煤层底板地面加固区域邻井注浆扰动钻探卡钻事故分析与处理

刘修刚，王林杰，李浩哲

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤层底板地面区域定向水平钻井及注浆加固技术作为一种煤矿常用的防治水害方法[1-2]，先进行定向水平分支孔钻进至注浆要求工况，然后对定向水平分支孔所揭露的治理层段进行注浆加固[3]。但是针对于同一个治理区域层段，布置2口距离较近的多分支水平井注浆加固时，若2口井同时分别施工钻井与注浆工程可能会造成邻井溢流、卡钻等复杂工况[4]。为此，以赵固一矿地面加固区域内相邻2口井：1口正在施工的注浆井造成另1口正在施工的水平分支孔钻进井串浆溢流及卡钻事故为例，介绍了现场通过采用强开泵冲砂桥、反丝倒扣打捞钻具、单筒套铣、射流冲击与单筒套铣组合等均处理卡钻失败，最后通过采用回接钻杆下双筒套铣处理卡钻事故成功事故的处理过程，为后续类似邻井注浆扰动钻探卡钻事故的预防、处理提供宝贵经验借鉴。

1 工程概况

1）地质水文特征。赵固一矿西五盘区15021工作面对应地面位置为辉县市大麻村，工作面上覆巨厚冲积层，属新近系、第四系全掩盖区。本区赋存地层主要有奥陶系中统马家沟组、石炭系中统本溪组和上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、新近系、第四系，其中石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为主要含煤地层。本工作面水文地质条件较复杂，主要充水含水层为L8灰岩含水层，厚度10～10.7 m，上距二1煤层底板27.5～28.5 m，水压4.4～5.0 MPa，突水系数0.15～0.18 MPa/m，受断裂构造影响，水平及垂向补给充分，存在突水危险性。

2）井位部署。鉴于工作面水文地质条件较为复杂，遂采用地面区域预注浆加固治理水害技术，探查二1煤层底板L8灰岩含水层的富水状况及构造发育情况，在治理区域地面部署2口多分支水平井，施工长距离定向钻孔对L8灰岩含水层进行超前探查及注浆加固，通过钻孔注浆充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，减弱含水层的富水性及切断水源补给通道，使治理的含水层变为隔水层或弱含水层，以此增强二1煤层底板隔水层的强度，降低水害威胁程度。

3）井身结构设计。多分支水平井均采用三开井身结构设计，一开采用φ349.25 mm钻头钻入稳定基岩10 m，井深至450 m，下入J55钢级φ273.05 mm表层套管，封固上部松软易漏地层，有助于下一步施工，固井水泥浆返至地面；二开采用φ222.25 mm钻头定向钻进至见L8灰岩，井深至720 m，下入N80钢级φ200.03 mm无接箍技术套管，封固上部煤层、漏层等段，固井水泥浆返至地面；三开采用φ152.4 mm钻头沿L8灰岩按照预先部署的水平分支孔设计进行定向钻进，时至单个分支孔全段钻进与注浆结束再进行该分支孔全裸眼段纯水泥封孔。

2 事故发生过程

加固区域内1口井的分支孔钻进至井深980 m，因螺杆钻具故障起钻更换，更换螺杆钻具后，正常下钻至井深902 m遇阻，开泵循环划眼钻进，出现憋泵及憋钻现象。立即起钻更换钻具组合，以提高处理井下复杂工况效率、减少处理井下复杂工况期间造成定向仪器与螺杆等损失风险：更换前钻具组合为φ152.4 mm PDC钻头+φ120 mm 1.5°螺杆+φ89 mm无磁承压钻杆（内含MWD测斜仪器）+φ89 mm钻杆+转换接头+φ127 mm钻杆+方钻杆，更换后钻具组合为：φ152.4 mm牙轮钻头+330×310转换接头+φ89 mm钻杆+转换接头+φ127 mm钻杆+方钻杆。采用更换后钻具组合扫孔至井深902 m再次出现憋泵现象，然后上提钻头至井深800 m再次向下扫孔，扫孔至井深902 m憋泵现象严重，泵压8 MPa，且转盘憋跳严重，上提钻具提升力30 t，具有明显阻力显示。立即进行起钻作业，起钻至井深832.76 m时，上提钻具提升力增加至80 t，且下放钻具至提升力0 t，孔内钻具无法活动，判断为卡钻事故。

3 卡钻事故原因

本井二开套管下入末端与邻井二开套管下入末端位置相距67 m，且位于本井井深约900 m时，距离邻井裸眼井段最近。本井分支孔扫孔期间，邻井正在施工注浆工程，邻井井口注浆压力5.5 MPa，同时本井井口不断有浆液溢出，注浆液串层，邻井注浆造成地层应力变化，导致本井井壁失稳，发生地层掉块，扫孔期间掉块被破碎成较大颗粒，随着泥浆上返困难。本井与邻井于L8灰岩层段通过原生裂隙及扰动裂隙沟通致使串浆，注浆液串入本井环空，且因邻井注浆材料含有大量水泥，造成本井内循环的钻井液被Ca2+损害，钻井液性能被破坏，此时其上返携岩能力降低，泥浆泵停止循环后，岩屑不断下沉，使得钻具与环空间隙形成砂桥。由于停泵时间过长，使得下沉岩屑过多，砂桥形成段较长，起钻期间钻具向上运动，砂桥段相对向下运动，从而造成钻具卡钻及埋钻现象。基于以上原因分析判断事故为沉砂卡钻。

