地面水平分支井注漿加固技術(shù)施工方法及應(yīng)對(duì)措施

賈華峰，程 洲

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽宿州234000）

1 水平多分支注漿加固技術(shù)概述

地面水平多分支注漿加固技術(shù)是一種改善頂、底板隔水性，提高頂、底板完整性和抗水壓能力的重要的防治水技術(shù)措施，對(duì)防治煤礦頂、底板水患，保障礦井安全正常生產(chǎn)起到了很好的效果。頂、底板含水層注漿加固改造技術(shù)是目前防止頂板淋水、底板突水的重要舉措，根據(jù)巖水應(yīng)力關(guān)系學(xué)說，煤層頂板含水層的良好補(bǔ)給條件是頂板淋水的物質(zhì)基礎(chǔ)、煤層底板下伏承壓水是底板突水的物質(zhì)基礎(chǔ)，水壓、礦壓是煤層頂、底板突水的力源，導(dǎo)水裂隙是水力通道。大量的生產(chǎn)實(shí)踐證明，削弱頂板底板淋水突水物質(zhì)基礎(chǔ)最直接的方法是注漿充填、阻隔頂板和底板直接充水薄層含水層的裂隙、斷層和巖溶等導(dǎo)水通道和儲(chǔ)水空間，使其變?yōu)楦羲畬踊蛳鄬?duì)隔水層。

2 水平井注漿加固技術(shù)優(yōu)勢(shì)

21 世紀(jì)隨著全球性的新能源煤層氣、頁巖氣的開發(fā)和各采礦國(guó)家對(duì)礦山救援工作的重視，定向鉆井、水平井技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤層氣、頁巖氣領(lǐng)域，同時(shí)定向井技術(shù)在煤礦地面區(qū)域治理中得到廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的底板注漿技術(shù)相對(duì)比，水平分支井注漿技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）采用水平井鉆井工藝最大程度在灰?guī)r含水層中穿行鉆進(jìn)，比井下注漿安全可靠。

（2）水平井以水平方式穿越灰?guī)r地層，能有效地探查煤層頂?shù)装寤規(guī)r地層構(gòu)造變化（相對(duì)于直井只能控制局部一點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造變化)，水平井的軌跡控制精確、效果明顯。

（3）施工中多個(gè)水平井共用一個(gè)直井段，節(jié)約了場(chǎng)地占用面積，減少工農(nóng)關(guān)系的矛盾，降低成本。

（4）地面注漿比井下注漿壓力大，能有效克服灰?guī)r含水層水頭壓力，這樣可以使得水泥漿的擴(kuò)散半徑增大，地層突水能力減小，保證礦井安全生產(chǎn)。

3 水平井定向鉆進(jìn)注意事項(xiàng)

水平井定向鉆進(jìn)技術(shù)（HDD）是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用專用工具使近水平鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)要求延伸至預(yù)定目標(biāo)的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。目前最常采用的是螺桿鉆具定向鉆進(jìn)工藝。

水平井定向作業(yè)過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）儀器經(jīng)調(diào)試正常方可入井，校正儀器角差、鉆具角差并記錄下各項(xiàng)參數(shù)，儀器電池應(yīng)保持電量充足，并記錄電池使用時(shí)長(zhǎng)。

（2）螺桿在入井之前需仔細(xì)檢查，保證接頭牢固，絲扣無傷，旁通閥、萬向接頭等正常，并接上立軸試轉(zhuǎn)速、泵壓。在鉆進(jìn)過程中也要記錄螺桿使用時(shí)長(zhǎng)，到達(dá)使用壽命前提前更換。

（3）定向作業(yè)過程中，隨鉆儀配備伽馬短接，伽馬值可實(shí)時(shí)反映鉆孔地層變化，一般的，地層API值大小順序?yàn)椋耗鄮r＞砂巖＞煤＞灰?guī)r。由于物探的多解性，API 值并不能準(zhǔn)確反映地層，必須配合巖屑錄井。巖屑上返需要一定時(shí)間，即遲到時(shí)間，故巖屑錄井是滯后的。

現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單計(jì)算：巖屑遲到時(shí)間=循環(huán)周時(shí)間－鉆井液下行時(shí)間

