地面多分支水平井與煤礦井下鉆孔連通技術探討

靳光均

摘 要：地面多分支鉆井與井下鉆孔對接施工時，首先在煤礦井下向上揚適當角度鉆進一個鉆孔，然后在地面進行多分支水平井施工，先鉆進分支，然后鉆進主支，并通過連通儀器實現(xiàn)地面多分支水平井主支與井下鉆孔對接，洗井后，下入篩管形成永久性的氣體通道，實現(xiàn)煤層瓦斯預抽采。本文通過ZX煤礦ZX-1井井下對接實例，介紹了煤層瓦斯抽采井下對接設計及對接專用設備，分析了煤層瓦斯抽采井下對接關鍵技術及問題，提出解決方案，為煤礦瓦斯抽采多分支水平井井下對接技術提供寶貴經(jīng)驗。

關鍵詞：瓦斯預抽采;多分支水平井;井下鉆孔;井下對接

中圖分類號：TD842 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0079-04

Abstract： When surface multi-branch drilling is connected with underground drilling， a drilling hole is first drilled at an appropriate upward angle in the underground coal mine， and then a multi-branch horizontal well is constructed on the ground. First， branches are drilled， then main branches are drilled， and through connecting instruments， the main branches of surface multi-branch horizontal wells are connected with underground drilling holes， and after washing wells， the main branches of underground multi-branch horizontal wells are drilled. The permanent gas passage is formed by entering the sieve tube to realize the pre-extraction of coal seam gas. Through the example of ZX-1 underground docking in the ZX coal mine， this paper introduced the design and special equipment of underground docking in coal seam gas extraction， analyzed the key technologies and problems of underground docking in coal seam gas extraction， and put forward solutions to provide valuable experience for underground butt-joint technology of multi-branch horizontal wells in coal mine gas extraction.

Keywords： gas pre-drainage;multi-branch horizontal wells;downhole drilling;downhole docking

隨著我國煤炭行業(yè)的進一步發(fā)展，淺層煤炭資源日益減少，煤炭開采正逐步向深部發(fā)展，瓦斯治理方法也不斷改變。目前，煤層瓦斯預抽方式基本分為井下抽采和地面鉆井抽采兩大類[1]。其中，井下抽采主要包含井下鉆孔抽采和巷道抽采等;地面鉆井抽采多采用多分支水平井技術，通過定向鉆井技術在入煤點進入煤層后，井眼以煤層走向為基準延伸或者穿層而過，通過主支和分支大幅度增加瓦斯解吸面積，將地面多分支水平井通過井下鉆孔接入煤礦瓦斯抽采管路，利用地面泵站的負壓抽采目的煤層及相鄰煤層中的瓦斯，從而達到高效治理的目的[2，3]。地面多分支水平井瓦斯預抽采技術具有覆蓋面積大，采出瓦斯體積分數(shù)高和地面施工效率高的優(yōu)點[4]，現(xiàn)已被廣泛應用于各個地區(qū)煤礦瓦斯治理中。本項目充分利用地面多分支井控制面積大和井下便于集中抽采的優(yōu)勢，促進煤礦瓦斯治理及開發(fā)利用。

1 地面多分支水平井與井下鉆孔對接原理

地面多分支鉆井與井下鉆孔對接施工時，首先在煤礦巷道側邊開拓出井下鉆孔施工場地，從該場地向上揚適當角度，施工一個小口徑的井下對接鉆孔，對接鉆孔孔口使用鋼制套管固孔，井口連接漿液分離器等裝置，用于地面多分支水平井與井下鉆孔對接。在地面進行多分支水平井施工，通過定向設備及對接設備實現(xiàn)大角度、長距離對接，對接完成后通過井下對接鉆孔的井口裝置，與煤礦井下瓦斯抽采管網(wǎng)連接，利用煤礦瓦斯抽采泵實現(xiàn)瓦斯抽采[5-7]。

2 鉆井施工技術難點及對策

2.1 防塌、防漏難點及對策

該地區(qū)為構造煤，煤儲層地質條件較差，膠結多疏松，因而在水平鉆井過程中易發(fā)生井壁坍塌、井漏等情況。為了防止井壁坍塌和井漏，在進行大位移多分支水平井鉆井過程中，要嚴格控制泥漿鉆井液性能[8-10]。在滿足施工要求的基礎上，一開、二開可使用清水鉆進，依靠地層自然造漿形成坂土漿鉆井液。三開采用無固相鉆井液，并嚴格控制比重、含沙量等，既要防塌又要防漏，并準備發(fā)泡劑、隨鉆堵漏劑等泥漿材料，在考慮三開可能會遇到井內泥漿消耗較大情況下再準備高效隨鉆堵漏劑。在施工過程中，在條件允許的情況下，再加入發(fā)泡劑降低泥漿比重，減少地層漏失，防止污染儲層。

