梅花井礦地面生命保障孔工程試驗關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

康玉國，張 彪，張 明

（北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京100040）

煤礦和非煤礦山災(zāi)害頻發(fā)，常常導(dǎo)致井下被困人員喪失生命。如果在事故發(fā)生后第一時間打通與被困人員的聯(lián)系通道，及時提供有效的給養(yǎng)物資，在維持礦工生命的條件下，逐步開展進一步的救援工作，將大大降低事故傷亡率和財產(chǎn)損失[1-2]。2015 年我國平邑石膏礦坍塌事故和2021 年棲霞笏山金礦爆炸坍塌事故15 名被困礦工等成功救援實踐進一步表明：“小直徑生命保障孔＋大直徑救援井＋提升技術(shù)裝備”的模式是進行礦山災(zāi)害救援的一種有效途徑[3-4]。小直徑生命保障孔快速成孔、精準(zhǔn)透巷成為此救援體系實施的前提，現(xiàn)有礦山應(yīng)急救援技術(shù)多來自于石油鉆井、煤田勘查鉆井等，應(yīng)用于礦山救援領(lǐng)域雖然取得了很大的進步，但在快速成孔和井眼軌跡控制方面，仍然還有很多關(guān)鍵性技術(shù)還未攻克，尤其對松散覆蓋層、強含水層、裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層難以實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速鉆進[5-6]。寧夏梅花井礦地面生命保障孔示范工程試驗，針對礦區(qū)地質(zhì)條件，以快速、精準(zhǔn)鉆進為主線，分析其快速鉆進和精準(zhǔn)定向的影響關(guān)系，通過集成新技術(shù)、新方法，解決快速成孔、精準(zhǔn)鉆進與防漏、防塌等關(guān)鍵難題，為復(fù)雜地質(zhì)條件下生命保障孔快速精準(zhǔn)鉆進技術(shù)組合的建立提供現(xiàn)場依據(jù)，取得的工藝技術(shù)和成果數(shù)據(jù)具有重要的礦山應(yīng)急救援示范意義。

1 梅花井礦地質(zhì)條件與鉆井工藝優(yōu)選

1.1 梅花井礦地質(zhì)條件梅花井礦

梅花井礦位于寧夏回族自治區(qū)寧東煤田鴛鴦湖背斜東翼中部，礦區(qū)構(gòu)造整體呈近南北走向，由西向東傾伏的單斜構(gòu)造。傾角向東逐漸變緩，復(fù)雜程度評價為簡單構(gòu)造。梅花井礦生命保障孔鉆遇地層傾角約為17°。

生命保障孔設(shè)計井深670 m，鉆遇地層從老到新依次為：侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）和第四系（Q）。影響生命保障孔施工的含水層依次為侏羅系上統(tǒng)安定組裂隙孔隙水含水層、直羅組下段裂隙孔隙水含水層、延安組砂巖裂隙孔隙含水層。據(jù)地質(zhì)及水文資料，施工風(fēng)險主要有：①表層為第四系黃土層，下部有礫石，鉆進過程中易掉塊和卡鉆；②安定組地層以灰褐、紫紅、紫褐色粉砂巖和泥巖為主，夾灰白、灰綠色中-細粒砂巖，鉆進過程中易漏失、縮徑和坍塌；③直羅組地層大部分為細粒砂巖、中粒砂巖和粉砂巖，有大段的含水層，鉆進過程中易漏失、縮徑和坍塌；④延安組地層為粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖和煤層，鉆進過程中要砂層（含水層）漏失，及頻繁互層膠結(jié)面不穩(wěn)定易坍塌，煤層遇水膨脹縮徑及坍塌；⑤地層傾角大、巖層各向異性強，地層自然造斜能力強，井眼易偏斜。