4 事故处理过程

4.1 强开泵冲砂桥

井底钻具无法活动，初判卡钻事故，立即接方钻杆开泵循环，泵排量20 L/s，泵压12 MPa（正常钻进该井深泵压5 MPa），井口无钻井液返出，开泵约3 min后，泵压降至5 MPa，此时地层被憋漏。此时在开泵情况下反复上下活动钻具，提升力至100 t，开转盘正转6.5～7圈后，转盘无法继续转动，于是松开钻机离合器，此时转盘倒转，大钩可以往上提起，提升力19 t（正常起钻提升力应为25 t），井口有钻井液返出，泵压降低至2 MPa，转盘倒转时将下部钻杆丝扣倒开，起钻提出51根钻杆，井内剩余落鱼钻具41根及牙轮钻头，落鱼头位于井深437 m，鱼尾位于井深832.76 m。强行开泵冲开砂桥解卡失败，同时迫使地层被压漏，井下情况更加复杂。

由于沉砂卡钻井眼环空堵死、同时地层被憋漏，当前该井已无法建立正常钻井液循环，因此无法通过调整钻井液性能或注解卡剂等方法使钻具解卡[5]。

获取钻具卡点位置，有助于现场采取高效处理卡钻事故措施[6]，现场计算钻具卡点根据胡克定律，自由钻柱的伸长量和拉力成正比，与自由钻柱的长度成正比，与钻柱的横截面积成反比，与钢材的弹性系数成反比，钻具卡点以上钻具长度计算公式如下[7-8]：

L=（E×A×λ）/T

式中：L为卡点深度，m；λ为钻具平均伸长量，cm；T为钻具平均拉伸拉力，kN；A为钻具横截面积，cm2；E为钢材弹性系数，2.1×105MPa。

该计算方法受钻具使用时间影响，所得卡点位置不够精确，可通过测几组数据得到1个卡点位置范围，经计算本事故卡点位置位于井深523～551 m。

4.2 反丝倒扣打捞

基于上述分析：当前落鱼头位于井深437 m，卡点位置位于井深523～551 m，卡点距离落鱼头86～114 m，且卡点距离落鱼头井段环空未被砂桥卡住。卡点与落鱼头井段采用下反丝倒扣打捞井底钻具，钻具组合为：倒扣接头+反丝钻具+变径接头+钻杆，下钻前井口认真检查倒扣接头尺寸、倒扣接头涨扣、退扣等功能均正常进行下钻，倒扣接头与落鱼头对扣成功，上提力22 t反转转盘6圈，扭矩突然降低，匀速缓慢上提钻具，大钩悬重增加1 t，初判有钻具被反丝倒扣打捞住，起钻，打捞出钻杆5根。

为防止落鱼头钻具水眼被沉渣埋住，调整钻井液性能，添加高黏纤维素、纳土和烧碱，黏度增至54 s，开泵循环，将落鱼头沉砂冲洗干净。继续下反丝倒扣打捞钻具，倒扣接头与落鱼头对扣成功，上提力23 t反转转盘6.5圈，扭矩突然降低，同时匀速缓慢上提钻具，大钩悬重增加1 t，初判有钻具被反丝倒扣打捞住，起钻，打捞出钻杆5根。此时，落鱼头位于井深532.74 m，鱼尾位于井深832.76 m，井内剩余钻具31根及牙轮钻头，落鱼长度300.02 m，当前落鱼头可能已经位于卡点或接近卡点，此处钻具卡死，钻具扭矩增大，继续采用下反丝倒扣打捞钻具已经难以打捞出钻具，应该采取下一种打捞措施。

4.3 单筒套铣

采用套铣筒逐根套铣，然后利用反丝钻具打捞套铣开的钻具[9-10]。由于逐根套铣，起下套铣筒，再起下反丝钻具，辅助工作多，该方法耗费时间长，并且鱼头所位于的井段井斜为51°，鱼头紧贴套管内壁，因此能否把鱼头引入套铣筒内是该打捞方法的关键。

事故卡钻点位于套管内，因此采用的套铣钻头不需要焊PDC复合片，只需在铣齿前端铺焊少量合金焊料，铣齿外壁不焊合金焊料，以防止套铣期间磨穿套管，给后期施工带来不便。落鱼头位于造斜段，紧贴套管内壁，因此采用与常规不一样的套铣钻头，需要在套铣钻头上加工1个马蹄口，以便于套铣时，落鱼头易于被套铣入套筒内，制作的马蹄口套铣钻头如图1。

