虎龙沟煤业定向注浆防治水技术研究应用

2023-11-15高敏

山东煤炭科技 2023年10期

高敏

（晋能控股集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西朔州 038300）

1 概况

虎龙沟煤业位于山西朔州，矿区地层为南北走向单斜构造，受到东西向压应力作用，形成上叠式推覆构造，共含煤层24 层，可采煤层12 层，主采煤层为11 号、9 号、6 号和3 号煤层。矿井主要以断裂构造为主，共有44 条断层，其中正断层数量多于逆断层，且断层落差从20～500 m 不等。井田内含奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，经过地质资料显示，正常情况下该含水层不会威胁到目前开采的6号煤层综采作业，但存在垂向隐伏构造导致突水风险，因此判定该含水层为防水治水主要目标。虎龙沟煤业矿井多次揭露过陷落柱，2019 年还发生过一次底板联巷接近陷落柱而导致的突水淹井事故。基于煤矿防水治水要求，为保证煤矿安全开采，以煤矿石炭系灰岩含水层为治理对象，开展定向注浆治理技术研究，对提升煤矿防水治水成效有极大现实意义。

2 定向注浆防治水技术

2.1 定向钻探控制

定向注浆防治水技术主要包括定向钻探控制技术和定向注浆技术两部分，定向注浆前需要先进行定向钻探施工。作业设备仪器按照施工工艺可以分为钻探设备、定向设备和注浆设备，主要设备选型见表1[1-2]。

设计主钻孔一个，钻孔井身分为直孔段、1#造斜段和2#造斜段，施工钻孔结构采用二开式，钻孔内施工两层套管。直孔段位于0～390 m，其中0～298 m 钻孔为Φ350 mm，298～390 m 段钻孔Φ311 mm，后在钻孔中套入Φ273 mm 和Φ245 mm 的石油套管；1#造斜段深度390～916 m，钻孔Φ216 mm，套入Φ177.8 m 石油套管；2#造斜段深度390～947 m，钻孔Φ216 mm，套入Φ177.8 m 石油套管；水平分支钻孔二十个，钻孔Φ152 mm，裸孔，钻孔布置如图1。为保证探孔轨迹与方案相符，利用MWD 无线随钻测井系统实时监测，允许轨迹过程误差不大于1.5 m，分别进行岩屑录井、随钻γ录井、钻时录井、钻井液录井工作。

图1 矿区定向钻探钻孔分布平面示意图

2.2 钻孔轨迹

为了防止钻机在钻孔过程中出现轨迹偏差，导致未按照设计方案定向成孔，需要对钻孔轨迹进行实时监测。考虑到施工工况，选择无线随钻测量系统对钻孔顶角和方位角监测，随监测轨迹结果技术调整定向设备参数，保证钻孔轨迹符合设计方案。值得注意的是，在向定向孔中放入设备时，要提前校准仪器，并在井口校对孔口零线，钻进过程每15 m 测定一个轨迹数据点。在测定轨迹时必须要停止钻孔装置，并保持钻井液正常循环。如果出现钻孔轨迹偏离设定方案轨迹2.5 m 以上，需技术调整钻孔参数。

2.3 录井

录井包括岩屑录井、随钻γ录井、钻时录井以及钻井液录井几个方面。其中，岩屑录井采用实物测定法，结合钻井岩屑岩性，选择红砖投入到钻杆内，记录启动泵时刻与红钻钻出时刻，时间差则为循环周期，然后计算确定从井底到井口的时间。红砖从投入钻孔内至到达井底的时间计算公式为：

其中：t0为红钻从投入钻孔内至到达井底的时间，s；V1和V2为钻杆和钻铤的内容积，m3；Q为钻井液排除速度，m3/min；d1和d2为钻杆和钻铤的内径，m；L1和L2为钻杆和钻铤的长度，m。以下为记录的过程数据：钻杆内径为97.2 mm，长度为114 m，钻铤内径为161.9 mm，长度为9.15 m，钻井液排除速度为8 m3/min，因此红钻从投入钻孔内至到达井底的时间约为7.7 s。

从井底到井口的时间是记录的循环周期与红砖到达井底时间的差值；随钻γ录井则是利用无线随钻测量系统的伽玛探管实时监测钻井中的伽玛值，每5 min 通过钻井液脉冲发射一个数据，井上设备进行接收。根据随钻γ录井结果动态调整钻杆轨迹；钻时录井结合钻进进尺情况，原则上1 m 一个记录点，至完井；由于采用的是定向钻孔方案中水平钻孔路径较长，钻下的岩粉不容易被带出，因此在选择钻井液时，不仅要求其润滑性好，还需其具有较强的岩粉携带性能，同时不会将钻孔的裂隙封堵，导致后续注浆工序无法有效注浆，基于此选用无固相钻井液体系。

2.4 钻井液

使用合适钻井液能够降低钻孔设备与岩层摩擦作用，降低钻头温度，并维持钻孔结构完整，降低钻孔孔壁岩层脱落风险，是保证钻孔进度的关键因素[3-5]。钻井液的选择要根据钻孔位置岩性决定，不仅要求其润滑性好，还需其具有较强的岩粉携带性能。地质资料显示，钻孔一开段岩性主要为黄土、黏土、粉砂岩，局部细砂岩，深度为370～400 m；二开段岩性主要为砂质泥岩和铝质泥岩，总体厚度约为110 m。钻井液具体参数见表2。