2.2 對接技術難點及對策

第一，對設備防爆安全級別要求高。連通儀器設備需要下入煤礦巷道進行數(shù)據(jù)采集，下入礦井的設備必須要達到煤礦防爆安全等級。目前，國內還沒有成熟的配套設備。為了項目的順利實施，對連通儀器設備、通信設備進行防爆處理，使其達到煤礦安全標準。

第二，連通施工難度大。目前，連通點的靶點坐標多是根據(jù)礦井里邊的鉆孔井底坐標和鉆井傾角、井深計算而來的，對接點的坐標誤差較大，導致連通難度增大。因此，在加強礦井對接以前，需要反復確認靶點坐標數(shù)據(jù)的準確性。對接過程中，若靶點坐標的測算出現(xiàn)誤差，會造成連通儀器接收到的有效數(shù)據(jù)與定向數(shù)據(jù)存在偏差，應以連通儀器顯示數(shù)據(jù)為準，并反算出真實靶位，然后進行再次連通施工。

第三，要確保連通后井下安全。在連通瞬間，鉆井液會流向井下鉆孔，地面多分支水平井鉆機泵壓下降，鉆井液失返，井下井口裝置會出現(xiàn)較大震動，因此，為保證連通時鉆孔的安全，在鉆進至連通點10～11m時，應將探管從井下鉆孔中取出，確保井下鉆孔井口裝置裝備完善牢固，關閉閥門開關。然后，以連通工程師指示為導向進行鉆進，在顯示連通征兆后，緩慢打開閥門，泥漿從井下鉆孔孔口排出，則連通成功，關閉閥門。若鉆進至連通點后仍無任何連通征兆，則需要確認數(shù)據(jù)的準確性后在連通點反復劃孔，通過泥漿壓力溝通裂隙，嘗試實現(xiàn)對接，若無反應，則需要停止連通，檢查數(shù)據(jù)準確性，進行側鉆，重新準備對接工作。

3 工程實例

3.1 工程概況

ZX-1井為多分支水平井，位于ZX一礦，通過該井與井下瓦斯抽采鉆孔對接，從而解決井下瓦斯預抽采的問題。該井目標煤層為3+4#煤層，3+4#煤層的底板標高為+470～+600m，煤層厚度為3.2～4.5m，含氣量為10m3/t，煤層較脆，且煤體結構破碎，在鉆井施工過程中易發(fā)生坍塌問題[11-14]。由于煤層滲透率低，造成瓦斯抽采達不到預期效果，可采煤層瓦斯含量高且層間距小，因而有大量瓦斯涌出。為有效解決瓦斯突出問題，該礦擬通過實施地面多分支水平鉆井與井下瓦斯抽采鉆孔對接技術，提高該礦瓦斯治理效果。

3.2 工程布置

ZX礦地面多分支水平井ZX-1井與井下鉆孔對接工程布置如圖1所示。

井下施工的對接瓦斯抽采鉆孔布置在礦井軌道大巷的右邊，長度為112m，仰角為30°，孔徑為153mm，采用Φ108mm鋼管封孔，水泥固井。

3.3 鉆井設備

根據(jù)鉆井設計要求，本次多分支水平井對接井采用的是徐工XSC-1000車載鉆機。該鉆機的提升能力1 000kN，進給力300kN，鉆深2 000m（Φ127），轉速0～180（r/min），最大扭矩28 000N·m，性能完全滿足施工要求。該車載鉆機的機動能力強，井場搬遷方便，可快速就位;全車液壓系統(tǒng)全部為負載敏感泵，泵和閥門的控制為負載敏感控制，可根據(jù)負載的需要提供相適應的流量和壓力，高效節(jié)能，可調節(jié)鉆壓大小，根據(jù)不同的施工要求，配備相應的輔助工具。

3.4 對接設備

本次對接采用的是中國地質調查局勘探技術研究所自主研制的“慧磁”高精度定向對接系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件部分主要包含強磁接頭、探管、地面機、筆記本電腦等。強磁接頭安裝于泥漿馬達輸出軸上，末端連接鉆頭，在泥漿馬達驅動下，強磁接頭與鉆頭一起旋轉，從而產(chǎn)生一個動態(tài)的旋轉磁場;探管用于井下鉆孔井底接收強磁接頭信號;地面機用于接收探管接收的數(shù)據(jù)，筆記本用于進行數(shù)據(jù)處理。本次對接信號接收是在礦下進行的，因而，所有井下設備均需要采取防爆措施。地面機由專用礦用防爆電腦替代進行探管數(shù)據(jù)接收，通過碳纖維管將探管下入井下對接鉆孔靶點深度處，采集強磁接頭產(chǎn)生的信號，傳輸至礦用防爆電腦。探管供電由專用的防爆供電箱、防爆電源箱提供，井下礦用防爆電腦與探管之間進行數(shù)據(jù)通信，由井下對接工程師通過井下礦用電話將信號數(shù)據(jù)報送給井上對接工程師，井上對接工程師通過筆記本電腦的解析軟件對采集到的信號進行處理和分析，最終解析出鉆頭與靶點之間的空間相對位置關系，按照解析的偏差結果，調整鉆頭方向，使之逐漸趨近靶心。具體信號傳輸方式如圖2所示。