1.2 復(fù)雜地層與鉆井工藝適應(yīng)性

生命保障孔施工必須堅持快速和精準(zhǔn)2 個根本原則，要求選擇的鉆井工藝具備機械鉆速快，鉆進深度大，井下安全事故少等能力，以及設(shè)備安裝方便適配性強，施工流程簡潔高效，使用鉆具、配件及泥漿材料易在當(dāng)?shù)匮a充或更換，以避免非生產(chǎn)時間過長，而影響成孔速度。綜合現(xiàn)場救援對快速成孔的需求，對泥漿復(fù)合鉆進、高壓射流鉆進、空氣鉆進、潛孔錘跟管鉆進等技術(shù)進行綜合評價。

1）提高機械鉆速與硬巖層鉆進能力方面。高壓射流鉆進采用水力破巖和機械破巖方式[7]，在一般地層中鉆進能力最快，但對增壓設(shè)備要求高；空氣潛孔錘鉆進的沖擊破碎更有利于提高硬地層的鉆進速度，因為在鉆進堅硬的磨蝕硬地層時，沖擊破巖比剪切破巖效果更好[8-9]，而且采用空氣鉆進技術(shù)，由于井中使用的循環(huán)介質(zhì)是沒有重力的氣柱，改變了井底應(yīng)力的狀態(tài)，在鉆頭前方的完整地層中形成大范圍的低應(yīng)力區(qū)域，以促進巖石碎裂。當(dāng)井中充滿氣體時，這種拉應(yīng)力具有破壞巖石的作用，也有利于剪切破裂；空氣潛孔錘跟管鉆進不僅具有空氣鉆進的技術(shù)優(yōu)勢，還節(jié)省了下套管的時間，使成孔速度大大加強[10]；泥漿復(fù)合鉆進由于動力鉆具的加持，能夠大幅度提高機械鉆速[11-12]。

2）防斜糾斜能力方面?？諝忏@進技術(shù)應(yīng)用于直井時，具備較強的防斜糾斜能力，但精準(zhǔn)糾斜和定向鉆進技術(shù)還不成熟，施工定向斜井效果不佳，隨著空氣螺桿等的發(fā)展與成熟，會極大的推動空氣鉆進技術(shù)的發(fā)展。泥漿復(fù)合鉆進采用PDC 鉆頭+單彎螺桿+無線隨鉆測斜儀（MWD）可實現(xiàn)定向滑動鉆進，具有防斜、糾斜和精準(zhǔn)鉆進的能力[12]。

3）控制漏失、坍塌等地層處理能力方面。泥漿復(fù)合鉆進遇到漏失地層，往往采用隨鉆堵漏、加堵漏劑、水泥漿灌注或下套管封隔等方法，遇到惡性漏失地層往往效果不佳[13-14]，空氣鉆進循環(huán)介質(zhì)為空氣或泡沫，在處理地層惡性漏失方面具有優(yōu)勢；泥漿鉆進如果鉆遇水敏巖層，循環(huán)介質(zhì)和頁巖中的水會發(fā)生物理和化學(xué)相互作用，降低泥頁巖強度，導(dǎo)致井壁坍塌和頸縮等井下事故，空氣鉆井因為沒有水做循環(huán)介質(zhì)，因此不會導(dǎo)致井壁水化坍塌等事故的發(fā)生，但如果地層較為松軟，易坍塌，空氣鉆井則不利于防塌處理[15-17]；空氣潛孔錘跟管鉆進由于套管對復(fù)雜地層的有效封隔，處理能力最強。

4）處理地層出水能力方面?？諝鉂摽族N鉆進屬于負壓欠平衡鉆進，地層水容易侵入鉆孔，使黏土顆粒凝結(jié)膨脹，容易造成環(huán)空堵塞及卡鉆事故，鉆進時還需要克服水柱壓力，如果出水量大于10 m3/h，巖屑上返困難，鉆效降低甚至無法施工，因此鉆遇含水量大地層時應(yīng)及時更換其他鉆進技術(shù)手段。

5）鉆進深度能力方面。高壓射流鉆進與空氣潛孔錘跟管鉆進，適用于第四系松散覆蓋層鉆進，并需要配備大排量泥漿泵、空壓機、增壓機等，不適用于深井鉆進，其他鉆進技術(shù)適用于深井鉆進。

