定向注浆防治水技术研究及应用分析

2024-04-10赵雅丽

当代化工研究 2024年5期

＊赵雅丽

（晋能控股煤业集团同忻煤矿山西有限公司山西 037000）

山西某煤矿是一个南北向的单斜结构，受东西向的挤压压力，使其产生了叠加的推覆结构，其中包括24个煤层，其中一半为可开采煤层。11、9、6、3煤层是主要开采地煤层。矿区内存在较多的断层，数量为44条，且正断层的数量高于逆断层，断层的落差主要在20～500m之间。矿区曾出现过多起陷落柱事件，2020年更是出现过一起因底板联巷与陷落柱相邻而引发的突水事故。针对矿井防治水的需要，以保障矿井的安全生产为目标，针对煤矿区石炭纪灰岩含水层，进行定向灌浆技术的研究。这对于提高矿井防灭水工作效果具有十分重要的实际意义。

1.定向注浆防治水技术

（1）定向钻探控制。针对这一问题，本文提出了一种以定向钻井为基础的钻探新技术，也就是“定向钻孔”。根据工程技术特点，将其分为钻井设备、定向设备和灌浆设备。定向注浆防治水技术主要由定向钻探控制技术和定向注浆技术两部分组成，在进行定向注浆前，首先需要进行定向钻探施工[1]。根据施工技术，其主要设备如表1所示。

表1 定向注浆防治水技术设备一览表

设计主钻孔一个，其钻孔井身分为直孔段、1#造斜段和2#造斜段。在施工过程中，采用二开式的钻孔结构，并在钻孔内施工两层套管。在0～390m为直孔段，在0～298m范围内钻孔直径Φ350mm，在298～390m范围内钻孔直径Φ311mm，然后分别放入Φ273mm、Φ245mm的套管。1#造斜段在390～916m区间，钻孔Φ216mm，套管直径177.8mm。2#造斜段在390～947m区间，钻孔Φ216mm，套管直径177.8mm。横向分支20个，钻孔Φ152mm，钻孔位置见图1。本项目拟采用随钻录井、钻时录井和钻井液录井，以确保钻进轨迹符合设计要求，基于MWD的随钻录井技术的实时监控，确保钻进轨迹偏差在1.5m以内。

（2）钻孔轨迹。钻具在钻进过程中需要实时监控钻井轨迹避免偏离。一旦发生偏离则会导致施工误差，所以在对现场工程实际进行深入分析的基础上，采用无线随钻观测系统对井眼的顶角、倾角进行实时监控，并根据监测的结果对定向装置的参数进行技术修正，确保井眼轨迹与设计图相一致。特别要指出的是，在下井时，应事先标定好仪表，校正井口孔口零线，钻井过程中，每隔15m测量一次数据点。在确定井眼轨迹的过程中，要及时停钻，保证钻井液的正常流通。当井眼轨迹与原计划轨道偏差超过2.5m时，需要对井眼参数进行工艺调整。

（3）录井。录井主要有岩屑录井，随钻γ录井，钻时录井和钻井液录井。在岩屑录井过程中，根据钻屑岩的性质，选用红砂岩进行钻铤试验，对起始泵和红钻的钻井时间进行记录，并以此差值作为一个周期，由此求出了从井底到井口所需的时间。将红砖从放入井眼到达到井眼底部所需的时间计算如公式（1）所示：

其中：t0为红钻自下井孔口到下井底所用的时间，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。

随钻伽马测井是利用伽马探管，利用随钻测量系统，以5min/次的钻井液脉冲形式，实时监测钻井过程中的伽马值，并将监测结果实时发送到井上装置。基于随钻γ录井数据，实现了钻具的动态调节。在钻时测井过程中，要按钻进次数，每隔1m记录一次，直到钻完为止。由于采用了定向钻进模式，其水平钻进轨迹较长，而且钻下的岩屑不能被带出，因此，需要对钻井液进行优选，除具有较好的润滑性外，还应具有较好的携沙能力，而且不应使井眼出现裂隙堵塞的现象，避免后续灌浆过程中不能进行有效的灌浆，因此，选择了无固相钻井液体系。

（4）钻井液。选用适当的钻井液可以减少钻具对地层的摩擦，降低钻头的温升，保持井眼的完整性，减少井壁的岩石剥落，是确保钻井施工的一个重要环节。钻井液的选用应依据所处地层的岩性来确定，不但要具备良好的润滑性，还要具备良好的携带岩粉能力。根据已有的地质数据，在370～400m的地层中，地层以黄土－黏土－粉砂岩为主，并有部分细砂岩。二开段地层以砂质层、铝质泥岩为主，其整体厚度在110m左右。

