介休鑫峪溝煤礦地面2號注漿孔鉆探施工技術

陳偉武

(山西省地質勘查局217地質隊，山西 大同 037008)

山西介休鑫峪溝煤礦位于山西省介休市張蘭鎮，井田面積30 km2，地質儲量2.8億t，年設計產能420萬t主焦煤，總資產90多億元。本區域水文地質條件復雜，為了保證礦井持續有效發展，設計2號定向水平多分支注漿孔，以奧灰下20～60 m富水層段為主要施工目的層，主要通過注漿工程封堵奧灰水導水補給通道，提高煤層底板一定厚度范圍內整體巖層完整性，增加煤層底板與灰巖含水層底面之間各巖層抗壓強度，降低井下采掘期間水害危險程度，達到水害治理的目的。

1 地質概況

1.1 地質特性

井田位于沁水煤田西部邊緣，區域上出露的地層從老到新依次為古生界奧陶系中統，石炭系中統、上統，二疊系下統、上統，中生界三疊系，新生界第四系等。從西往東依次出露奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、第四系沿溝谷和山梁有不同程度分布。區域地層走向總趨勢表現為北東走向，傾向北西的單斜構造。

井田內含煤地層主要為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。

1.2 區域水文地質

本區屬于黃河流域汾河水系，汾河從井田西部13 km處流過，井田附近的主要支流龍鳳河、樊王河、張澗河均為季節性河流。

區域主要含水層為：碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組；石炭系碎屑巖、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組；三疊系及二疊系碎屑巖類裂隙含水巖組；第四系上更新統、中更新統松散巖類孔隙含水巖組；第四系全新統松散巖類孔隙含水巖組。

2 主要工作量及技術要求

2.1 工程工作量

地面2號注漿孔設計(見圖1)包含6個分支孔，分別為定向孔2-1號上、2-1號下、2-2號上、2-2號下、2-3號上、2-3號下；本孔設計6個分支孔總工作量3081.87 m，其中直井段310 m，斜井段累計2771.87 m。

在完成5個分支孔后，經甲方驗證已經達到預期注漿效果，可以終孔。因此，實際完成5個分支孔，總工作量2194.86 m，其中直孔段490.27 m，水平孔段累計1704.59 m。

圖1 2號注漿孔設計剖面Fig.1 Profile of the grout hole

2.2 鉆孔技術要求

(1)以封堵奧灰巖含水層為目的層。在預注漿區域對應地面合適位置設計主孔，并進行分支，分支鉆孔經水平造斜后進入工作面奧灰巖，至終孔均在灰巖層位中鉆進。

(2)鉆孔采用下入兩級套管、三級孔徑結構，一級套管直徑193.7 mm；二級套管直徑139.7 mm，終孔孔徑118.3 mm。

(3)下套管要求：主孔設計兩層套管，一級套管隔離疏松層，二級孔徑到設計層位后，下入二級套管，二級套管試耐壓 5 MPa(地面孔口壓力)。

(4)鉆孔主孔進入目的層前均要認真做好判層工作，對揭露的地層均要詳細記錄，鉆孔進入目的層位前必須采取物理測井進行校核地層，確保地層的準確性。

(5)整個鉆進過程中均要求進行簡易水文地質觀測，在奧灰和目的層的鉆進中如鉆遇漏失層段，要詳細記錄其深度、液位和漏失量。

(6)每次注漿結束后，掃孔至原孔深孔內注滿清水，作水位觀察，觀察4 h水位升降。

(7)完成主孔施工后，不割套管。注漿至二開套管口之上50～100 m。候凝準備下級分支孔施工。

(8)為保障注漿效果，要求奧灰層鉆孔孔徑≯ 130 mm。

3 施工難點

(1)一孔六分支孔?？變确种Э锥?，情況復雜，施工難度加大。

(2)鉆孔造斜段急。造斜段“狗腿”度最大達到15.61°/30 m，對施工鉆桿要求高，容易造成鉆桿斷裂，形成孔內事故。

(3)水平孔施工在奧灰層，地層裂隙發育，施工中可能出現沖洗液護壁困難，易發生掉塊卡鉆事故。

4 鉆探施工

4.1 鉆探設備

4.1.1 鉆機及配套設備(見表1)