3.5 對接工程

ZX-1井水平井井身結構設計為三開，根據(jù)甲方提供的地質資料，結合實際施工，一開鉆深118.32m，鉆過風化層后進入堅硬巖石10m;二開鉆進至入煤點;三開為水平段鉆進，直至終孔。鉆具組合如下。

一開鉆具組合：Φ311.15mm 3A×0.95m+轉換接頭（631×410）×0.44m+Φ172.00mm鉆鋌×34.16m+轉換接頭（411×4A10）×0.38m+Φ159.00mm鉆鋌×17.39m+Φ127.00mm鉆桿×58.50m+方入×6.50m。

二開鉆具組合：Φ215.90mm PDC鉆頭×0.32m+Φ172.00mm螺桿×8.33m+4A11×410接頭×0.44m+Φ172.00mm定向接頭×0.67m+411×4A10接頭×0.48m+Φ159.00m無磁鉆鋌×8.40m+4A11×410接頭×0.39m+Φ172.00mm無磁接頭×1.31m+Φ127.00mm加重鉆桿×81.03m+Φ127.00mm鉆桿×622.42m+方入×8.21m。

三開鉆具組合：Φ152.40mm PDC×0.27m+Φ121.00mm螺桿×5.49m+Φ121.00mm定向接頭×0.69m+Φ121.00mm無磁鉆鋌×8.50m+轉換接頭×1.32m+Φ89.00mm鉆桿×790.78m+方入×4.95m。

對接鉆具組合：Φ152.40mm PDC×0.27m+Φ121.00mm強磁接頭×0.48m+Φ121.00mm螺桿×5.49m+Φ121.00mm定向接頭×0.69m+Φ121.00mm無磁鉆鋌×8.50m+轉換接頭×1.32m+Φ89.00mm加重鉆桿×260.96m+Φ89.00mm鉆桿×871.74m+方入×2.53m。

井深結構如圖3所示。

本次對接首次鉆進至1 235.00m，井下對接鉆孔下入連通儀器，鉆進至1 293.00m，距原設計井深1 315.00m的距離為22.00m，但井下儀器顯示異常，無法繼續(xù)對接施工。起鉆后，討論研究決定重新測算靶點坐標，井深調整為1 359.00m。下鉆正常鉆進至1 342.00m，接收到連通儀器信號，數(shù)據(jù)顯示方位偏差42°，距離相差59.50m（原計算相距17.00m），無法繼續(xù)對接施工。起鉆后，討論研究決定以連通儀器顯示數(shù)據(jù)為準，自井深1 342.00m處退后165.00m，從井深1 177.00m開始側鉆（帶強磁接頭）定向鉆進，方位由256°扭向274°，鉆至井深1 323.00m，井下對接鉆孔下入連通儀器接收信號，判斷與井下對接鉆孔的相對位置。根據(jù)預測數(shù)據(jù)，連通工程師發(fā)出井斜、方位調整指令進行鉆進;距井下對接鉆孔11.00m時，井下起出連通儀器;水平井鉆進對接連通。連通井深：1 383.60m;連通現(xiàn)象：泵壓由10.00MPa降至4.00MPa，井口鉆井液失返20s，失返鉆井液共計2.00m3，連通成功。井眼軌跡如圖4和圖5所示。

連通后下入用89.00mm鉆桿連接頂送外徑89.00mm玻璃鋼篩管85根，下入井段673.88～1 383.60m，段長709.72m，使用清水30m3開泵循環(huán)洗井。洗井結束后，從鉆桿內下入鋼珠開泵加壓8MPa，在鉆桿連接玻璃鋼篩管的液壓丟手工具處憋開。

4 結論

采用多分支水平井與井下鉆孔對接技術，在進行對接施工前，應做好井下儀器防電防爆安全措施，應嚴格確認靶點數(shù)據(jù)準確性。在出現(xiàn)坐標誤差時，確保連通儀器數(shù)據(jù)有效性后，應以連通儀器數(shù)據(jù)為準，通過反算推出真實靶點坐標，實施側鉆對接。該對接技術的普及將為實現(xiàn)瓦斯持續(xù)高效開發(fā)提供強有力的技術支持。

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