趙固一礦煤層底板灰?guī)r加固多分支水平注漿井軌跡精準(zhǔn)控制技術(shù)實(shí)踐

劉修剛，李俊峰，張 強(qiáng)，張 晶

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077；2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城 048204）

多分支水平注漿井鉆進(jìn)技術(shù)是煤礦地面區(qū)域水害治理工程常用關(guān)鍵技術(shù)[1-3]，首先通過(guò)相關(guān)技術(shù)精準(zhǔn)控制各分支孔軌跡按設(shè)計(jì)要求在目標(biāo)層內(nèi)鉆進(jìn)，待鉆進(jìn)至下步注漿要求工況，然后對(duì)定向水平分支孔揭露的目標(biāo)治理層段進(jìn)行注漿加固[4-6]。因此，實(shí)施煤礦地面區(qū)域水害治理工程關(guān)鍵在于如何精準(zhǔn)控制各分支孔位于目標(biāo)治理層內(nèi)按設(shè)計(jì)鉆進(jìn)。以趙固一礦15011 煤層工作面的底板L8灰?guī)r加固多分支水平注漿井鉆進(jìn)工程為對(duì)象，主要從以下2 方面深入研究：①?gòu)倪M(jìn)行導(dǎo)眼探孔鉆進(jìn)獲取治理目標(biāo)灰?guī)r層埋深、伽馬值等相關(guān)地質(zhì)參數(shù)及構(gòu)造信息，然后進(jìn)行精確設(shè)計(jì)及控制煤層底板目標(biāo)灰?guī)r層多分支水平注漿井主孔進(jìn)入治理灰?guī)r層著陸點(diǎn)，以此實(shí)施精準(zhǔn)控制注漿井軌跡；②優(yōu)化常規(guī)多分支水平注漿井鉆具組合，采用雙扶穩(wěn)斜鉆具組合降低定向及復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程井斜和方位漂移量，以此精準(zhǔn)控制注漿井各分支孔軌跡位于目標(biāo)灰?guī)r層穩(wěn)定鉆進(jìn)，也可減少分支軌跡定向調(diào)整頻次和定向段的長(zhǎng)度。研究結(jié)果對(duì)于趙固一礦地面區(qū)域水害治理多分支水平注漿井實(shí)施精準(zhǔn)軌跡控制具有一定借鑒意義。

1 工程概況

1）地質(zhì)水文特征。趙固一礦西五盤(pán)區(qū)15011 工作面對(duì)應(yīng)地面位置為輝縣市趙流村東部，工作面上覆巨厚沖積層，屬新近系、第四系全掩蓋區(qū)。本區(qū)賦存地層主要有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系中統(tǒng)本溪組和上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組、新近系、第四系，其中石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組為主要含煤地層。經(jīng)前期缺失地震勘探資料顯示工作面水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，主要充水含水層為L(zhǎng)8灰?guī)r含水層，水壓4.4～5.0 MPa，突水系數(shù)0.15～0.18 MPa/m，受斷裂構(gòu)造影響，水平及垂向補(bǔ)給充分，存在突水危險(xiǎn)性，以及工作面區(qū)域存在較大F15斷層。

2）井位部署。鑒于工作面水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，遂采用地面區(qū)域多分支水平注漿井鉆進(jìn)與注漿加固技術(shù)治理L8灰?guī)r，地震資料反映二1 煤層底板L8灰?guī)r含水層的富水狀況及構(gòu)造發(fā)育情況，在治理區(qū)域地面部署1 個(gè)主孔及8 分支孔的水平井，施工長(zhǎng)距離定向鉆孔對(duì)L8灰?guī)r含水層進(jìn)行超前探查及注漿加固，通過(guò)鉆孔注漿充填底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙，減弱含水層的富水性及切斷水源補(bǔ)給通道，使治理的含水層變?yōu)楦羲畬踊蛉鹾畬?，以此增?qiáng)二1 煤層底板隔水層的強(qiáng)度，降低水害威脅程度，保障煤礦安全高效開(kāi)采。