綜上，不同鉆井工藝在各地層中施工時各有優(yōu)劣，不同鉆井工藝在地層中鉆進時遇到各種復(fù)雜情況時的處理能力差異性也較大，不同鉆井工藝鉆進能力綜合評價表見表1，不同鉆井工藝與地層適應(yīng)性表見表2。

表1 不同鉆井工藝鉆進能力綜合評價表Table 1 Comprehensive evaluation table of drilling capacity of different drilling technologies

表2 不同鉆井工藝與地層適應(yīng)性表Table 2 Table of drilling technology and formation adaptability

1.3 生命保障孔工程試驗鉆井工藝優(yōu)選

梅花井礦區(qū)地層傾角17°左右，巖層各向異性強，地層自然造斜能力高，空氣鉆進雖具有一定防斜糾斜能力，但在大傾角地層受地層自然造斜力影響較泥漿鉆進大，且出現(xiàn)大斜度井時不能進行定向糾斜，難以滿足精準(zhǔn)鉆進的要求。另外現(xiàn)場救援還需要鉆進設(shè)備安裝方便、適配性強，施工流程簡潔高效，使用鉆具、配件及泥漿材料易在當(dāng)?shù)匮a充更換，避免非生產(chǎn)時間過長影響成孔速度，泥漿鉆進較空氣鉆進具有優(yōu)勢。

高壓射流鉆進與空氣潛孔錘跟管鉆進，適用于第四系松散覆蓋層鉆進，并需要配備大排量泥漿泵、空壓機、增壓機等，不適用于深井鉆進。

空氣潛孔錘鉆進適用于干旱缺水地區(qū)和地表出露巖石地區(qū)，其鉆進效率比泥漿鉆進高，而且潛孔錘鉆進不使用水及泥漿材料，因此在提高生產(chǎn)效率、降低施工成本目的方面具有優(yōu)勢，梅花井礦所在地區(qū)水源充足，空氣潛孔錘優(yōu)勢不明顯；適宜鉆進較硬地層，在第四系表土層尤其是松軟土層沖擊鉆進時，容易造成孔壁垮塌，鉆進裂隙發(fā)育的地層時，由于空氣漏失、巖屑很難返出，造成空氣潛孔錘鉆進無法施工；空氣潛孔錘屬負壓欠平衡鉆進，地層水容易侵入鉆孔，安定組與直羅組存在多個含水層，富水性中等，部分層算出水量大于10 m3/h，鉆效將降低甚至無法施工。

空氣泡沫鉆進對于地層的適應(yīng)性較好，尤其適用于惡性漏失地層，但同樣存在防斜能力差，出現(xiàn)大斜度井無法糾斜的缺點，而且空氣泡沫鉆進配套設(shè)備多，泡沫液的配制、灌注、消泡等要求高，工藝相對復(fù)雜，造價較高。

綜合以上分析，工程試驗選用泥漿復(fù)合鉆井工藝。通過調(diào)整泥漿性能，來預(yù)防井塌井漏等復(fù)雜條件，相較其他鉆井工藝處理井內(nèi)風(fēng)險更加靈活，適用地層更加廣泛；泥漿復(fù)合鉆進屬于近平衡鉆進，受出水量影響較??；出現(xiàn)大斜度井時，可使用單彎螺桿+隨鉆測斜儀（MWD）等定向工具組合進行糾斜，實現(xiàn)鉆井軌跡的精準(zhǔn)控制；針對梅花井礦地質(zhì)條件，通過優(yōu)化PDC 鉆頭、鉆井液性能和鉆進參數(shù)，使用螺桿動力鉆具和大排量泥漿泵等手段能夠?qū)崿F(xiàn)生命保障孔的防斜打快。

