地面水平分支井注浆加固技术施工方法及应对措施

贾华峰，程 洲

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽宿州234000）

1 水平多分支注浆加固技术概述

地面水平多分支注浆加固技术是一种改善顶、底板隔水性，提高顶、底板完整性和抗水压能力的重要的防治水技术措施，对防治煤矿顶、底板水患，保障矿井安全正常生产起到了很好的效果。顶、底板含水层注浆加固改造技术是目前防止顶板淋水、底板突水的重要举措，根据岩水应力关系学说，煤层顶板含水层的良好补给条件是顶板淋水的物质基础、煤层底板下伏承压水是底板突水的物质基础，水压、矿压是煤层顶、底板突水的力源，导水裂隙是水力通道。大量的生产实践证明，削弱顶板底板淋水突水物质基础最直接的方法是注浆充填、阻隔顶板和底板直接充水薄层含水层的裂隙、断层和岩溶等导水通道和储水空间，使其变为隔水层或相对隔水层。

2 水平井注浆加固技术优势

21 世纪随着全球性的新能源煤层气、页岩气的开发和各采矿国家对矿山救援工作的重视，定向钻井、水平井技术广泛应用于煤层气、页岩气领域，同时定向井技术在煤矿地面区域治理中得到广泛应用。

与传统的底板注浆技术相对比，水平分支井注浆技术具有以下优势：

（1）采用水平井钻井工艺最大程度在灰岩含水层中穿行钻进，比井下注浆安全可靠。

（2）水平井以水平方式穿越灰岩地层，能有效地探查煤层顶底板灰岩地层构造变化（相对于直井只能控制局部一点的地质构造变化)，水平井的轨迹控制精确、效果明显。

（3）施工中多个水平井共用一个直井段，节约了场地占用面积，减少工农关系的矛盾，降低成本。

（4）地面注浆比井下注浆压力大，能有效克服灰岩含水层水头压力，这样可以使得水泥浆的扩散半径增大，地层突水能力减小，保证矿井安全生产。

3 水平井定向钻进注意事项

水平井定向钻进技术（HDD）是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。目前最常采用的是螺杆钻具定向钻进工艺。

水平井定向作业过程中应注意以下几点：

（1）仪器经调试正常方可入井，校正仪器角差、钻具角差并记录下各项参数，仪器电池应保持电量充足，并记录电池使用时长。

（2）螺杆在入井之前需仔细检查，保证接头牢固，丝扣无伤，旁通阀、万向接头等正常，并接上立轴试转速、泵压。在钻进过程中也要记录螺杆使用时长，到达使用寿命前提前更换。

（3）定向作业过程中，随钻仪配备伽马短接，伽马值可实时反映钻孔地层变化，一般的，地层API值大小顺序为：泥岩＞砂岩＞煤＞灰岩。由于物探的多解性，API 值并不能准确反映地层，必须配合岩屑录井。岩屑上返需要一定时间，即迟到时间，故岩屑录井是滞后的。

现场简单计算：岩屑迟到时间=循环周时间－钻井液下行时间

循环周时间指从开泵到标志物大量返出的时间。

钻井液下行时间=井下钻具内容积/排量

理论计算：

tw=V/Q=π（D2-d2）/4Q·H

式中：tw——钻井液迟到时间，min；

V——井内环形空间容积，m3；

Q——泥浆泵排量，m3/min；

D——井眼直径，m；

d——钻杆外径，m；

H——井深，m（H=钻具总长+方入）。

（4）在侧钻过程中，钻具与井壁接触面积相对加大，在压差作用下容易出现钻具提升受阻，水平井的造斜段、扭方位等狗腿度较大时，井壁一侧容易出现凹槽，钻进参数和水力参数都受到限制，环室压耗高，钻时效率低，尤其在裸眼段大于200m或井深较深时，这一问题更加突出。分支设计时要把握好全角变化率，保证轨迹合理性，同时，在复杂地段减少定向次数及定向量，确保钻井轨迹简单、平滑，减小钻具与井壁的摩擦阻力。

