煤礦井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

金 鑫，郭 輝，彭 冬

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大型礦井采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)施工井下水平定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行煤礦區(qū)域瓦斯預(yù)抽、水患探查治理、異常區(qū)域超前探測(cè)等已經(jīng)逐步成熟[1]。石智軍等[2-3]研究表明，大功率隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)裝備可以滿足煤礦井下2 570m和3 353m順煤層超深瓦斯抽采定向鉆孔施工要求。方俊、金鑫等[4-8]研究表明，井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)及配套裝備可以精準(zhǔn)探測(cè)老空水、底板奧灰水等各種隱伏構(gòu)造，這種探測(cè)手段具有精確可控、探測(cè)覆蓋范圍較廣等優(yōu)勢(shì)，但是此種技術(shù)在煤礦井下遠(yuǎn)端精準(zhǔn)對(duì)接應(yīng)用領(lǐng)域尚未做進(jìn)一步研究。石智軍等[9]提出了一種基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)地位技術(shù)的地面煤層氣井精準(zhǔn)對(duì)接鉆井及完井工藝，并應(yīng)用于晉城礦區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，取得了良好效果，但該技術(shù)在煤礦井下對(duì)接鉆進(jìn)中應(yīng)用效果有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

本文結(jié)合神華神東保德煤礦8號(hào)煤層的地質(zhì)條件，采用井下隨鉆測(cè)量定向鉆探技術(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定位技術(shù)相結(jié)合的方式，降低井下定向長(zhǎng)鉆孔軌跡控制誤差、提高中靶率，遠(yuǎn)端對(duì)接連通井下定向長(zhǎng)鉆孔與地面U型井組直井，擬達(dá)到改變地面U型井組抽采方式，降低了煤礦區(qū)域瓦斯排采成本的目的。

1 井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)

煤礦井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔是指煤礦井下水平定向長(zhǎng)鉆孔與直井井口水平間距大于500 m的其他地面井組在目標(biāo)煤層中進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接連通。此類鉆孔鉆進(jìn)工藝集成了無(wú)線隨鉆測(cè)量定向長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)、復(fù)合定向鉆進(jìn)、旋轉(zhuǎn)磁測(cè)距、本煤層定向長(zhǎng)鉆孔側(cè)鉆開(kāi)分支孔等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。該工藝具有施工難度大、對(duì)鉆探裝備和工藝技術(shù)要求較高等特點(diǎn)。其中，旋轉(zhuǎn)磁測(cè)距技術(shù)可以降低傳統(tǒng)定向長(zhǎng)鉆孔軌跡測(cè)量累積誤差、消除靶點(diǎn)標(biāo)定誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定向鉆孔與地面U型井組直井洞穴精準(zhǔn)對(duì)接連通。

2 井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆進(jìn)技術(shù)研究

2.1 井下對(duì)接鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下對(duì)接鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循以下原則：①定向鉆孔孔徑與測(cè)量?jī)x器機(jī)具相匹配；②套管段長(zhǎng)度應(yīng)有利于封固孔口不穩(wěn)定地層；③鉆進(jìn)過(guò)程中確保安全、高效、精準(zhǔn)且低成本完鉆；④對(duì)接孔段施工所用的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)磁短節(jié)應(yīng)綜合考慮鉆孔孔徑、套管尺寸、鉆具規(guī)格等因素進(jìn)行選取；⑤對(duì)接鉆孔鉆進(jìn)至RMRS儀器的信號(hào)探測(cè)范圍(≤120 m)時(shí)，應(yīng)更換帶有旋轉(zhuǎn)強(qiáng)磁短節(jié)的鉆具組合。

2.2 鉆孔軌跡控制

井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔的軌跡控制主要利用目前煤礦井下先進(jìn)的泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)的基本原理是采用泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡參數(shù)，螺桿馬達(dá)提供孔底動(dòng)力，無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要通過(guò)采集鉆孔孔深、鉆孔傾角、鉆孔方位角等數(shù)據(jù)來(lái)生成鉆孔實(shí)際軌跡。通過(guò)對(duì)比分析實(shí)鉆鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)鉆孔軌跡的偏差來(lái)調(diào)整鉆孔軌跡。當(dāng)需要糾斜時(shí)，通過(guò)調(diào)整螺桿馬達(dá)工具面向角實(shí)施滑動(dòng)定向鉆進(jìn)；當(dāng)需要穩(wěn)斜時(shí)，可以實(shí)施復(fù)合鉆進(jìn)，這種鉆進(jìn)方式不僅可以提高鉆頭碎巖效率，還有輔助巖屑上返、降低鉆具摩擦阻力的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確、高效、安全定向鉆進(jìn)[10-11]。