4.1.2 選用 CMD-100 型車載鉆機在水平孔施工中的優勢

(1)機械化、模塊化程度高，設備進出場方便，輔助時間短。

(2)設備系統采用全液壓多回路控制，施工安全；設備扭矩大，轉速高、鉆進參數無級調節。

(3)本設備可根據不同施工工藝配套相關輔助設備，適應面廣，全面鉆進和取心鉆進都可適配。

4.2 鉆孔結構(見圖2)

一開：?241.5 mm 牙輪鉆頭鉆至穩定地層后，下入?193.7 mm、鋼級J55的套管進行固井，水泥返出地面，封固表層松軟地層。

二開：采用?171 mm 鉆頭進行主孔段鉆進，井身軌跡進入奧灰巖后，下入?139.7 mm套管固井。

三開：采用?118.3 mm PDC 鉆頭鉆進，直至完成主孔所有分支的鉆進。

4.3 鉆具組合及鉆進工藝參數

4.3.1 鉆具組合

(1)一開鉆具組合設計：?241.5 mm牙輪鉆頭+?197mm直螺桿+?178mm無磁鉆鋌×1根+?178 mm鉆鋌×4根 +411×410轉換短節+?127 mm鉆桿串。

表1 鉆機及配套設備Table 1 Drilling rig and auxiliary equipment

圖2 鉆孔結構Fig.2 Hole structure

(2)二開鉆具組合設計：?171 mm牙輪鉆頭+?135 mm單彎1.75°螺桿+?120 mm定向短節(MWD)+?120 mm無磁鉆鋌×1根+311×210轉換短節+?89 mm加重鉆桿×200 m+?89 mm鉆桿。

(3)三開水平段鉆具組合：?118.3 mm PDC鉆頭+?95 mm單彎1.25°螺桿+?95 mm定向短節(MWD)×1根+?95 mm無磁鉆鋌×1根+?73 mm鉆桿。

4.3.2 鉆進工藝參數

鉆進工藝參數是根據本孔地層剖面，結合以往實鉆經驗綜合分析而設定的，在施工中上部地層采用高轉速，適中鉆壓，下部地層采用低轉速，大鉆壓，鉆開煤層后適當降低鉆壓、轉速和泵量，保持孔壁的穩定性，各孔段具體鉆進工藝參數見表2。

表2 2號注漿孔鉆孔結構鉆孔工藝參數Table 2 No.2 grouting hole drilling program

5 沖洗液

沖洗液主要以不漏、壓穩地層、維持孔壁穩定性為原則，各開次沖洗液性能見表3。

表3 各開次沖洗液性能參數Table 3 Drilling fluid parameters for each hole section

(1)一開鉆進沖洗液配制以防塌、防漏為目的，使用常規沖洗液，根據現場實際情況進行調整，必要時加入降失水劑和稀釋劑，以保證正常鉆進，提高鉆效。

(2)二開鉆進沖洗液配制以防塌、防漏為目的，加入絮凝劑提升巖屑上返能力，實現安全鉆進。在鋁土巖孔段提高 Cl-含量，增強沖洗液抑制性，抑制粘土礦物水化膨脹；在進入奧灰前加入隨鉆堵漏劑，控制滲漏，降低施工風險，盡可能增加單趟鉆進尺，提高鉆進效率。

(3)三開鉆進沖洗液配制以防塌、防漏、增粘為目的。進入奧灰層段能防止孔壁垮塌，在漏失小的情況下起到堵漏效果，加入絮凝劑提升巖屑上返能力，達到安全鉆進的目的[1-10]。

