煤礦碎軟低滲煤層定向鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉 晶

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277000）

本文以棗莊礦業(yè)集團(tuán)的礦井工程為例進(jìn)行煤層定向鉆進(jìn)技術(shù)研究。該礦層所在區(qū)域具有地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、煤礦碎軟、整體結(jié)構(gòu)透氣性差等特點(diǎn)，現(xiàn)有作業(yè)方案不適用于煤礦碎軟低滲煤層的定向鉆進(jìn)施工，在低滲煤層使用傳統(tǒng)鉆進(jìn)方案會(huì)出現(xiàn)掉鉆、成孔率低等缺陷[1]。為解決此方面問題，提高低滲煤層的鉆進(jìn)施工作業(yè)綜合水平，在此次研究中，對(duì)碎軟低滲煤層定向鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)展開研究，提高煤礦工程的綜合效益與作業(yè)水平。

1 工程概況

1.1 地層情況

付村煤礦井田煤炭資源豐富，主采煤層為二疊系山西組3上、3下煤層。目前正在開采的工作面是3上412。其工作面井下位置位于東二輔助采區(qū)西南部，西鄰匯子斷層30～346 m 不等，南距大屯斷層邊界斷層150 m，東距3上216回采工作面采空區(qū)5 m，為半孤島工作面。該面煤層埋藏深度為380～470 m，東北部埋藏深，東南部埋藏較淺。煤層屬厚煤層，厚度5.05～5.91 m，平均5.50 m，厚度穩(wěn)定，變化幅度不大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采性好。由于受周圍大斷層的切割，形成了一個(gè)半封閉的水文地質(zhì)單元，主要有第四系松散含水層等含水體或含水層。主要含水層具有發(fā)育程度與含水性不均一，淺部含水性較強(qiáng)，隨著深度增加而減弱，以靜儲(chǔ)量為主、動(dòng)儲(chǔ)量為輔的特點(diǎn)，水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單－中等類型。

1.2 影響鉆進(jìn)的地質(zhì)因素

在付村煤礦井田的定向鉆進(jìn)區(qū)域，存在多個(gè)地質(zhì)因素可能會(huì)影響鉆進(jìn)作業(yè)。以下是其中一些重要的地質(zhì)因素：

1）大斷層切割。在鉆進(jìn)作業(yè)中，穿越或靠近大斷層的區(qū)域往往會(huì)遇到地質(zhì)構(gòu)造變化，例如巖層錯(cuò)動(dòng)、褶皺或斷裂現(xiàn)象，這可能影響鉆孔的穩(wěn)定性。且可能會(huì)受到高水平或復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力影響，這會(huì)導(dǎo)致地層變形、巖層破裂或鉆孔塌陷等問題。因此，在鉆進(jìn)作業(yè)過程中，需要進(jìn)行詳細(xì)的勘探和分析，并采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施來確保鉆孔的穩(wěn)定性和安全性。

2）主要含水層。井田內(nèi)存在多個(gè)主要的含水層，這些含水層的發(fā)育程度和含水性可能會(huì)對(duì)鉆進(jìn)作業(yè)產(chǎn)生影響，較強(qiáng)的含水層可能導(dǎo)致泥漿稀釋，降低鉆井速度。同時(shí)，如果鉆井液與含水層相互滲流，可能會(huì)引起巖屑的沖刷，進(jìn)一步降低鉆進(jìn)速度，因此需要進(jìn)行相應(yīng)的排水措施和防滲處理。

所以，基于上述分析來確定鉆進(jìn)技術(shù)，以達(dá)到預(yù)期效果。

2 定向鉆進(jìn)勘探與鉆孔定位

為確保定向鉆進(jìn)施工可以達(dá)到預(yù)期效果，需要在施工前，進(jìn)行煤礦碎軟低滲煤層的定向鉆進(jìn)勘探，提出兩種勘探方式，如圖1、圖2。