3）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。多分支水平注漿井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]，因主孔地面井口位置距離趙流河村飲用水源直線距離為145 m，為防止鉆井對(duì)水源造成污染，一開(kāi)采用φ311.2 mm 鉆頭鉆進(jìn)至井深240 m，下入N80 鋼級(jí)φ244.5 mm 表層套管，封固上部松軟易漏地層、隔離地下飲用淺水層，采用高標(biāo)號(hào)42.5硅酸鹽水泥，固井純水泥漿密度1.6～1.65 g/cm3，水泥漿返至地面；二開(kāi)采用φ215.9 mm 鉆頭定向鉆進(jìn)至見(jiàn)L8灰?guī)r，井深至898 m，下入J55 鋼級(jí)φ177.8 mm 無(wú)接箍技術(shù)套管，封固上部煤層、漏層及F15斷層等段，采用高標(biāo)號(hào)32.5 硅酸鹽水泥，固井純水泥漿密度1.65～1.7 g/cm3，水泥漿返至地面；三開(kāi)采用φ152.4 mm 鉆頭沿L8灰?guī)r按照預(yù)先部署的水平分支孔設(shè)計(jì)進(jìn)行定向鉆進(jìn)，時(shí)至單個(gè)分支孔全段鉆進(jìn)與注漿結(jié)束再進(jìn)行該分支孔全裸眼段純水泥封孔。

2 導(dǎo)眼探孔鉆進(jìn)

2.1 導(dǎo)眼探孔鉆進(jìn)原因

現(xiàn)存趙固一礦15011 工作面區(qū)域三維缺失地震資料難以獲取煤層及底板L8治理灰?guī)r層埋深、層厚、伽馬值以及其它相關(guān)精確地質(zhì)信息，并且L8灰?guī)r層小范圍內(nèi)有起伏，對(duì)于L8灰?guī)r層埋深造成較大不確定性；且上述復(fù)雜的煤礦區(qū)地質(zhì)水文條件、及部分缺失的三維地震資料，為煤層底板多分支水平注漿井主孔著陸點(diǎn)設(shè)計(jì)及控制造成一定難度。趙固一礦15011 工作面區(qū)域現(xiàn)存三維地震資料難以解釋斷距小于5 m 的斷層，因此對(duì)于實(shí)際L8灰?guī)r地層信息情況難以把握，從而可能致使設(shè)計(jì)L8灰?guī)r著陸點(diǎn)與實(shí)鉆著陸點(diǎn)存在一定差距；煤層底板多分支水平注漿井技術(shù)對(duì)于進(jìn)入L8灰?guī)r著陸點(diǎn)要求較高，針對(duì)于多分支水平注漿井各孔而言，需要嚴(yán)格控制分支注漿孔位于L8灰?guī)r層內(nèi)鉆進(jìn)，否則后續(xù)注漿工程難以滿足注加固漿液進(jìn)入治理灰?guī)r層內(nèi)，L8灰?guī)r著陸點(diǎn)的精確設(shè)計(jì)與控制對(duì)于分支水平注漿孔段鉆進(jìn)具有重要意義，著陸點(diǎn)設(shè)計(jì)適宜能夠減少分支注漿孔段定向鉆進(jìn)軌跡調(diào)整，確保軌跡光滑，減少隨著分支注漿孔深度增加所造成的嚴(yán)重托壓現(xiàn)象[7-9]，以及降低后期注漿過(guò)程漿液流經(jīng)分支孔的沿程阻力損失。

2.2 導(dǎo)眼探孔實(shí)鉆

基于上述導(dǎo)眼探孔鉆取多原因分析，為確保多分支注漿井主孔按設(shè)計(jì)要求精準(zhǔn)著陸于L8灰?guī)r治理層，以及精準(zhǔn)控制各分支注漿孔位于L8灰?guī)r層內(nèi)鉆進(jìn)軌跡，設(shè)計(jì)及實(shí)鉆1 個(gè)從正常一開(kāi)固井結(jié)束后鉆取導(dǎo)眼探孔。實(shí)鉆導(dǎo)眼探孔過(guò)程如下；導(dǎo)眼探孔鉆進(jìn)至井深681 m 時(shí)，鉆速開(kāi)始變快，返出巖屑的巖性為灰黑色，灰?guī)r顆粒逐漸變成土黃色泥糊狀斷層泥，繼續(xù)鉆進(jìn)至824 m 井深時(shí)，鉆速開(kāi)始變慢，返出巖屑巖性由土黃色泥糊狀斷層泥變成泥巖，推斷井深681～824 m 為斷層影響帶，寬度約為143 m。繼續(xù)鉆進(jìn)穿過(guò)斷層，位于斷層上盤(pán)井深880～891 m 見(jiàn)煤，煤層垂深約為504.97～509.79 m，煤層厚約為4.82 m，因該治理區(qū)域內(nèi)基巖以下所見(jiàn)第1 層煤即為二1 煤，同時(shí)鉆進(jìn)所見(jiàn)該煤層垂深與二1 煤層三維地震資料極為相近，故而可準(zhǔn)確推斷該煤層為二1 煤層，繼續(xù)導(dǎo)眼探孔鉆進(jìn)至井深956～972 m 見(jiàn)深灰色灰?guī)r，垂深538.62～545.42 m，巖層厚度6.8 m，上返巖屑滴鹽酸有強(qiáng)烈氣泡產(chǎn)生，灰?guī)r頂相距二1 煤層底約為28.83 m，可精準(zhǔn)確定該灰?guī)r層為L(zhǎng)8灰?guī)r目標(biāo)治理層，導(dǎo)眼探孔于井深980 m 鉆穿L8灰?guī)r層，然后實(shí)施導(dǎo)眼探孔回填，采用高標(biāo)號(hào)42.5 硅酸鹽水泥，水泥漿密度1.6～1.7 g/cm3，斜導(dǎo)眼井回填至井斜角約為25°井段，由于伴隨井斜角增大，定向及復(fù)合鉆進(jìn)方位角越穩(wěn)定，尤其井斜角達(dá)25°以上[10]，方位漂移量更小，更加有利于后續(xù)實(shí)施二開(kāi)煤層底板灰?guī)r多分支水平注漿井主孔增斜側(cè)鉆。