2.3 對(duì)接工藝技術(shù)

井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接工藝主要采用旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)向測(cè)距法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其配套設(shè)備主要井下測(cè)量設(shè)備(包括測(cè)量探管、加重桿、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)磁短節(jié)等)和地面附屬設(shè)備(包括無(wú)線調(diào)節(jié)器、電源等)兩部分組成，具體裝備配置情況見(jiàn)表1。具體對(duì)接工藝技術(shù)為：①施工井組直井目標(biāo)煤層段洞穴，確保直井洞穴高度≥目標(biāo)煤層厚度，直井洞穴直徑≥500 mm；②測(cè)量井組直井目標(biāo)煤層段洞穴位置；③在直井洞穴對(duì)接靶點(diǎn)上方1.0～1.5 m處，下入RMRS測(cè)量探管；④當(dāng)井下水平對(duì)接鉆孔鉆進(jìn)至距離直井洞穴段靶點(diǎn)約80 m時(shí)，RMRS測(cè)量探管可以逐漸接收到旋轉(zhuǎn)強(qiáng)磁短節(jié)發(fā)送的穩(wěn)定磁信號(hào)；⑤根據(jù)地面無(wú)線調(diào)制解調(diào)設(shè)備接收到的強(qiáng)磁接頭測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出對(duì)接點(diǎn)鉆頭與直井洞穴的距離、方位角和傾角偏差，進(jìn)一步可以確定水平對(duì)接鉆孔與直井洞穴的相對(duì)位置關(guān)系；⑥通過(guò)調(diào)整井下水平對(duì)接鉆孔中螺桿馬達(dá)的工具面向角，采用井下滑動(dòng)定向鉆進(jìn)造斜調(diào)整鉆孔軌跡，完成與直井洞穴貫通。

表1 RMRS裝備配置

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019年7月，利用煤礦井下遠(yuǎn)端水平定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)接鉆進(jìn)技術(shù)在保德煤礦施工完成一個(gè)主孔孔深為1 544 m水平對(duì)接鉆孔，該鉆孔成功與地面U型井組直井洞穴順利連通，首次實(shí)現(xiàn)煤礦井下水平定向長(zhǎng)鉆孔與地面直井遠(yuǎn)端對(duì)接連通，將地面井組連通到煤礦井下抽采系統(tǒng)中，降低了原地面U型井組的排采成本。

3.1 地質(zhì)概況

保德煤礦8號(hào)煤層為礦區(qū)主采煤層，該煤層總體上近南北走向，呈向西傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角為3 °～7 °，平均4 °左右。煤層厚度基本趨于穩(wěn)定，開(kāi)口處煤層厚度6.88 m，進(jìn)入古河流沖刷帶之后煤厚7.2 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸4～5層，巖性為泥巖及砂質(zhì)泥巖，單層夾矸最大厚度1.4 m。

遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)研究區(qū)域巷道直接頂為灰黑色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理，見(jiàn)植物化石，厚度為12.6 m左右；老頂為粉砂巖，含植物根跡化石，水平層理發(fā)育，厚度為3.48 m左右；底板為深灰色細(xì)粒砂巖，主要成份石英、次為炭屑，分選中等，次棱角狀顆粒；8號(hào)煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煤層相對(duì)均勻且連續(xù)性好，普氏硬度系數(shù)f>0.72，此類地質(zhì)條件適合施工遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔。

3.2 實(shí)鉆鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)施工地點(diǎn)的具體地質(zhì)條件，遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔(1號(hào)鉆孔)結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見(jiàn)表2， 水平對(duì)接鉆孔與地面U型井組直井洞穴對(duì)接示意圖如圖1所示。

表2 水平對(duì)接鉆孔實(shí)鉆參數(shù)

圖1 對(duì)接鉆孔與地面U型井組直井對(duì)接示意Figure 1 Schematic diagram of docking borehole and surfaceU typed well group straight well interpenetration

