介休鑫峪沟煤矿地面2号注浆孔钻探施工技术

陈伟武

(山西省地质勘查局217地质队，山西 大同 037008)

山西介休鑫峪沟煤矿位于山西省介休市张兰镇，井田面积30 km2，地质储量2.8亿t，年设计产能420万t主焦煤，总资产90多亿元。本区域水文地质条件复杂，为了保证矿井持续有效发展，设计2号定向水平多分支注浆孔，以奥灰下20～60 m富水层段为主要施工目的层，主要通过注浆工程封堵奥灰水导水补给通道，提高煤层底板一定厚度范围内整体岩层完整性，增加煤层底板与灰岩含水层底面之间各岩层抗压强度，降低井下采掘期间水害危险程度，达到水害治理的目的。

1 地质概况

1.1 地质特性

井田位于沁水煤田西部边缘，区域上出露的地层从老到新依次为古生界奥陶系中统，石炭系中统、上统，二叠系下统、上统，中生界三叠系，新生界第四系等。从西往东依次出露奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、第四系沿沟谷和山梁有不同程度分布。区域地层走向总趋势表现为北东走向，倾向北西的单斜构造。

井田内含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。

1.2 区域水文地质

本区属于黄河流域汾河水系，汾河从井田西部13 km处流过，井田附近的主要支流龙凤河、樊王河、张涧河均为季节性河流。

区域主要含水层为：碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组；石炭系碎屑岩、碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组；三叠系及二叠系碎屑岩类裂隙含水岩组；第四系上更新统、中更新统松散岩类孔隙含水岩组；第四系全新统松散岩类孔隙含水岩组。

2 主要工作量及技术要求

2.1 工程工作量

地面2号注浆孔设计(见图1)包含6个分支孔，分别为定向孔2-1号上、2-1号下、2-2号上、2-2号下、2-3号上、2-3号下；本孔设计6个分支孔总工作量3081.87 m，其中直井段310 m，斜井段累计2771.87 m。

在完成5个分支孔后，经甲方验证已经达到预期注浆效果，可以终孔。因此，实际完成5个分支孔，总工作量2194.86 m，其中直孔段490.27 m，水平孔段累计1704.59 m。

图1 2号注浆孔设计剖面Fig.1 Profile of the grout hole

2.2 钻孔技术要求

(1)以封堵奥灰岩含水层为目的层。在预注浆区域对应地面合适位置设计主孔，并进行分支，分支钻孔经水平造斜后进入工作面奥灰岩，至终孔均在灰岩层位中钻进。

(2)钻孔采用下入两级套管、三级孔径结构，一级套管直径193.7 mm；二级套管直径139.7 mm，终孔孔径118.3 mm。

(3)下套管要求：主孔设计两层套管，一级套管隔离疏松层，二级孔径到设计层位后，下入二级套管，二级套管试耐压 5 MPa(地面孔口压力)。

(4)钻孔主孔进入目的层前均要认真做好判层工作，对揭露的地层均要详细记录，钻孔进入目的层位前必须采取物理测井进行校核地层，确保地层的准确性。

(5)整个钻进过程中均要求进行简易水文地质观测，在奥灰和目的层的钻进中如钻遇漏失层段，要详细记录其深度、液位和漏失量。

(6)每次注浆结束后，扫孔至原孔深孔内注满清水，作水位观察，观察4 h水位升降。

(7)完成主孔施工后，不割套管。注浆至二开套管口之上50～100 m。候凝准备下级分支孔施工。

(8)为保障注浆效果，要求奥灰层钻孔孔径≯ 130 mm。

3 施工难点

(1)一孔六分支孔。孔内分支孔多，情况复杂，施工难度加大。

(2)钻孔造斜段急。造斜段“狗腿”度最大达到15.61°/30 m，对施工钻杆要求高，容易造成钻杆断裂，形成孔内事故。

(3)水平孔施工在奥灰层，地层裂隙发育，施工中可能出现冲洗液护壁困难，易发生掉块卡钻事故。

4 钻探施工

4.1 钻探设备

4.1.1 钻机及配套设备(见表1)

4.1.2 选用 CMD-100 型车载钻机在水平孔施工中的优势

(1)机械化、模块化程度高，设备进出场方便，辅助时间短。

(2)设备系统采用全液压多回路控制，施工安全；设备扭矩大，转速高、钻进参数无级调节。

(3)本设备可根据不同施工工艺配套相关辅助设备，适应面广，全面钻进和取心钻进都可适配。

4.2 钻孔结构(见图2)

一开：Ø241.5 mm 牙轮钻头钻至稳定地层后，下入Ø193.7 mm、钢级J55的套管进行固井，水泥返出地面，封固表层松软地层。

二开：采用Ø171 mm 钻头进行主孔段钻进，井身轨迹进入奥灰岩后，下入Ø139.7 mm套管固井。

三开：采用Ø118.3 mm PDC 钻头钻进，直至完成主孔所有分支的钻进。

4.3 钻具组合及钻进工艺参数

4.3.1 钻具组合

(1)一开钻具组合设计：Ø241.5 mm牙轮钻头+Ø197mm直螺杆+Ø178mm无磁钻铤×1根+Ø178 mm钻铤×4根 +411×410转换短节+Ø127 mm钻杆串。

