東龐煤礦DB2-E5井側鉆水平鉆進技術

李光宏

(河北省地礦局第九地質大隊，河北 邢臺 054000)

隨鉆測量技術和螺桿鉆具受控定向鉆探技術在地質鉆探，石油、頁巖氣鉆探等領域中應用較為廣泛，然而在煤礦注漿防水治水鉆探施工中應用不太普遍。在冀中能源股份有限公司東龐煤礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期工程鉆探工程DB2-E5井施工中，針對煤田鉆探多為復雜地層，孔壁穩(wěn)定性差，對鉆具組合、泥漿性能要求高的特點，我們采用無線隨鉆測量技術和螺桿鉆具組合，按照設計軌跡定向側鉆、水平鉆進達到了預期的要求。

1 工程概況

DB2-E5井是DB2井中第一個側鉆再水平鉆進的分支井。該分支井設計目的是充分利用主孔，通過在9號煤下奧灰?guī)r中施工分支井，盡可能的增大奧灰含水層里的注漿面積，達到更好的區(qū)域治理效果。

井田內絕大部分被第四系掩蓋，僅在井田西部邊緣有基巖出露。地層自上而下有第四系，三疊系中統(tǒng)二馬營組、下統(tǒng)和尚溝組、劉家溝組，二疊系上統(tǒng)石千峰組、上石盒子組，二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組，石炭系上統(tǒng)太原組，石炭系中統(tǒng)本溪組，奧陶系中統(tǒng)峰峰組、磁縣組、馬家溝組。

井田內斷裂、褶皺、陷落柱均有，以斷裂構造發(fā)育為主，且以張及張扭性斷裂為主，整個井田顯示了略具波狀起伏的復雜斷塊構造特征。

DB2-E5井孔施工區(qū)域受北F7′、北F8′，北F9、F17、北F13等斷層影響。

DB2-E5分支孔為裸孔段，裸孔孔徑152.4 mm，施工層位為奧灰頂界面以下40 m，單孔設計工程量1132.98 m，順地層傾向施工，全段造斜率為0～11.87°/30 m。為此制定了無線隨鉆測量定向鉆進技術方案。

2 控制點坐標設計

E5孔側鉆點坐標為：X=4123535.2700，Y=38538474.9700，Z=-406.97。

E5孔著陸點坐標為：X=4123588.0000，Y=38538575.0000，Z=-471.58。

控制點E5-1坐標為：X=4123870.0632，Y=38538806.4931，Z=-495.92。

控制點E5-2坐標為：X=4124013.7598，Y=38539076.7470，Z=-525.40。

靶點E5-3坐標為：X=4124224.0227，Y=38539472.1940，Z=-569.85。

3 鉆探施工技術方案

3.1 主要鉆探設備

TSJ3000型鉆機，F(xiàn)-1300型泥漿泵，5LZ120型螺桿鉆具(2套)，SDYQ-48型無線隨鉆測斜儀器(2套)，ZGWS-2200/3P型振動篩(2臺套)，ZCS250×2型除砂器，ZCN120×10型除泥器。

3.2 鉆井工藝及主要鉆具

E5分支井采用螺桿鉆具復合定向鉆進施工。鉆具組合為?152.4 mm鉆頭+?121 mm單彎螺桿+MWD短節(jié)+?121 mm無磁鉆鋌+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿。

3.3 鉆井結構設計

DB2主井設計一開采用?445 mm鉆頭開孔進入基巖層段10 m，下入?339.7 mm×9.65 mm石油套管，用水泥做永久性固管；二開采用?311 mm鉆頭開孔施工至2號煤采空區(qū)下20 m，下入?244.5 mm×8.89 mm石油套管，用水泥做永久性固管；三開進入造斜段，采用?215.9 mm鉆頭依據DB2孔造斜段軌跡控制點設計施工至奧灰?guī)r頂界面以下2 m，下入?177.8 mm×8.05 mm石油套管，用水泥做永久性固管；四開采用?152.4 mm鉆頭，進入奧灰?guī)r頂面下著陸點后依據E5分支井側鉆控制點裸孔鉆進。

