分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的研發(fā)與應用

聶新明

(中化地質礦山總局河北地質勘查院，河北 石家莊 050031)

1 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的研發(fā)背景

隨著無線隨鉆測量(MWD)技術的發(fā)展，隨鉆定向鉆進技術[1-2]逐漸成熟，地面定向多分支鉆孔注漿工藝在煤田奧灰水害地面區(qū)域治理方面[3-4]開始廣泛應用，地面定向水平分支注漿鉆孔即先在地面施工一個垂直鉆孔(主孔)達到一定的設計深度，然后應用無線隨鉆測量(MWD)技術進行造斜進入奧灰頂部設計的目的層后，根據(jù)具體帶壓開采條件及含水層富水性選擇奧灰頂部(一般奧灰頂面下不大于50 m)或大清灰?guī)r含水層，變?yōu)槎鄠€水平或似水平分支孔鉆進，沿鉆孔軌跡最大限度揭露奧陶系灰?guī)r裂隙及區(qū)內構造帶，通過高壓注漿對鉆孔揭露的裂隙、斷層、陷落柱等導水構造進行封堵，切斷突水通道，保證深部開采工作面的安全。

2017年7月我院與兄弟單位合作共同承攬了“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期鉆探工程”施工任務，根據(jù)《冀中能源集團有限責任公司水害地面區(qū)域治理管理規(guī)定》，地面定向多分支注漿鉆孔在鉆進過程中，長距離出現(xiàn)孔內泥漿不消耗時或泥漿消耗量<5 m3/h時，每隔50～80 m應進行孔口高壓壓水試驗，根據(jù)試驗結果，確定注漿參數(shù)[5-6]。由小泵量開始壓水，若無壓力，需要保證壓水量大于孔內容積2倍才能停止壓水，由30 m3/h泵量開始注漿；若壓水過程中有壓力，壓力上升快，最小泵量壓水時壓力仍大于受注含水層最大靜水壓力的2倍，說明該孔段吸漿量很小，則不需要注漿，可以繼續(xù)鉆進，進行下一孔段施工。

正在施工的注漿孔，做孔口壓水試驗[7-10]，使用傳統(tǒng)的孔口裝置，需要把孔內鉆具全部提出孔外，地面定向水平多分支注漿鉆孔一般情況下設計孔深大，大多在1500～2000 m，提、下鉆需要耗費大量時間，為了減少提、下鉆次數(shù)，縮短施工工期，減輕工人的勞動強度，我們研發(fā)出一套分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置，使用此裝置做孔口壓水試驗，根據(jù)試驗的結果作出判斷，有壓力繼續(xù)鉆進，無壓力提鉆注漿。大幅度加快了施工進度。

2 工程施工對鉆孔壓水試驗孔口裝置的要求

2.1 工程施工對鉆孔壓水試驗孔口裝置的基本要求

(1)能夠密封鉆孔，使整個鉆孔形成一個密閉的容腔。

(2)必須有向孔內壓水或注漿的通道。

(3)能夠采集到反映出鉆孔內漏失情況的壓水試驗數(shù)據(jù)。

2.2 工程施工對不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的要求

(1)能夠滿足工程施工對鉆孔壓水試驗孔口裝置的3項基本要求。

(2)要求能夠實現(xiàn)內外雙重連接與密封。外能夠與孔內套管相連并密封；內能夠與孔內鉆具相連接并密封。

(3)具有足夠的強度，承載起孔內所有鉆具的重力。

(4)連接、拆裝方便，性能可靠。

3 傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗孔口裝置的結構及工作原理

該裝置主體是用與孔內型號相同的套管加工而成，下端加工成套管公扣與孔內套管相連接，上端焊接盲板，實現(xiàn)對鉆孔的密封；盲板上開孔裝壓力表，采集壓水試驗孔內數(shù)據(jù)；主體旁邊開側孔焊接壓水(注漿)管接頭，用以連接壓水或注漿泵。結構如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗孔口裝置結構

4 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的結構[11-12]

分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置，設計為上下兩部分，用法蘭連接成一個整體，如圖2所示。

