聶新明

(中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050031)

1 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置的研發(fā)背景

隨著無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量(MWD)技術(shù)的發(fā)展，隨鉆定向鉆進(jìn)技術(shù)[1-2]逐漸成熟，地面定向多分支鉆孔注漿工藝在煤田奧灰水害地面區(qū)域治理方面[3-4]開(kāi)始廣泛應(yīng)用，地面定向水平分支注漿鉆孔即先在地面施工一個(gè)垂直鉆孔(主孔)達(dá)到一定的設(shè)計(jì)深度，然后應(yīng)用無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量(MWD)技術(shù)進(jìn)行造斜進(jìn)入奧灰頂部設(shè)計(jì)的目的層后，根據(jù)具體帶壓開(kāi)采條件及含水層富水性選擇奧灰頂部(一般奧灰頂面下不大于50 m)或大清灰?guī)r含水層，變?yōu)槎鄠€(gè)水平或似水平分支孔鉆進(jìn)，沿鉆孔軌跡最大限度揭露奧陶系灰?guī)r裂隙及區(qū)內(nèi)構(gòu)造帶，通過(guò)高壓注漿對(duì)鉆孔揭露的裂隙、斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行封堵，切斷突水通道，保證深部開(kāi)采工作面的安全。

2017年7月我院與兄弟單位合作共同承攬了“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期鉆探工程”施工任務(wù)，根據(jù)《冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司水害地面區(qū)域治理管理規(guī)定》，地面定向多分支注漿鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中，長(zhǎng)距離出現(xiàn)孔內(nèi)泥漿不消耗時(shí)或泥漿消耗量<5 m3/h時(shí)，每隔50～80 m應(yīng)進(jìn)行孔口高壓壓水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定注漿參數(shù)[5-6]。由小泵量開(kāi)始?jí)核?，若無(wú)壓力，需要保證壓水量大于孔內(nèi)容積2倍才能停止壓水，由30 m3/h泵量開(kāi)始注漿；若壓水過(guò)程中有壓力，壓力上升快，最小泵量壓水時(shí)壓力仍大于受注含水層最大靜水壓力的2倍，說(shuō)明該孔段吸漿量很小，則不需要注漿，可以繼續(xù)鉆進(jìn)，進(jìn)行下一孔段施工。

正在施工的注漿孔，做孔口壓水試驗(yàn)[7-10]，使用傳統(tǒng)的孔口裝置，需要把孔內(nèi)鉆具全部提出孔外，地面定向水平多分支注漿鉆孔一般情況下設(shè)計(jì)孔深大，大多在1500～2000 m，提、下鉆需要耗費(fèi)大量時(shí)間，為了減少提、下鉆次數(shù)，縮短施工工期，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，我們研發(fā)出一套分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置，使用此裝置做孔口壓水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果作出判斷，有壓力繼續(xù)鉆進(jìn)，無(wú)壓力提鉆注漿。大幅度加快了施工進(jìn)度。

2 工程施工對(duì)鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置的要求

2.1 工程施工對(duì)鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置的基本要求

(1)能夠密封鉆孔，使整個(gè)鉆孔形成一個(gè)密閉的容腔。

(2)必須有向孔內(nèi)壓水或注漿的通道。

(3)能夠采集到反映出鉆孔內(nèi)漏失情況的壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 工程施工對(duì)不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置的要求

(1)能夠滿(mǎn)足工程施工對(duì)鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置的3項(xiàng)基本要求。

(2)要求能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外雙重連接與密封。外能夠與孔內(nèi)套管相連并密封；內(nèi)能夠與孔內(nèi)鉆具相連接并密封。

(3)具有足夠的強(qiáng)度，承載起孔內(nèi)所有鉆具的重力。

(4)連接、拆裝方便，性能可靠。

3 傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

該裝置主體是用與孔內(nèi)型號(hào)相同的套管加工而成，下端加工成套管公扣與孔內(nèi)套管相連接，上端焊接盲板，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔的密封；盲板上開(kāi)孔裝壓力表，采集壓水試驗(yàn)孔內(nèi)數(shù)據(jù)；主體旁邊開(kāi)側(cè)孔焊接壓水(注漿)管接頭，用以連接壓水或注漿泵。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置結(jié)構(gòu)

4 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置的結(jié)構(gòu)[11-12]

