基于定向钻探技术的深部矿井突水点封堵方案优化

2024-02-12李建林郭水涛徐博博

煤矿安全 2024年1期

薛杨，李建林 ,2，郭水涛，徐博博

（1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000；2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南焦作 454000；3.河南焦煤能源有限公司古汉山矿，河南焦作 454100；4.焦作市神龙水文地质工程有限公司，河南焦作 454000）

矿井防治水是保障煤矿安全生产的一项重要工作[1]。为解决该问题，我国学者和煤矿技术工作者提出了一系列治理方案[2]，从疏水强排到“注浆改造底板及含水层”技术[3]，再从帷幕注浆到动水条件下注浆封堵技术[4]，方法不断更新。但随着矿井开拓深度的不断增加，深部突水已在矿井突水水源中占据重要比例，其封堵难度高、工程量大等问题也日益突出。自2014 年以来，赵庆彪[5]首次提出了采用地面多分支水平定向钻探技术对矿井深部含水层及导水通道进行探查及封堵，该技术有效增大探查与注浆覆盖范围，实现注浆加固由点到面“地毯式”治理，减少井下治理工程量，显著提升了矿井水害治理效果[6]。

2016 年，焦作矿区首次引进该技术并应用于矿井水害治理中，由于施工区域水文地质条件颇为复杂，在实际应用中暴露出诸多问题，井眼轨迹控制难度大，钻孔井壁失稳导致事故频发，现有注浆设备及工艺不能充分满足深部突水封堵需要。针对上述问题，以吴村矿深部突水点封堵工程为背景，对上述关键技术难点进行分析，通过改进螺杆钻具结构、建立聚合物钻井液体系、适配新型注浆泵等技术手段，保障封堵工程顺利完成，实现深部矿井突水点高效快速封堵。

1 区域概况

吴村矿位于焦作矿区东北端，矿区南部上以煤层隐伏露头为界，下以煤层底板-300 m 等高线与古汉山矿相邻。吴村矿以山西组下部的二1煤层为主采层，煤层底板L8灰岩为矿井突水的主要来源。矿井由于水文地质条件复杂，剩余储量开采难度大，于2008 年正式闭坑，闭坑后老空区积水量约为291.1 万 m3。根据吴村矿水文资料，矿井闭坑后部分突水点随时间推移逐渐发生复涌，成为老空区积水主要补给来源。突水点状况表见表1。

表1 突水点状况表Table 1 Water inrush point status table

由于吴村矿老空区有大量积水，与之相邻的古汉山矿上部边界防水煤柱承受的水压达3.16 MPa，高压水长期浸泡导致煤岩体软化，隔水能力降低。两矿边界有1 条延伸长2.2 km 的断层裂隙带，若古汉山矿采掘工作面靠近老空区水体，老空水可能会沿着煤柱的薄弱地带或断层裂隙带造成突水事故，势必对古汉山矿造成严重的水患威胁[7]。吴村矿闭坑后，相邻矿井在掘进工作面时曾发生突水事故，经水质化验突水水源为吴村矿老空水，表明老空水已经与相邻矿井发生水力联系。若要缓解吴村矿老空水对相邻矿区的巨大威胁，关键在于封堵上述较大突水点，并对突水点周围一定范围内的孔隙和裂隙带进行充填加固，以减少对老空区动水补给，为后期追排水创造有利条件[8]。在突水点封堵后可通过井上下联合排水作业疏放老空水，疏放完成后两矿之间边界煤柱可得到解放，据估算可解放煤炭储量约1 110 万 t。以此来看，老空水治理可解除矿井的重大水害隐患，同时可以解放煤炭资源，延长矿井服务年限。

2 深部突水点封堵技术难点

2.1 封堵方案难点

由于T1、T2、T3 突水点位于深部L8灰岩，为提升封堵效果，选用地面多分支定向钻探技术对突水点进行探查及封堵，施工中存在下列技术难点：①受施工区域复杂地质情况所限，各分支孔设计长度短（100～200 m），井眼造斜段全角变化率和终孔井斜角均较大，中靶难度高，完钻难度大；②钻孔施工过程中需穿越多段泥岩地层，泥岩以黏土矿物为主要成分，易水化膨胀导致井壁失稳垮塌，对钻孔安全产生巨大威胁；③在分支孔间距扩大、注浆终压标准不断提高的背景下，现有注浆工艺及设备下的浆液扩散范围及充填效果已不能满足封堵需要，亟待进行优化提升。