基于導(dǎo)眼探孔鉆進(jìn)準(zhǔn)確可得出：F15斷層地質(zhì)構(gòu)造信息，二1 煤層垂深及厚度，治理層L8灰?guī)r垂深、厚度以及相距二1 煤層底距離，L8灰?guī)r緊鄰上下部層巖性及地質(zhì)參數(shù)信息等?；趯?dǎo)眼探孔所得L8灰?guī)r及緊鄰層位的厚度、ROD 及伽馬值，為設(shè)計(jì)合理L8灰?guī)r著陸點(diǎn)提供依據(jù)、為精準(zhǔn)控制L8灰?guī)r實(shí)鉆著陸點(diǎn)及各注漿分支孔位于伽馬值為10-20API 的L8灰?guī)r層位內(nèi)平滑鉆進(jìn)提供參考保障。

目標(biāo)治理灰?guī)r層及緊鄰其上下層位地質(zhì)參數(shù)信息如下：

1）砂質(zhì)泥巖。層位緊鄰治理灰?guī)r上層，為灰黑色、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，含粉砂、黃鐵礦散晶；層位厚度3 m，ROD 值91.5%，伽馬值45～50 API。

2）L8灰?guī)r。層位為目標(biāo)治理灰?guī)r層，為黑灰色或灰色、泥晶結(jié)構(gòu)，主要礦物成分方解石，含少量蜓類動(dòng)物化石、存有夾泥巖薄層、黃鐵礦結(jié)核富集層、燧石條帶；層位厚度6.8 m，ROD 值85%，伽馬值10～20 API。

3）泥巖。層位緊鄰治理灰?guī)r上層，為灰黑色或灰色、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，含零星白云母碎片、植物根莖葉部分化石、黃鐵礦散晶；層位厚度1.5 m，ROD 值68%，伽馬值51～56 API。

3 優(yōu)化鉆具組合

3.1 優(yōu)化鉆具組合原因

地面多分支水平注漿井各分支孔軌跡均沿15011 工作面方向設(shè)計(jì)布孔鉆進(jìn)，因所治理的L8灰?guī)r層垂深較淺、各水平分支孔段長(zhǎng)度較大，實(shí)鉆過(guò)程井底鉆具組合與井壁摩擦較大，致使托壓現(xiàn)象較為嚴(yán)重，難以將鉆壓傳遞于鉆頭，位于L8灰?guī)r層內(nèi)定向鉆進(jìn)速慢（約1～2 m/h）、以及復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重井斜上漂、方位左漂情況，因此現(xiàn)場(chǎng)需要通過(guò)增加定向頻次和定向井段長(zhǎng)度，以此控制保障各分支注漿孔位于L8灰?guī)r層內(nèi)鉆進(jìn)，基于上述原因致使鉆進(jìn)成本較高、鉆進(jìn)效率較低。

3.2 優(yōu)化鉆具組合及效果

趙固一礦地面區(qū)域水害治理現(xiàn)場(chǎng)，為防止多分支水平注漿井鉆進(jìn)過(guò)程發(fā)生井下卡鉆等復(fù)雜事故，目前針對(duì)于各分支注漿孔水平段鉆進(jìn)采用“φ152 mmPDC+φ120 mm 單彎螺桿+φ120 mm 無(wú)磁鉆鋌+MWD 定向儀器+φ89 mm 普通鉆桿串+φ89 mm 加重鉆桿串+φ120 mm 鉆鋌串”的鉆具組合，該鉆具組合較為簡(jiǎn)單，但是利用該鉆具組合實(shí)施鉆進(jìn)易于造成：隨著水平分支注漿孔段延伸，鉆進(jìn)難度逐漸增加，鉆進(jìn)效率降低，位于注漿井的各分支，尤其以最外側(cè)兩個(gè)水平分支注漿孔需經(jīng)多次調(diào)整井斜和方位，定向鉆進(jìn)極為困難，因此需要可能盡量降低復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)井斜和方位漂移量，以此降低定向鉆進(jìn)次數(shù)和定向段長(zhǎng)度，提高鉆進(jìn)效率。

