郭再峰，張全林，郝凱偉，韓曉輝

(河北省煤田地質局水文地質隊，河北邯鄲056201)

1 概述

峰峰集團梧桐莊礦煤層開采主要受底板石炭系薄層灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r承壓含水層水威脅，水文地質類型屬極復雜型礦井。為防止礦井水害，梧桐莊礦結合生產安排，預先在地面施工開采煤層底板石炭系薄層灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r承壓含水層注漿鉆孔，目的是通過鉆孔注漿封堵大煤底板石炭系薄層灰?guī)r及奧灰含水層溶隙，給礦井采掘工作面安全生產創(chuàng)造條件。結合礦井地質條件，礦井生產地區(qū)安排，注漿鉆孔主要布置在礦井開采深度較大的四采區(qū)、五采區(qū)及六采區(qū)，有利于探查井田水文地質條件和保證礦井近期預采掘工作面安全，同時考慮地面建筑物和交通情況。本次設計地面注漿鉆孔10個，分支孔30個，揭露大煤后采取“下行式”分段(暫定奧灰頂面以上每揭露一薄層灰?guī)r含水層為一段高，在奧灰含水層內每20 m一個段高)連續(xù)式注漿工藝，使之自上而下直至奧灰含水層六段頂部注漿，盡可能擴大漿液在各含水層中擴散距離，從而達到最佳注漿效果。我隊承攬施工7號和9號2個注漿鉆孔，2個鉆孔情況基本相同，在本文只對9號鉆孔做介紹。

該鉆孔設計為垂直孔+分支孔，終孔層位為奧灰頂面下100 m位置，并分段交替鉆進注漿，主孔注漿完工后從大煤底板下5 m位置分支定向鉆孔再行注漿，分支孔終孔層位仍為進入奧灰100 m位置。

2 地質概況及水文地質條件

(1)0～150 m，新生界、第三系、第四系，巖性以粘土、砂卵石、砂層為主，底層互層變化較大，松散，易坍塌、漏失。

(2)150～980 m，二疊系、石炭系，巖性主要為粉砂巖、砂巖、泥巖、含薄層石灰?guī)r、煤層。

(3)980～1110 m，石炭系、奧灰系中統(tǒng)，巖性為鋁土質泥巖、石灰?guī)r、白云質灰?guī)r。

根據資料顯示，該井田奧陶系灰?guī)r總厚度約600 m，為煤系地層的基底，其含水層巖溶裂隙發(fā)育，單位涌水量為1.258～6.438 L/min，富水性強，該層段上部100 m為本次施工的堵水注漿目的層段。

3 設計與技術要求

(1)注9號鉆孔垂直孔設計孔深1110 m，終孔層位為奧灰頂界面下100 m。

(2)直孔孔斜要求按照《煤田地質勘探鉆孔工程質量標準》(MT/T 1042—2007)要求執(zhí)行，達到甲級孔要求。

(3)分支孔3個。

4 施工情況

5 徑向水平井簡介及施工方案

5．1 徑向水平井簡介

工作原理:射流鉆頭與高壓軟管一端相連、高壓軟管的另一端與高壓油管相連，通過高壓油管將高壓軟管連同射流破巖鉆頭一起下入井中，斜向管引導鉆頭和高壓軟管進入待鉆地層;啟動地面壓裂高壓泵;高速射流對巖石的侵蝕，完成徑向平段井眼鉆進作業(yè)。高壓軟管前端的噴頭由前噴嘴和后噴嘴構成見圖1，前噴嘴利用高壓噴射鉆入地層，形成可以使軟管進入地層的鉆孔，后噴嘴利用高壓噴射形成反作用力，使高壓軟管向前推進，后噴嘴還有擴大鉆孔和排除巖屑的作用。

圖1 噴頭構成圖

5．2 徑向射井施工層段地質情況

目的層為奧陶系石灰?guī)r含水層，厚度約110 m，由灰色、深灰色石灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r、白云質石灰?guī)r及花斑狀石灰?guī)r組成，具清晰的沉積韻律，蜂窩狀溶孔、裂隙、溶洞發(fā)育，多被方解石充填，含峰峰角石和腕足類等動物化石?？梢詽M足徑向水平射井施工要求。