圖1 分支孔式勘探方式

圖2 波浪線式勘探方式

根據(jù)煤礦碎軟低滲煤層的實(shí)際情況，選擇對(duì)應(yīng)的勘探方式，掌握定向鉆進(jìn)作業(yè)面的土質(zhì)情況，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行煤礦碎軟低滲煤層的鉆孔定位，此環(huán)節(jié)是煤礦定向鉆進(jìn)工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]。在設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆孔定位之前，應(yīng)全面、系統(tǒng)地掌握煤層的地質(zhì)信息，了解煤層的走向、傾角，根據(jù)鉆孔有關(guān)參數(shù)，對(duì)鉆孔的方向、傾角進(jìn)行適當(dāng)選取，盡量在煤層較為穩(wěn)固的地段鉆孔，以確保后續(xù)定向鉆進(jìn)工作的可靠性。

3 鉆探設(shè)備

定向減阻鉆進(jìn)與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)施工均采用現(xiàn)有鉆進(jìn)設(shè)備機(jī)具，主要包括全液壓坑道鉆機(jī)、泥漿泵和隨鉆測(cè)量設(shè)備[3]。鉆具組合為PDC 鉆頭+螺桿鉆具+變徑接頭+下無磁鉆桿+隨鉆測(cè)量?jī)x器+上無磁鉆桿+變徑接頭+鉆桿。鉆探設(shè)備機(jī)具主要性能參數(shù)見表1。

表1 煤礦碎軟低滲煤層勘探與定向鉆進(jìn)配套設(shè)備

4 定向鉆進(jìn)過程中的軌跡設(shè)計(jì)與控制

4.1 滑動(dòng)定向鉆進(jìn)

對(duì)煤層射孔壓裂處進(jìn)行處理后，可進(jìn)行定向鉆進(jìn)過程中軌跡的設(shè)計(jì)。采用Φ42 mm 外平鉆桿和Φ75 mm 復(fù)合片式鉆機(jī)，以47°的傾斜角度，在巖層進(jìn)行內(nèi)鉆。見煤后，在煤層內(nèi)鉆見頂。試驗(yàn)孔在見到煤層后會(huì)發(fā)生造斜，造成煤孔段內(nèi)的井段向下彎曲，從而使煤層的孔段長(zhǎng)度變長(zhǎng)，同時(shí)也加大了單孔煤巖的孔長(zhǎng)比例[4]?？紤]到在此過程中彎曲鉆井的軌跡并不是理想的圓弧狀，因此，在設(shè)計(jì)定向鉆進(jìn)軌跡時(shí)，可以根據(jù)煤層的厚度來設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)。此過程如圖3。

圖3 定向鉆進(jìn)過程中的軌跡

為保證鉆孔可以在煤層中延伸，使用穩(wěn)定的組合鉆具控制鉆進(jìn)方位。穩(wěn)定組合鉆具主要有：上鉆、下鉆、側(cè)鉆三種組合，通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定器的數(shù)量和放置位置，發(fā)揮鉆具的組合作用。通過此種方式，降低井內(nèi)塌孔、夾鉆等安全隱患。同時(shí)，在定向鉆進(jìn)期間，要隨時(shí)通過孔口排渣和壓力計(jì)對(duì)鉆孔內(nèi)狀況進(jìn)行判斷，一旦出現(xiàn)異常，立即進(jìn)行處置，以此實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)過程中的軌跡控制。

4.2 定向減阻鉆進(jìn)

鉆孔開孔方位和終孔方位已知，對(duì)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)進(jìn)行減阻優(yōu)化，主要從開孔傾角和鉆孔造斜曲率兩方面進(jìn)行優(yōu)化。方位造斜段為避免受地層自然造斜影響，應(yīng)選擇硬度大和地層各向同性地層。由綜合柱狀圖可知，本溪組上部灰白色砂巖層最適合作為方位造斜段的層位。傾角造斜段最大高度16.8 m，鉆孔最大開孔傾角可通過墊枕木等形式達(dá)到-19°。由式（1）計(jì)算得鉆孔造斜曲率為0.18° /m，符合鉆孔軌跡設(shè)計(jì)要求。鉆孔彎曲度越小，分支鉆進(jìn)難度越大。因此，選取鉆孔造斜曲率為0.2° /m，開孔傾角選擇為-19°。由式（2）可計(jì)算出試驗(yàn)孔各孔段長(zhǎng)度。由計(jì)算可得，傾角造斜段長(zhǎng)度為75 m，穩(wěn)斜穩(wěn)方位段長(zhǎng)度為96 m，方位造斜段為102 m，水平段長(zhǎng)度為727 m。