2.2 井眼轨迹控制

受限于目标层L8灰岩层厚较薄、靶点窗口较小等因素，存在井眼造斜难度大、终孔井斜角大（最大可达97°）等施工难点，井眼轨迹控制成为能否顺利完钻亟待解决的问题。

井眼轨迹受多种因素影响，由于施工区域地质条件等客观因素确定，因而钻具的造斜能力成为影响井眼轨迹的主要因素。而螺杆钻具在本工程中的选用存在限制，需从其他方面入手以解决造斜难题[9]。

通过大量工程实践发现，螺杆钻具的结构显著影响钻头的侧向力和造斜率，若在螺杆上增加1 个偏心垫块，则相当于给钻头施加了1 个附加的侧向载荷。卫增杰[9]针对152.4 mm 井眼中使用的120 mm 螺杆进行了力学分析，通过计算结果发现，在其他钻井参数保持不变情况下，随着垫块高度的增加，其螺杆造斜率也呈线性增加；在长庆油田及大庆油田复杂井段应用垫块螺杆进行试验，垫块螺杆造斜能力较好地满足了钻孔造斜率的工程需要。因此针对本封堵工程中钻孔造斜段全角变化率和终孔井斜角大的情况，垫块螺杆可为井眼轨迹控制难题提供技术支持。

2.3 钻孔井壁稳定性

2.3.1 钻孔井壁失稳机理及稳定性控制思路

T1、T2、T3 突水点均位于二1煤层下方的L8灰岩，其顶底板分布有较厚泥岩层。该区域其他钻孔施工过程中钻遇泥岩时曾多次发生塌孔事故。据统计数据显示，钻井工程中约90%的井壁失稳现象发生在泥岩地层。由于施工区域泥岩层理、微裂缝发育，当地层被钻开后，钻井液侵入泥岩中的微裂缝，泥岩中富含黏土矿物，钻井液与黏土矿物中的阳离子发生交换并发生水化膨胀，继而通过水化作用产生水化应力，使地层孔隙压力升高，导致地层的弹性模量和强度参数由于地层含水量的增加而下降[10]，最终致使井壁失稳、垮塌。

由于泥岩地层水化膨胀后发生掉块、垮塌，是造成钻孔事故的最主要原因，因此提升钻井液体系的抑制能力及封堵能力是控制井壁失稳的技术关键。为控制泥岩水化膨胀导致井壁失稳情况，在构建钻井液体系，进行处理剂配伍时，应着重从以下方面进行：①抑制、封堵性能：钻井液的抑制性能是控制泥岩中黏土矿物水化膨胀的最重要因素，良好的封堵性能可以减少钻井液滤失量，控制滤液侵入泥岩中的微裂缝，阻止水化应力的产生和地层孔隙压力升高[11]；②降低滤失量、增强泥饼质量：良好的降滤失性能是保证钻井液中黏土颗粒稳定，从而提升井壁稳定性的关键，而降滤失性能是形成高质量泥饼的关键，薄而致密的泥饼可有效减少有害滤液向井壁侵入，进一步提升井壁稳定性[12]；③抗钙侵性能：由于注浆及封孔作业频繁，水泥水化后产生大量Ca2+对钻井液造成钙侵现象，使其滤失量增大，泥饼增厚，加剧井壁失稳现象，因此需要针对钙侵现象提出行之有效的解决方案以维护钻井液性能[13]。

2.3.2 钻井液处理剂

随着以PAM 水解产物为基础的各类衍生物的广泛应用，钻井液体系逐渐由分散型向低固相不分散聚合物型转变。聚合物钻井液处理剂选择繁多，可针对不同情况进行合理配伍，充分发挥各处理剂性能优势，以满足复杂使用环境下井壁防塌、防阻卡等技术需求。因此在对钻井液处理剂作用机理进行充分调研的基础上，结合施工实际，选用K-PAM 和NH4-HPAN 处理剂为配伍核心，形成“强抑制、多功能”的聚合物钻井液体系，以满足施工需求。钻井液体系处理剂选用如下：

