淺層高水垂比多分支水平孔鉆井工藝

向中林

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

1 概述

邢臺(tái)煤礦區(qū)經(jīng)過(guò)幾十年的開采，目前淺部易開采資源基本已枯竭，現(xiàn)階段陸續(xù)開采受水害威脅的下組煤層。鑒于下組煤層開采受奧陶系灰?guī)r水害威脅現(xiàn)狀及保水開采需要，提出了奧灰?guī)r溶水上帶壓開采水害治理的區(qū)域超前治理理念[1-2]。目前采用多分支水平孔進(jìn)行探查是礦井煤層底板水害區(qū)域治理最為有效的方法之一[3]，具體為地面選擇合適的位置開孔，通過(guò)對(duì)主孔（直孔段、造斜段）的施工，使鉆孔在著陸點(diǎn)沿目的層順層鉆進(jìn)；再在主孔合適的位置側(cè)鉆施工分支孔以實(shí)現(xiàn)對(duì)治理區(qū)域全覆蓋。但淺層高水垂比多分支水平孔較為少見(jiàn)。在此背景下，下組煤層9#煤底板水害區(qū)域治理成為葛泉煤礦防治水工作的重中之重。由于井田水文地質(zhì)條件復(fù)雜，井田褶皺和斷層構(gòu)造都十分發(fā)育[4]，煤層埋深淺；同時(shí)單分支孔水平長(zhǎng)度較大，致使鉆孔水垂比較大，施工難度高。筆者通過(guò)對(duì)淺層高水垂比多分支水平孔的應(yīng)用研究，結(jié)合實(shí)際施工，為解決葛泉礦煤層底板水害區(qū)域治理的施工難題提供良好支撐。

2 治理區(qū)域地質(zhì)概況

治理區(qū)域內(nèi)地層從新至老分別為第四系、石炭系、奧陶系。其中第四系表土層中含有兩層礫石層，總厚約30m；石炭系為煤系地層，巖性為砂巖、泥巖互層，從上至下包含了7#煤、8#煤、9#煤；奧陶系巖性為灰?guī)r。地層簡(jiǎn)化柱狀圖如圖1所示。

圖1 地層簡(jiǎn)化柱狀圖

9#煤平均厚度為5.6m，煤層傾角為5o～10o，煤層埋深為172.9～374.3m，9#煤試采直接充水水源為9#煤層底板下伏本溪灰?guī)r含水層和頂板大青灰?guī)r含水層。9#煤底板下38～55m 為奧陶系灰?guī)r含水層頂面，為下組煤開采的間接充水水源。葛泉礦為新生界地層全覆蓋型井田，地層基本形態(tài)受NE向的葛泉復(fù)向斜控制。井田內(nèi)以斷層為界的塊段改變了含水層水平方向的水力聯(lián)系，自然條件下，因各含水層之間均分布有厚度不等的隔水層。在完整塊段，各含水層之間水力聯(lián)系較弱；在導(dǎo)水構(gòu)造和采動(dòng)條件下可能使含水層之間水力聯(lián)系增強(qiáng)。

3 多分支水平孔鉆井方案

本方案綜合考慮工作面及地層展布情況、構(gòu)造特征、鉆探施工效能等因素，結(jié)合地面塌陷塘、構(gòu)筑物等，在地面合適位置布孔。通過(guò)鉆探對(duì)治理區(qū)段9#煤層底板灰?guī)r含水層溶隙、裂隙等儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道進(jìn)行交叉拉網(wǎng)式探查，達(dá)到區(qū)域勘查目的。鉆孔間距45～55m（大部分鉆孔按55m設(shè)計(jì)，邊角地區(qū)局部“羽”狀布置，間距控制在40～50m，斷層區(qū)按40～45m，適當(dāng)微調(diào)），如圖2所示。

圖2 鉆孔平面布置圖

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

由于施工區(qū)域第四系表土層上部及下部均有松散的礫石層，考慮到主孔施工的安全性，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，鉆孔采取四級(jí)式鉆井結(jié)構(gòu)，下入三層套管。如圖3所示，具體結(jié)構(gòu)如下：

