煤礦區地面注漿多分支水平井裝備及技術

楊 哲

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

我國煤炭資源豐富，產量居世界首位，但我國華北型煤田水文地質條件復雜，大多煤礦開采受水害威脅。隨著煤炭產業的快速發展，煤礦水害問題已成為制約煤礦安全生產的重大隱患[1-3]。煤礦區地面和井下注漿技術是水害防治的重要途徑和手段，其中地面注漿技術具有設備能力大、注漿速度快、綜合效率高等優點，近幾年被廣泛應用于煤礦水害治理，而鉆井技術是地面注漿技術實現的前提和保障，目前地面注漿井主要有直井、定向井、多分支水平井等類型，其中多分支水平井具有占地面積小、鉆孔覆蓋面廣、注漿量大、綜合成本低等優勢[4-9]。為此重點進行煤礦區地面注漿多分支水平井裝備選型及關鍵技術研究，為煤礦水害防治工作提供重要支撐。

1 地面注漿多分支水平井鉆井裝備選型

1.1 鉆機選型

綜合考慮我國煤層埋深、鉆井工藝、注漿要求等因素，地面注漿多分支水平井完井的深度大多小于2 000 m，位垂比約1.8～2.5，因此用于注漿多分支水平井施工的鉆機需具備2 000 m 鉆進能力。目前，市場上2 000 m 鉆機主要有小型石油鉆機、水源鉆機和全液壓車載鉆機，其中小型石油鉆機主要有ZJ20型和ZJ30 型；水源鉆機主要有TSJ-2600 型和TSJ-3000 型；全液壓車載鉆機主要有德國RB-T100 型、美國 T200XD 型、瑞典 PREDATOR 型及意大利HH102 型等進口鉆機，中煤科工集團西安研究院有限公司ZMK5530TZJ100 型、石家莊煤礦機械有限公司TZJ25/1000Y 型及北京天和眾邦勘探技術有限公司CMD100 型等國產鉆機[10]。從鉆機能力上看，3 類鉆機均能滿足使用要求，但因小型石油鉆機和水源鉆機無配套頂驅，施工大位移水平井難度較大，同時，這2 類鉆機井間搬遷及安裝周期長。相對而言，全液壓車載鉆機具有以下優勢：①具備加壓給進能力，特別適用于大位移水平井及特殊工藝井施工；②機動性強，井間搬遷、安裝迅速，施工效率高，特別是在注漿過程中，1 臺鉆機可同時滿足2 口注漿井施工；③智能化程度高，配套工藝全，事故處理能力強，鉆機系統穩定，安全性高。因此從安全、成本、效率等方便綜合考慮，全液壓車載鉆機較適合于地面注漿多分支水平井施工。

1.2 泥漿泵組選型

泥漿泵組是在高壓條件下向井內輸送鉆井液，具有冷卻鉆頭、循環泥漿、保護井壁、破碎巖石、攜帶巖屑等作用，是鉆機配套主要設備之一。泥漿泵組主要有柴油機驅動和電驅動式2 種，由于注漿多分支水平井鉆井和注漿周期長，且施工地點大多位于礦區和村莊周邊，柴油機驅動式泥漿泵存在耗油量大、成本高、噪音擾民及環保性差等缺點，因此選用電驅動式泥漿泵組。2 000 m 以淺注漿井選用F-800DBZ 型稀土永磁直驅泥漿泵，該泵組具有以下優點：①節能，成本低；②安全性高：采用專用變頻驅動電機，擁有過壓、過流、過載、欠載、輸出接地及輸出短路等多項保護功能；③穩定性好：電動機的轉子采用稀土永磁材料，無需勵磁，運行穩定可靠；④噪音小，環保性好，無柴油機及皮帶或鏈條傳動，泥漿泵震動及噪音大幅降低，環境污染小；⑤運輸安裝方便：泵組結構緊湊、質量輕、搬運方便，到現場接電即可使用。