2 生命保障孔快速精準(zhǔn)鉆進關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計合理與否，是關(guān)系到生命保障孔能否精準(zhǔn)透巷，完成救援任務(wù)的首要問題。為減少下套管用時時間，生命保障孔采用套管程序力求簡單，考慮到鉆井安全性及實用性的總體特點，本次工程試驗采用二開結(jié)構(gòu)設(shè)計，梅花井礦生命保障孔工程試驗井身結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 梅花井礦生命保障孔工程試驗井身結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of life support engineering test shaft in Meihuajing Mine

一開表層套管以封固松散層、漏失層及易垮塌層等復(fù)雜地層為主，防止井下事故，采用大尺寸鉆頭鉆進，保證開鉆井眼、完鉆井眼相對較大，為后續(xù)井段鉆頭和套管的選擇留有余地，選擇φ311.1 mm 鉆頭開井眼，下入φ244.5 mm 表層套管，下入套管后，直接進行二開鉆進。

二開鉆進以防斜、防漏、防塌為主，選擇φ215.9 mm 鉆頭，鉆至+697 m 水平車場以下15 m 完鉆，下入φ177.8 mm 技術(shù)套管，利用常規(guī)法進行固井。

實際搶險救援時，二開快速精準(zhǔn)鉆進至在距離巷道10～15 m 處時應(yīng)停鉆，鑒于二開套管下入后，無論固井與否，井筒中充滿泥漿或清水，繼續(xù)采用泥漿鉆進透巷，會導(dǎo)致泥漿或清水灌入巷道中，對被困人員造成二次傷害。因此在透巷段裸眼鉆進時，先下入小直徑常規(guī)鉆桿至井底，接入空壓機將井筒中鉆井液吹干，用空氣潛孔錘繼續(xù)鉆進10～15 m 實現(xiàn)透巷。

2.2 鉆具組合優(yōu)化

鑒于礦山救援快速鉆進的需要，生命保障孔鉆具組合須具備以下幾點要求：能有效地控制井眼全角變化率及井斜角，從而保證井身質(zhì)量；鉆頭工作的穩(wěn)定性高，并能施加較大的鉆壓，有利于提高鉆速；為了起下鉆順利節(jié)省非鉆進時間，在可能的條件下組合應(yīng)盡量簡化。生命保障孔工程試驗鉆具組合見表3。二開主井段采用單彎螺桿+無線隨鉆儀器（MWD）跟蹤調(diào)整井眼軌跡。

表3 鉆具組合表Table 3 Bottom hole assembly table

2.3 鉆頭優(yōu)選設(shè)計

根據(jù)梅花井礦地質(zhì)條件和鄰井巖層特性分析，優(yōu)化設(shè)計一款適合于中軟巖地層快速鉆進的PDC鉆頭，形成一趟鉆提速增效關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計流程如下：

1）巖石力學(xué)分析。利用巖石力學(xué)分析軟件，分析鄰井地層測井資料，根據(jù)其聲波、伽馬數(shù)據(jù)，計算各巖層力學(xué)性能，為PDC 鉆頭選型及優(yōu)化設(shè)計提供定量的分析數(shù)據(jù)，初步建立PDC 鉆頭選型，生命保障孔PDC 鉆頭初步選型表見表4。

表4 生命保障孔PDC 鉆頭初步選型表Table 4 Preliminary selection of PDC bit for life support hole

2）力平衡計算。根據(jù)鉆頭初步選型及本井給出的地質(zhì)數(shù)據(jù)及每米巖性分析建立PDC 鉆頭、井底和井壁的數(shù)字化幾何模型；分析基于PDC 鉆頭的切削齒工作表面與巖石的互作用關(guān)系；建立不同規(guī)則形狀（圓、橢圓）PDC 工作面的接觸區(qū)域、接觸面積、切削面積切削體積和橫向不平衡力的計算方法和誤差驗證分析；建立PDC 工作面不同程度磨損條件下接觸區(qū)域、接觸面積、切削面積和切削體積的計算方法和誤差驗證分析；利用計算機仿真技術(shù)模擬在不同工作參數(shù)和均質(zhì)地質(zhì)環(huán)境條件下，切削齒的運動軌跡和整體切削痕跡；分析不同地質(zhì)條件PDC 鉆頭穿歷不同夾層時切削齒工作表面與巖石的動態(tài)互作用關(guān)系；分析PDC 鉆頭存在公轉(zhuǎn)（即鉆頭中心與井眼中心不重合）情況下切削齒側(cè)面對切削力的影響，建立相應(yīng)公轉(zhuǎn)模型和接觸區(qū)域、接觸面積、切削面積和切削體積。根據(jù)力平衡計算，優(yōu)化齒位的分布及每顆齒位的角度，使每顆齒都能極大的發(fā)揮其作用。