（5）由于水平段一直在目的层中穿行，尤其遇到较薄目的层时，会造成频繁定向、时刻修正钻孔轨迹，导致钻进效率低下。根据地层规律合理调整轨迹，优化各项参数，依据造斜工具的特点，合理确定定向的参数，尽量减少定向次数，使井身结构简单，不但可以改善井眼清洗效果、减少摩阻和扭矩，还能提高生产效率，缩短施工周期。

（6）直井段施工中适合使用常规泥浆，待二开技术套管下入后，采用流变参数低的无固相泥浆，该泥浆配制简单，又有很好的携粉、护壁能力，但由于钻孔结构及钻探目的，会造成大的流失及渗漏，一定要配备充足的备用钻井液，施工多分支水平，配备大功率泥浆泵，稳定地层可以分段清水钻进，减少投入成本。

（7）井下仪器对泥浆流量、粘度、含砂量要求极高，钻进过程中泥浆杂质及固相含量、细微岩屑对仪器冲刷较为严重，钻具回转过程中与井壁摩擦，导致泥浆中铁屑对仪器脉冲信号影响，灵敏度衰减，磁场干扰严重，泥浆师要时刻掌握泥浆性能，减少钻井液中铁屑含量，从而改善仪器工作环境，提高各项数据精准率。

4 工程复杂情况预防及处理

4.1 破碎地层

（1）增加破碎地层破碎岩块之间的胶结力。首先泥浆采用聚合物体系，在泥浆中加入优质的膨润土材料及具有粘接作用的泥浆处理剂，提高泥浆的粘度，在孔内液柱压力作用下进入到地层之中的泥浆中所含有的膨润土和粘接剂堆积在破碎岩块之间，提高破碎岩块之间的胶结力。

（2）合理调配泥浆，控制泥浆失水，在井壁形成有效泥饼保护孔壁。

（3）封堵裂缝，是破碎地层孔壁稳定的核心。 掉块、坍塌的破碎地层，其地层坍塌压力较大，需提高泥浆密度平衡地层的坍塌压力来维持孔壁的稳定。如果不能有效封堵裂缝，泥浆就不能有效平衡地层的坍塌压力，反而提高压力会使地层裂缝进一步扩大、大量泥浆进入地层，甚至造成恶性循环而越塌越凶。

（4）对于具有掉块、坍塌现象的严重破碎地层需适度提高泥浆的密度或粘度。提高泥浆密度是为了提高泥浆的液柱压力，平衡地层的坍塌压力。而提高泥浆的粘度，一方面是提高泥浆的悬浮能力，当地层发生掉块或坍塌时不至于迅速下沉，另一方面是为了减小泥浆对孔壁的冲刷。

（5）谨慎施工，小心操作，避免由于操作失误引起孔壁的不稳定。如起钻灌浆，避免裸眼孔段因为失去泥浆的支撑而垮塌；起下钻速度平稳、适度，避免抽垮地层或压裂地层；合理控制钻进速度，既要防止由于钻进速度太快造成岩屑颗粒大或岩屑过多引发孔内事故，又要避免钻时过慢，泥浆长时间冲刷孔壁造成地层坍塌越来越严重。

（6）钻进至疑似破碎带时，司钻应密切观察钻井参数变化，预防井下风险的发生。技术人员应根据断层或陷落柱位置提前提醒司钻注意观察钻井参数变化，司钻在钻进过程中密切观察泵压、扭矩变化，泥浆工及时向司钻汇报返砂返浆变化，一旦出现泵压、扭矩大幅异常波动，同时振动筛返砂增多且伴有掉块，司钻应做好随时停泵甩单根准备，一旦出现憋压憋顶驱现象应及时停泵停顶驱甩钻具起至安全位置，排量由小到大开泵循环观察，待确认井下安全后，可通过调整泥浆及钻井参数等方式试钻进或等下步措施，不可贸然钻进造成卡钻等恶性事故。