下套铣钻具：φ159 mm套铣钻头+φ159 mm套铣筒+转换接头+φ89 mm钻杆，下钻至落鱼头位置，开泵循环，加钻压1 t，开动转盘，出现憋钻及跳钻现象，落鱼头难以被引入套铣钻头内，上提钻具，旋转钻具调整马蹄口位置，下钻至落鱼头，多次尝试，落鱼头始终难以引入套铣钻头内，套铣失败，起钻发现套铣钻头磨坏，铣齿向外侧张开。分析套铣失败原因在于落鱼头一侧紧贴套管内壁，另一侧被沉砂填死，致使落鱼无法活动，马蹄口套铣筒不能将落鱼头引入套铣钻头内，落鱼头使得套铣钻头铣齿磨坏、憋变形，套铣失败。

4.4 射流冲击与单筒套铣组合

φ165 mm三牙轮钻头代替φ152 mm三牙轮钻头+双母接头+φ89 mm钻杆钻具组合，下入至井底，利用大泥浆泵排量，循环钻井液1 h，依靠钻井液从钻头水眼内喷射出产生的射流冲击力，冲洗落鱼与套管环空间隙的沉砂，使鱼顶松动，起钻。基于上次套铣钻头磨损及变形情况，本次套铣重新加工套铣钻头，扩大马蹄口宽度，钻具组合为：下套铣钻具：φ159 mm套铣钻头+φ159 mm套铣筒+转换接头+φ89 mm钻杆，套铣钻头下至井深532.74 m成功将落鱼头引入套铣筒内；向下套铣钻具，钻压1 t，泵排量25 L/s，套铣约10 m鱼头顶接近套铣筒顶部，泵压升高，起钻;下入反丝钻具打捞，加钻压1 t正转钻具使倒扣接头与落鱼头连接，丝扣涨紧，上提力1 t，反转钻具6圈，扭矩降低，悬重增加，但不明显，起钻，打捞出1根钻具。再次下套铣筒，又出现套铣钻头无法引入落鱼头至套筒，即使上次套铣已将落鱼头以下0.5 m套铣，经分析落鱼头仍紧贴套管内壁，因此套铣钻头无法套住落鱼头。

4.5 回接钻杆双筒套铣

基于上述套铣失败原因，采用下入回接1根钻杆，回接钻杆钻具组合：φ89 mm钻杆×1根+倒扣接头+反丝钻具+变径接头+钻杆，下钻至井底，加压1 t反转钻具，倒扣接头退扣，起出反丝钻具；然后增加1个套铣筒，利用双筒套铣，下入套铣钻具组合：φ159 mm套铣钻头+φ159 mm套铣筒×2根+转换接头+φ89 mm钻杆，顺利将落鱼头引入套筒进行套铣，套铣约19 m鱼头顶接近第2个套铣筒顶部，起钻；下反丝钻具，使倒扣接头与落鱼头相连，上提升力至35 t，落鱼整体有松动，开启泥浆泵，采用小泵排量10 L/s，尝试建立钻井液循环，但泵压增至8 MPa仍继续上升，说明井底存在钻具水眼堵死情况；停泵，然后缓慢旋转及上提钻具，钻具被缓慢起出，时至方钻杆被全部起出转盘面时，大钩提升力突然下降至正常悬重，并且起钻期间没有明显阻力，落鱼钻具均活动开，正常起出全部钻具，沉砂卡钻事故处理结束。

5 结 语

水平定向钻井及注浆加固技术作为煤层底板地面区域加固常用方法，该方法技术要求较高，且定向水平钻井与注浆工程应默契地相互配合，方能有效保证钻井与注浆工程顺利进行。因此，煤层底板地面加固区域内，相邻较近2口井，其中某口井注浆施工扰动地层裂缝沟通致使正直钻探施工井井口溢流串浆，应该停止钻探施工，然后进行2口井分支孔同时注浆；无法满足同时注浆工况，先关闭其中某井口，等待另外口井分支孔注浆结束，再进行2口井的扫塞或重新分支孔钻进；加固区域内，部署多口多分支水平井，应将相邻井组之间紧邻分支孔间距（平距）控制合理范围；或者其中1口井最先施工相距最近分支孔，另外1口井施工相距最远分支孔，将相邻两井的分支孔钻探与注浆施工顺序控制合理；卡钻事故产生后，切勿仅凭想象强开泵冲卡，否则压漏地层，使井下工况更加复杂、无法建立钻井液循环，应该采用小排量尝试建立井下钻井液循环；切勿强提钻具，以免卡点处沉积的岩屑被挤压实；卡钻落鱼头处于井斜较大且紧贴井壁，采用回接钻杆下双筒套铣钻具能够高效快捷处理卡钻事故；落鱼头处于套管内，套铣钻头无需焊PDC复合片，防止套铣过程磨穿套管。该事故处理过程中的经验及教训为后续类似邻井注浆扰动钻探卡钻事故的预防、处理提供宝贵经验借鉴。