表1 钻机及配套设备Table 1 Drilling rig and auxiliary equipment

图2 钻孔结构Fig.2 Hole structure

(2)二开钻具组合设计：Ø171 mm牙轮钻头+Ø135 mm单弯1.75°螺杆+Ø120 mm定向短节(MWD)+Ø120 mm无磁钻铤×1根+311×210转换短节+Ø89 mm加重钻杆×200 m+Ø89 mm钻杆。

(3)三开水平段钻具组合：Ø118.3 mm PDC钻头+Ø95 mm单弯1.25°螺杆+Ø95 mm定向短节(MWD)×1根+Ø95 mm无磁钻铤×1根+Ø73 mm钻杆。

4.3.2 钻进工艺参数

钻进工艺参数是根据本孔地层剖面，结合以往实钻经验综合分析而设定的，在施工中上部地层采用高转速，适中钻压，下部地层采用低转速，大钻压，钻开煤层后适当降低钻压、转速和泵量，保持孔壁的稳定性，各孔段具体钻进工艺参数见表2。

表2 2号注浆孔钻孔结构钻孔工艺参数Table 2 No.2 grouting hole drilling program

5 冲洗液

冲洗液主要以不漏、压稳地层、维持孔壁稳定性为原则，各开次冲洗液性能见表3。

表3 各开次冲洗液性能参数Table 3 Drilling fluid parameters for each hole section

(1)一开钻进冲洗液配制以防塌、防漏为目的，使用常规冲洗液，根据现场实际情况进行调整，必要时加入降失水剂和稀释剂，以保证正常钻进，提高钻效。

(2)二开钻进冲洗液配制以防塌、防漏为目的，加入絮凝剂提升岩屑上返能力，实现安全钻进。在铝土岩孔段提高 Cl-含量，增强冲洗液抑制性，抑制粘土矿物水化膨胀；在进入奥灰前加入随钻堵漏剂，控制渗漏，降低施工风险，尽可能增加单趟钻进尺，提高钻进效率。

(3)三开钻进冲洗液配制以防塌、防漏、增粘为目的。进入奥灰层段能防止孔壁垮塌，在漏失小的情况下起到堵漏效果，加入絮凝剂提升岩屑上返能力，达到安全钻进的目的[1-10]。

6 下套管要求和方法

6.1 下套管质量要求

(1)套管要提前 2～3 d进入施工现场，并进行通径、排列、丈量、编号。

(2)下套管前，项目部应根据钻孔实际情况，编写固孔施工设计书，提出固孔作业具体措施和要求，上报甲方进行审核，施工作业中做好过程参数记录。

(3)下套管前对升降系统、刹车制动系统、工器具和附件等进行认真检查、确保机器设备、工器具灵活、可靠、有效。

6.2 下套管准备

(1)下套管作业前应做好组织动员工作，应有明确的组织分工、统一指挥，严格执行岗位职责和安全操作规程，做到安全、文明施工，防止人员碰伤。必须将下套管顺序对钻机人员进行班前交底。下套管必须有专人负责套管序号检查，防止发生入孔套管错乱。

(2)套管准备：套管送到钻场后，应及时清点套管数量、型号是否与清单一致，组织丈量、通径、编号工作并作好记录，套管柱长度及强度必须符合设计要求。

(3)下管准备：排列下入孔内套管顺序、备用套管做出明显标记，与下入孔内套管分开排放。要求孔眼干净。

(4)工器具准备：下套管工具应配备齐全，易损部件应有备用件，对所有工具进行规格、尺寸、承载力、磨损程度、安全性、可靠性进行检查。

(5)设备检查：在下套管前，要对设备进行一次全面检查，以保证在下套管及固孔施工期间设备正常、连续运转。主要对地面设备、提升系统、泥浆泵、指重表、泵压表等进行严格细致的检查，保证各部位安全、可靠，运转正常，仪表准确、灵活。

