基于定向鉆孔的底板探放水技術(shù)及工程實踐

豆旭謙

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下近水平定向鉆進技術(shù)在煤礦瓦斯抽采[1]、煤礦水害防治[2]、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查[3，4]、煤礦應(yīng)急救援、工程孔施工等領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，配套的鉆進技術(shù)裝備數(shù)量及相應(yīng)的鉆進工程量占比最大，基本代表了煤礦區(qū)鉆探技術(shù)裝備的發(fā)展水平[5]。目前，在國家重大專項等項目的支持下，煤礦井下鉆探裝備的鉆進能力已發(fā)展到超過2000m，定向鉆機已發(fā)展到ZDY12000LD型、ZDY15000LD型，配套包括BLY260/9、BLY390/12、BLY460/13、BLY500/10等多種類型的泥漿泵車，在我國山西晉城、安徽兩淮和河南等礦區(qū)進行了實際生產(chǎn)應(yīng)用[6，7]。

我國礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，煤礦水害的致災(zāi)因素很多[8]，水害防治是保證煤礦安全生產(chǎn)的必要工作。定向鉆進技術(shù)具有軌跡可控、定位精度高、目標(biāo)層位鉆遇率高、延伸距離長、可進行分支孔施工等特點，具有普通常規(guī)鉆孔不具備的優(yōu)勢，在煤礦井下水害防治中具有特殊的作用。隨著井下近水平定向鉆進技術(shù)的發(fā)展，其在煤礦水害探查與治理方面的應(yīng)用變得愈加的深入與重要[8]，相關(guān)工藝研究更加的完善，在解決煤礦實際問題的同時也促進了定向鉆進技術(shù)與配套裝備的發(fā)展[11-15]。張集煤礦自引進定向鉆進技術(shù)以來，在頂板高位鉆孔、探放水鉆孔施工方面取得成功[16-18]，然而，應(yīng)用近水平定向鉆進技術(shù)進行整個工作面底板灰?guī)r探放水鉆孔工程的施工并不成熟，相關(guān)技術(shù)措施、安全措施、施工工藝等還不完善，需要進一步的探索與改進，本文依據(jù)張集煤礦工作面底板灰?guī)r探放水定向鉆孔工程施工中的技術(shù)與經(jīng)驗，總結(jié)了探放水工程施工技術(shù)及采用的安全和技術(shù)措施，對具有相似條件礦井的探放水鉆孔工程施工具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

圖1 A組煤頂?shù)装鍘r性柱狀圖

1.2 鉆進層位

圖2 鉆進層位示意圖

1.3 技術(shù)優(yōu)勢

2 定向鉆進技術(shù)

2.1 定向鉆進裝備

工程施工中使用一臺ZDY12000LD定向鉆機和一臺ZDY15000LD定向鉆機，ZDY12000LD定向鉆機配套BLY390/12泥漿泵車一臺，ZDY15000LD定向鉆機配套BLY460/13泥漿泵車一臺，兩臺鉆機均配備YHD2-1000(A)孔口供電隨鉆測量系統(tǒng)，主要配套鉆具、設(shè)備的規(guī)格型號及用途見表1。

表1 定向鉆進主要裝備配置表

2.2 鉆孔軌跡設(shè)計及優(yōu)化

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

表2 設(shè)計鉆孔主要參數(shù)表

2.3 鉆孔施工

施工時首先進行套管段施工，分別下入Φ178mm一級套管8m，Φ146mm二級套管30m；然后進行孔徑Φ120mm定向鉆孔施工，鉆孔施工工藝流程如圖4所示，各階段施工鉆具組合如下：

圖4 鉆孔施工工藝流程圖

1)一級套管段鉆進鉆具組合：Φ120mm定向鉆頭+變徑接手+Φ89mm常規(guī)鉆桿+…Φ89mm常規(guī)鉆桿+Φ89mm普通水便；然后用Φ120/Φ153mm擴孔鉆頭和Φ153/Φ193mm擴孔鉆頭將鉆孔孔徑擴大至Φ193mm。

2)二級套管段鉆進鉆具組合：Φ120mm定向鉆頭+變徑接手+Φ89mm常規(guī)鉆桿+…Φ89mm常規(guī)鉆桿+Φ89mm普通水便；然后用Φ120/Φ153mm擴孔鉆頭將鉆孔孔徑擴大至Φ153mm。

3)定向鉆進鉆具組合：Φ120mm定向鉆頭+Φ89mm螺桿馬達+變徑接手+Φ89mm下無磁鉆桿+無磁接手+Φ89mm探管外管+Φ89mm上無磁鉆桿(自帶接手)+Φ89mm通纜鉆桿+…Φ89mm通纜逆止閥+Φ89mm通纜鉆桿+Φ89mm通纜送水器。

3 安全和技術(shù)措施

3.1 安全措施

定向鉆孔一次探水的距離長，覆蓋范圍大，有探測到較大導(dǎo)水?dāng)鄬?、老空水的可能性，根?jù)鉆孔級配以及相關(guān)規(guī)程規(guī)定的要求，為了防止鉆孔出水水壓較大，采用兩級套管護孔，一級套管Φ178mm，二級套管Φ146mm。在下入套管后采用帶壓注水泥漿固管，固管完成候凝48h后掃孔進行清水打壓試驗，壓力需達到8.5MPa以上，穩(wěn)壓30min無漏水和壓降現(xiàn)象即固管合格。