循環(huán)周時(shí)間指從開泵到標(biāo)志物大量返出的時(shí)間。

鉆井液下行時(shí)間=井下鉆具內(nèi)容積/排量

理論計(jì)算：

tw=V/Q=π（D2-d2）/4Q·H

式中：tw——鉆井液遲到時(shí)間，min；

V——井內(nèi)環(huán)形空間容積，m3；

Q——泥漿泵排量，m3/min；

D——井眼直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

H——井深，m（H=鉆具總長(zhǎng)+方入）。

（4）在側(cè)鉆過程中，鉆具與井壁接觸面積相對(duì)加大，在壓差作用下容易出現(xiàn)鉆具提升受阻，水平井的造斜段、扭方位等狗腿度較大時(shí)，井壁一側(cè)容易出現(xiàn)凹槽，鉆進(jìn)參數(shù)和水力參數(shù)都受到限制，環(huán)室壓耗高，鉆時(shí)效率低，尤其在裸眼段大于200m或井深較深時(shí)，這一問題更加突出。分支設(shè)計(jì)時(shí)要把握好全角變化率，保證軌跡合理性，同時(shí)，在復(fù)雜地段減少定向次數(shù)及定向量，確保鉆井軌跡簡(jiǎn)單、平滑，減小鉆具與井壁的摩擦阻力。

（5）由于水平段一直在目的層中穿行，尤其遇到較薄目的層時(shí)，會(huì)造成頻繁定向、時(shí)刻修正鉆孔軌跡，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低下。根據(jù)地層規(guī)律合理調(diào)整軌跡，優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)，依據(jù)造斜工具的特點(diǎn)，合理確定定向的參數(shù)，盡量減少定向次數(shù)，使井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不但可以改善井眼清洗效果、減少摩阻和扭矩，還能提高生產(chǎn)效率，縮短施工周期。

（6）直井段施工中適合使用常規(guī)泥漿，待二開技術(shù)套管下入后，采用流變參數(shù)低的無固相泥漿，該泥漿配制簡(jiǎn)單，又有很好的攜粉、護(hù)壁能力，但由于鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆探目的，會(huì)造成大的流失及滲漏，一定要配備充足的備用鉆井液，施工多分支水平，配備大功率泥漿泵，穩(wěn)定地層可以分段清水鉆進(jìn)，減少投入成本。

（7）井下儀器對(duì)泥漿流量、粘度、含砂量要求極高，鉆進(jìn)過程中泥漿雜質(zhì)及固相含量、細(xì)微巖屑對(duì)儀器沖刷較為嚴(yán)重，鉆具回轉(zhuǎn)過程中與井壁摩擦，導(dǎo)致泥漿中鐵屑對(duì)儀器脈沖信號(hào)影響，靈敏度衰減，磁場(chǎng)干擾嚴(yán)重，泥漿師要時(shí)刻掌握泥漿性能，減少鉆井液中鐵屑含量，從而改善儀器工作環(huán)境，提高各項(xiàng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)率。

4 工程復(fù)雜情況預(yù)防及處理

4.1 破碎地層

（1）增加破碎地層破碎巖塊之間的膠結(jié)力。首先泥漿采用聚合物體系，在泥漿中加入優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土材料及具有粘接作用的泥漿處理劑，提高泥漿的粘度，在孔內(nèi)液柱壓力作用下進(jìn)入到地層之中的泥漿中所含有的膨潤(rùn)土和粘接劑堆積在破碎巖塊之間，提高破碎巖塊之間的膠結(jié)力。

（2）合理調(diào)配泥漿，控制泥漿失水，在井壁形成有效泥餅保護(hù)孔壁。

（3）封堵裂縫，是破碎地層孔壁穩(wěn)定的核心。 掉塊、坍塌的破碎地層，其地層坍塌壓力較大，需提高泥漿密度平衡地層的坍塌壓力來維持孔壁的穩(wěn)定。如果不能有效封堵裂縫，泥漿就不能有效平衡地層的坍塌壓力，反而提高壓力會(huì)使地層裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大、大量泥漿進(jìn)入地層，甚至造成惡性循環(huán)而越塌越兇。

（4）對(duì)于具有掉塊、坍塌現(xiàn)象的嚴(yán)重破碎地層需適度提高泥漿的密度或粘度。提高泥漿密度是為了提高泥漿的液柱壓力，平衡地層的坍塌壓力。而提高泥漿的粘度，一方面是提高泥漿的懸浮能力，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生掉塊或坍塌時(shí)不至于迅速下沉，另一方面是為了減小泥漿對(duì)孔壁的沖刷。

