分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的研发与应用

2019-03-22聂新明

钻探工程 2019年3期

聂新明

(中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北石家庄 050031)

1 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的研发背景

随着无线随钻测量(MWD)技术的发展，随钻定向钻进技术[1-2]逐渐成熟，地面定向多分支钻孔注浆工艺在煤田奥灰水害地面区域治理方面[3-4]开始广泛应用，地面定向水平分支注浆钻孔即先在地面施工一个垂直钻孔(主孔)达到一定的设计深度，然后应用无线随钻测量(MWD)技术进行造斜进入奥灰顶部设计的目的层后，根据具体带压开采条件及含水层富水性选择奥灰顶部(一般奥灰顶面下不大于50 m)或大清灰岩含水层，变为多个水平或似水平分支孔钻进，沿钻孔轨迹最大限度揭露奥陶系灰岩裂隙及区内构造带，通过高压注浆对钻孔揭露的裂隙、断层、陷落柱等导水构造进行封堵，切断突水通道，保证深部开采工作面的安全。

2017年7月我院与兄弟单位合作共同承揽了“冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期钻探工程”施工任务，根据《冀中能源集团有限责任公司水害地面区域治理管理规定》，地面定向多分支注浆钻孔在钻进过程中，长距离出现孔内泥浆不消耗时或泥浆消耗量<5 m3/h时，每隔50～80 m应进行孔口高压压水试验，根据试验结果，确定注浆参数[5-6]。由小泵量开始压水，若无压力，需要保证压水量大于孔内容积2倍才能停止压水，由30 m3/h泵量开始注浆；若压水过程中有压力，压力上升快，最小泵量压水时压力仍大于受注含水层最大静水压力的2倍，说明该孔段吸浆量很小，则不需要注浆，可以继续钻进，进行下一孔段施工。

正在施工的注浆孔，做孔口压水试验[7-10]，使用传统的孔口装置，需要把孔内钻具全部提出孔外，地面定向水平多分支注浆钻孔一般情况下设计孔深大，大多在1500～2000 m，提、下钻需要耗费大量时间，为了减少提、下钻次数，缩短施工工期，减轻工人的劳动强度，我们研发出一套分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置，使用此装置做孔口压水试验，根据试验的结果作出判断，有压力继续钻进，无压力提钻注浆。大幅度加快了施工进度。

2 工程施工对钻孔压水试验孔口装置的要求

2.1 工程施工对钻孔压水试验孔口装置的基本要求

(1)能够密封钻孔，使整个钻孔形成一个密闭的容腔。

(2)必须有向孔内压水或注浆的通道。

(3)能够采集到反映出钻孔内漏失情况的压水试验数据。

2.2 工程施工对不提钻钻孔压水试验孔口装置的要求

(1)能够满足工程施工对钻孔压水试验孔口装置的3项基本要求。

(2)要求能够实现内外双重连接与密封。外能够与孔内套管相连并密封；内能够与孔内钻具相连接并密封。

(3)具有足够的强度，承载起孔内所有钻具的重力。

(4)连接、拆装方便，性能可靠。

3 传统钻孔压水试验孔口装置的结构及工作原理

该装置主体是用与孔内型号相同的套管加工而成，下端加工成套管公扣与孔内套管相连接，上端焊接盲板，实现对钻孔的密封；盲板上开孔装压力表，采集压水试验孔内数据；主体旁边开侧孔焊接压水(注浆)管接头，用以连接压水或注浆泵。结构如图1所示。

图1 传统钻孔压水试验孔口装置结构

4 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的结构[11-12]

分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置，设计为上下两部分，用法兰连接成一个整体，如图2所示。

图2 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置结构图

分体的目的一是为了拆装方便，二是为克服孔内套管与孔内钻具不同心时的丝扣连接问题。

此装置可分解为上接头和下接头两部分。上接头上有钻杆母接头可与主动钻杆相连，下有钻杆公接头可与孔内钻杆相连；下接头下有套管公扣与孔内套管相连，下接头侧面装有压力表和注水管接头，压力表用以采集压水试验数据，注水管接头实际应用时安装有注水阀门,连接压水或注浆设备；上下接头用法兰连接，法兰要选用加重法兰，螺丝用高强度螺丝，要求能够承受16 MPa以上的抗拉强度，上下法兰加工有子母口，母口内置O形密封圈，用来压水密封。

5 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的现场安装及使用方法

压水试验前，将钻具提离孔底，卸开主动钻杆，把装置下接头和O形密封胶圈一同套过孔内钻杆，与孔内套管连接，连接时丝扣处缠绕生料带以确保密封；装置上接头下端与孔内钻杆连接，上端与主动钻杆连接紧密后，转动钻具与下接头法兰对接，用螺丝紧固，完成安装作业。