圖2 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置結構圖

分體的目的一是為了拆裝方便，二是為克服孔內套管與孔內鉆具不同心時的絲扣連接問題。

此裝置可分解為上接頭和下接頭兩部分。上接頭上有鉆桿母接頭可與主動鉆桿相連，下有鉆桿公接頭可與孔內鉆桿相連；下接頭下有套管公扣與孔內套管相連，下接頭側面裝有壓力表和注水管接頭，壓力表用以采集壓水試驗數(shù)據(jù)，注水管接頭實際應用時安裝有注水閥門,連接壓水或注漿設備；上下接頭用法蘭連接，法蘭要選用加重法蘭，螺絲用高強度螺絲，要求能夠承受16 MPa以上的抗拉強度，上下法蘭加工有子母口，母口內置O形密封圈，用來壓水密封。

5 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的現(xiàn)場安裝及使用方法

壓水試驗前，將鉆具提離孔底，卸開主動鉆桿，把裝置下接頭和O形密封膠圈一同套過孔內鉆桿，與孔內套管連接，連接時絲扣處纏繞生料帶以確保密封；裝置上接頭下端與孔內鉆桿連接，上端與主動鉆桿連接緊密后，轉動鉆具與下接頭法蘭對接，用螺絲緊固，完成安裝作業(yè)。

鉆桿外壓水作業(yè)時，壓水管與注水管閥門連接，主動鉆桿上的高壓膠管管匯閥門關閉，保證孔內密封，實施壓水試驗，通過壓力表獲取孔內資料數(shù)據(jù)。

此裝置也可進行鉆桿內壓水試驗，管路連接方式相同，關閉注水管閥門，保證孔內密封，打開與主動鉆桿連接的高壓膠管管匯閥門，用生產(chǎn)泵實施壓水作業(yè)，通過壓力表獲取孔內資料數(shù)據(jù)。

6 兩種鉆孔壓水試驗孔口裝置在工程中的應用

6.1 工程實例概況

“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期鉆探工程”項目是一項通過多分支水平井注漿方式，降低井下采掘期間水害威脅風險的工程[13-14]。本工程共設計DB1、DB2兩個地面主孔，31個水平或似水平分支孔。其中，DB1孔由1個直井段，1個造斜段，16個分支孔(W1、W2…W16)構成；DB2孔由1個直井段，1個造斜段，15個分支孔(E1、E2…E15)構成。設計鉆探工作量2.3萬m。工程施工設計井身軌跡平面投影示意圖如圖3所示。

圖3工程施工設計井身軌跡平面投影

Fig.3Planeprojectionofdesignboreholetrajectory

6.2 鉆孔結構

本工程2個主孔鉆孔結構相同，均為四級結構：設計一開采用?444.5 mm鉆頭開孔進入基巖層段10 m，下入?339.7 mm×9.65 mm石油地質套管，用水泥做永久性固管；二開采用?311.1 mm鉆頭開孔施工至2號煤采空區(qū)底板下20 m，下入?244.5 mm×8.89 mm石油地質套管，用水泥做永久性固管；三開進入造斜段，采用?215.9 mm鉆頭施工至奧灰頂界面以下2 m，下入?177.8 mm×9.19 mm石油地質套管，用水泥做永久性固管；四開采用?152.4 mm鉆頭裸孔鉆進，進入奧陶系灰?guī)r頂界面下25 m，進行水平或似水平分支孔鉆進(見圖4)。鉆進過程中若遇到斷層、陷落柱等地質構造導致井眼漏失時，起鉆注漿封堵漏失層段[15]。

圖4 DB1(DB2)孔鉆孔結構

待注漿完成后下鉆掃水泥，繼續(xù)鉆進直至終孔。每級入井套管均為“通天”套管。

6.3 主要施工設備及器具

根據(jù)設計情況，選擇適合的施工設備，主要有:TSJ3000/445型鉆機、A31-135型井架、3NB500型泥漿泵、2PNL30-80型振動篩臺、多種功率的電動機、發(fā)電機組、PMWD-C1型無線隨鉆測斜儀以及其他輔助設備器具。