為此通過(guò)優(yōu)化采用雙扶穩(wěn)斜鉆具組合以降低復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程井斜與方位漂移量，精準(zhǔn)控制分支水平注漿孔位于L8灰?guī)r層內(nèi)鉆進(jìn)，保障井眼軌跡光滑穩(wěn)定于治理灰?guī)r層穿越，轉(zhuǎn)換井下鉆具與井壁之間滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，以此降低托壓現(xiàn)象，提高鉆進(jìn)效率。利用自帶欠尺寸對(duì)稱扶正器螺桿替換光單彎螺桿，以及在螺桿與無(wú)磁鉆鋌之間加1 個(gè)或多個(gè)欠尺寸（φ146 mm）球形扶正器（凸起部位自帶滾珠球形扶正器），優(yōu)化后雙扶穩(wěn)斜鉆具組合為：φ152 mm－PDC+φ120 mm 螺桿（自帶欠尺寸扶正器）+欠尺寸扶正器+φ120mm 無(wú)磁鉆鋌+MWD 定向儀器+φ89 mm普通鉆桿串+φ89 mm 加重鉆桿串+φ120 mm 鉆鋌串，形成雙扶穩(wěn)斜鉆具組合，可高效降低分支水平注漿孔復(fù)合鉆進(jìn)期間井斜和方位漂移量。實(shí)例如15011 工作面多分支水平注漿井實(shí)鉆過(guò)程，分支1孔未使用雙扶穩(wěn)斜鉆具組合，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)井斜漂移為1.56°/30 m、方位漂移為0.94°/30 m，平均日進(jìn)尺40 m；分支2 與分支4 孔均采用雙扶穩(wěn)斜鉆具組合，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)井斜漂移為0.94°/30 m、方位漂移為0.63°/30 m，利用定向鉆進(jìn)調(diào)整軌跡頻次明顯降低、定向鉆進(jìn)段長(zhǎng)度大幅度減小，平均日進(jìn)尺65 m，

鉆具組合優(yōu)化前后漂移量與日進(jìn)尺對(duì)比如下：

1）常規(guī)鉆具組合。井斜漂移量1.56°/30 m，方位漂移量0.94°/30 m，平均日進(jìn)尺40 m。

2）雙扶穩(wěn)斜鉆具組合。井斜漂移量0.94°/30 m，較常規(guī)鉆具組合降低；方位漂移量0.63°/30 m，較常規(guī)鉆具組合降低；平均日進(jìn)尺65 m，較常規(guī)鉆具組合提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

精準(zhǔn)設(shè)計(jì)及控制井眼主孔在治理層的著陸點(diǎn)、保障各水平分支注漿孔軌跡位于治理層內(nèi)平滑鉆進(jìn)以及降低井斜、方位漂移量是多分支水平注漿井鉆進(jìn)關(guān)鍵及保障后續(xù)注漿加固效果前提。通過(guò)設(shè)計(jì)鉆取導(dǎo)眼探孔精準(zhǔn)獲得了煤層、治理L8灰?guī)r及緊鄰上下巖層的伽馬、層厚及埋深等地質(zhì)構(gòu)造信息，為注漿井主孔在L8灰?guī)r層精準(zhǔn)著陸的設(shè)計(jì)與控制提供依據(jù)；通過(guò)優(yōu)化常規(guī)多分支水平注漿井鉆具組合，優(yōu)選欠尺寸對(duì)稱扶正器螺桿、欠尺寸（φ146 mm）凸起部位自帶滾珠的球形扶正器構(gòu)成雙扶穩(wěn)斜鉆具組合大幅度降低了定向及復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程井斜和方位漂移量，明顯減少了分支孔軌跡定向調(diào)整頻次和定向段的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制多分水平注漿井軌跡位于L8灰?guī)r層穩(wěn)定光滑鉆進(jìn)，減緩了長(zhǎng)水平分支注漿孔鉆進(jìn)過(guò)程造成的托壓現(xiàn)象，提高了L8灰?guī)r層內(nèi)日鉆進(jìn)尺率，為趙固一礦區(qū)域后續(xù)實(shí)施地面注漿加固多分支水平注漿井精準(zhǔn)控制軌跡提供了一定借鑒意義。