3）優(yōu)化流體分析技術(shù)。在初步建模的基礎(chǔ)上，采用Siemens 的CAE 仿真驗證，提供給每個設(shè)計鉆頭做井底流場優(yōu)化，計算出最貼切實際的流道，有效減小泥包風(fēng)險，同時提高鉆頭復(fù)合片在井底工作壽命。鉆頭流體優(yōu)化分析圖如圖2。

圖2 鉆頭流體優(yōu)化分析圖Fig.2 Analysis diagram of bit fluid optimization

4）水馬力優(yōu)化方案。根據(jù)鉆頭特性、泥漿性能和鉆具組合情況，優(yōu)化PDC 鉆頭最佳水力配置，計算出適合本地區(qū)最佳的水眼配置：2 個φ16 mm+5 個φ14 mm。水馬力優(yōu)化模擬圖如圖3。

圖3 水馬力優(yōu)化模擬圖Fig.3 Simulation diagram of hydraulic horsepower optimization

5）建模確定。綜合多方位優(yōu)化方案及產(chǎn)品全面三維PDC 鉆頭模型優(yōu)化，最終確定優(yōu)化后PDC 鉆頭效果，鉆頭由成都奧尤菲德公司制作完成。試驗驗證表明：優(yōu)化后的鉆頭有利于井斜和方位的控制，保徑齒的增加增強了側(cè)向切削能力及耐磨性，整體磨損輕微，顯示出適合于本區(qū)塊地層鉆進的特性。優(yōu)化PDC 鉆頭效果圖圖4。

圖4 優(yōu)化PDC 鉆頭效果圖Fig.4 Effect of optimized PDC bit

2.4 鉆進參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)泥漿性能、鉆頭參數(shù)及單彎螺桿性能參數(shù)，優(yōu)化鉆進參數(shù)組合，其中以水力參數(shù)優(yōu)化為重點，優(yōu)化設(shè)計排量與立管壓力，以充分發(fā)揮動力螺桿鉆具效果，提高清巖和水力破巖效果。生命保障孔鉆進參數(shù)表見表5。

表5 生命保障孔鉆進參數(shù)表Table 5 Life support hole drilling parameters table

2.5 井眼軌跡控制

鉆進過程中根據(jù)設(shè)計要求不斷調(diào)整鉆頭軸線方向，控制不同深度處鉆孔井斜角和井斜方位角，即不斷調(diào)整鉆頭工具面角。采用MWD+1.5°單彎螺桿鉆具組合，利用孔內(nèi)泥漿脈沖探管測量鉆孔軌跡參數(shù)（傾角和方位角）及螺桿馬達工具面向角并傳遞至孔口計算機，通過計算機內(nèi)軟件處理后得到實際鉆孔軌跡及其與設(shè)計鉆孔軌跡偏差情況；定向人員分析偏差情況，在需要糾斜時通過調(diào)整螺桿馬達工具面角實施滑動定向鉆進，在穩(wěn)斜時實施復(fù)合鉆進，實現(xiàn)在復(fù)雜地層中精確、高效鉆進。井眼軌跡控制示意圖如圖5。

圖5 井眼軌跡控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of well trajectory control

