淺層高水垂比多分支水平孔鉆井工藝

向中林

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

1 概述

邢臺煤礦區經過幾十年的開采，目前淺部易開采資源基本已枯竭，現階段陸續開采受水害威脅的下組煤層。鑒于下組煤層開采受奧陶系灰巖水害威脅現狀及保水開采需要，提出了奧灰巖溶水上帶壓開采水害治理的區域超前治理理念[1-2]。目前采用多分支水平孔進行探查是礦井煤層底板水害區域治理最為有效的方法之一[3]，具體為地面選擇合適的位置開孔，通過對主孔（直孔段、造斜段）的施工，使鉆孔在著陸點沿目的層順層鉆進；再在主孔合適的位置側鉆施工分支孔以實現對治理區域全覆蓋。但淺層高水垂比多分支水平孔較為少見。在此背景下，下組煤層9#煤底板水害區域治理成為葛泉煤礦防治水工作的重中之重。由于井田水文地質條件復雜，井田褶皺和斷層構造都十分發育[4]，煤層埋深淺；同時單分支孔水平長度較大，致使鉆孔水垂比較大，施工難度高。筆者通過對淺層高水垂比多分支水平孔的應用研究，結合實際施工，為解決葛泉礦煤層底板水害區域治理的施工難題提供良好支撐。

2 治理區域地質概況

治理區域內地層從新至老分別為第四系、石炭系、奧陶系。其中第四系表土層中含有兩層礫石層，總厚約30m；石炭系為煤系地層，巖性為砂巖、泥巖互層，從上至下包含了7#煤、8#煤、9#煤；奧陶系巖性為灰巖。地層簡化柱狀圖如圖1所示。

圖1 地層簡化柱狀圖

9#煤平均厚度為5.6m，煤層傾角為5o～10o，煤層埋深為172.9～374.3m，9#煤試采直接充水水源為9#煤層底板下伏本溪灰巖含水層和頂板大青灰巖含水層。9#煤底板下38～55m 為奧陶系灰巖含水層頂面，為下組煤開采的間接充水水源。葛泉礦為新生界地層全覆蓋型井田，地層基本形態受NE向的葛泉復向斜控制。井田內以斷層為界的塊段改變了含水層水平方向的水力聯系，自然條件下，因各含水層之間均分布有厚度不等的隔水層。在完整塊段，各含水層之間水力聯系較弱；在導水構造和采動條件下可能使含水層之間水力聯系增強。

3 多分支水平孔鉆井方案

本方案綜合考慮工作面及地層展布情況、構造特征、鉆探施工效能等因素，結合地面塌陷塘、構筑物等，在地面合適位置布孔。通過鉆探對治理區段9#煤層底板灰巖含水層溶隙、裂隙等儲水空間和導水通道進行交叉拉網式探查，達到區域勘查目的。鉆孔間距45～55m（大部分鉆孔按55m設計，邊角地區局部“羽”狀布置，間距控制在40～50m，斷層區按40～45m，適當微調），如圖2所示。

圖2 鉆孔平面布置圖

3.1 鉆孔結構

由于施工區域第四系表土層上部及下部均有松散的礫石層，考慮到主孔施工的安全性，結合以往施工經驗，鉆孔采取四級式鉆井結構，下入三層套管。如圖3所示，具體結構如下：

圖3 四級鉆孔結構設計示意圖

（1）一開：采用氣錘沖擊開孔至24m，孔徑?500mm，下入?377mm×10mm 套管，采用單液水泥漿固井，水泥漿返至地面，隔離表土層上部礫石層；

（2）二開：孔徑?311.1mm，鉆進至基巖下10m 左右，下入?244.5mm×8.94mm套管，采用單液水泥漿固井，水泥漿返高35m，隔離表土層下部礫石層；便于后期割套管作業；

（3）三開：孔徑?215.9mm，鉆進至目的層奧灰下10m 以內，下入?177.8mm×8.05mm 套管，采用單液水泥漿固井，水泥漿返高9#煤上50m，隔離煤系地層；

（4）四開：孔徑?152.4mm，裸孔段，沿目的層奧灰頂面下10～20m順層鉆進。

3.2 鉆孔軌跡

由于孔口位置第四系表土層厚約93.5m，地面孔口所在區域的目的層埋深淺，僅225m 左右，需要在表土層適當位置提前造斜；三開著陸點位置埋深232m 左右，需在有限的靶前距離和垂距內導斜呈近水平進入目標層。

以注2 孔為例，其施工兩個主孔，共計10 個分支孔；設計從表土層50m處開始造斜，造斜段最大狗腿度（全角變化率）達到13.26o/(30m)，通過230m 的造斜到達著陸點，完成主孔的施工，各水平分支孔從主孔沿不同方位延伸出去。其鉆孔設計參數如表1所示，鉆孔剖面如圖4所示。

圖4 鉆孔剖面示意圖

4 現場施工

4.1 鉆井施工中遇到的難點及對應的技術措施

鑒于治理區域表土層較薄且含有兩層礫石，地面孔口所在區域的目的層埋深淺、治理區域面廣等原因；致使多分支水平孔在施工中面臨諸多難點；以注2孔為例，各個難點及對應的技術解決措施如下所述。