式中：R為造斜段對(duì)應(yīng)圓半徑，m；l為造斜段對(duì)應(yīng)圓弧長(zhǎng)，m；γ為鉆孔造斜曲率，°/m；θ為開孔傾角，（°）；h為造斜段垂直高度，m。

式中：H為穩(wěn)斜段垂直高度，m。

4.3 軌跡控制及鉆進(jìn)參數(shù)選擇

實(shí)鉆軌跡控制按照常規(guī)方式，在造斜段選取某一固定角度進(jìn)行鉆進(jìn)，穩(wěn)斜段和水平段采用不斷調(diào)整工具面向角的方式，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)參數(shù)選擇隨孔深增加和巖性變化而逐步增加。開孔段巖層硬度較小，且主要為泥巖，給進(jìn)壓力、泵壓和沖洗液量不宜過大，一般選取給進(jìn)壓力1 MPa，泵壓3 MPa，沖洗量為168 L/min。當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)速度下降時(shí)，增大給進(jìn)壓力、泵壓和沖洗液量使鉆進(jìn)速度保持穩(wěn)定。

5 效果分析

本施工共在現(xiàn)場(chǎng)定位4 個(gè)主孔與10 個(gè)分支孔。以10 個(gè)分支孔為例，初步檢驗(yàn)本文提出方法在實(shí)際應(yīng)用中的鉆孔定位偏差（排除現(xiàn)場(chǎng)存在安全隱患后，安排人工進(jìn)行鉆孔位置的檢驗(yàn)，記錄偏差值）。相關(guān)內(nèi)容如圖4。

圖4 煤礦碎軟低滲煤層作業(yè)面鉆孔定位偏差

從上述圖4 可以看出，10 個(gè)分支孔的碎軟低滲煤層作業(yè)面鉆孔定位偏差均＜3 mm，即鉆孔定位精度較高。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行碎軟低滲煤層的射孔壓裂處理，通過對(duì)定向鉆進(jìn)過程中的軌跡設(shè)計(jì)與控制，完成煤礦工程作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的定向鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。以主孔A 為例，對(duì)其進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)定向鉆進(jìn)，繪制鉆進(jìn)過程中的實(shí)鉆軌跡與理論軌跡，如圖5。按照上述方式，記錄剩余分支孔的實(shí)鉆軌跡與理論軌跡，統(tǒng)計(jì)定向鉆進(jìn)過程中多條軌跡的最大鉆進(jìn)偏差。其結(jié)果可通過下述公式計(jì)算得到。

圖5 定向鉆進(jìn)過程中的實(shí)鉆軌跡與理論軌跡

式中：P表示最大鉆進(jìn)偏差，mm；p1表示統(tǒng)一剖面的實(shí)鉆軌跡測(cè)點(diǎn)；p2表示統(tǒng)一剖面的理論軌跡測(cè)點(diǎn)。按照上述方式，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6。

圖6 定向鉆進(jìn)過程中多條軌跡的最大鉆進(jìn)偏差結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從上述圖6 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，所測(cè)的10 個(gè)分支孔定向鉆進(jìn)軌跡最大偏差均未超過0.1 m，符合煤礦碎軟低滲煤層定向鉆進(jìn)要求。本文設(shè)計(jì)的定向鉆進(jìn)方法可以在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行高精度控制，降低定向鉆進(jìn)過程中的偏差。

6 結(jié)論

煤礦工程開發(fā)企業(yè)在碎軟煤礦開采與鉆進(jìn)工程的施工作業(yè)中所取得的成果稍有落后，為解決此方面問題，通過定向鉆進(jìn)勘探與鉆孔定位、合理選擇鉆探設(shè)備、定向鉆進(jìn)過程中的軌跡設(shè)計(jì)與控制，完成了煤礦碎軟低滲煤層定向鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)其碎軟低滲煤層作業(yè)面鉆孔定位偏差均小于3 mm，鉆孔定位精度較高，且鉆井軌跡與實(shí)鉆軌跡間的最大偏差均未超過0.1 m，在鉆井作業(yè)方面具有一定的實(shí)用性。