多分支水平定向孔在斷層探查治理中的應用

邱萬蕊

（中國煤炭地質總局 第一水文地質隊，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

水平定向技術最早應用在石油開發鉆井中，隨著地質導向鉆井技術、旋轉導向鉆井技術、無線隨鉆測量技術的不斷發展，在煤礦頂底板注漿治理得到快速應用與發展。水平定向鉆井一般是先在地面施工垂直段到設計深度，然后造斜進入設計目的層位，為保障順層鉆進，著陸點井斜與地層傾角基本保持一致。通過多分支孔水平定向孔對斷層進行探查治理。根據鉆探施工過程中γ 錄井、巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液消耗量情況等技術手段，準確判定斷層的位置，采用壓水試驗、抽水試驗等技術手段，進一步查明斷層帶水文地質條件，從而判斷斷層的發育規律、規模及含導水性特征，并通過高壓注漿技術對斷層帶及兩側圍巖進行注漿加固，使治理區內斷層帶與煤系各含水層的導水通道得到封堵治理。該技術的應用和推廣，拓寬了水平定向井施工技術的發展，完善了煤礦防治水技術手段[1]。

板集煤礦F104-1 正斷層位于首采面110801和接續面110504 之間，傾角55°～75°，落差0～120 m，延展長度3 800 m，斷層帶寬度0～10.3 m，向下切割至底板奧灰，向上發育至松散層第四含水層底界，該礦區第四含水層底界基本無隔水層。而8 煤110801 和110804 工作面及后期5 煤回采可能存在該斷層受采動影響導通第四含水層和底板灰巖向工作面充水的風險[2]。利用多分支水平定向技術超前對該斷層進行探查治理，保障工作面安全生產。

1 研究區概況

板集井田東自F12 斷層，南、西、北均至1 煤層隱伏露頭。該礦井為單一水平（-735 m 水平）上下山開拓，且以F104 斷層為界劃分為東部塊段和西部塊段。其中東部塊段又以-735 m 主石門為界，-735 m 主石門以北為東一開采塊段、以南為東二開采塊段。每個塊段分中上組煤和下組煤2 個采區開采，全井田共劃分6 個采區。首采區首采工作面為東一采區110801 工作面，根據現有資料，該區暫未發現陷落柱，無封閉不良鉆孔，F104-1斷層及斷層破碎帶受采動影響導通第四含水層和底板灰巖含水層向工作面充水的風險較大，需要超前進行治理。

2 水平定向孔施工技術及注漿治理

水平定向孔施工技術是利用定向螺桿、無線隨鉆測斜儀（MWD）等技術按照設計軌跡或者地層傾角進行定向鉆進施工，并能鉆進一定水平長度孔段的定向鉆井技術。現場技術人員根據伽瑪錄井、巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液消耗等技術手段，準確及時判斷地層變化，定向技術人員根據判層結果及時調整鉆孔軌跡，控制鉆孔軌跡在目的層中鉆進，最大程度提高對目的層的探查治理效果[3]。

為了解決受8 煤110801 和110804 工作面及后期5 煤回采影響，造成F104-1 斷層導通第四含水層和底板灰巖含水層形成導水通道問題，利用多分支水平定向技術對F104-1 斷層分進行注漿治理，在治理范圍內布置2 個定向主孔，6 個分支孔，分上下兩層對F104-1 斷層進行探查治理，設計工程量5 267 m[4]。

2.1 層位選擇

上分層鉆孔D1 孔組治理層位：斷層下盤為8煤層導水裂隙帶上方9 煤頂板第二層砂巖底，終孔位置進入斷層帶。

下分層鉆孔D2 孔組治理層位：斷層下盤為太原組10 灰，鉆孔軌跡穿過斷層進入上盤太原組4灰附近（圖1）。

圖1 F104-1 斷層探查治理剖面示意Fig.1 Exploration and control profile of No.F104-1 fault

2.2 鉆孔布孔

主孔水平定向段及分支孔與F104-1 斷層發育方向斜交布置，具體如下。

上分層鉆孔D1 孔組主孔水平段軌跡距F104-1斷層面30 m（下盤），終孔位置進入F104-1 斷層帶，分支孔自側鉆點近水平鉆至F104-1 斷層帶；下分層鉆孔D2 孔組主孔軌跡距F104-1 斷層面50 m（下盤），終孔位置進入F104-1 斷層上盤不少于30 m，分支孔自側鉆點近水平進入F104-1 斷層上盤不少于30 m（圖2）。