5．3 設計依據

(1)參考相關大、小修等行業(yè)標準及井下作業(yè)管理規(guī)范。

(2)施工目的:通過實施水力噴射徑向鉆孔技術，尋找該孔周圍奧陶系石灰?guī)r地層裂縫、溶洞(孔)發(fā)育方位，為下步實施注灰堵水措施提供依據。

5．4 參數設計

5．4．1 鉆孔參數設計

該孔在奧陶系石灰?guī)r地層共設計4個徑向水平孔眼，鉆孔施工設計見表1。

表1 梧桐莊礦9號注漿孔徑向鉆進設計數據

5．4．2 作業(yè)管柱設計

(2)噴射鉆進管柱設計:噴頭+高壓軟管+連續(xù)管。

5．5 施工準備

5．5．1 甲方提供設備、器材

(1)全套鉆井設備(含27 m A型金屬鉆塔1部、GZ－2000型泥漿泵1臺、TBW－1200/7B型泥漿泵1臺、227 kW柴油機2臺、50 kW發(fā)電機組1臺、有線隨鉆測斜儀1套、泥漿凈化機1臺、泥漿攪拌機1臺)，全套修井設備及有經驗的作業(yè)隊伍，進行井口整改、起下管柱作業(yè)、刮管洗井、通井作業(yè)、壓井作業(yè)及相應的井場清理。

(2)400型水泥車1臺，修井用井口裝置一套，250型防噴器一套，修井作業(yè)所需的管線和地面工具，高壓軟管若干，軟管接口為1502型由壬。

(4)外徑89 mm鉆桿1115.0 m，準備相應的變扣短節(jié)，最終管柱上部變?yōu)?in(73 mm)EUE母扣，下部變?yōu)?in(60 mm)EUE公扣，并且最終保證管柱的上端面不超過地面1.5 m。

(5)如需精確定向，甲方進行陀螺測井，并提供與定位短節(jié)相連接的相應變扣接頭。若甲方不要求精確定向，則不需要陀螺定向測井，采取井口定向方式。

(6)提供足量的過濾到10 μm以下的工作液，碳酸鹽巖地層噴射用液為10%鹽酸溶液，1個分支孔的酸液用量約2 m3。

(7)10～20 m3清水罐車1臺，用于運送清水;10～20 m3干凈儲水罐1個，用于連接大泵;1～2 m3干凈儲水罐1個，用于連接酸泵;10～20 m3干凈儲酸罐1個(或下部帶絲扣接頭的1～2 m3干凈儲酸罐若干個)，用于儲存酸液。

(8)10～20 m3污水罐車1臺，10～20 m3污水池子1個，現場配備污水及殘酸液回收裝置，污水及殘酸及時外運處理，防止污染環(huán)境。

(9)30～50 kW 380 V電源(發(fā)電機)，220 V普通兩相電源。

(10)根據作業(yè)情況，甲方提供徑向鉆井作業(yè)設備所需的燃油，用量約為200 L/d(24 h作業(yè))。

(11)30 t吊車(根據場地情況不同需要選擇不同噸位吊車，至少要30 t吊車)一臺，用于設備吊裝。如連續(xù)作業(yè)，甲方需要提供設備搬運所需的運輸車輛。

(12)井場需要足夠的設備擺放空間，RDSY設備距離井口至少為30 m。

(13)照明設備。修井機與RDS設備應相互照明，但避免有光線直射操作手的眼睛，以保證夜間良好視野。

(14)甲方需要在作業(yè)前進行井徑測量工作，測出作業(yè)層段實際井徑大小及對應深度。

(15)準備好用于中和酸液所需的化學藥品，用于酸液滲漏后的處理。

(16)準備足夠的飲用水，用于人員接觸酸液后清洗使用。

5．5．2 施工方提供設備、器材

(1)全套徑向鉆井設備(含地面鉆機、鋼纜卡車、壓裂車、高壓油管、井下錨定系統(tǒng)和斜向器高壓射流噴頭等)、徑向鉆井工具以及有經驗的作業(yè)人員。

(2)連續(xù)油管防噴裝置:防噴盒或防噴器。

(3)連續(xù)油管井口裝置:“鵝頸”升高總成或注入頭。

5．6 施工要求

5．6．1 通孔及洗孔

(1)通孔時要平穩(wěn)操作，下管速度控制在150 m/h，中途若遇阻加壓20～30 kN，如不能通過則起出分析原因。

(2)下到距離設計位置100 m時，下放速度≯2 m/min，通至設計位置加壓10～20 kN，復探兩次，深度誤差＜0.5 m為合格。

(3)洗孔時泥漿泵的排量一般在10～15 m3/h，泥漿指標為粘度28～31 s、密度1.03～1.08 g/cm3、pH值8～9、含砂量＜3%。洗孔過程中隨時觀察并記錄泵壓、排量、出口量及漏失量。