3.3 實(shí)鉆效果

保德煤礦井下對(duì)接鉆孔連通過(guò)程共進(jìn)行兩次連通施工，當(dāng)對(duì)接鉆孔施工至1 383 m時(shí)起鉆，孔內(nèi)鉆具更換為Ф120 mm三翼拋物線型PDC定向鉆頭+旋轉(zhuǎn)強(qiáng)磁短節(jié)+Ф89 mm單彎螺桿馬達(dá)(1.25°)+轉(zhuǎn)換接頭+Ф91 mm下無(wú)磁鉆桿+隨鉆測(cè)量探管+Ф91 mm上無(wú)磁鉆桿+Ф89 mm鉆桿的對(duì)接孔段鉆具組合，將強(qiáng)磁接頭安裝在螺桿馬達(dá)尾部，使其與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)并發(fā)射磁性信號(hào)。鉆進(jìn)至1512 m時(shí)，將RMRS測(cè)量探管安裝在神華平-01V井，用神華平-01V井內(nèi)的RMRS測(cè)量探管接收井下對(duì)接鉆孔中鉆頭附近旋轉(zhuǎn)強(qiáng)磁短節(jié)發(fā)出的強(qiáng)磁信號(hào)。鉆進(jìn)至1 533 m時(shí)，經(jīng)計(jì)算垂深相差15 m，水平偏差27.44 m，已鎖定靶點(diǎn)位置，但無(wú)調(diào)整空間。退鉆至1 089 m處開(kāi)分支，1號(hào)水平對(duì)接鉆孔使用泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鉆孔軌跡控制，在定向鉆進(jìn)至1 452 m時(shí)，獲取了穩(wěn)定的強(qiáng)磁信號(hào)，及時(shí)糾正方向，使其靠近靶點(diǎn)目標(biāo)；當(dāng)鉆進(jìn)至1 485 m時(shí)，計(jì)算出強(qiáng)磁短節(jié)的標(biāo)高為543.77 m，靶點(diǎn)標(biāo)高為543.72 m，垂深已達(dá)到連通要求，左右偏差2.29 m，方位角偏差13.9°，開(kāi)始穩(wěn)傾角、增方位；通過(guò)對(duì)地面計(jì)算機(jī)接收到的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，可以確定鉆頭處對(duì)接磁發(fā)生裝置與地面神華平-01V井中接收探管的相對(duì)位置關(guān)系。當(dāng)定向鉆進(jìn)至測(cè)深1 544 m時(shí)，井下孔口返水突然變大，神華平-01V井出氣量變大，判定對(duì)接鉆孔與神華平-01V井直井連通成功。對(duì)接鉆孔平面軌跡如圖2所示。

圖2 對(duì)接鉆孔平面Figure 2 Docking borehole planar graph

井下鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)與神華平-01V井直井水平間距1 528m，該鉆孔完鉆總進(jìn)尺為1 988 m，水平對(duì)接鉆孔主孔鉆至1 544 m處與地面U型井組神華平-01V井成功對(duì)接連通。該鉆孔的成功貫通不僅提高地面煤層氣井組抽采效率，而且解決排采井成本高、征地費(fèi)用高等問(wèn)題。井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔與地面U型井組直井的成功對(duì)接連通，實(shí)現(xiàn)了由單一地面井組抽采瓦斯改為井下、地面立體式聯(lián)合抽采。1號(hào)對(duì)接鉆孔自2019年7月2日開(kāi)始排采，截至2019年11月7日累計(jì)抽采瓦斯純量超過(guò)400 000 m3，平均日產(chǎn)氣量超過(guò)3 000 m3，最高日產(chǎn)氣量已超過(guò)5 000 m3。

4 結(jié)論

1)煤礦井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接技術(shù)綜合應(yīng)用了泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)和主動(dòng)磁測(cè)距技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌跡控制、精準(zhǔn)對(duì)接貫通。

2)煤礦井下遠(yuǎn)端水平對(duì)接鉆孔與地面U型井組直井成功貫通為煤礦區(qū)井下和地面井組抽采系統(tǒng)構(gòu)建了連通通道，降低了煤礦區(qū)域瓦斯排采成本，為井下、地面立體式聯(lián)合抽采模式的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。