4.2 强漏失含水层

对于漏失层，要“以防为主，以堵为辅，防堵结合”，需要针对不同的漏失特点，采取相应的堵漏材料和堵漏方法，降低井漏对钻井施工的影响。

4.2.1 钻井过程中预防措施

（1）应适当控制钻速，或者每打完一个单根，划眼12次，延长钻井液携带岩屑时间。

（2）采用低粘、低切、强抑制钻井液性能，适当控制钻井液的滤失量，采用合理的排量，如215.9mm 井眼，合理的排量应该为3032L/s，落实好短起下措施。

（3）搞好钻井液固控工作，使用好离心机，及时清除劣质固相，降低钻井液密度，防止钻井液密度自然增长。

（4）需要提高密度时应首先把基浆处理好，先在井浆中加入足量的磺化沥青、超细碳酸钙和单封等，以提高地层承压能力，循环两周后，才能逐渐加重。严格执行加重程序，每周只提高0.02g/cm3，使易漏层井壁对钻井液液柱压力有一个逐渐适应的过程。

（5）钻穿易漏失地层前，在钻井液中加入堵漏剂，加量为8～14kg/m3，封堵细小裂缝和孔洞。易漏井段须注意更换适当的振动筛筛布。

（6）使用高密度钻井液在小井眼中钻进时，在保证能够悬浮加重剂的前提下应尽可能降低钻井液的动切力和静切力，以减少环空流动阻力。

4.2.2 工程技术措施

（1）在钻井液粘切较高、静止时间较长的情况下，控制钻具下放速度，下钻时应分段循环，每次开泵都要先小排量后大排量，先低泵压后高泵压，同时转动钻具破坏钻井液结构力，防止憋漏地层。

（2）如下部有高压层，上部有低压层，又不可能用套管封隔时，在钻开高压层之前，应对裸眼井段进行承压试验，不漏再钻开高压层。

（3）堵漏结束后，下钻时分段循环出井眼内的堵漏钻井液。避免钻具下放过多，穿过漏层后开泵憋漏地层。

（4）堵漏成功恢复钻进后，可采用小排量钻进，在钻头远离井漏井段后，再恢复正常排量。

（5）下钻时严禁在已知漏层位置开泵循环，避免冲开封堵层再次发生井漏。

（6）下套管前，必须下双扶正器通井，大排量洗井，对钻进过程中已发现渗层要憋压堵漏，做地层承压试验合格后方可下套管。

5 工程关键环节控制措施

主孔施工过程中需穿过煤层，通过地质对比、标志层判断及钻进参数判断，提前提高钻井液粘度，增加钻井液携砂能力；到达较厚二煤层时，加快钻时，快速通过；同时如果测斜位置正处在煤层段，可推迟测斜，以减少对煤层的扰动。

如果遇到坍塌和掉块，总的原则是能起则起，抓紧起出钻具，分段循环来探明垮塌井段，起到安全井段，分析井下情况后再做决策。

（1）如返出岩屑不正常，其他参数无显示，则可先充分循环后起出23根，再观察井下情况，是否可能钻遇破碎带等；

（2）如泵压不正常，其他参数无显示，则可先上提循环观察，检查判断地面循环系统及钻柱内有无异样，导致泵压不正常；如泵压和注气压力均有增大显示，其他参数无显示，则可认定为井眼循环不畅，采取充分循环活动钻具，净化井眼；

（3）如旋转钻进时，钻时变慢，扭矩增大，其他参数无显示，先缓慢上提几米，在分析井下马达及钻头均正常后，若此时扭矩等显示恢复正常，则考虑地层可能变硬（夹矸或非煤层）；如同时伴随有其他显示，认定为垮塌掉块，采取相应措施充分循环活动钻具，净化井眼，起钻；

（4）如滑动钻进时，有上述显示，先停止钻进，能上提就提，如不能则缓慢开顶驱倒划，起至安全井段；

（5）起钻困难(如负荷大于正常值5t)不可硬提，须先保证能开泵循环，适当下放活动钻具，或缓慢开动顶驱旋转钻具，待工程相关参数正常或好转后尝试起钻；

（6）坚持循环原则，能循环最好，若憋漏地层不返泥浆，复杂处理过程中也要单凡尔开泵，保持水眼畅通。

6 钻进中拖压现象处理

近水平井段施工过程中钻具为平躺在井眼中，受重力作用，钻具表面下部紧贴孔壁，摩擦阻力与扭矩大，钻具重力不易传递到钻头，托底现象尤为严重，针对此现象，制定以下措施：

井眼轨迹差造成的托压，解决措施主要是加强井眼轨迹的控制，控制好狗腿度，水平段原则不超过10°，严禁长距离定向（单次超过10m）。另外针对井眼轨迹不好的情况产生的托压现象，最有效地解决措施是简化钻具结构，减少钻挺的数量，增加加重钻杆的数量，从而降低钻具的刚性，减少钻具与泥饼的接触面积防止托压和粘卡。

