增加扭矩，或在脫扣前套管已受外力變形，都會導致套管連接強度降低，使套管柱在較低軸向載荷作用下滑脫。或者在孔內遇到阻力下套管過程中，因局部套管反轉發生卸扣現象，造成套管脫扣推送失敗。

為防止套管脫扣發生一般采取：①產品無合格證、有粘扣現象的禁止使用；②避免偏斜對扣上扣現象；③按下套管規程操作；④上扣前除給絲扣抹黃油外，還應纏少量麻繩，提高絲扣粘合力。

1.3 固結質量欠佳

套管下至設計深度即可固結注漿。侯凝時間到后掃孔，進行耐壓試驗。若管口周圍出現滲漏水現象或穩壓時間過短，都視為固管質量不合格。

漏水原因主要有：①套管固結質量不合格，套管與孔壁之間水泥漿充填不密實;②套管質量差，壁厚不均勻，容易形成受力薄弱點，導致套管連接點開裂等。預防措施一是從孔口管外鉆小孔，進行小導管補漿；二是從套管內下注漿管進行二次補漿。

2 孔口段成孔技術應用

1）工程概況。陽泉礦區屬于我國典型的高瓦斯、低透氣性、碎軟煤層發育的礦區，區內礦井瓦斯災害嚴重、治理難度較大。新景煤礦所屬的3#煤層，屬于典型的碎軟、低滲、高瓦斯突出煤層。該礦所處井田位于陽泉礦區大單斜構造的西部，次一級的褶皺構造比較發育，構造復雜程度屬中等，即含煤地層斷層較發育，所處斷層屬層間斷層，大多數屬落差小于5.0 m。孔口段施工區域陷落柱比較發育，在已開采區的陷落柱密集區高達13 個/km2。本工程設計1 個主孔，5 個分支孔，主孔開孔傾角14°，方位角286°，深度600 m，分支孔間距60 m ，總進尺1 050 m。

2）鉆孔結構和施工工藝。鉆孔結構設計為2 級：一開孔徑φ215 mm，孔深100 m，下φ146 mm 套管；二開孔徑φ120 mm 至終孔。孔口段施工工藝流程如圖2。

圖2 孔口段工藝流程Fig.2 Orifice section process flow diagram

3）先導孔保直鉆進階段。首先施工先導孔，先導孔軌跡控制是整個孔口段能否保直的關鍵。先導孔保直組合鉆具：“φ120 mmPDC 鉆頭+φ89 mm 螺旋鉆桿+φ118 mm 穩定器+φ89 mm 螺旋鉆桿+φ118mm穩定器+φ89 mm 螺旋鉆桿+φ118 mm 穩定器+φ89 mm 螺旋鉆桿+…”，其中穩定器可采用3～4 個等間距布置，回轉鉆進開孔，鉆頭輕抵巖面、開泵送水、輕壓慢轉，鉆進過程中為防止卡鉆、掉鉆，穩定器四翼上焊接硬質合金，勻速鉆至設計孔深。

4）保直擴孔鉆進階段。先導孔施工完進行1 次測斜，保直合乎要求后進行擴孔。根據施工地層，擴孔可選擇的鉆頭有φ120/φ153 mm、φ153/φ193 mm、φ193/φ215 mm、多級組合擴孔鉆頭4 種類型。具體為：①第1 種方案：常常采取逐級擴孔，擴到直徑215 mm 共需擴孔4 次，擴孔鉆具為“φ120/φ153 mmPDC 擴孔鉆頭＋φ89 mm 螺旋鉆桿＋φ150 mm 穩定器＋φ89 mm 螺旋鉆桿＋φ150 mm 穩定器＋φ89 mm螺旋鉆桿＋φ150 mm 穩定器＋φ89 mm 螺旋鉆桿＋…”，組合而成的保直擴孔組合鉆具，鉆進至設計孔深提鉆，依次更換大一級擴孔鉆頭和對應的穩定器，循環擴至孔徑215 mm，達到設計深度后洗孔提鉆；②第2 種方案：新研制的多級組合鉆頭擴孔，采用多級組合鉆頭φ120/φ153/φ193 mm 鉆具一次擴到直徑193 mm，再采用φ193/φ215 mm 擴孔鉆頭補擴一次即可。