6.3 下套管作业

所有套管均采用升降机提吊进行下孔，除护壁管不做要求外，技术套管要使用石油套管，丝扣连接，双钳紧扣，保证套管连接垂直度、强度达到要求。

下套管过程中，提放时要平稳，严禁猛拉，猛放，遇阻时应正确分析原因，采用合理的处理方法。为安全起见，底部可加装引鞋，以确保下套管安全。

7 钻探施工技术措施

7.1 开钻前技术措施

(1)钻场平整后，重新标定水平孔坐标，并按测点校核水平孔轨迹。

(2)按合同附件中的设备清单配套钻机及附属设备，并安全运抵作业现场。

(3)严格按要求安装钻机及附属设备，达到平、稳、正、全、灵、牢。

(4)设备安装完毕，要经现场验收合格，甲方出具书面开钻通知书后，方可正式开钻。

(5)开钻前要认真贯彻设计要求，对地质、工程、冲洗液、固孔、成孔等作业内容进行技术交底，贯彻重点技术措施，并按设计要求做好开钻前的各项准备工作。

7.2 一开技术措施

(1)按设计组合钻具下钻。开眼时，采取吊打方式，轻压钻进，每钻完一个单根划眼一次，修整孔壁。

(2)上部地层松软，易垮塌，易漏失，用清水膨润土浆钻进时，要求初始排量低，适当的提高冲洗液的粘、切值。

(3)钻达设计孔深，或钻至稳定地层后，加重冲洗液维持孔壁稳定，下套管前大排量循环洗孔2周，通孔1次，确保下套管顺利。

7.3 二开技术措施

(1)固孔候凝期间，检修、保养设备。准备二开用水及冲洗液材料。

(2)组合钻具，下钻探水泥面，小钻压钻水泥塞至孔底，继续钻进至造斜点。

(3)起钻时定向钻进工程师作定向钻进作业指令书，并优选造斜钻具，确保工具造斜能力达到设计要求。

(4)按定向钻进指令组合钻具，并积极配合定向钻进作业。

(5)在斜井段内钻具因故停止转动(测斜、机修等)时，钻具需 3～5 min 上提下放活动一次，活动距离不得小于 6 m。

(6)钻进过程中注意返砂情况，必要时大排量循环冲洗液，冲洗时长距离(9 m)活动钻具，防止冲出“大肚子”及划出新井眼。

(7)动力钻具入井，严禁划眼和悬空处理冲洗液，遇阻时，活动钻具下放，若无效，起钻换钻具通井，以防划出歧眼。

7.4 三开技术措施

(1)准确了解 BHA 、马达弯角、扶正器的位置和距离。

(2)进入目的层后根据 MWD 的传输信号，导向、定向人员及时跟踪掌握钻头所在的灰岩位置，及时调整井眼轨迹，保证钻头在灰岩中钻进，保证钻遇率。

(3)进入灰岩后旋转钻进时控制顶驱转速和钻时，尽量防止憋泵的现象，保证岩屑的充分返出。

(4)钻进时司钻时刻注意钻进扭矩及泵压变化，如果扭矩或者泵压突然出现过高的现象，司钻及时上提钻具，充分循环，直至泵压、扭矩正常时重新下放开始钻进。

(5)每次加尺时充分循环，在循环的过程中，尽量避免倒划眼循环，注意泵压和扭矩变化。

(6)要不间断监视岩屑的返出情况，注意岩屑返出的大小和形状及返出量大小。

(7)控制钻进参数、监视地面情况，防止孔底事故的发生[11]。

8 施工难点解决

(1)孔内分支孔多，每施工完一个分支孔后，要对本分支孔三开孔段进行全面水泥封堵，对封堵孔段要求堵实，而且水泥达到一定强度(一般注浆结束后72 h)才能施工下一个分支孔。

(2)施工水平定向多分支孔，钻具选用韧性好的G105钻杆，钻头地表土层选用中齿牙轮钻头快速通过。进入稳定基岩后，钻遇泥岩时，容易泥包钻头，选用复合片钻头钻进。钻遇砂岩和泥岩砂岩互层时，选用牙轮钻头钻进。最后钻至水平段全段灰岩，选用PDC钻头钻至完井。每次起下钻都必须严格检查钻杆丝扣有无损伤，检查钻头齿轮和复合片有无损伤。定期为钻杆做探伤检查，减小井内事故几率。

(3)三开施工中，在冲洗液性能调配良好的情况下仍然会出现孔壁坍塌现象，在重复钻进过程中会导致埋钻等事故发生。针对这种状况，要以预防为主；其次时刻注意扭矩、泵压和悬重的变化，如果扭矩和泵压突然出现过高现象，要立刻提钻具至套管内，充分循环冲洗液，直到泵压和扭矩恢复正常后重新下钻钻进；三要观察孔口返出岩屑，跟踪地层，注意孔漏和冲洗液失返情况，按时测量冲洗液粘度，保证冲洗液的携砂能力。若发生沉砂卡钻现象，先建立循环，泵排量逐渐增大，活动钻具解卡[12-15]。

9 经验和体会

(1)在水平孔钻进施工中，设备的保养检修尤其重要，施工中，需要有专业的维修技术人员对设备维护保养，这也是复杂多分支孔施工成功的关键。

(2)水平定向分支孔钻探施工钻进，定向操作是关键，施工过程中要通过精准导向技术，顺利钻进到目的地层，达到成孔注浆的目的。

(3)多分支孔钻进施工，用好冲洗液，及时高效地将孔内孔底岩屑携带至地面，保证孔内干净、孔壁稳定是成孔的先决条件。所以需配备冲洗液技术员，根据不同的地层随时调配冲洗液配方，提粘、防塌等，保证冲洗液性能。根据施工需要，下入石油套管，隔离地表松散土层，隔离断裂带、裂隙等，维持孔内上部孔壁稳定。

(4)结束孔深以注浆堵水效果为主，还要考虑是否为破碎地层，是否有断裂带，以及注浆时间、扭矩、钻压、悬重等因素综合决定。