分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置，設(shè)計(jì)為上下兩部分，用法蘭連接成一個(gè)整體，如圖2所示。

圖2 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置結(jié)構(gòu)圖

分體的目的一是為了拆裝方便，二是為克服孔內(nèi)套管與孔內(nèi)鉆具不同心時(shí)的絲扣連接問(wèn)題。

此裝置可分解為上接頭和下接頭兩部分。上接頭上有鉆桿母接頭可與主動(dòng)鉆桿相連，下有鉆桿公接頭可與孔內(nèi)鉆桿相連；下接頭下有套管公扣與孔內(nèi)套管相連，下接頭側(cè)面裝有壓力表和注水管接頭，壓力表用以采集壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，注水管接頭實(shí)際應(yīng)用時(shí)安裝有注水閥門(mén),連接壓水或注漿設(shè)備；上下接頭用法蘭連接，法蘭要選用加重法蘭，螺絲用高強(qiáng)度螺絲，要求能夠承受16 MPa以上的抗拉強(qiáng)度，上下法蘭加工有子母口，母口內(nèi)置O形密封圈，用來(lái)壓水密封。

5 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置的現(xiàn)場(chǎng)安裝及使用方法

壓水試驗(yàn)前，將鉆具提離孔底，卸開(kāi)主動(dòng)鉆桿，把裝置下接頭和O形密封膠圈一同套過(guò)孔內(nèi)鉆桿，與孔內(nèi)套管連接，連接時(shí)絲扣處纏繞生料帶以確保密封；裝置上接頭下端與孔內(nèi)鉆桿連接，上端與主動(dòng)鉆桿連接緊密后，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具與下接頭法蘭對(duì)接，用螺絲緊固，完成安裝作業(yè)。

鉆桿外壓水作業(yè)時(shí)，壓水管與注水管閥門(mén)連接，主動(dòng)鉆桿上的高壓膠管管匯閥門(mén)關(guān)閉，保證孔內(nèi)密封，實(shí)施壓水試驗(yàn)，通過(guò)壓力表獲取孔內(nèi)資料數(shù)據(jù)。

此裝置也可進(jìn)行鉆桿內(nèi)壓水試驗(yàn)，管路連接方式相同，關(guān)閉注水管閥門(mén)，保證孔內(nèi)密封，打開(kāi)與主動(dòng)鉆桿連接的高壓膠管管匯閥門(mén)，用生產(chǎn)泵實(shí)施壓水作業(yè)，通過(guò)壓力表獲取孔內(nèi)資料數(shù)據(jù)。

6 兩種鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置在工程中的應(yīng)用

6.1 工程實(shí)例概況

“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期鉆探工程”項(xiàng)目是一項(xiàng)通過(guò)多分支水平井注漿方式，降低井下采掘期間水害威脅風(fēng)險(xiǎn)的工程[13-14]。本工程共設(shè)計(jì)DB1、DB2兩個(gè)地面主孔，31個(gè)水平或似水平分支孔。其中，DB1孔由1個(gè)直井段，1個(gè)造斜段，16個(gè)分支孔(W1、W2…W16)構(gòu)成；DB2孔由1個(gè)直井段，1個(gè)造斜段，15個(gè)分支孔(E1、E2…E15)構(gòu)成。設(shè)計(jì)鉆探工作量2.3萬(wàn)m。工程施工設(shè)計(jì)井身軌跡平面投影示意圖如圖3所示。

圖3工程施工設(shè)計(jì)井身軌跡平面投影

Fig.3Planeprojectionofdesignboreholetrajectory

6.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

本工程2個(gè)主孔鉆孔結(jié)構(gòu)相同，均為四級(jí)結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)一開(kāi)采用?444.5 mm鉆頭開(kāi)孔進(jìn)入基巖層段10 m，下入?339.7 mm×9.65 mm石油地質(zhì)套管，用水泥做永久性固管；二開(kāi)采用?311.1 mm鉆頭開(kāi)孔施工至2號(hào)煤采空區(qū)底板下20 m，下入?244.5 mm×8.89 mm石油地質(zhì)套管，用水泥做永久性固管；三開(kāi)進(jìn)入造斜段，采用?215.9 mm鉆頭施工至奧灰頂界面以下2 m，下入?177.8 mm×9.19 mm石油地質(zhì)套管，用水泥做永久性固管；四開(kāi)采用?152.4 mm鉆頭裸孔鉆進(jìn)，進(jìn)入奧陶系灰?guī)r頂界面下25 m，進(jìn)行水平或似水平分支孔鉆進(jìn)(見(jiàn)圖4)。鉆進(jìn)過(guò)程中若遇到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致井眼漏失時(shí)，起鉆注漿封堵漏失層段[15]。