5）套管安設階段。鉆進至滿足套管下設要求孔深、孔徑后，將孔內巖粉沖洗干凈方可下套管。將挑選出的合格套管，每根套管絲扣及接頭上，均勻涂抹黃油，纏適量麻繩，第1 根套管前端安裝管靴，依次連接好套管并用鉆機將套管送入孔內，管長以進入穩定巖層1～2 m 為宜。

6）注漿固結階段。套管注漿多采用正循環注漿工藝，采用水灰比為1∶2～1∶1 的單液水泥漿，由稀到稠依次注入，必要時可加入速凝劑，縮短水泥漿凝固時間，注漿結束侯凝固48 h 以上方可入下一道工序。

7）壓水試驗階段。為了驗證孔口段施工質量，在該工序施工完成后，須進行壓水試驗，確定孔口段施工質量是否達標。采用φ120 mm 鉆頭掃孔，超過套管底部2.0 m 提鉆，用清水進行耐壓試驗，壓力≥10 MPa，穩壓時間≥30 min，固結質量合格。

8）定向鉆進。孔口段套管安設成功后，連接閘閥、防噴裝置以及聯抽系統，進行定向鉆進至終孔。

3 應用效果

1）施工工藝優化。在實際施工中，孔口段的施工在先導孔施工完畢后，采取逐級擴孔工藝，擴孔用時3 d，下管時因為發生了脫扣事故，經過打撈未果造成鉆孔報廢。更換場地后重新開孔采取第2 種方案，新鉆具新工藝，擴孔用時1.5 d，不但減少了擴孔次數（由4 次減少到2 次），而且節省了工期。不同鉆具不同工藝，優化即可達到省時省力的目的。

2）擴孔鉆頭導向改進。擴孔中發現擴孔鉆頭前端的導向段的直徑及長度直接影響擴孔軌跡的保直效果。直徑過小或者長度過長、過短都會影響擴孔效果，容易因為鉆具組合不協調出現鉆孔偏斜現象，在保直擴孔鉆具組合設計與應用時，應對導向段進行改進。擴孔鉆頭導向段直徑選擇與先導孔孔徑一致，長度15～35 cm 為宜，側面鑲焊硬質合金，保徑和增強耐磨性，前端面鑲焊硬質合金，避免擴孔時出現坍塌掉塊，造成掉鉆或埋鉆事故。

3）固結質量達標。套管注漿固結后的耐壓試驗尤為重要，是后續定向鉆進及分段水力壓裂能否正常進行的關鍵環節。如果不達標，必須采取補救措施，重新檢測。本次施工成功安設100 m 超深套管，施工過程中，瓦斯噴孔得到很好的預防，鉆場瓦斯濃度始終未超限，保證了施工安全和工程進度。

4 結 語

1）針對煤層底板復雜地質條件，采用φ120 mm先導孔保直鉆進+“φ120/φ153 mm+φ150 穩定器”鉆具組合+多級組合鉆頭φ153/φ193/φ215 mm 成孔工藝下套管技術，解決了煤礦井下孔口段套管（φ146 mm）下入深度大于100 m 的技術難題。

2）通過對孔口段成孔技術的分析和研究，采用先導孔保直鉆進+多級保直擴孔技術，孔深在100 m左右時，鉆孔傾角和方位角的偏差能有效控制在0.5%以內，不但能夠滿足煤礦井下套管安設對鉆孔軌跡保直度要求，而且鉆具簡單適用性強。

3）實踐證明，對孔口段成孔技術進行優化，不僅能有效控制孔口段孔內事故的發生，而且縮短了工時50%以上，提高了施工效率。建議研發煤礦井下雙動力頭履帶式全液壓定向鉆機以期實現跟管與定向鉆進2 種功能。