3.4 E5分支井設計軌跡(見圖1、圖2)

圖1 DB2-E5分支孔水平剖面示意圖

圖2 DB2-E5分支孔垂直剖面示意圖

4 無線隨鉆測量定向鉆進施工工藝及技術保證措施

4.1 螺桿鉆具規(guī)格及性能參數

螺桿鉆具規(guī)格：5LZ120型螺桿鉆具，彎殼體角度有1.25°和1.5°兩種。

螺桿鉆具性能參數：排量694～1388 L/min，轉速140～278 r/min，工作壓力降3.2 MPa，輸出扭矩2160 N·m，最大壓力降4.52 MPa，最大扭矩2869 N·m，工作壓力49 kN，最大鉆壓100 kN，輸出功率71 kW。

4.2 無線隨鉆測量

SDYQ-48型無線隨鉆測斜儀是一種正脈沖、下置坐鍵、小直徑、可打撈的鉆井定向儀器。儀器由地面設備和井下測量儀器兩部分組成。

地面設備包括：壓力傳感器、司鉆顯示器、地面主機、信號分離器、便攜式計算機及相關連接電纜。

井下測量儀器主要包括：定向探管、脈沖發(fā)生器、定向坐鍵短節(jié)、井下電池模塊、扶正器。

其主要技術指標如下。

井斜角：測量范圍0°～180°；測量精度±0.15°；傳輸分辨率0.088°。

方位角：測量范圍0°～360°；測量精度±0.15°；傳輸分辨率0.088°。

磁性工具面(MTF)：測量范圍0°～360°；測量精度±1.0°；傳輸分辨率2.8°。

高邊工具面(HTF)：測量范圍0°～360°；測量精度±1.0°；傳輸分辨率2.8°。

磁性工具面(MTF)/高邊工具面(HTF)轉換角度：5°。

工具面刷新時間：14 s。

適應的最大井眼曲率：(12°～28°)/30 m。

長測量：停泵→等待2 min→開泵→數據傳輸；數據傳輸時間為168 s。

脈沖方式：正脈沖。

電池壽命：150～200 h。

測點位置：距脈沖發(fā)生器上端5.70或3.50 m處。

4.3 施工工藝

E5分支井采用?152.4 mm鉆頭+?121 mm單彎螺桿+MWD短節(jié)+?121 mm無磁鉆鋌+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿組合以復合鉆進為主，根據復合增斜情況及時反扣井斜，保證軌跡在靶盒內平穩(wěn)運行。

鉆井參數：鉆壓20～180 kN，排量12～14 L/s,泵壓16～23 MPa。

沖洗液配比：0.1%～0.2%包被劑+0.5%～1%防塌減阻劑+1%～2%潤滑劑+0.2%～0.4%增粘劑；沖洗液性能指標：漏斗粘度18～40 s，密度1.01～1.10 g/cm3，pH值7～9。

4.4 施工難點

(1)水平段段長達1264 m，摩阻大，提下鉆具困難，巖粉攜帶困難，易造成卡鉆、埋鉆事故。

(2)由于注漿封水，需要反復掃孔，控制點位置要求苛刻，鉆孔軌跡控制難度大。

(3)鉆井液性能選擇范圍小，容易出現(xiàn)井塌。

(4)斷層位置穿過施工難度大。

(5)本分支井地層構造復雜，存在多個斷層，在鉆進過程中頻繁提下鉆易擾動井壁，使井壁失穩(wěn)坍塌。

4.5 側鉆施工技術保證措施

(1)水泥固井需采用高標號水泥，固井水泥漿密度最低為1.85 g/cm3，候凝時間在48 h以上。確保水泥封固井段側鉆點上50 m至側鉆點下70 m為有效封固。

(2)候凝時間充分后，下鉆探水泥塞面。開泵掃除頂部混漿后，停泵，探塞面。做承壓實驗，水泥塞能夠承受實際鉆壓80～100 kN(除去摩阻)無實際進尺時，說明水泥硬度達到側鉆需求。

(3)側鉆時，擺好工具面后，上下活動鉆具拉槽1 h；第一米控時4 h，后面的每米控時3 h，直到側鉆出去后，方可加壓正常鉆進。

(4)接單根時，不能轉動鉆盤。單根放到底部后，方可開泵。防止提前開泵破壞上部側壁的支撐水泥，加大側鉆施工難度，造成側鉆失敗。

(5)實鉆軌跡盡量圓滑，控制好“狗腿”度,保證井下安全,為后期工作打好基礎。

(6)側鉆過程中要求操作人員必須是正司鉆，要按要求按時、控時操作，送鉆均勻，在側鉆中非正常情況下嚴禁上提鉆具，或擅自轉動轉盤，以免造成臺階沖突，致使側鉆難度增大。如果急需上提鉆具，要求做好標記后才能上提。