6.4 兩種孔口壓水試驗裝置應用效果對比

目前該項目正在施工中，兩地面主孔和DB2-E3、DB2-E5、DB2-E4三個水平定向分支孔已經(jīng)施工結束。DB2-E3和DB2-E5兩分支孔每鉆進80 m段，通過提鉆，下潛水泵抽水洗井，使用傳統(tǒng)孔口裝置進行孔口壓水試驗(見圖5)，完成鉆孔施工；DB2-E4分支孔每鉆進80 m段，在不提鉆情況下，通過施工用的泥漿泵進行注水洗井，使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置進行孔口壓水試驗(見圖6)，完成鉆孔施工。現(xiàn)在對孔徑、孔斜、孔深、穿過的地層最相似，地理位置最接近,最有可比性的DB2-E5和DB2-E4兩分個支孔(見圖7)進行對比。為了便于比較，DB2-E5和DB2-E4兩個分支孔都從同一孔深(DB2-E4側鉆點，孔深820 m處)進行統(tǒng)計，試驗結果見表1，表2。

對表1、表2進行分析：DB2-E5統(tǒng)計孔段長為990.6 m，DB2-E4統(tǒng)計孔段長為970.25 m。根據(jù)鉆孔鉆進過程中，長距離出現(xiàn)孔內泥漿不消耗(正常消耗)或泥漿消耗量<5m3/h時，每隔50～80 m應進行孔口高壓壓水試驗的要求，DB2-E5采用傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗孔口裝置進行壓水，共計進行壓水試驗12次，平均每次耗時14.39 h；DB2-E4使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置進行壓水，

圖5 傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗孔口裝置工作現(xiàn)場

圖6 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置工作現(xiàn)場

孔深/m沖洗液消耗/(m3·h-1)提鉆用時/h裝孔口裝置用時/h壓水用時/h拆孔口裝置用時/h下鉆用時/h壓水結論下步工作安排900.00正常4.01113.0不需注漿繼續(xù)鉆進980.36正常4.21113.2不需注漿繼續(xù)鉆進1059.36正常4.51113.5不需注漿繼續(xù)鉆進1137.96正常5.01113.8不需注漿繼續(xù)鉆進1217.96正常5.21114.0不需注漿繼續(xù)鉆進1297.16正常5.51114.5不需注漿繼續(xù)鉆進1376.06正常6.01115.0不需注漿繼續(xù)鉆進1456.09正常6.21115.5不需注漿繼續(xù)鉆進1493.35正常6.31116.0不需注漿提鉆注漿1528.5935.96.56.5需要注漿提鉆注漿1608.70正常6.81117.0不需注漿繼續(xù)鉆進1634.0546.16.88.0需要注漿提鉆注漿1662.8128.57.08.2需要注漿提鉆注漿1742.35正常7.21118.5不需注漿繼續(xù)鉆進1810.60正常7.5111不需注漿終孔 每次壓水試驗平均耗時/h 14.39

表2 DB2-E4分支孔不提鉆壓水試驗統(tǒng)計

共計進行壓水試驗10次，平均每次耗時3 h。試驗結果表明，使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置比使用傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗孔口裝置進行孔口壓水試驗平均一次可節(jié)省提、下鉆時間11.39 h，DB2-E4分支孔共計節(jié)省提、下鉆時間113.9 h。

分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置在“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期鉆探工程”項目后續(xù)28個水平分支孔的應用，平均每孔使用10次，大約可節(jié)省提、下鉆時間3190 h，可以大幅度縮短施工工期，獲得巨大的經(jīng)濟效益。

7 結論

(1)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置具有結構簡單、裝卸方便等特點，目前正在申請專利。

(2)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置研發(fā)成功后，在“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期鉆探工程”項目中首次應用，使用效果十分理想，受到建設方高度評價。

(3)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置，適用于有套管固井的各種口徑鉆孔孔口壓水試驗。

(4)使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置，在不提鉆的情況下完成孔口壓水試驗作業(yè)，可大幅度縮短施工工期，減輕了工人的勞動強度，可減少安全事故的發(fā)生，對鉆探工程施工具有重大經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。