钻杆外压水作业时，压水管与注水管阀门连接，主动钻杆上的高压胶管管汇阀门关闭，保证孔内密封，实施压水试验，通过压力表获取孔内资料数据。

此装置也可进行钻杆内压水试验，管路连接方式相同，关闭注水管阀门，保证孔内密封，打开与主动钻杆连接的高压胶管管汇阀门，用生产泵实施压水作业，通过压力表获取孔内资料数据。

6 两种钻孔压水试验孔口装置在工程中的应用

6.1 工程实例概况

“冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期钻探工程”项目是一项通过多分支水平井注浆方式，降低井下采掘期间水害威胁风险的工程[13-14]。本工程共设计DB1、DB2两个地面主孔，31个水平或似水平分支孔。其中，DB1孔由1个直井段，1个造斜段，16个分支孔(W1、W2…W16)构成；DB2孔由1个直井段，1个造斜段，15个分支孔(E1、E2…E15)构成。设计钻探工作量2.3万m。工程施工设计井身轨迹平面投影示意图如图3所示。

图3工程施工设计井身轨迹平面投影

Fig.3Planeprojectionofdesignboreholetrajectory

6.2 钻孔结构

本工程2个主孔钻孔结构相同，均为四级结构：设计一开采用Ø444.5 mm钻头开孔进入基岩层段10 m，下入Ø339.7 mm×9.65 mm石油地质套管，用水泥做永久性固管；二开采用Ø311.1 mm钻头开孔施工至2号煤采空区底板下20 m，下入Ø244.5 mm×8.89 mm石油地质套管，用水泥做永久性固管；三开进入造斜段，采用Ø215.9 mm钻头施工至奥灰顶界面以下2 m，下入Ø177.8 mm×9.19 mm石油地质套管，用水泥做永久性固管；四开采用Ø152.4 mm钻头裸孔钻进，进入奥陶系灰岩顶界面下25 m，进行水平或似水平分支孔钻进(见图4)。钻进过程中若遇到断层、陷落柱等地质构造导致井眼漏失时，起钻注浆封堵漏失层段[15]。

图4 DB1(DB2)孔钻孔结构

待注浆完成后下钻扫水泥，继续钻进直至终孔。每级入井套管均为“通天”套管。

6.3 主要施工设备及器具

根据设计情况，选择适合的施工设备，主要有:TSJ3000/445型钻机、A31-135型井架、3NB500型泥浆泵、2PNL30-80型振动筛台、多种功率的电动机、发电机组、PMWD-C1型无线随钻测斜仪以及其他辅助设备器具。

6.4 两种孔口压水试验装置应用效果对比

目前该项目正在施工中，两地面主孔和DB2-E3、DB2-E5、DB2-E4三个水平定向分支孔已经施工结束。DB2-E3和DB2-E5两分支孔每钻进80 m段，通过提钻，下潜水泵抽水洗井，使用传统孔口装置进行孔口压水试验(见图5)，完成钻孔施工；DB2-E4分支孔每钻进80 m段，在不提钻情况下，通过施工用的泥浆泵进行注水洗井，使用分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置进行孔口压水试验(见图6)，完成钻孔施工。现在对孔径、孔斜、孔深、穿过的地层最相似，地理位置最接近,最有可比性的DB2-E5和DB2-E4两分个支孔(见图7)进行对比。为了便于比较，DB2-E5和DB2-E4两个分支孔都从同一孔深(DB2-E4侧钻点，孔深820 m处)进行统计，试验结果见表1，表2。

对表1、表2进行分析：DB2-E5统计孔段长为990.6 m，DB2-E4统计孔段长为970.25 m。根据钻孔钻进过程中，长距离出现孔内泥浆不消耗(正常消耗)或泥浆消耗量<5m3/h时，每隔50～80 m应进行孔口高压压水试验的要求，DB2-E5采用传统钻孔压水试验孔口装置进行压水，共计进行压水试验12次，平均每次耗时14.39 h；DB2-E4使用分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置进行压水，

图5 传统钻孔压水试验孔口装置工作现场

图6 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置工作现场

孔深/m冲洗液消耗/(m3·h-1)提钻用时/h装孔口装置用时/h压水用时/h拆孔口装置用时/h下钻用时/h压水结论下步工作安排900.00正常4.01113.0不需注浆继续钻进980.36正常4.21113.2不需注浆继续钻进1059.36正常4.51113.5不需注浆继续钻进1137.96正常5.01113.8不需注浆继续钻进1217.96正常5.21114.0不需注浆继续钻进1297.16正常5.51114.5不需注浆继续钻进1376.06正常6.01115.0不需注浆继续钻进1456.09正常6.21115.5不需注浆继续钻进1493.35正常6.31116.0不需注浆提钻注浆1528.5935.96.56.5需要注浆提钻注浆1608.70正常6.81117.0不需注浆继续钻进1634.0546.16.88.0需要注浆提钻注浆1662.8128.57.08.2需要注浆提钻注浆1742.35正常7.21118.5不需注浆继续钻进1810.60正常7.5111不需注浆终孔每次压水试验平均耗时/h 14.39