（5）謹(jǐn)慎施工，小心操作，避免由于操作失誤引起孔壁的不穩(wěn)定。如起鉆灌漿，避免裸眼孔段因?yàn)槭ツ酀{的支撐而垮塌；起下鉆速度平穩(wěn)、適度，避免抽垮地層或壓裂地層；合理控制鉆進(jìn)速度，既要防止由于鉆進(jìn)速度太快造成巖屑顆粒大或巖屑過多引發(fā)孔內(nèi)事故，又要避免鉆時(shí)過慢，泥漿長(zhǎng)時(shí)間沖刷孔壁造成地層坍塌越來越嚴(yán)重。

（6）鉆進(jìn)至疑似破碎帶時(shí)，司鉆應(yīng)密切觀察鉆井參數(shù)變化，預(yù)防井下風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)斷層或陷落柱位置提前提醒司鉆注意觀察鉆井參數(shù)變化，司鉆在鉆進(jìn)過程中密切觀察泵壓、扭矩變化，泥漿工及時(shí)向司鉆匯報(bào)返砂返漿變化，一旦出現(xiàn)泵壓、扭矩大幅異常波動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)篩返砂增多且伴有掉塊，司鉆應(yīng)做好隨時(shí)停泵甩單根準(zhǔn)備，一旦出現(xiàn)憋壓憋頂驅(qū)現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)停泵停頂驅(qū)甩鉆具起至安全位置，排量由小到大開泵循環(huán)觀察，待確認(rèn)井下安全后，可通過調(diào)整泥漿及鉆井參數(shù)等方式試鉆進(jìn)或等下步措施，不可貿(mào)然鉆進(jìn)造成卡鉆等惡性事故。

4.2 強(qiáng)漏失含水層

對(duì)于漏失層，要“以防為主，以堵為輔，防堵結(jié)合”，需要針對(duì)不同的漏失特點(diǎn)，采取相應(yīng)的堵漏材料和堵漏方法，降低井漏對(duì)鉆井施工的影響。

4.2.1 鉆井過程中預(yù)防措施

（1）應(yīng)適當(dāng)控制鉆速，或者每打完一個(gè)單根，劃眼12次，延長(zhǎng)鉆井液攜帶巖屑時(shí)間。

（2）采用低粘、低切、強(qiáng)抑制鉆井液性能，適當(dāng)控制鉆井液的濾失量，采用合理的排量，如215.9mm 井眼，合理的排量應(yīng)該為3032L/s，落實(shí)好短起下措施。

（3）搞好鉆井液固控工作，使用好離心機(jī)，及時(shí)清除劣質(zhì)固相，降低鉆井液密度，防止鉆井液密度自然增長(zhǎng)。

（4）需要提高密度時(shí)應(yīng)首先把基漿處理好，先在井漿中加入足量的磺化瀝青、超細(xì)碳酸鈣和單封等，以提高地層承壓能力，循環(huán)兩周后，才能逐漸加重。嚴(yán)格執(zhí)行加重程序，每周只提高0.02g/cm3，使易漏層井壁對(duì)鉆井液液柱壓力有一個(gè)逐漸適應(yīng)的過程。

（5）鉆穿易漏失地層前，在鉆井液中加入堵漏劑，加量為8～14kg/m3，封堵細(xì)小裂縫和孔洞。易漏井段須注意更換適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)篩篩布。

（6）使用高密度鉆井液在小井眼中鉆進(jìn)時(shí)，在保證能夠懸浮加重劑的前提下應(yīng)盡可能降低鉆井液的動(dòng)切力和靜切力，以減少環(huán)空流動(dòng)阻力。

4.2.2 工程技術(shù)措施

（1）在鉆井液粘切較高、靜止時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，控制鉆具下放速度，下鉆時(shí)應(yīng)分段循環(huán)，每次開泵都要先小排量后大排量，先低泵壓后高泵壓，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具破壞鉆井液結(jié)構(gòu)力，防止憋漏地層。

（2）如下部有高壓層，上部有低壓層，又不可能用套管封隔時(shí)，在鉆開高壓層之前，應(yīng)對(duì)裸眼井段進(jìn)行承壓試驗(yàn)，不漏再鉆開高壓層。