4.6 水平鉆進施工技術保證措施

(1)配動力鉆具和MWD儀器和伽馬時，定向井工程師必須檢查各工具上扣力矩，要求達到推薦力矩方可入井。

(2)每次起下鉆,必須要仔細檢查鉆具，如有問題要立即更換，不能再次下井，鉆進中如發(fā)生扭矩、懸重、泵壓等鉆井參數異常變化時，要立即起鉆檢查，確認正常后方可繼續(xù)鉆進。

(3)由于使用MWD儀器和伽馬，泥漿泵的上水一定要平穩(wěn)，排量要滿足馬達要求，空氣包壓力一定要達到循環(huán)壓力的三分之一，確保儀器工作正常。

(4)固控設備正常運轉，鉆井液性能符合設計要求。泥漿處理達到四級凈化。

(5)鉆具入井前必須探傷檢查，合格后方可入井。

(6)鉆井液潤滑凈化要有保證，泥漿應該根據施工需要混油及時加入潤滑劑，保證全井滑動鉆井的需要。

(7)施工期間要求專人扶鉆，本著少放、勤放的原則，保證工具面的連續(xù)穩(wěn)定，確保造斜率的正常發(fā)揮。同時,保證井下作業(yè)安全。

(8)MWD測斜期間做好防卡工作，縮短鉆具靜止時間,二次測量時,要活動鉆具，確保井下安全。具體按照儀器測量工程師安排操作。

(9)井隊如需改變鉆進參數，如排量、柴油機轉速等必須得到定向井人員的確認。

(10)此井為小井眼深井，各項技術難度要求較高，所以施工期間要密切注意與井隊及其它協(xié)作方的技術溝通和交流，創(chuàng)造良好的施工氛圍。

5 施工情況及效果

5.1 施工過程

DB2-E5分支于2018年3月14日開始，采用?152.4 mm PDC鉆頭+1.5°×?121 mm螺桿鉆具，自孔深545.85 m開始側鉆施工，鉆進過程中采用MWD(伽瑪)無線隨鉆測斜儀檢測井斜、方位角變化情況，確保靶點符合設計要求。2018年3月26日鉆進至1493.35 m漏失，頂漏鉆進至1506.34 m，進行注漿，掃水泥結束后，于2018年4月8日繼續(xù)采用1.5°螺桿鉆具鉆進，2018年4月8日鉆進至1519.01 m漏失，頂漏鉆進至1528.59 m，實施注漿，掃水泥結束后，于2018年4月18日改用1.25°螺桿鉆進，于2018年4月18日鉆進至1608.70 m發(fā)生漏失，頂漏鉆進至1634.05 m，實施注漿，掃水泥結束后，于2018年4月27日鉆進至1643.65 m發(fā)生漏失，頂漏鉆進至1662.81 m，實施注漿，掃水泥結束后，于5月4日鉆進至本分支孔E5-3控制點，孔深1810.60 m，終孔，完成定向鉆進工作量1264.75 m。當日提鉆抽水，至水清沙凈后，注漿封孔，候凝72 h至5月10日，至此，DB2-E5分支竣工。

5.2 DB2-E5分支井設計與實鉆關鍵控制點對比

由于該分支井地層構造復雜，存在多個斷層，注漿治理奧灰含水層過程，需要反復注漿掃孔，分支井鉆井軌跡控制點要求特別苛刻。

E5分支井實鉆控制點與設計控制點對比見表1、圖3。

表1 DB2-E5分支井設計與實鉆關鍵控制點對比

圖3 DB2-E5分支井設計與實鉆關鍵控制點對比

6 結論和建議

(1)本分支井為注漿井，每次注漿結束后需要馬上組織掃孔，但由于分支井設計水垂比過大，后期摩阻大、托壓嚴重，加桿困難，清水掃塞卡鉆埋鉆風險增加，鉆進、掃水泥過程中的井眼軌跡控制是需解決的主要問題。建議優(yōu)化注漿設計、優(yōu)化掃塞工藝、加大泥漿性能管控。

(2)由于該治理區(qū)域為首次治理，頻繁變更施工要求，導致在施工過程中較合同和技術要求額外增加了不少工作量。

(3)E5分支井的成功施工有效地控制了成本，也為其他分支孔在施工中如何保證泥漿脈沖信號的穩(wěn)定傳輸，如何解決鉆井過程中鉆具所受的摩阻大、扭矩大問題提供了經驗，增強了防治效果，在煤礦注漿防水治水工作中具有重要意義。