表2 钻井液参数汇总表

2.5 泥浆配置

泥浆配置质量是钻探注浆工艺的另一核心要素。正确合理的泥浆配置不仅能够保证钻探注浆效果，还是施工效率的直接影响因素。结合地质特点，一开钻进泥浆主要由粗岩、碎砂砾和黏土构成，主要作用是注浆后保护钻孔结构，防止塌陷和泄漏，根据钻孔深度地质岩性，以降失水剂和稀释剂调节泥浆水性；二开钻进泥浆主要对粉砂岩和煤层地层进行注浆，主要以防塌为主，因此泥浆配置要加入絮凝剂提升岩屑上返能力，达到安全钻进的目的。

2.6 注浆治水工艺

通过定向钻探施工，对钻井简易水文和泥浆配置要求进行分析，为注浆工艺参数的确定提供了依据。第一分支定向水平段施工时，每500 m 要进行一次高压压水试验，其他分支则在中段进行一次高压压水试验，但每个分支终孔时一定要进行一次高压压水试验[6-9]。试验前要使用清水以45 min 为循环周期循环稀释钻井液，当稀释浆液黏度达到17～20 s 立即开始试验，以确定透水率及渗透系数等参数，按照试验数据确定注浆液配比参数、注浆量以及注浆计划等[10-12]，待压水压力达到最大静水压力的1.4～1.6 倍，且稳压稳流30 min 时高压压水试验结束。根据虎龙沟煤业注浆层位的浆液扩散试验测定结果，选择注浆水平分支钻孔间距为55 m；注浆材料为32.5R 硅酸盐水泥和pH 不小于4.5 的自来水混合物，浆液比重为1.3；注浆压力根据区域标高及治理区域奥灰含水层最大静水压力等参数确定[13-15]，保证浆液加压后出口压力为最大静水压力的1.4～1.6 倍。注浆工艺流程如图2。

图2 注浆工艺流程图

注浆采取“完成一孔，注浆一孔，随漏随注”的原则施工，采用全孔段注浆方式完成注浆，整个过程按照注浆压力分为三个阶段：常压注浆、加压注浆和高压注浆。开始注浆时，注浆压力只需比静水压力稍大即可，既可以保证注浆效果，还能降低作业能耗，浆液可以利用自身重力将裂隙中的承压水排出，达到注浆浆液替换裂隙中承压水的效果。随着注浆作业的实施，浆液不仅仅只用来替换裂隙中承压水，还要将注浆层小裂隙通道进行封堵。注浆压力增大后，浆液在横向和纵向扩散，形成点-线-网-面结构[16-17]。在注浆施工后期，浆液压力要增加到注浆层最大静水压力的1.4～1.6 倍，以达到稳定前期注浆效果，压力稳定45 min 后完成注浆。当整个孔未出现漏失时，在钻进结束进行一次压水试验，试验结束后立即确定注浆材料配比，进行注浆工作。当钻孔漏失量大于5 m3/h，过漏失段10 m 后起钻开展高压注浆工作，满足注浆结束标准且通过验收后开始钻进下个分支孔。单孔注浆完成后，要向孔内压清水，孔内无明显卸压时，保持压力2 h左右完成注浆。图3 为S2-1 定向分支顺层高压注浆阶段注浆流量和注浆压力与时间关系，注浆压力稳定在16.8 MPa，随后进行了压水验证，测得透水率为0.003 0 Lu，远远小于标准0.01 Lu，表明单孔注浆完成。

图3 S2-1 钻孔高压注浆阶段注浆量及注浆压力随时间变化曲线图

3 防治水效果

根据距离整个定向钻孔与注浆过程，分别对定向钻探施工质量和注浆施工质量进行评价，其中定向钻探施工质量的评价指标主要有钻孔的布局、钻孔方向与深度等轨迹内容、录井内容、钻井液质量、钻孔轨迹调整参数范围、下管固井质量和高压压水试验参数以及高压注浆工艺参数等。评价结果显示，以上重要指标均符合方案设计要求。注浆施工质量评价指标主要有高压压水试验的压力、流量、时间、透水率、渗透系数、压水结束标准等相关指标，高压注浆的注浆层位、注浆间距、注浆材料、浆液性能、注浆压力、泵量、注浆结束标准、注浆方式、注浆量等指标。评价结果显示，高压压水试验和高压注浆工艺参数均符合方案设计要求。

根据钻探过程中岩屑录井、注浆量变化和随钻γ异常点等数据显示，S2-1、S2-3 两个定向分支顺层钻孔有两处钻井液漏失，局部微裂隙较发育。

3.1 水平分支钻孔间距评价

施工时采用分支跳打、跳注方式，在分支钻探时，通过岩屑录井数据，以岩屑录井见水泥点至已注浆的分支最小距离作为高压水泥浆的扩散半径。根据施工中实际观测，浆液的扩散半径最大为31.6 m，水平分支钻孔间距55 m 内可以实现交叉全覆盖，表明钻孔间距设计合理有效。

3.2 地下水位动态分析

在S2-2 钻孔西翼设置水位观察孔，用来观察微裂隙含水层水位变化。根据监测水位数据绘制曲线图4，可以看出施工期间水位迅速从-107 m 上升至-49 m，表明施工前存在微裂隙通道，这与地质评价资料结果相同。在2021 年9 月完成注浆后，水位一直维持在高位，表明注浆施工对含水层裂隙的封堵效果明显，水位无法通过裂隙回落。

3.3 井下探查对治理效果验证评价

针对探查治理范围内的分支顺层钻孔漏失处，井下掘进前开展了专门的钻探及高压压水试验探查、验证工作。在掘进过程中，三个底板灰岩验证钻孔也未发生出水现象，开展的三次压水试验孔口压力分别为16.4 MPa、16.1 MPa 以及16.2 MPa，均达到16 MPa 以上，吸水率基本为0，均未出现失压现象。说明漏失段经地面高压注浆加固后微裂隙得到有效加固，探查治理成果可靠。