飛管隔離采空區技術在鉆井工藝中應用

苗利偉，李訓魁，王月國

（中國煤炭地質總局 第二水文地質隊，河北 邢臺 054000）

1 概況

郭二莊礦隸屬于冀中能源股份有限公司邯鄲礦業集團，位于武安市西北約13 km 處，分一坑和二坑2 個坑口。一坑主采2 號煤，經過多年的開采，一坑2 號煤資源漸趨枯竭，需開采9 號煤延長礦井開采年限。開采9 號煤需對奧灰導水構造進行探查注漿治理，為此布置注1、注2 鉆孔進行探查注漿工作。注2 孔在直井段，和2-1 分支分別鉆遇2 號和9 號煤兩層采空區，2 號煤埋藏較淺，根據已有資料在施工之初設計采用φ273 mm×8 mm 套管進行了隔離。隔離后鉆進至9 號煤層位發生漏失、進尺快等現象，判斷此處為小煤窯采空區。采用注漿、填礫法對此段先后進行了22 次封堵，持續近2 個月時間。封堵后每次掃孔仍發生漏失、塌孔現象，封堵效果較差。

已知在本區穿2 號煤采空區鉆孔有11 眼，只有1406 鉆孔通過封堵方式穿過采空區，云補1 鉆孔采用封堵的方式施工2 個月，未能成功封堵采空區，最終通過下管方式隔離采空區，其他鉆孔均采用頂漏鉆進至煤層穩定底板后下入套管隔離。為此，2-1 分支決定采用套管隔離技術來隔離采空區。在全孔下入套管需用φ219 mm 套管312 m，本孔為水平分支孔，2-1 分支施工結束后需自孔深185 m 處再次側鉆，必須將下入的φ219 mm 套管拔出才能施工其他分支孔，全孔下入套管影響后續施工。為此決定僅在采空區破碎帶下入部分φ219 mm 套管（即飛管）來隔離采空區，達到減少后續拔管和節約套管的目的。

2 工程情況

注2 孔位于郭二莊礦區西南部，2-1 分支在直井段的基礎上自小煤窯橫穿F4斷層進入治理區域，鉆遇地層為第四系（Q）、二疊系上石盒子組（P2s）（下石盒子斷失）、山西組（P1s）、石炭系太原組（C3t）、本溪組（C2b）、奧陶系峰峰組。已知本區有山西組2 號煤采空區，太原組9 號煤采空區情況不詳。鉆孔設計結構見表1。

表1 設計鉆孔結構Table 1 Design drilling hole structure

3 鉆遇9 號煤采空區情況

2-1 分支自孔深182.67 m 開始側鉆，采用φ245 mm 鉆頭定向鉆進，鉆進至283.37 m 發生全漏失，水位埋深276 m。頂漏鉆進至295.23 m，其中290～295 m 進尺較快，地層硬度較軟，預想地層為9 號煤。經井下電視觀測發現，下部水質清澈，水在流動，周圍為較大孔洞，判斷為9 號煤采空區。采用注漿、填礫法準備對此段進行封堵，累計封堵22 次，持續時間近2 個月，注入水泥290 t，礫石8.6 m3，速凝劑0.4 t，鋸末0.55 t，候凝后下鉆具進行探查，水泥面均在283.37 m 以上，掃孔至290 m 后均再次發生全漏失，效果較差。為盡快穿過采空區，準備頂漏鉆進9 號煤穩定底板，采用飛管來隔離采空區。

4 飛管隔離采空區方案

4.1 鉆前準備工作

（1）準備漏失點以上15 m 至9 號煤穩定底板長度的套管，本孔準備φ219 mm 套管52.26 m。

（2）加工1 個反扣套管頭來連接套管和鉆具，用鉆具將套管送至9 號煤穩定底板，通過反轉鉆具將套管與鉆具分離。

（3）準備海帶條3 組分纏繞在套管下深280 m 處（漏失點以上3 m 左右），為保證海帶不脫落，在套管上間隔50 cm 焊接卡箍，海帶用細鐵絲固定，海帶纏繞厚度為套管與孔壁間距的1/2，本孔為6 mm，如圖1 所示。

圖1 纏繞海帶示意Fig.1 Winding ribbons schematic

（4）準備φ63.5 mm 鉆桿1 根，長度1.8 m，在鉆桿頂部安裝分水接頭，水泥漿自此處流出。

（5）加工“棗核”狀中空木塞，木塞長度1.5 m，木塞下端φ150 mm，上端φ180 mm，直徑最大處位于距頂端1/3 處，為220 mm，木塞中間穿過φ63.5 mm 鉆桿，木塞底端用φ140 mm 圓形鐵質托盤穩固，鉆桿與圓形托盤焊接形成一體，如圖2 所示。

圖2 木塞示意Fig.2 Wood stopper schematic

（6）配置足量的稠泥漿液，以懸浮沉沙為主。

（7）采用“穿鞋帶帽”法分2 次固井。“穿鞋”封閉采空區以下套管，受采空區積水流動影響，只能封閉9 號煤底板至套管底部，封閉深度295～311.99 m，孔壁擴大系數為1.1，采用管內外均衡法固井，管內外水泥高度相同，管壁體積忽略不計，需要水泥漿體積V穿鞋=0.785 4×（311.99-295）×（0.245×1.1）2=0.97 m3。

“帶帽”封閉深度280 m 至套管頂部的環狀間隙。封閉段長度280-261.73=18.27 m，需要水泥漿體積V帶帽=0.785 4×18.27×（（0.245×1.1）2-0.2192）=0.36 m3。

4.2 施工過程

（1）下鉆至孔底，采用φ245 mm 鉆頭大泵量頂漏鉆進至9 號煤采空區穩定底板后繼續鉆進5～10 m 沉沙段，鉆進至316.16 m 鉆具旋轉阻力增大，起鉆至260 m 停泵30 min 穩定孔內漿液，再下鉆探查沉沙砂面，鉆具順利下至孔底，孔內無沉沙。若孔內有沉沙，則通過稠泥漿沖掃鉆孔將大顆粒排至采空區內，小顆粒通過泥漿懸浮。

（2）按表2 順序連接套管，連接反扣螺絲頭、正絲鉆具，下送套管至9 號煤穩定底板311.99 m，311.99 m 以下為沉沙，套管不能再下入。

表2 套管下入明細Table 2 The casing pipe running details

（3）配置比重1.7～1.8 g/cm3的水泥漿液，通過泥漿泵輸送1 m3水泥漿至套管底部進行“穿鞋”作業，候凝12 h 探水泥面，孔內無水泥繼采用此法續注水泥，直至孔內有水泥后開始“帶帽”作業。

（4）將木塞與鉆具連接后下送至套管頂面，將木塞緩慢塞入φ219 mm 套管中，按照“穿鞋”設計2 倍漿液，通過分水接頭將漿液緩慢注入孔內，通過水泥緩慢下沉進入套管與孔壁之間，穩定2 h 后，拔出木塞。

（5）候凝48 h 后孔內注滿清水，采用壓差法檢驗止水效果，若水位下降不滿足標準，按照步驟4 再次注漿直至止水效果合格。

5 結論

（1）通過封堵采空區耗時長，費用高，無效果或效果差。

（2）通過2-1 分支施工驗證，“飛管”隔離采空區工藝較采用填料堵漏效果好，時間成本較低，能夠快速封堵采空區，且能夠節約套管，方法切實可行，在以后的工作中可以推廣。