4.1.1 造斜點選擇范圍小

對于淺層水平孔來說，造斜點淺，一般選為50～150m[5]。目的層埋深較淺，僅225m 左右；使得靶前位移和垂距受限，導致造斜點選取范圍較小。方案設計從50m 處開始造斜，但考慮到表土層為砂質粘土和礫石層，按照方案設計施工可能達不到造斜要求。通過COMPASS 軟件不斷優化井眼軌跡，造斜點選在24m處為最優選擇，提前進行造斜（即一開后便開始造斜作業）；在實際施工過程中，造斜段最大狗腿度由13.26o/(30m)降至12.42o/(30m)，有利于后期的施工。此措施突破了淺層水平孔造斜點選取范圍。

4.1.2 大狗腿度（全角變化率）鉆孔套管下入

在實際施工中，造斜段最大狗腿度達12.42o/(30m)，套管下入的難度大，在以往的施工中實屬罕見。為確保套管可以順利下入，采取了以下措施：①沖掃孔時，進一步提高鉆井液的巖粉攜帶性能和潤滑性能，減少孔內巖粉的沉積和減小套管下入期間的摩擦阻力；②對狗腿度大的孔段進行多次沖掃孔。套管下入結束后，開泵進行鉆井液循環，以防循環不暢，影響固井。

4.1.3 高水垂比產生托壓現象

由表1可知，各分支水垂比均突破煤炭系統水垂比不大于2的慣例，且水垂比最大達到2.59。對于這種高水垂比多分支水平孔，在水平段鉆進過程中，鉆桿柱緊貼孔壁下部，與井壁的接觸面積增大，使得在水平段的后期施工中，摩擦阻力及扭矩增大，造成鉆頭加壓困難，產生托壓現象，導致水平段延伸變得困難[6]。本文從以下幾個方面進行改善：

表1 鉆孔設計參數

（1）優化套管下入。設計三開下入?177.8mm×8.05mm套管，在實際施工過程中，三開套管下至295m（著陸點），采用下部下入?177.8mm×8.05mm 套管46.70m，?177.8mm 變?193.7mm 的變徑0.8m，上部下入?193.7mm×8.33mm 套管247.50m；井斜角為60o時對應的井深為247.50m；此措施便于后期使用鉆鋌或加重鉆桿進行加壓以減緩托壓現象。

（2）優化鉆具組合。四開水平段需在距奧灰頂面下10～20m 順層鉆進，由于地層傾角的緣故，井斜角在65.24o～88.55o之間變化。為了給鉆頭加壓，采用?152.4mmPDC 鉆頭+?120mm 單彎螺桿+?120mm定向短接+?120mm無磁鉆鋌（內含MWD+Gamma）+?89mm 鉆桿+?127mm 加重鉆桿+?127mm 鉆鋌+?89mm鉆桿的倒裝鉆具組合。為確保有效加壓，將鉆鋌和加重鉆桿放在井斜角為45o～60o的井段中。每鉆進不超過200m進行一次短起下鉆作業，每次短起下鉆的長度為200～500m。以物理方式清除井壁上的巖粉，減小摩擦阻力。

（3）優化鉆井液性能。區域治理鉆井與石油鉆井有所不同，四開水平段正常鉆進，必須采用無固相鉆井液，以防止漿液堵塞裂隙通道。目的層為灰巖地層，較為穩定，但是由于水平段較長，巖粉攜帶困難，鉆進時扭矩較大，所以要求鉆井液具有很好的巖粉攜帶性能和潤滑性能，又要防止阻塞裂隙影響后續注漿效果；配方如下：

0.3%～0.6%抗鹽共聚物（GTQ）+0.1%～0.2%包被劑+1%～2%無熒光潤滑劑（GULB）。其中抗鹽共聚物（GTQ）具有增粘、降濾失、抗污染等功能；包被劑通過物理作用包被泥頁巖，防止泥頁巖分散影響鉆井液性能；熒光潤滑劑（GULB）在水平段鉆進100m 以后加入。

在實際施工中采用的配方比例為：0.4%抗鹽共聚物（GTQ）+0.2%包被劑+1.5%無熒光潤滑劑（GULB）。

如遇到斷層，鉆遇鋁土質泥巖、砂質泥巖等水敏性較強的地層，為保證孔內安全，則需要將無固相鉆井液轉化為低固相鉆井液。

4.2 施工結果

葛泉礦區域治理鉆探過程中，利用上述技術措施，保證了鉆孔的順利施工，實現了在空間上實鉆軌跡與設計軌跡偏差控制在5m以內，如圖5所示，鉆孔不僅揭露了斷層的存在，同時結合其他鉆孔資料，還明確了XDF2斷層的產狀，為后續的區域治理奠定了基礎。

圖5 實鉆軌跡剖面

5 結論及認識

葛泉礦區域治理探查鉆孔存在諸多施工難點，包括因目的層埋深淺，造斜點選擇范圍小，導致造斜段狗腿度大；因水平段長，導致水垂比大，進而產生托壓現象。本文采用了四開井身結構，隔離表土礫石層；優化井眼軌跡，采用倒裝鉆具組合，優化套管的下入，優化鉆井液性能等一系列技術措施，能夠有效地傳遞鉆壓，降低摩擦阻力，保證了鉆孔施工順利進行。

葛泉礦區域治理淺層高水垂比多分支水平孔的順利施工，可以為其他煤礦淺層煤層的區域治理探查鉆孔施工提供借鑒和參考。