（3）堵漏結(jié)束后，下鉆時(shí)分段循環(huán)出井眼內(nèi)的堵漏鉆井液。避免鉆具下放過多，穿過漏層后開泵憋漏地層。

（4）堵漏成功恢復(fù)鉆進(jìn)后，可采用小排量鉆進(jìn)，在鉆頭遠(yuǎn)離井漏井段后，再恢復(fù)正常排量。

（5）下鉆時(shí)嚴(yán)禁在已知漏層位置開泵循環(huán)，避免沖開封堵層再次發(fā)生井漏。

（6）下套管前，必須下雙扶正器通井，大排量洗井，對(duì)鉆進(jìn)過程中已發(fā)現(xiàn)滲層要憋壓堵漏，做地層承壓試驗(yàn)合格后方可下套管。

5 工程關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制措施

主孔施工過程中需穿過煤層，通過地質(zhì)對(duì)比、標(biāo)志層判斷及鉆進(jìn)參數(shù)判斷，提前提高鉆井液粘度，增加鉆井液攜砂能力；到達(dá)較厚二煤層時(shí)，加快鉆時(shí)，快速通過；同時(shí)如果測(cè)斜位置正處在煤層段，可推遲測(cè)斜，以減少對(duì)煤層的擾動(dòng)。

如果遇到坍塌和掉塊，總的原則是能起則起，抓緊起出鉆具，分段循環(huán)來探明垮塌井段，起到安全井段，分析井下情況后再做決策。

（1）如返出巖屑不正常，其他參數(shù)無顯示，則可先充分循環(huán)后起出23根，再觀察井下情況，是否可能鉆遇破碎帶等；

（2）如泵壓不正常，其他參數(shù)無顯示，則可先上提循環(huán)觀察，檢查判斷地面循環(huán)系統(tǒng)及鉆柱內(nèi)有無異樣，導(dǎo)致泵壓不正常；如泵壓和注氣壓力均有增大顯示，其他參數(shù)無顯示，則可認(rèn)定為井眼循環(huán)不暢，采取充分循環(huán)活動(dòng)鉆具，凈化井眼；

（3）如旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，鉆時(shí)變慢，扭矩增大，其他參數(shù)無顯示，先緩慢上提幾米，在分析井下馬達(dá)及鉆頭均正常后，若此時(shí)扭矩等顯示恢復(fù)正常，則考慮地層可能變硬（夾矸或非煤層）；如同時(shí)伴隨有其他顯示，認(rèn)定為垮塌掉塊，采取相應(yīng)措施充分循環(huán)活動(dòng)鉆具，凈化井眼，起鉆；

（4）如滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，有上述顯示，先停止鉆進(jìn)，能上提就提，如不能則緩慢開頂驅(qū)倒劃，起至安全井段；

（5）起鉆困難(如負(fù)荷大于正常值5t)不可硬提，須先保證能開泵循環(huán)，適當(dāng)下放活動(dòng)鉆具，或緩慢開動(dòng)頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)鉆具，待工程相關(guān)參數(shù)正?；蚝棉D(zhuǎn)后嘗試起鉆；

（6）堅(jiān)持循環(huán)原則，能循環(huán)最好，若憋漏地層不返泥漿，復(fù)雜處理過程中也要單凡爾開泵，保持水眼暢通。

6 鉆進(jìn)中拖壓現(xiàn)象處理

近水平井段施工過程中鉆具為平躺在井眼中，受重力作用，鉆具表面下部緊貼孔壁，摩擦阻力與扭矩大，鉆具重力不易傳遞到鉆頭，托底現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，針對(duì)此現(xiàn)象，制定以下措施：

井眼軌跡差造成的托壓，解決措施主要是加強(qiáng)井眼軌跡的控制，控制好狗腿度，水平段原則不超過10°，嚴(yán)禁長(zhǎng)距離定向（單次超過10m）。另外針對(duì)井眼軌跡不好的情況產(chǎn)生的托壓現(xiàn)象，最有效地解決措施是簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)，減少鉆挺的數(shù)量，增加加重鉆桿的數(shù)量，從而降低鉆具的剛性，減少鉆具與泥餅的接觸面積防止托壓和粘卡。

加強(qiáng)短起下作業(yè)破壞井壁巖屑床：在施工中原則上每鉆進(jìn)200m進(jìn)行一次短起下作業(yè)，用物理的方式清楚井壁上的巖屑，破壞井壁上形成的巖屑床。在水平段巖屑易沉在下井壁形成巖屑床，注意的是每次短起下的長(zhǎng)度盡量拉到上次短起下井深以上200～300m。