1.3 無線隨鉆測量系統選型

無線隨鉆測量系統是通過井下儀器向地面傳輸鉆井數據，利用計算機對數據進行處理分析，獲得具有實時性的地層及鉆井參數，為井眼軌跡控制提供依據，是注漿井實現精準定向的關鍵設備。目前，常用的無線隨鉆測量系統主要有泥漿脈沖式和電磁波式2 種，其中泥漿脈沖式無線隨鉆測量系統是以泥漿為傳輸介質，該系統配置簡單、操作方便、成本較低，但受泥漿性能、泥漿泵工況、循環介質等影響較大，傳輸效率低[10-11]。電磁波式無線隨鉆測量系統是以低頻電磁波信號為傳輸介質，該系統具有以下優點：①信號傳輸不受循環介質及泥漿泵影響，適用范圍廣，特別適合于漏失嚴重及復雜地層的定向鉆進；②信息傳輸速度快，效率高，在接單根過程中井下儀器測量數據，并立即將數據傳至地面處理系統，實現零延遲及連續作業，減少鉆井輔助時間；③傳輸數據信息量大，測量參數多，能測量高低邊伽馬和環空壓力，可實現精確控制鉆孔軌跡，鉆遇率高，同時根據參數變化能提前預防井下復雜情況。為實現安全、高效、精準鉆進，優選電磁波式無線隨鉆測量系統。

1.4 固控系統

固控系統是通過專業設備對鉆井液進行凈化處理，并實現循環利用。目前，國內煤礦區地面鉆井均采用石油簡易固控系統和泥漿池相結合的方式循環鉆井液，實現對鉆井液的凈化處理，由于石油固控系統配套齊全，煤礦區鉆井泥漿循環量和處理量小，固控設備利用率低，同時煤礦區鉆機平臺高度低于石油固控系統振動篩，需挖制泥漿循環槽，易造成環境污染，環保性能差。在借鑒石油固控系統優點的基礎上，結合煤礦區注漿井鉆井參數及施工工藝，設計適用于地面注漿多分支水平井用固控系統。

設計的地面注漿多分支水平井用固控系統采用三級凈化裝置，同時采用井口密封裝置、防滲漏土工膜泥漿池、固化處理等措施，防止造成環境污染。新設計的固控系統工藝流程為：鉆井液從井口返出后，首先通過井口密封裝置，將鉆井液直接泵入振動篩，篩離出大于74 μm 的固相顆粒，完成一級凈化；然后鉆井液進入泥漿清潔器，分離出8～74 μm 的巖屑顆粒，完成二級、三級凈化。

設計的固控系統孔口密封裝置可實現井口泥漿不落地，井口泥漿直接進入固控系統，同時起到低壓防噴、導流作用。固控系統第一級凈化設備選用平動橢圓雙聯振動篩，振動篩處理能力≥200 m3/h；第二級、第三級凈化設備選用功能齊全、結構緊湊、占用空間面積小的泥漿清潔器，處理能力180～220 m3/h。泥漿罐設計為2 個罐，單罐外形尺寸為：9 012 mm×2 300 mm×2 150 mm。為了防止造成環境污染，固控系統配套泥漿池采用防滲漏土工膜，防止鉆井液滲漏污染環境，完井后利用無機固化劑對廢鉆井液進行固化處理，有效解決廢鉆井液水蝕運移擴散問題，避免環境污染，提高經濟效益。

2 地面注漿多分支水平井鉆井關鍵技術

2.1 鉆孔結構

地面多分支水平井施工中，為保證安全鉆進，同時滿足鉆井和注漿工藝要求，鉆孔結構設計為三級，其中一開采用φ311.15 mm 鉆頭鉆入穩定基巖10 m，下入J55 鋼級φ244.5 mm 表層套管；二開采用φ215.9 mm 鉆頭定向鉆進至目標層上部，下入J55 鋼級 φ177.8 mm 技術套管；三開采用 φ152.4 mm 鉆頭沿目標層水平定向鉆進，裸眼完井。

2.2 軌跡控制

1）螺桿鉆具優選。螺桿鉆具是鉆孔軌跡控制的主要機具，通過與無線隨鉆測量系統的配合，實時調整控制鉆孔軌跡。注漿井二開井段主要以增斜為主，對鉆具造斜率要求較高，選用5LZ φ165 mm×1.5°螺桿馬達。三開井段進入目標層后，以穩斜為主，選用 5LZ φ120 mm×1.25°螺桿馬達,螺桿鉆具技術參數表見表1。