圖3 四級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

（1）一開：采用氣錘沖擊開孔至24m，孔徑?500mm，下入?377mm×10mm 套管，采用單液水泥漿固井，水泥漿返至地面，隔離表土層上部礫石層；

（2）二開：孔徑?311.1mm，鉆進(jìn)至基巖下10m 左右，下入?244.5mm×8.94mm套管，采用單液水泥漿固井，水泥漿返高35m，隔離表土層下部礫石層；便于后期割套管作業(yè)；

（3）三開：孔徑?215.9mm，鉆進(jìn)至目的層奧灰下10m 以內(nèi)，下入?177.8mm×8.05mm 套管，采用單液水泥漿固井，水泥漿返高9#煤上50m，隔離煤系地層；

（4）四開：孔徑?152.4mm，裸孔段，沿目的層奧灰頂面下10～20m順層鉆進(jìn)。

3.2 鉆孔軌跡

由于孔口位置第四系表土層厚約93.5m，地面孔口所在區(qū)域的目的層埋深淺，僅225m 左右，需要在表土層適當(dāng)位置提前造斜；三開著陸點(diǎn)位置埋深232m 左右，需在有限的靶前距離和垂距內(nèi)導(dǎo)斜呈近水平進(jìn)入目標(biāo)層。

以注2 孔為例，其施工兩個(gè)主孔，共計(jì)10 個(gè)分支孔；設(shè)計(jì)從表土層50m處開始造斜，造斜段最大狗腿度（全角變化率）達(dá)到13.26o/(30m)，通過(guò)230m 的造斜到達(dá)著陸點(diǎn)，完成主孔的施工，各水平分支孔從主孔沿不同方位延伸出去。其鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，鉆孔剖面如圖4所示。

圖4 鉆孔剖面示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)施工

4.1 鉆井施工中遇到的難點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施

鑒于治理區(qū)域表土層較薄且含有兩層礫石，地面孔口所在區(qū)域的目的層埋深淺、治理區(qū)域面廣等原因；致使多分支水平孔在施工中面臨諸多難點(diǎn)；以注2孔為例，各個(gè)難點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的技術(shù)解決措施如下所述。

4.1.1 造斜點(diǎn)選擇范圍小

對(duì)于淺層水平孔來(lái)說(shuō)，造斜點(diǎn)淺，一般選為50～150m[5]。目的層埋深較淺，僅225m 左右；使得靶前位移和垂距受限，導(dǎo)致造斜點(diǎn)選取范圍較小。方案設(shè)計(jì)從50m 處開始造斜，但考慮到表土層為砂質(zhì)粘土和礫石層，按照方案設(shè)計(jì)施工可能達(dá)不到造斜要求。通過(guò)COMPASS 軟件不斷優(yōu)化井眼軌跡，造斜點(diǎn)選在24m處為最優(yōu)選擇，提前進(jìn)行造斜（即一開后便開始造斜作業(yè)）；在實(shí)際施工過(guò)程中，造斜段最大狗腿度由13.26o/(30m)降至12.42o/(30m)，有利于后期的施工。此措施突破了淺層水平孔造斜點(diǎn)選取范圍。

4.1.2 大狗腿度（全角變化率）鉆孔套管下入

在實(shí)際施工中，造斜段最大狗腿度達(dá)12.42o/(30m)，套管下入的難度大，在以往的施工中實(shí)屬罕見(jiàn)。為確保套管可以順利下入，采取了以下措施：①?zèng)_掃孔時(shí)，進(jìn)一步提高鉆井液的巖粉攜帶性能和潤(rùn)滑性能，減少孔內(nèi)巖粉的沉積和減小套管下入期間的摩擦阻力；②對(duì)狗腿度大的孔段進(jìn)行多次沖掃孔。套管下入結(jié)束后，開泵進(jìn)行鉆井液循環(huán)，以防循環(huán)不暢，影響固井。

4.1.3 高水垂比產(chǎn)生托壓現(xiàn)象

由表1可知，各分支水垂比均突破煤炭系統(tǒng)水垂比不大于2的慣例，且水垂比最大達(dá)到2.59。對(duì)于這種高水垂比多分支水平孔，在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿柱緊貼孔壁下部，與井壁的接觸面積增大，使得在水平段的后期施工中，摩擦阻力及扭矩增大，造成鉆頭加壓困難，產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，導(dǎo)致水平段延伸變得困難[6]。本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善：