1）提高抑制、封堵性能。配伍以聚丙烯酰胺钾盐（K-PAM）和聚丙烯腈铵盐（NH4-HPAN）2 种聚合物为核心的钾铵基聚合物钻井液体系，可充分提升钻井液的抑制及封堵性能[14]。

2）降低滤失量、增强泥饼质量。选用广谱护壁剂（GSP）、羧甲基纤维素（HV-CMC、LV-CMC）、丙烯酰胺与丙烯酸钠共聚物（80A51）以实现上述性能目的[15]。

3）抗钙侵性能。由于工程中需频繁进行注浆、封孔作业，水泥中包含大量Ca2+，不可避免的会对钻井液造成污染，使钻井液pH 值升高，滤失量增大、泥饼增厚，加剧井壁失稳现象。使用纯碱（Na2CO3）及烧碱（NaOH）可与水泥中的Ca2+反应生成CaCO3沉淀，从而降低钻井液pH 值，可有效处理钙侵，改善钻井液性能[13]。

2.4 注浆影响因素

注浆作为1 种矿井水害治理技术，被广泛应用于煤矿突水点治理工程中。随着矿井开拓深度不断增加和地质条件愈发复杂，有关于注浆方面需解决的难题随时间推移逐渐增多。因此本深部突水点封堵工程主要面临以下几个问题：①各分支孔布置间距较大，需要尽可能提升浆液扩散范围以减少钻孔间距中的覆盖盲区；②需尽可能提升浆液扩散能力及充填效果，以充分对裂隙等构造进行高压充填，提高封堵效果；③加快注浆施工效率，尽可能缩短工期。

近年来，随着矿井深部突水治理工程的广泛开展，其注浆结束终压随目标层静水压力的增加而大幅提升。通过对邻近矿井深部注浆工程资料进行分析，结合以往治理经验，对深部治理工程中浆液扩散过程可划分为3 个阶段[16]：①低压充填阶段：孔口压力0～4 MPa，受注点附近存在大量未充填导水通道，浆液在其空间内进行快速充填；②中压劈裂阶段：孔口压力4～6 MPa，随着注浆压力升高，受注点附近裂隙在浆液压力作用下充填-劈裂-再充填，导水通道充填密实度进一步提高；③高压渗透阶段：孔口压力6～8 MPa，浆液扩散范围基本不再扩大，注浆压力已无法达到劈裂阈值，不再对区域产生大范围的构造改变。

注浆开始后在低压充填阶段完成后进入中压劈裂阶段时，在浆液压力作用下，地层被劈裂、改造，旧裂隙开度不断扩大，新裂隙不断生成，形成充填-劈裂-再充填的循环过程，浆液充填度及注浆效果显著提高；进入高压渗透阶段后，注浆量开始减少，压力已无法达到劈裂阈值，不再对区域产生大范围的构造改变，浆液扩散范围不再扩大，浆液充填度及注浆效果在此阶段提升幅度不大。

近年来，针对深部注浆工程，诸多学者进行了模拟实验，在其他因素不变情况下，影响浆液扩散距离及范围的显著性因素为注浆流量。在注浆过程中，随着水泥浆液注入速率的提高，浆液扩散范围及对裂隙的封堵效果也随之得到一定的提升[17]。

综上所述，为充分提升深部突水点注浆封堵效果，需注浆设备与施工工况紧密配合，根据注浆阶段的变化灵活调整注浆策略，提升中压劈裂阶段在注浆过程中的占比，并在此基础上进一步提升注浆流量，增强浆液扩散能力及对裂隙的封堵效果。因而要求设备有宽泛的流量调节范围，具有良好的适应性能可随裂隙的充填而精确调整排量，以有效提高浆液的充填效果[18]。

3 深部突水点封堵工程实践

T1、T2、T3 号突水点封堵工程选用地面多分支定向钻探技术，以实现对突水点附近长距离顺层钻进，从而对导水通道及裂隙进行充分的揭露，并构建大范围的注浆帷幕[19]。