圖2 工程布置示意Fig.2 Engineering layout

2.3 鉆孔結構

（1）直孔段：孔徑311 mm，下入不低于φ244.5mm×8.94 mmJ55 無縫鋼管，下至穩定基巖，封閉第四系地層。

（2）造斜段：孔徑216 mm，下入不低于φ177.8mm×8.05 mm J55 無縫鋼管，封閉目的層以上地層。

（3）分支段：孔徑152 mm，裸孔。

2.4 鉆孔軌跡

（1）孔眼全角變化率應盡可能小，使孔眼平滑，避免狗腿度太大形成鍵槽。鉆孔及分支水平孔全角變化率控制在8°/30 m 左右，不宜大于11°/30 m。

（2）鉆孔實際軌跡與設計軌跡平面誤差應小于5 m，關鍵點誤差小于2 m[5]。

2.5 施工順序

多分支水平定向孔施工時，鉆孔順序采取由遠及近原則依次施工。

2.6 鉆孔施工流程

（1）直井段。鉆至預定層位后下入一開套管。采用P.O42.5 水泥固井，水泥漿返出孔口，水泥候凝48 h 進行打壓試驗，檢查合格后進入下一步工序。

（2）造斜段段。采用鉆頭加螺桿鉆具配合MWD 無線隨鉆測斜系統定向鉆井，鉆進至預定層位后，下入二開套管，采用P.O42.5 水泥固井。水泥漿返出孔口，水泥候凝72 h 進行打壓試驗，試驗合格后進入下一步工序。

（3）主孔水平定向段及各分支孔。孔徑均為152.4 mm，采用鉆頭加螺桿鉆具配合MWD 無線隨鉆測斜系統定向鉆井直至終孔位置。

（4）注漿前進行洗孔，目的是將孔壁上的泥皮通過循環泥漿脫落，達到沖洗孔內裂隙的目的。

（5）注漿前壓水試驗，主要目的是疏通注漿管路及孔內巖石裂隙，測定單位受注層透水率。

（6）注漿，根據壓水試驗結果，確定漿液的初始配比、密度等。在注漿過程中及時根據實際情況及時調整漿液配比。

2.7 注漿治理

注漿治理伴隨著水平定向孔施工的全過程，上分層治理鉆孔孔口注漿壓力不低于6.5 MPa，下分層治理鉆孔孔口注漿壓力不低于12.5 MPa[6]，注漿材料為不低于32.5 號水泥漿液。鉆探施工過程中一旦鉆井液漏失量大于3 m3/h 立即進行注漿作業，若漏失量小于3 m3/h，只進行一次終孔注漿。終孔注漿前進行壓水試驗，根據壓水試驗數據確定注漿參數[7]。終止注漿標準以孔口壓力達到設計壓力，且穩定30 min 吸漿量小于30 L/min，達到斷層治理的目的。

3 施工難點

（1）第四系地層結構松散，主要巖性為中粗砂、粉細砂為主，夾雜粘土、砂巖粘土，屬河流相及河漫灘相沉積。D1 主孔自第四系第三隔水層400 m 開始造斜，需井斜85°左右進入9 煤頂板砂巖。因第四系地層松散，造斜曲率不易過大，故采用比重1.04～1.01 g/cm3鉆井液保護孔壁，防止孔壁坍塌；采取低檔、低泥漿泵排量、輕壓、造斜曲率選取3°～6°/30 m[8]，采取多手段保障造斜段按設計井斜進入目的層。

（2）地層結構復雜易造成孔內事故。此次探查治理對象為可能“活化”的斷層破碎帶，各分支孔均需要揭露該斷層，鉆進過程中巖石破碎、鉆井液異常漏失、高水壓等因素將加大水平定向孔施工難度，極易造成卡鉆、埋鉆和定向儀器損壞等事故[9]。

（3）地層起伏較大，跟層鉆進困難，需要現場地質員及時根據巖屑和隨鉆伽瑪進行判層，定向人員根據鑒定結果及時利用MWD 無線隨鉆測斜儀和螺桿定向鉆具進行鉆孔軌跡調整，保證鉆孔軌跡在目的層中鉆進。

（4）斷層空間位置的不可確定性，F104-1 斷層空間位置出現擺動，D1、D2 主孔水平定向段預計斷層位置未見該斷層，初步分析為F104-1 斷層向西北偏移[10]。

4 結 論

（1）多分支水平段鉆孔在煤礦斷層地面治理工程中取得了顯著的效果，實現了1 個孔組分序次分段加固治理斷層的目的。

（2）多分支水平段鉆孔為煤礦工作面回采過斷層帶提供了一種有效的地面預治理技術手段。

（3）引用石油鉆井技術解決了煤田地面鉆探工程項目當中存在的難題，定向水平孔鉆孔軌跡精度需要深入研究，提高軌跡精度是提高治理效果的一項重要研究課題。