5．6．2 放噴、壓井管線安裝標準

(1)放噴管線:安裝在下風口，接出井口25 m以外，通徑≮62 mm，特殊情況需轉彎時，轉彎處要用鑄造鋼制彎頭，彎頭≮120°。

(2)壓井管線:根據井場壓井車的需要連接并固定，壓井管線試壓35 MPa以上，穩(wěn)壓15 min，壓降≯0.7 MPa為合格。

5．6．3 起下鉆具

(1)鉆具按順序排放整齊，10根一組，防止壓彎或損壞。

(2)鉆具不得有砂眼、穿孔、裂縫、彎曲等，下放時用標準的油管規(guī)通過。

(3)鉆具長度丈量準確，誤差＜0.2‰。

(4)鉆具連接時絲扣涂密封脂或纏密封膠帶，上緊絲扣。

(5)鉆具與懸掛器連接下入孔內時檢查密封圈完好。

5．6．4 噴射液

(1)奧灰地層使用5%的特制鹽酸液噴射，并加入緩蝕劑，以減少對鉆具及套管的腐蝕。

(2)噴射時的壓力及排量根據現場情況控制;一般酸液用量約2 m3/孔。

(3)噴射速度控制在3 m/min以內。

5．7 施工步驟

(2)測井徑。下電測工具測量相應深度對應的井眼直徑。

(3)安裝放噴管線。接好放噴管線，并現場對放噴管線試壓10 MPa以上，15 min壓降≯0.7 MPa，密封部件不刺不漏為合格。

圖2 施工管柱示意圖

(5)完成第一分支水平井眼后，調整至井深1022 m處，調整方位為270°，下入高壓噴射工具進行徑向水平鉆進100 m;起出高壓軟管，用壓井車通過鉆桿泵入清水至井口。記錄泵送壓力、排量、井筒內液面變化情況。

(6)在井深1022 m處，調整方位為360°，下入高壓噴射工具進行徑向水平鉆進100 m;起出高壓軟管，用壓井車通過鉆桿泵入清水至井口。記錄泵送壓力、排量、井筒內液面變化情況。

(7)在井深1022 m處，調整方位為90°，下入高壓噴射工具進行徑向水平鉆進100 m;起出高壓軟管，用壓井車通過鉆桿泵入清水至井口。記錄泵送壓力、排量、井筒內液面變化情況。

(8)洗井沖出井內殘液，起出施工鉆具及導向器。

6 施工結果

梧桐莊礦9號注漿孔徑向鉆井完成數據見表2。

表2 梧桐莊礦9號注漿孔徑向鉆井完成數據

9號注漿孔徑向水平射孔鉆進歷時7天，在完成4個徑向孔后鉆孔注水漏失不大，因工農關系復雜，未能繼續(xù)施工，據了解，在用此方法在注漿3號孔提高了注漿量，效果較好。

7 水平射井的優(yōu)缺點

7．1 優(yōu)點

(1)不需要鉆柱與鉆頭的旋轉，減少了井下復雜情況的發(fā)生。

(2)噴射排量30 L/min，平均速度3～5 m/min，一個井眼需要1～1.5 h，起下鉆速度快，用2～3 d就可以完成4個徑向孔的鉆進，整個施工作業(yè)可在6～8 d內可完成。

(3)不需要泥漿，不會對地層產生大的傷害。

(4)用液量少(單孔需10～20 m3)。

(5)溝通地層裂隙，改善地層滲透性，提高孔滲參數。

7．2 缺點

(1)孔徑太小，38～50 mm，對于后期注漿應該有所影響。

(2)距離短，最遠只有100 m，而螺桿鉆進水平孔可以進行600 m，視地層情況可更遠。

8 存在工程技術問題

(1)由于設備功率一定，井下工具抗壓能力有限，這就決定了高壓軟管在地層穿越時的水平度，目前所能達到的最大壓力是105 MPa。

(2)連續(xù)管長，液體壓力傳輸距離長，壓力損耗大，到噴射鉆頭壓力不足以破巖鉆進，高壓軟管的剛性準直強度也隨之下降。

(3)水平井眼長度不能達到設計要求，主要是由于連續(xù)管下放速度慢，高壓軟管自重，后噴嘴對井眼沖蝕嚴重，徑向水平井眼直徑變大，導致反作用力變小，無法推動鉆頭前進。

9 結語

徑向水平射井在施工中可控制大概鉆進方向，能夠代替?zhèn)茹@、分支孔和水平井的部分功能，施工周期短、費用低、污染小。

在煤礦注漿堵水方面可實現水平定向溝通裂隙，尤其在直孔或分支孔漏水的情況下可進行多分支噴射，也可以進行深部酸化、定向壓裂，降低注漿壓力，提高堵水效果，也作為地熱井增大水量的一種手段。

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