6 下套管要求和方法

6.1 下套管質量要求

(1)套管要提前 2～3 d進入施工現場，并進行通徑、排列、丈量、編號。

(2)下套管前，項目部應根據鉆孔實際情況，編寫固孔施工設計書，提出固孔作業具體措施和要求，上報甲方進行審核，施工作業中做好過程參數記錄。

(3)下套管前對升降系統、剎車制動系統、工器具和附件等進行認真檢查、確保機器設備、工器具靈活、可靠、有效。

6.2 下套管準備

(1)下套管作業前應做好組織動員工作，應有明確的組織分工、統一指揮，嚴格執行崗位職責和安全操作規程，做到安全、文明施工，防止人員碰傷。必須將下套管順序對鉆機人員進行班前交底。下套管必須有專人負責套管序號檢查，防止發生入孔套管錯亂。

(2)套管準備：套管送到鉆場后，應及時清點套管數量、型號是否與清單一致，組織丈量、通徑、編號工作并作好記錄，套管柱長度及強度必須符合設計要求。

(3)下管準備：排列下入孔內套管順序、備用套管做出明顯標記，與下入孔內套管分開排放。要求孔眼干凈。

(4)工器具準備：下套管工具應配備齊全，易損部件應有備用件，對所有工具進行規格、尺寸、承載力、磨損程度、安全性、可靠性進行檢查。

(5)設備檢查：在下套管前，要對設備進行一次全面檢查，以保證在下套管及固孔施工期間設備正常、連續運轉。主要對地面設備、提升系統、泥漿泵、指重表、泵壓表等進行嚴格細致的檢查，保證各部位安全、可靠，運轉正常，儀表準確、靈活。