合理調(diào)配泥漿：水平段鉆進(jìn)時(shí)控制好泥漿比重及粘度，粘度控制在30～35s左右為宜，避免泥漿過稠，在井壁形成虛泥餅導(dǎo)致托壓，水平段鉆進(jìn)時(shí)泥漿中適當(dāng)加入潤(rùn)滑劑減少托壓影響。

加強(qiáng)固控設(shè)備的使用：泥漿中有害固相、劣質(zhì)沉土等含量過高易造成泥餅較厚，在水平鉆進(jìn)中易造成粘卡。所以使用好離心機(jī)、震動(dòng)篩加強(qiáng)有害固相的清除是加強(qiáng)泥漿凈化的關(guān)鍵，泥漿本身的攜帶巖屑的效果再好，如果地面設(shè)備利用效果差，被攜帶上的有害固相同樣又進(jìn)入井下對(duì)井眼的凈化造成破壞。

剎把操作：定向托壓時(shí)，司鉆操作剎把采取點(diǎn)送送鉆方式應(yīng)勤送短送，并時(shí)常上下活動(dòng)鉆具，防止托壓時(shí)間過長(zhǎng)突然釋放后鉆頭接觸井底造成螺桿制動(dòng)憋壓誘發(fā)井下復(fù)雜。托壓時(shí)工具面擺放困難，司鉆擺工具面前應(yīng)上下長(zhǎng)距離大幅度活動(dòng)鉆具使鉆具扭矩全部釋放處于伸展?fàn)顟B(tài)并調(diào)整好鉆壓和反扭角之間的關(guān)系，防止反復(fù)在同一位置來回?cái)[工具面沖出大肚子井眼。托壓嚴(yán)重時(shí)，司鉆可與定向井工程師溝通是否可以上提劃眼或先復(fù)合鉆進(jìn)再行定向鉆進(jìn)。

合理使用造斜工具，準(zhǔn)確計(jì)算螺桿造斜率，根據(jù)傾角變化合理預(yù)測(cè)地層走向，優(yōu)化井眼軌跡設(shè)計(jì)，控制狗腿度，盡量保證井眼軌跡平滑。

7 分支側(cè)鉆技術(shù)措施

（1）側(cè)鉆位置確定和水泥塞的質(zhì)量決定了側(cè)鉆是否順利，甚至一次成功的關(guān)鍵。選擇側(cè)鉆的位置時(shí)，要考慮報(bào)廢進(jìn)尺少、可鉆性好、無大肚子的井段。如果是直井，要在井斜要求范圍內(nèi)的井段，實(shí)施反扣便于形成較厚的夾壁墻。

（2）填井時(shí)要求較高的水泥漿密度，以保證高質(zhì)量的水泥塞，水泥塞長(zhǎng)度不小于30m。水泥塞候凝不小于48h。掃水泥塞時(shí)，必須把混漿段全部掃除，探出高質(zhì)量的水泥面。

（3）側(cè)鉆開始時(shí)，必須控制鉆進(jìn)速度，采用輕壓慢打方法，特別是側(cè)鉆井段較深，可鉆性較差的地層。待返出的巖屑基本不含有水泥，可適當(dāng)提高速度。

（4）如果是直井而井斜又很小側(cè)鉆完成后，建議使用穩(wěn)斜鉆具組合穩(wěn)斜一段，以增加夾壁墻的厚度。

（5）下鉆到側(cè)鉆井段前要控制速度，防止把夾壁墻沖塌。如果在側(cè)鉆井段遇阻可輕轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤下放，或開泵下放，如必須劃眼時(shí)要警惕劃出新井眼。

8 水平分支孔全角變化率偏大處理措施

（1）將井斜控制合理范圍內(nèi)。井斜是指鉆孔軸線上任一點(diǎn)的方向線與通過該點(diǎn)的重力線之間的夾角，故鉆場(chǎng)選址要結(jié)合采區(qū)工作面設(shè)計(jì)盡可能選在區(qū)域煤層標(biāo)高相對(duì)高處對(duì)應(yīng)的地面位置，避免出現(xiàn)水平段井斜過大的情況。

（2）井身全角變化率控制在合理范圍內(nèi)。井身全角變化率俗稱“狗腿度”，是指單位孔段內(nèi)鉆孔鉆進(jìn)的方向在三維空間內(nèi)的變化，即包含了井斜角的變化和方位角的變化，數(shù)值可在定向軟件中自動(dòng)生成。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，將狗腿度控制在8°～9°/30m左右，一般不超過10°/30m，能有效提高進(jìn)尺，縮短鉆孔周期。