3 工程試驗應(yīng)用及成果

3.1 工程試驗結(jié)果

梅花井礦生命保障孔工程試驗流程圖如圖6。梅花井礦地面生命保障工程試驗采用T200XD 頂驅(qū)車載鉆機，鉆機提升、回轉(zhuǎn)能力性能優(yōu)良，配備大排量泥漿泵（F－1300），優(yōu)化設(shè)計了適用于礦區(qū)鉆進用的PDC 鉆頭、鉆井液和鉆進參數(shù)，采用PDC 鉆頭+1.5°單彎螺桿+MWD 儀器鉆具組合實現(xiàn)鉆井軌跡控制和快速鉆進。生命保障孔鉆達實際井深670.5 m（不含機高1.68 m），用時46.83 h，完鉆平均鉆速14.32 m/h，井底水平位移0.27 m，滿足600 m 深鉆孔72 h 黃金救援時間內(nèi)成孔要求，實踐成果先進，應(yīng)用效果顯著。

圖6 梅花井礦生命保障孔工程試驗流程圖Fig.6 Flow chart of life support hole engineering test in Meihuajing Mine

3.2 復(fù)雜地層快速精準(zhǔn)鉆進新技術(shù)集成技術(shù)

大傾角-中軟-涌水地層快速精準(zhǔn)鉆進技術(shù)組合圖如圖7。針對梅花井礦大傾角、中軟及涌水等復(fù)雜地層情況，基于泥漿復(fù)合鉆進和軌跡控制理論，形成復(fù)雜地層的快速精準(zhǔn)鉆進新技術(shù)集成，以液壓車載鉆機和大排量泥漿泵為關(guān)鍵設(shè)備，以優(yōu)化PDC 鉆頭、增加液動單彎螺桿鉆具、使用無線隨鉆儀（MWD）為關(guān)鍵鉆具組合方式的大傾角地層快速精準(zhǔn)鉆進技術(shù)。實現(xiàn)了既可以復(fù)合快速鉆進，又可以采用滑動鉆進、復(fù)合鉆進、調(diào)整工具面、選擇鉆具造斜率等手段進行鉆井軌跡控制，有效解決了大傾角地層下自然造斜力大而導(dǎo)致的井眼偏斜嚴(yán)重、井壁失穩(wěn)等難題，為地面生命保障孔實現(xiàn)快速精準(zhǔn)透巷提供了極為重要的技術(shù)方法。

圖7 大傾角-中軟-涌水地層快速精準(zhǔn)鉆進技術(shù)組合圖Fig.7 Combination diagram of fast and accurate drilling technology for large dip angle medium-soft water gushing formation

4 結(jié) 語

1）梅花井煤礦地層具有大傾角、中軟及涌水等特征，生命保障孔工程試驗時，面臨地質(zhì)風(fēng)險主要有井眼易偏斜、軌跡控制難，部分復(fù)雜層段存在易垮塌、井漏、縮徑等，在礦山應(yīng)急救援中具有代表性。

2）分析了典型救援區(qū)復(fù)雜地層與鉆井工藝適應(yīng)性分析，針對梅花井礦地層特征，優(yōu)選了復(fù)合鉆井工藝進行工程試驗，并根據(jù)現(xiàn)場救援特點，對井身結(jié)構(gòu)、PDC 鉆頭、鉆具組合、鉆進參數(shù)和井身軌跡控制技術(shù)進行了優(yōu)化。

3）生命保障孔工程試驗中，鉆達實際井深670.5 m，用時46.83 h，完鉆平均鉆速14.32 m/h，井底水平位移0.27 m，滿足了600 m 深鉆孔72 h 黃金救援時間內(nèi)成孔要求。

4）基于復(fù)合鉆進和軌跡控制理論，形成了復(fù)雜地層的快速精準(zhǔn)鉆進新技術(shù)集成，以液壓車載鉆機和大排量泥漿泵為關(guān)鍵設(shè)備，以優(yōu)化PDC 鉆頭、增加液動單彎螺桿鉆具、使用無線隨鉆儀（MWD）為關(guān)鍵鉆具組合方式的易偏斜、易垮塌等復(fù)雜地層快速精準(zhǔn)鉆進技術(shù)。