根据工程目标，以T1、T2、T3 号突水点所在的L8灰岩为目标层位，设计3 个主孔，分别从小凤凹断层、35051 工作面、33031 工作面进行分支定向。钻孔采用三级结构，下设2 级套管，在钻孔着陆后根据设计各展开4 个分支，对突水点进行覆盖。

3.1 优化螺杆钻具

为解决封堵工程中钻孔轨迹控制难题，开展螺杆钻具技术研究，结合施工区域地质情况，选用1.5°/ϕ120 mm 垫块螺杆为钻孔施工提供支持，通过在分支孔施工中进行试验，造斜需要得到较好满足。但在钻进中仍暴露出一定问题：复合钻进时其垫块所处位置的旋转半径接近钻头旋转半径，使垫块摩擦、剐蹭井壁，造成螺杆与钻头旋转形成速度差，缩短螺杆寿命，极端情况下易使螺杆轴承处丝扣倒开造成万向节折断。因而在施工中，以定向造斜为主时使用带垫块螺杆，复合钻进时需起钻更换无垫块螺杆以降低事故隐患，由于定向、复合钻进工序转换频繁，反复起钻不但降低施工效率且增加钻孔安全隐患。

根据上述情况对垫块螺杆结构进一步优化。根据多次现场试验，将螺杆钻具弯点附近垫块调整至距传动侧外壳体100 mm 位置，在弯点背部凸出位置设置两条耐磨带，垫块边沿做成坡状过渡带。可效减少垫块摩擦井壁现象，减轻螺杆万向节负担，降低事故风险。垫块螺杆示意图如图1。本次封堵工程选用的螺杆垫块有8、12 mm 这2 种厚度规格。螺杆造斜效果对比表见表2。

图1 垫块螺杆示意图Fig.1 Schematic diagram of spacer screw

表2 螺杆造斜效果对比表Table 2 Comparison table of screw build-up effect

技术改进后的垫块螺杆应用于各分支钻孔施工过程中，有效解决井眼造斜难题，缩短定向钻进距离从而加快施工效率，保障各分支钻孔顺利完钻。同时垫块剐蹭井壁现象大为减少，钻进安全性得到有效保障。

3.2 钻井液处理剂配比

根据施工区域地质情况及施工实际对钻井液性能设置控制指标。二开、三开钻井液性能控制指标见表3。

表3 二开、三开钻井液性能控制指标Table 3 Performance control index of drilling fluid for second and third openings

通过钻井液体系配置思路及处理剂作用机理分析，建立了钾铵基聚合物钻井液体系。参考上述性能控制指标，结合现场施工实际进行多次配比实验，以确定处理剂配比量[14-15]。二开及三开水平井段施工时钻井液体系处理剂使用配比如下：

膨润土+0.5%K-PAM+1%NH4-HPAN+0.3%80 A51+0.2%Na2CO3+1%GSP+0.5%HV-CMC。上述配比为基础用量，可根据具体施工情况酌情增减以调整钻井液性能。当钻孔进行注浆或封孔作业后，可酌情加入0.1%～0.3% NaOH，以增强钻井液体系抗钙侵能力。

当钻遇泥岩段及当前井段有掉块时，钻井液体系处理剂使用配比如下：膨润土+1%K-PAM+1%NH4-HPAN+0.5%80A51+0.3%Na2CO3+1.5%GSP+1%HV-CMC。上述配比为基础用量，可根据具体施工情况酌情增减以调整钻井液性能。施工中根据泥饼情况及滤失量，可酌情再增加0.5%～1%LV-CMC 以进一步提升泥饼质量。

3.3 注浆设备

焦作矿区以往注浆施工主要采用3NBB-250 注浆泵，注浆流量低，变挡档位少且挡位之间流量跨度大，不仅影响注浆连续性，而且无法有针对性的调整流量以应对不同的裂隙充填变化情况，在突水点深度不断扩展、注浆结束终压不断增加的背景下，设备已无法有针对性地根据注浆阶段的变化灵活调整注浆工况，注浆流量更是无法满足注浆需求。

