礦井工程施工技術中的帷幕注漿應用難點與對策分析

耿 正

（陜西天地地質有限責任公司，陜西 西安 710054）

在帷幕注漿工程中，水平井施工目的是以富含水層為靶區，以設計的位移點和垂深點為靶點，揭露所鉆進地層中富含水層的頂底板，確定富含水層邊界，并在富含水層內打通一條注漿通道，以實現對富含水層的封堵，解決“水害”對礦井開采的威脅。本文研究某礦區域內富含水層頂板垂深約400m，富含水層厚度為50m～60m；因要滿足注漿封堵構建成帷幕墻，設計的孔與孔水平間距較小，同一孔內設計多條分支孔，在水平段形成平行軌跡。

1 工程基本情況與工藝流程

1.1 工程設計概況

某礦井帷幕注漿工程按照設計要求，形成的帷幕墻走向為東西方向，設計兩排主孔，南側主孔構建成內墻，北側主孔構建成外墻；南北主孔間距為20m，東西主孔間距為200m。南北主孔為一個孔組，孔組內每個主孔設計4個分支孔，其中3條分支孔東西走向、平行上下分布，分別位于“富含水層”上部、中部和下部，在富含水層中呈扇骨狀，分別落在對方主孔的靶區（如圖1）。

圖1 主孔布置示意圖

每個主孔自孔深30m開始造斜，孔深230m穩斜，并逐步施工分支孔，孔深約450m進入水平段（垂深為380m左右、水平位移為190m左右），水平段長約260m；每條支孔間垂深為10m左右。

主孔與支孔設計原則是保證在注漿中能夠形成堅實無縫隙的連續墻，以實現對含水層的封堵，避免水害影響礦井開采活動。

1.2 工藝流程

一開：孔徑Φ215.9mm，0～約230m，下入Φ177.8×6.91mm孔口管，水泥固井至孔口返漿，做止水效果檢查。

二開：孔徑Φ152mm，至“富含水層”頂界面下5m～10m，下入Φ139.7×6.2mm套管，隔離“富含水層”風氧化帶，與一開套管重疊段為30m，水泥固井，做止水效果檢查。二開起始孔深為支孔開窗點。

三開：裸孔段，孔徑Φ110mm，每鉆進100m起鉆注漿，再次掃孔鉆進，分段延伸至“富含水層”底界面下15m。

2 水平井技術應用難點

2.1 目標層層厚變化，垂深不同，軌跡控制困難，中靶難度提高

本工程的設計靶區目標層平均有效厚度在5m～10m以下，個別情況厚度小于1m，甚至存在靶區殲滅情況，靶區地層不均勻發育狀況較為常見，整體施工難度相對較大。在施工過程中，水平井井眼軌跡控制要求嚴格，中靶難度逐步提高，必須對井斜、方位及全角變化率的綜合控制才能滿足施工效果。

2.2 靶區垂深小，水平位移有限制，實施鉆進的空間小

為滿足工程整體要求，設計的鉆孔垂深約400m，水平位移約450m。在構建近似長寬相等、厚為20m的墻體范圍內，鉆孔接露的地層需要滿足注漿全覆蓋要求。受到鉆孔設計和區域空間約束，本工程水平井施工技術上存在較大難度，原因是本工程靶區為“富含水層”，垂深較小，水平位移受到限定，不同于常規水平井施工要求，依靠常規鉆進技術無法滿足施工要求。

通過對井身軌跡設計及實際鉆進測得（如表1），在增斜位置，全角變化率為48.25°/100m，已超過石油天然氣行業標準《鉆井井身質量控制規范》中要求的小于15°/100m，安全風險系數大幅增高，上下鉆在孔內一側易形成鍵槽卡鉆、鉆具受到極限彎曲力矩易形成疲勞折斷、泥漿形成壓差易誘發泥餅粘附卡鉆、鉆柱與孔壁嚴重摩擦易磨損鉆具，孔內部分孔段全角變化率超過規范要求，還會誘發其他意外孔內事故。

表1 某礦井內孔孔身數據

2.3 測量儀器和井底存在盲區

目前較為常用的測量儀器設備主要以MWD為主，因為井底鉆頭與鉆井系統存在著一定的距離盲區，因此在進行操作過程中，技術人員需要依靠自身操作經驗進行設備操作，存在著盲區距離估測的狀況，會對井眼軌跡控制產生直接干擾。在進入靶區之中，需要準確入靶才能保證最終注漿效果，實際操作相對較為困難。

3 施工難點應對策略

3.1 優化設計井眼軌道剖面

為有效處理上述各項問題，確保水平井施工能夠達到預期標準要求，各施工難點能夠得到切實攻克，需要做好系統井眼軌道剖面優化處理，以便達到對井眼軌跡的精準管控。技術人員需要按照現有隨鉆測量儀器以及造斜工具造斜率等情況，對井眼軌道剖面形式展開選擇。

按照設計規劃，為避免出現增斜過程中造斜率無法滿足設計要求的狀況，需要設置第一個穩斜段，以便通過對穩斜井段的運用，做好增斜定向操作。

3.2 強化井眼軌跡控制技術

3.2.1 優化鉆進參數和鉆具組合，強化軌跡控制能力

展開井眼軌跡控制前，需要搜集設計數據，利用控制軟件優化鉆進參數，選擇合適的井斜和方位及鉆具組合，對鉆壓和轉速及扭工具面進行精確計算。要針對前期地層資料，對鉆遇不同地層的鉆進參數進行精準修正，適時調整鉆具組合。

需要按照鉆進軌跡的造斜率選擇造斜工具，以便達到切實強化軌跡控制能力的目標。技術人員可按照實際造斜率，對軌跡控制方案展開調整，保證方案與施工實際情況的契合程度，確保井眼軌跡能夠更加符合設計軌跡要求。

3.2.2 構建地質模型，建立可視化軌跡

在進行水平段井眼軌跡控制過程中，通過對前期收集各項資料的運用，展開地質模型建設，為鉆進工作提供準確的數據依據。完成地質模型建設之后，結合錄井數據以及相關測量數據，對地質模型展開精修，保證模型與實際情況的相符程度，以便為相關操作開展提供可視化依據，確保軌跡能夠始終沿設計軌跡鉆進，確保鉆遇率可以得到切實提高。

3.3 優化泥漿性能，選擇合適泥漿工藝

水平井施工泥漿性能尤為重要，要保證良好的攜砂能力和流變性能、合適的泥漿密度和濾失性能等。本工程中鉆進地層有第四系、新近系松散層覆蓋，侏羅系砂巖、礫巖，松散層與基巖不整合接觸，侏羅系地層巖溶發育、富水性好，上部極易因泥漿性能而形成包漿、下部因泥漿比重過大發生漏失、或因粘度和固相含量導致攜砂困難，因此泥漿性能要時刻觀測并適時調整。泥漿密度選擇原則是上部用高密度、中固相、高粘度、低濾失性能，下部為低密度、無固相、中粘度、低濾失、低含砂性能泥漿，并且在泥漿的觸變性、靜切力、PH和膠體率等方面適時控制。

4 結語

本文對類似薄差目標層的水平井施工相關內容介紹，使我們對該種環境下的水平井施工難點以及對應措施有了更加清晰的認識。為妥善解決軌跡控制難度大以及中靶困難等方面的狀況，技術人員需要依靠實際勘察，做好各項數據收集，并要通過對具體問題展開分析與研究，明確問題產生主要原因，以便制定出針對性處理困難的優化方案，確保可以通過構建地質模型以及其他手段，達到優化軌跡剖面以及提升軌跡控制質量的目標。