（5）泥浆配置。在钻孔灌浆过程中，浆液配制的质量是另外一个关键因素。因此，选择合适的钻井液配方，不但可以确保钻孔灌浆的质量，而且可以对工程的顺利进行起到很大的作用。一开钻井的泥浆以粗岩石、碎砾石及黏土为主，其主要功能是在灌浆后对井眼构造进行防护，避免坍塌渗漏，其目的是依据井眼的地层岩性，对井眼进行注浆，用降水剂及稀释剂对钻井液进行调整。二开钻井时，泥浆主要的作用对象是粉砂岩和煤层地层，主要防止坍塌，所以在配制钻井液时，应在钻井液中添加混凝剂，以提高钻井液上返性能，实现钻井的安全性。

（6）注浆治水工艺。通过对钻孔施工过程中的简单水文地质条件及浆液配比的需求进行研究，为合理选择灌浆技术参数奠定基础。在第一分支方向的水平井段，每隔500m开展一次高水压测试，其余支管均在中间做一次，但必须在每一分支口结束时完成一次高压水压测试。在测试之前，要先用清水对泥浆进行一个45min的循环稀释，在将其稀释后的浆液的黏性提高到17～20s后，就可以进行测试，以此来测定其透水性和渗透系数等参数。根据实验数据来决定注浆液的配比参数、注浆量和注浆进度等。在该过程中，当压水压力升至1.4～1.6倍静水压力并且在稳定状态下保持30min后，高压压水试验结束。在对本矿区灌浆层进行注浆渗透测试的基础上，确定了以55m作为水平钻孔的间距。灌浆材料选用32.5R的硅酸盐水泥与pH值为4.5以上水的混合物，其浆液密度为1.3。在此基础上，结合现场高程和治理范围内的奥陶系地层最大静水压等因素，确保灌浆后出水压力达到最大静水压的1.4～1.6倍。灌浆流程见图2。

图2 注浆工艺流程图

灌浆采用的基本原则是每完成一孔则立即进行灌浆，当出现漏孔时立即补浆，以全孔段灌浆来实现灌浆，其全过程根据灌浆压力划分为三个阶段：常压注浆、加压注浆和高压注浆。灌浆启动时，灌浆压力略高于静水压，不仅能确保灌浆效果，而且能减少施工过程中的能源消耗，浆液通过其自身的重力作用将裂缝内的压力水挤走，从而实现灌浆浆液置换裂缝内的承压水。在注浆施工过程中，注浆不仅要替代裂缝内的承压水，而且要堵塞注浆层内的小裂缝。随着灌浆压力的增加，浆液会在裂缝中扩散，灌浆过程中出现了“点—线—网—面”的结构。灌浆结束时，应将灌浆压力提高至1.4～1.6倍于注浆层最大静水压，使初期注浆效果趋于稳定，45min后结束灌浆。待全钻孔无渗漏后，钻孔结束再做水压测试，测试完毕后，及时决定灌浆料配比，实施灌浆工作。在渗漏量超过5m3/h，在渗漏区域10m以后的位置进行高压灌浆，达到灌浆的要求，并通过检查，才能进行下一个分支孔施工。在钻孔结束后，将清水注入钻孔，当钻孔中没有显著的卸压现象时，维持2h即可结束灌浆。注浆压力稳定在16.8MPa，通过水压试验，其渗透系数仅为0.0030Lu，比规范中的0.01Lu要小很多，说明单孔灌浆已经结束。

2.防治水效果

从钻进时的岩屑录井数据，注浆量的变化及随钻伽马的异常值等数据分析，发现了2条顺层井S2-1和S2-3中存在2处钻井液漏失现象，且局部存在明显的微裂缝。

（1）水平分支钻孔间距评价。在分叉钻井中，根据岩屑录井所见到的水泥点到已经注浆分支的最短距离，利用岩屑录井数据，确定了高压水泥浆的扩散半径。经现场实测，注浆扩散半径最大可达31.6m，且在55m以内可实现横向全覆盖，说明了孔间距的设计是合理、有效的。

（2）地下水位动态分析。在S2-2井的西翼布置了一个观测井，观测了地下微破裂含水层的水位。施工过程中，地下水位由-107m快速升高到-49m，显示了工程前期已有微破裂通道，这一点与地质评估数据一致。自2022年9月灌浆结束以来，地下水位基本保持在较高水平，说明灌浆对含水岩层裂缝的封闭作用显著，水位不能通过裂缝下降。

（3）井下探查对治理效果验证评价。针对探查区域存在的顺层钻孔漏失点，在开挖前进行了专项钻井和高压水压试验的探勘和验证。在开挖期间，3个底板灰岩校验井都没有发现漏水，进行的3次压水测试孔压力分别为16.4MPa、16.1MPa和16.2MPa，都超过了16MPa，吸水性几乎为0，没有一次失压。这表明，经过地表高压灌浆处理的漏失区，其内部的微裂缝得到有效的加固，探测处理效果可靠。