6.3 下套管作業

所有套管均采用升降機提吊進行下孔，除護壁管不做要求外，技術套管要使用石油套管，絲扣連接，雙鉗緊扣，保證套管連接垂直度、強度達到要求。

下套管過程中，提放時要平穩，嚴禁猛拉，猛放，遇阻時應正確分析原因，采用合理的處理方法。為安全起見，底部可加裝引鞋，以確保下套管安全。

7 鉆探施工技術措施

7.1 開鉆前技術措施

(1)鉆場平整后，重新標定水平孔坐標，并按測點校核水平孔軌跡。

(2)按合同附件中的設備清單配套鉆機及附屬設備，并安全運抵作業現場。

(3)嚴格按要求安裝鉆機及附屬設備，達到平、穩、正、全、靈、牢。

(4)設備安裝完畢，要經現場驗收合格，甲方出具書面開鉆通知書后，方可正式開鉆。

(5)開鉆前要認真貫徹設計要求，對地質、工程、沖洗液、固孔、成孔等作業內容進行技術交底，貫徹重點技術措施，并按設計要求做好開鉆前的各項準備工作。

7.2 一開技術措施

(1)按設計組合鉆具下鉆。開眼時，采取吊打方式，輕壓鉆進，每鉆完一個單根劃眼一次，修整孔壁。

(2)上部地層松軟，易垮塌，易漏失，用清水膨潤土漿鉆進時，要求初始排量低，適當的提高沖洗液的粘、切值。

(3)鉆達設計孔深，或鉆至穩定地層后，加重沖洗液維持孔壁穩定，下套管前大排量循環洗孔2周，通孔1次，確保下套管順利。

7.3 二開技術措施

(1)固孔候凝期間，檢修、保養設備。準備二開用水及沖洗液材料。

(2)組合鉆具，下鉆探水泥面，小鉆壓鉆水泥塞至孔底，繼續鉆進至造斜點。

(3)起鉆時定向鉆進工程師作定向鉆進作業指令書，并優選造斜鉆具，確保工具造斜能力達到設計要求。

(4)按定向鉆進指令組合鉆具，并積極配合定向鉆進作業。

(5)在斜井段內鉆具因故停止轉動(測斜、機修等)時，鉆具需 3～5 min 上提下放活動一次，活動距離不得小于 6 m。

(6)鉆進過程中注意返砂情況，必要時大排量循環沖洗液，沖洗時長距離(9 m)活動鉆具，防止沖出“大肚子”及劃出新井眼。

(7)動力鉆具入井，嚴禁劃眼和懸空處理沖洗液，遇阻時，活動鉆具下放，若無效，起鉆換鉆具通井，以防劃出歧眼。

7.4 三開技術措施

(1)準確了解 BHA 、馬達彎角、扶正器的位置和距離。

(2)進入目的層后根據 MWD 的傳輸信號，導向、定向人員及時跟蹤掌握鉆頭所在的灰巖位置，及時調整井眼軌跡，保證鉆頭在灰巖中鉆進，保證鉆遇率。

(3)進入灰巖后旋轉鉆進時控制頂驅轉速和鉆時，盡量防止憋泵的現象，保證巖屑的充分返出。

(4)鉆進時司鉆時刻注意鉆進扭矩及泵壓變化，如果扭矩或者泵壓突然出現過高的現象，司鉆及時上提鉆具，充分循環，直至泵壓、扭矩正常時重新下放開始鉆進。

(5)每次加尺時充分循環，在循環的過程中，盡量避免倒劃眼循環，注意泵壓和扭矩變化。

(6)要不間斷監視巖屑的返出情況，注意巖屑返出的大小和形狀及返出量大小。

(7)控制鉆進參數、監視地面情況，防止孔底事故的發生[11]。

8 施工難點解決

(1)孔內分支孔多，每施工完一個分支孔后，要對本分支孔三開孔段進行全面水泥封堵，對封堵孔段要求堵實，而且水泥達到一定強度(一般注漿結束后72 h)才能施工下一個分支孔。

(2)施工水平定向多分支孔，鉆具選用韌性好的G105鉆桿，鉆頭地表土層選用中齒牙輪鉆頭快速通過。進入穩定基巖后，鉆遇泥巖時，容易泥包鉆頭，選用復合片鉆頭鉆進。鉆遇砂巖和泥巖砂巖互層時，選用牙輪鉆頭鉆進。最后鉆至水平段全段灰巖，選用PDC鉆頭鉆至完井。每次起下鉆都必須嚴格檢查鉆桿絲扣有無損傷，檢查鉆頭齒輪和復合片有無損傷。定期為鉆桿做探傷檢查，減小井內事故幾率。

(3)三開施工中，在沖洗液性能調配良好的情況下仍然會出現孔壁坍塌現象，在重復鉆進過程中會導致埋鉆等事故發生。針對這種狀況，要以預防為主；其次時刻注意扭矩、泵壓和懸重的變化，如果扭矩和泵壓突然出現過高現象，要立刻提鉆具至套管內，充分循環沖洗液，直到泵壓和扭矩恢復正常后重新下鉆鉆進；三要觀察孔口返出巖屑，跟蹤地層，注意孔漏和沖洗液失返情況，按時測量沖洗液粘度，保證沖洗液的攜砂能力。若發生沉砂卡鉆現象，先建立循環，泵排量逐漸增大，活動鉆具解卡[12-15]。

9 經驗和體會

(1)在水平孔鉆進施工中，設備的保養檢修尤其重要，施工中，需要有專業的維修技術人員對設備維護保養，這也是復雜多分支孔施工成功的關鍵。

(2)水平定向分支孔鉆探施工鉆進，定向操作是關鍵，施工過程中要通過精準導向技術，順利鉆進到目的地層，達到成孔注漿的目的。

(3)多分支孔鉆進施工，用好沖洗液，及時高效地將孔內孔底巖屑攜帶至地面，保證孔內干凈、孔壁穩定是成孔的先決條件。所以需配備沖洗液技術員，根據不同的地層隨時調配沖洗液配方，提粘、防塌等，保證沖洗液性能。根據施工需要，下入石油套管，隔離地表松散土層，隔離斷裂帶、裂隙等，維持孔內上部孔壁穩定。

(4)結束孔深以注漿堵水效果為主，還要考慮是否為破碎地層，是否有斷裂帶，以及注漿時間、扭矩、鉆壓、懸重等因素綜合決定。