加强短起下作业破坏井壁岩屑床：在施工中原则上每钻进200m进行一次短起下作业，用物理的方式清楚井壁上的岩屑，破坏井壁上形成的岩屑床。在水平段岩屑易沉在下井壁形成岩屑床，注意的是每次短起下的长度尽量拉到上次短起下井深以上200～300m。

合理调配泥浆：水平段钻进时控制好泥浆比重及粘度，粘度控制在30～35s左右为宜，避免泥浆过稠，在井壁形成虚泥饼导致托压，水平段钻进时泥浆中适当加入润滑剂减少托压影响。

加强固控设备的使用：泥浆中有害固相、劣质沉土等含量过高易造成泥饼较厚，在水平钻进中易造成粘卡。所以使用好离心机、震动筛加强有害固相的清除是加强泥浆净化的关键，泥浆本身的携带岩屑的效果再好，如果地面设备利用效果差，被携带上的有害固相同样又进入井下对井眼的净化造成破坏。

刹把操作：定向托压时，司钻操作刹把采取点送送钻方式应勤送短送，并时常上下活动钻具，防止托压时间过长突然释放后钻头接触井底造成螺杆制动憋压诱发井下复杂。托压时工具面摆放困难，司钻摆工具面前应上下长距离大幅度活动钻具使钻具扭矩全部释放处于伸展状态并调整好钻压和反扭角之间的关系，防止反复在同一位置来回摆工具面冲出大肚子井眼。托压严重时，司钻可与定向井工程师沟通是否可以上提划眼或先复合钻进再行定向钻进。

合理使用造斜工具，准确计算螺杆造斜率，根据倾角变化合理预测地层走向，优化井眼轨迹设计，控制狗腿度，尽量保证井眼轨迹平滑。

7 分支侧钻技术措施

（1）侧钻位置确定和水泥塞的质量决定了侧钻是否顺利，甚至一次成功的关键。选择侧钻的位置时，要考虑报废进尺少、可钻性好、无大肚子的井段。如果是直井，要在井斜要求范围内的井段，实施反扣便于形成较厚的夹壁墙。

（2）填井时要求较高的水泥浆密度，以保证高质量的水泥塞，水泥塞长度不小于30m。水泥塞候凝不小于48h。扫水泥塞时，必须把混浆段全部扫除，探出高质量的水泥面。

（3）侧钻开始时，必须控制钻进速度，采用轻压慢打方法，特别是侧钻井段较深，可钻性较差的地层。待返出的岩屑基本不含有水泥，可适当提高速度。

（4）如果是直井而井斜又很小侧钻完成后，建议使用稳斜钻具组合稳斜一段，以增加夹壁墙的厚度。

（5）下钻到侧钻井段前要控制速度，防止把夹壁墙冲塌。如果在侧钻井段遇阻可轻转转盘下放，或开泵下放，如必须划眼时要警惕划出新井眼。

8 水平分支孔全角变化率偏大处理措施

（1）将井斜控制合理范围内。井斜是指钻孔轴线上任一点的方向线与通过该点的重力线之间的夹角，故钻场选址要结合采区工作面设计尽可能选在区域煤层标高相对高处对应的地面位置，避免出现水平段井斜过大的情况。

（2）井身全角变化率控制在合理范围内。井身全角变化率俗称“狗腿度”，是指单位孔段内钻孔钻进的方向在三维空间内的变化，即包含了井斜角的变化和方位角的变化，数值可在定向软件中自动生成。在满足设计要求的前提下，将狗腿度控制在8°～9°/30m左右，一般不超过10°/30m，能有效提高进尺，缩短钻孔周期。