相比于传统机械调速注浆泵，变频调速注浆泵具有很好的恒功率运转特性，能无级调节流量且具有相当宽泛的调节范围，对于不同工况能有针对性的调节浆液流量。其良好的适应性能可根据注浆压力的变化灵活调整注浆策略，扩大中压劈裂阶段在注浆过程中的占比，进一步提升浆液扩散范围及充填效果[20]，因而该型设备在目前公路、铁路等施工领域得到广泛使用，故本工程注浆施工选用以F-260 注浆泵为代表的变频调速注浆泵。注浆泵参数如下：①F-260：缸套直径为ϕ140 mm，冲程长度为175 mm，理论最大排量为1 080 L/min，挡位个数为无极变频，输入功率为193 kW；②3NBB-250 缸套直径为ϕ85 mm，冲程长度为100 mm，理论最大排量为260 mm，挡位个数为4，输入功率为45 kW。

随着注浆设备的更新，本封堵工程注浆工艺也相较于以往矿井注浆使用的单次搅拌浆液工艺，优化为以高速立式搅拌锅为基础的二次搅拌工艺，其原理在于利用立式搅拌锅对水泥浆液先行进行快速预搅拌，而后利用搅拌池对浆液和骨料进行二次搅拌。通过应用二次搅拌工艺，其浆液水泥颗粒水化程度显著提高，凝固强度得到有效增强。

以T2 突水点施工为例，其首个分支孔钻进时钻井液消耗量约为70 m³/h，证明在该突水点附近存在较大裂隙及导水通道，通过应用F-260 注浆泵及二次搅拌工艺，利用注浆泵良好适应性能和宽泛的流量范围，根据裂隙充填情况和注浆阶段的变化灵活调整注浆策略。以该分支孔注浆过程为例，可以看出注浆阶段中70%时间均保持于中压劈裂阶段。注浆压力变化示意图如图2。

图2 注浆压力变化示意图Fig.2 Schematic diagram of grouting pressure change

在后续施工的3 个分支孔钻井液消耗量分别为2、0、0 m³/h，由此可证明先前注浆已对该分支孔附近区域进行了有效加固，充填效果良好。

3.4 突水点封堵情况

根据设计要求及现场实际，先期对T2、T3 号突水点进行封堵，而后施工T1 号突水点。各钻孔施工情况见表4。

表4 深部突水点钻孔参数表Table 4 Drilling parameters for deep water inrush points

工程12 个分支孔造斜段全角变化率及终孔井斜角大，井壁易失稳垮塌，存在施工难度高、危险系数大等情况。通过应用技术优化后的垫块螺杆及钾铵基聚合物钻井液体系，安全穿越复杂地层，顺利完成预定设计轨迹，取得了良好的施工效果。T1、T2、T3 突水点钻孔轨迹平面示意图如图3～图5。

图3 T1 突水点钻孔轨迹平面示意图Fig.3 Plane schematic diagram of drilling trajectory at T1 water inrush point

图4 T2 突水点钻孔轨迹平面示意图Fig.4 Plane schematic diagram of drilling trajectory at T2 water inrush point

图5 T3 突水点钻孔轨迹平面示意图Fig.5 Plane schematic diagram of drilling trajectory at T3 water inrush point

钻探施工结束后，利用F-260 注浆泵及二次搅拌工艺对各突水点进行注浆加固。注浆期间通过对吴村矿井筒及紧邻突水点的排水2 号孔、排水3 号孔进行水文观测以实现对注浆效果的跟踪。注浆期间水位变化如图6。

图6 注浆期间水位变化Fig.6 Change of water level during grouting

以T2、T3 突水点为例，上述突水点首个分支孔分别于2 月13 日、2 月27 日开始注浆；与此同时，吴村矿井筒、排水2 号孔、排水3 号孔由2月中旬的高位，到3 月中旬水位明显下降；至5月底，T2、T3 号突水点封堵工程结束，其水位最大降幅分别为6.53、5.55、5.13 m，由此可推断出封堵工程对深部突水点封堵效果显著，充填效果良好。