表1 螺桿鉆具技術參數表Table 1 Technical parameter of screw drill tool

2）軌跡控制主要措施。注漿水平井施工中，井眼軌跡控制即要滿足鉆井工藝要求，同時要滿足后期注漿相關技術要求，優選“直-增-增-穩”4 段制井身剖面，一是保證鉆孔軌跡精確中靶，并沿目標層延伸，二是確保鉆孔軌跡平滑，便于后期注漿。具體為：①注漿井二開井段位于穩定基巖，穿過多層巖層，在目標層頂部著陸，該孔段主要是利用無線隨鉆測量技術，根據實鉆數據調整井斜和方位，確保鉆孔軌跡滿足設計要求，作業中，為確保孔內安全及高效鉆進，需根據地層變化隨時調整鉆井液性能，特別是鉆遇泥巖段時，泥巖水化膨脹容易引起縮徑，易造成井下事故，常采用K+晶格固定和離子交換作用來抑制泥頁巖吸水水化膨脹，保證井壁穩定性；②三開水平段軌跡控制關鍵是穩斜，調整鉆孔井斜與目標層傾角相近，實現鉆孔沿目標層沿伸，確保鉆遇率達到設計要求，三開施工中，由于鉆進和注漿相互交錯進行，鉆井液鈣化嚴重，因此三開鉆井液中增加NaOH，置換水泥中的Ca2+，減少鈣侵的影響，同時，起到調節鉆井液pH 值的作用，確保安全鉆進。

2.3 套管施工

地面注漿井施工中鉆場征地及工農關系協調是一大難題，為減少鉆場數量，簡化工農關系，設計將二開套管下至目標層頂部，封堵上部地層，采用局部固管技術，三開施工2～3 個分支，注漿完成后，再利用割管技術將二開套管從底部割斷，起出二開套管，再在二開上部井眼段利用測鉆技術開分支，重新下二開套管，施工三開分支孔，實現1 個主孔，多個分支孔，進一步擴大鉆孔覆蓋面，增加注漿量，確保注漿效果。

1）固井技術。套管下入井內后，考慮到后期二開套管順利切割及起拔，二開套管不能全孔固管，僅需對二開底部套管進行封固，為保證封固效果，采用以下相關技術：①固井水泥采用42.5#及以上高標號；②套管底部安裝水泥頭、浮箍及引鞋，準確計算注入水泥漿量及水泥返高；③套管封固后，為防止井口雜物落入套管環空，用環形鋼板封堵。

2）套管割管技術。根據套管尺寸，選用NG-S178型水力內割刀。固井結束后，計算水泥理論上返高度，再用鉆機拉伸套管，利用卡點經驗公式計算實際水泥固結點，最后根據理論水泥返高、實際套管卡點位置及設計造斜點，確定套管切割位置。切割套管時，首先拉伸套管，在井口套管接箍處放置吊卡，確保套管處于拉伸狀態，以便于割斷套管；再將刀具下至設計位置，慢速轉動，開啟泥漿泵，在注入壓力下刀具逐漸張開與套管接觸，刀具隨鉆具轉動切割套管，一般5～8 min 完成切割作業；切斷套管后，停泵刀具回收，起拔套管。

3 現場應用

近2 年利用優選的美國雪姆T200XD 型全液壓車載鉆機、F-800DBZ 型稀土永磁直驅泥漿泵、電磁波式（E-MWD）無線隨鉆測量系統、新設計的注漿多分支水平井用固控系統等裝備，及軌跡控制和套管施工等關鍵技術，先后在淮北朱仙莊煤礦、河南焦煤古漢山礦和趙固一礦區域水害治理項目中，累計完成6 個主孔，41 個分支孔施工，鉆探總進尺約36 000 m，為礦區水害治理提供強有利的技術保障。

4 結 語

1）結合注漿多分支水平井鉆孔參數、施工工藝、注漿要求等因素，優選全液壓車載鉆機、稀土永磁直驅泥漿泵、電磁波式無線隨鉆測量系統及注漿井用固控系統等裝備，形成一套適用于注漿多分支水平井用鉆井裝備，該套裝備具有智能化程度高、鉆進效率高、安裝搬遷迅速、性價比高等優勢。

2）根據地面注漿井的施工特點，對注漿井鉆孔結構、軌跡控制、套管作業等關鍵技術進行了系統研究，形成了適用于注漿多分支水平井鉆進施工工藝，擴大了鉆孔覆蓋面，提高了施工效率、減少了鉆探工程量、降低了鉆井成本，實現了安全高效鉆進。