探放水鉆孔施工中遇到高壓含水層時易發(fā)生噴孔現(xiàn)象，會將鉆桿外頂，危險系數(shù)加大。因此，在開始定向鉆孔施工時，在二級套管外通過法蘭形式連接了DN150mm孔口閘閥和孔口防噴器，作為鉆孔泄水降壓和防止孔內(nèi)出水的設(shè)備，以提高施工的安全性。孔口防噴器為手動閘板式結(jié)構(gòu)，在孔內(nèi)涌水量大或者突水，需要及時關(guān)閉防噴器時，可用扳手人工轉(zhuǎn)動鎖緊軸，由于鎖緊軸有軸承壓蓋的限制，于是推動閘板軸向鉆桿中心移動，從而達到關(guān)閉防噴器的目的，防止設(shè)備損壞或人員傷亡。在孔內(nèi)壓力卸載、孔口恢復(fù)正常狀態(tài)后，可以打開防噴器，即人工使用扳手反方向轉(zhuǎn)動鎖緊軸，鎖緊軸拉動閘板軸向遠離鉆桿中心的方向運動，帶動裝有密封塊的閘板離開鉆桿，使孔口打開[20]。

為防止地層出高壓水導(dǎo)致螺桿鉆具反轉(zhuǎn)損壞螺桿鉆具，在定向鉆柱中增加了逆止回流裝置，保證鉆具安全。

3.2 定點注漿技術(shù)應(yīng)用

定點注漿技術(shù)的主要設(shè)備為注漿封隔器，在定向鉆進遇到復(fù)雜地層發(fā)生塌孔無法繼續(xù)定向鉆進時，通過鉆桿連接封隔器送入孔內(nèi)需要注漿處理的孔段，定點注漿如圖5所示，之后通過鉆桿注高壓水將封隔器坐封，這樣封隔器到孔底之間就形成一個封閉的空間；然后再通過鉆桿從孔口注入配置好的水泥漿，水泥漿到達孔內(nèi)填充被封隔器封隔區(qū)域，使用一定量清水頂替鉆桿內(nèi)的水泥漿。待水泥初凝后，向后提鉆具，則封隔器解封，將鉆具提出孔外并沖洗鉆具。如果注漿壓力大，則需要配套高壓密封鉆桿和高壓密封送水器。

圖5 定點注漿示意圖

根據(jù)鉆孔孔徑選擇合適的封隔器，探放水鉆孔孔徑為120mm，選擇外徑為Φ100mm封隔器，座封壓力為12MPa，注漿鉆具組合為：Φ100mm封隔器+變徑接手+Φ89mm高壓密封鉆桿+…Φ89mm高壓密封鉆桿+高壓密封送水器。另外，定點注漿時，需要配備注漿泵和水泥漿攪拌裝置。

3.3 硬巖高效鉆進技術(shù)

底板C3Ⅰ組灰?guī)r抗壓強度31.4～98.6MPa，大多在50MPa以上。其中，定向鉆進的C33下灰?guī)r中采集的3個試驗樣本得到的抗壓強度值為76MPa，普氏硬度系數(shù)為7.6，屬于堅固性巖層。根據(jù)巖性和泥漿泵性能，選配了大功率螺桿鉆具鉆進，即Φ89mm五級螺桿鉆具，輸出扭矩能達到1400N·m以上，通過直接提高孔底鉆具的碎巖能力來提高鉆進效率。

由于鉆進地層較硬，在順層孔段鉆進時，隨鉆孔孔深的增大，會出現(xiàn)“托壓現(xiàn)象”，導(dǎo)致鉆進效率降低。因此，在鉆進工藝方面，采用“定向+復(fù)合”控層鉆進的方法[18]，可以提高鉆孔軌跡的平滑度和鉆孔的排渣效果，進而提高鉆進效率。但是在硬巖層中使用復(fù)合鉆進時，帶彎頭螺桿鉆具的回轉(zhuǎn)與鉆柱不同軸線的轉(zhuǎn)動會引起孔底鉆頭不穩(wěn)定，造成螺桿鉆具損壞和鉆頭磨損加快、崩齒等現(xiàn)象的出現(xiàn)，目前建議選擇最小轉(zhuǎn)速達到減阻效果，提高鉆具壽命。

3.4 軌跡控制技術(shù)

4 工程實踐

圖6 1612A和1613A工作面探放水鉆孔工程平面圖

5 結(jié) 論

1)根據(jù)張集煤礦底板灰?guī)r定向鉆孔探放水技術(shù)工程實踐，證明了定向鉆進技術(shù)在跨工作面尺度探放水領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。定向鉆進技術(shù)進行底板探放水必須配套良好的定向鉆進裝備，ZDY12000LD和ZDY15000LD定向鉆機及配套裝備鉆進能力強、運行性能穩(wěn)定，滿足施工底板探放水定向鉆孔的可靠性。

2)定向鉆進技術(shù)的工程應(yīng)用表明了其在探放水技術(shù)中的優(yōu)勢，定向鉆進技術(shù)裝備、鉆孔軌跡設(shè)計及優(yōu)化和鉆孔施工鉆具組合，形成了張集煤礦底板灰?guī)r探放水定向鉆進技術(shù)，可在相似探放水鉆孔工程施工中應(yīng)用。

3)介紹了底板探放水定向鉆孔施工的安全措施、定點注漿技術(shù)、硬巖高效鉆進技術(shù)和軌跡控制技術(shù)，可以保證鉆孔的安全高效施工。在張集煤礦1612A和1613A工作面實施底板灰?guī)r探放水鉆孔工程，完成定向鉆孔15個(包含主孔和分支孔)，累計進尺5480m，探查到2個出水點。