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）優(yōu)化套管下入。設(shè)計(jì)三開下入?177.8mm×8.05mm套管，在實(shí)際施工過(guò)程中，三開套管下至295m（著陸點(diǎn)），采用下部下入?177.8mm×8.05mm 套管46.70m，?177.8mm 變?193.7mm 的變徑0.8m，上部下入?193.7mm×8.33mm 套管247.50m；井斜角為60o時(shí)對(duì)應(yīng)的井深為247.50m；此措施便于后期使用鉆鋌或加重鉆桿進(jìn)行加壓以減緩?fù)袎含F(xiàn)象。

（2）優(yōu)化鉆具組合。四開水平段需在距奧灰頂面下10～20m 順層鉆進(jìn)，由于地層傾角的緣故，井斜角在65.24o～88.55o之間變化。為了給鉆頭加壓，采用?152.4mmPDC 鉆頭+?120mm 單彎螺桿+?120mm定向短接+?120mm無(wú)磁鉆鋌（內(nèi)含MWD+Gamma）+?89mm 鉆桿+?127mm 加重鉆桿+?127mm 鉆鋌+?89mm鉆桿的倒裝鉆具組合。為確保有效加壓，將鉆鋌和加重鉆桿放在井斜角為45o～60o的井段中。每鉆進(jìn)不超過(guò)200m進(jìn)行一次短起下鉆作業(yè)，每次短起下鉆的長(zhǎng)度為200～500m。以物理方式清除井壁上的巖粉，減小摩擦阻力。

（3）優(yōu)化鉆井液性能。區(qū)域治理鉆井與石油鉆井有所不同，四開水平段正常鉆進(jìn)，必須采用無(wú)固相鉆井液，以防止?jié){液堵塞裂隙通道。目的層為灰?guī)r地層，較為穩(wěn)定，但是由于水平段較長(zhǎng)，巖粉攜帶困難，鉆進(jìn)時(shí)扭矩較大，所以要求鉆井液具有很好的巖粉攜帶性能和潤(rùn)滑性能，又要防止阻塞裂隙影響后續(xù)注漿效果；配方如下：

0.3%～0.6%抗鹽共聚物（GTQ）+0.1%～0.2%包被劑+1%～2%無(wú)熒光潤(rùn)滑劑（GULB）。其中抗鹽共聚物（GTQ）具有增粘、降濾失、抗污染等功能；包被劑通過(guò)物理作用包被泥頁(yè)巖，防止泥頁(yè)巖分散影響鉆井液性能；熒光潤(rùn)滑劑（GULB）在水平段鉆進(jìn)100m 以后加入。

在實(shí)際施工中采用的配方比例為：0.4%抗鹽共聚物（GTQ）+0.2%包被劑+1.5%無(wú)熒光潤(rùn)滑劑（GULB）。

如遇到斷層，鉆遇鋁土質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖等水敏性較強(qiáng)的地層，為保證孔內(nèi)安全，則需要將無(wú)固相鉆井液轉(zhuǎn)化為低固相鉆井液。

4.2 施工結(jié)果

葛泉礦區(qū)域治理鉆探過(guò)程中，利用上述技術(shù)措施，保證了鉆孔的順利施工，實(shí)現(xiàn)了在空間上實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏差控制在5m以內(nèi)，如圖5所示，鉆孔不僅揭露了斷層的存在，同時(shí)結(jié)合其他鉆孔資料，還明確了XDF2斷層的產(chǎn)狀，為后續(xù)的區(qū)域治理奠定了基礎(chǔ)。

圖5 實(shí)鉆軌跡剖面

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

葛泉礦區(qū)域治理探查鉆孔存在諸多施工難點(diǎn)，包括因目的層埋深淺，造斜點(diǎn)選擇范圍小，導(dǎo)致造斜段狗腿度大；因水平段長(zhǎng)，導(dǎo)致水垂比大，進(jìn)而產(chǎn)生托壓現(xiàn)象。本文采用了四開井身結(jié)構(gòu)，隔離表土礫石層；優(yōu)化井眼軌跡，采用倒裝鉆具組合，優(yōu)化套管的下入，優(yōu)化鉆井液性能等一系列技術(shù)措施，能夠有效地傳遞鉆壓，降低摩擦阻力，保證了鉆孔施工順利進(jìn)行。

葛泉礦區(qū)域治理淺層高水垂比多分支水平孔的順利施工，可以為其他煤礦淺層煤層的區(qū)域治理探查鉆孔施工提供借鑒和參考。