圖4 DB1(DB2)孔鉆孔結(jié)構(gòu)

待注漿完成后下鉆掃水泥，繼續(xù)鉆進(jìn)直至終孔。每級(jí)入井套管均為“通天”套管。

6.3 主要施工設(shè)備及器具

根據(jù)設(shè)計(jì)情況，選擇適合的施工設(shè)備，主要有:TSJ3000/445型鉆機(jī)、A31-135型井架、3NB500型泥漿泵、2PNL30-80型振動(dòng)篩臺(tái)、多種功率的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組、PMWD-C1型無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜儀以及其他輔助設(shè)備器具。

6.4 兩種孔口壓水試驗(yàn)裝置應(yīng)用效果對(duì)比

目前該項(xiàng)目正在施工中，兩地面主孔和DB2-E3、DB2-E5、DB2-E4三個(gè)水平定向分支孔已經(jīng)施工結(jié)束。DB2-E3和DB2-E5兩分支孔每鉆進(jìn)80 m段，通過(guò)提鉆，下潛水泵抽水洗井，使用傳統(tǒng)孔口裝置進(jìn)行孔口壓水試驗(yàn)(見(jiàn)圖5)，完成鉆孔施工；DB2-E4分支孔每鉆進(jìn)80 m段，在不提鉆情況下，通過(guò)施工用的泥漿泵進(jìn)行注水洗井，使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置進(jìn)行孔口壓水試驗(yàn)(見(jiàn)圖6)，完成鉆孔施工?，F(xiàn)在對(duì)孔徑、孔斜、孔深、穿過(guò)的地層最相似，地理位置最接近,最有可比性的DB2-E5和DB2-E4兩分個(gè)支孔(見(jiàn)圖7)進(jìn)行對(duì)比。為了便于比較，DB2-E5和DB2-E4兩個(gè)分支孔都從同一孔深(DB2-E4側(cè)鉆點(diǎn)，孔深820 m處)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，表2。

對(duì)表1、表2進(jìn)行分析：DB2-E5統(tǒng)計(jì)孔段長(zhǎng)為990.6 m，DB2-E4統(tǒng)計(jì)孔段長(zhǎng)為970.25 m。根據(jù)鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，長(zhǎng)距離出現(xiàn)孔內(nèi)泥漿不消耗(正常消耗)或泥漿消耗量<5m3/h時(shí)，每隔50～80 m應(yīng)進(jìn)行孔口高壓壓水試驗(yàn)的要求，DB2-E5采用傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置進(jìn)行壓水，共計(jì)進(jìn)行壓水試驗(yàn)12次，平均每次耗時(shí)14.39 h；DB2-E4使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置進(jìn)行壓水，

圖5 傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置工作現(xiàn)場(chǎng)

圖6 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置工作現(xiàn)場(chǎng)

孔深/m沖洗液消耗/(m3·h-1)提鉆用時(shí)/h裝孔口裝置用時(shí)/h壓水用時(shí)/h拆孔口裝置用時(shí)/h下鉆用時(shí)/h壓水結(jié)論下步工作安排900.00正常4.01113.0不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)980.36正常4.21113.2不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1059.36正常4.51113.5不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1137.96正常5.01113.8不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1217.96正常5.21114.0不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1297.16正常5.51114.5不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1376.06正常6.01115.0不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1456.09正常6.21115.5不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1493.35正常6.31116.0不需注漿提鉆注漿1528.5935.96.56.5需要注漿提鉆注漿1608.70正常6.81117.0不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1634.0546.16.88.0需要注漿提鉆注漿1662.8128.57.08.2需要注漿提鉆注漿1742.35正常7.21118.5不需注漿繼續(xù)鉆進(jìn)1810.60正常7.5111不需注漿終孔 每次壓水試驗(yàn)平均耗時(shí)/h 14.39

表2 DB2-E4分支孔不提鉆壓水試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

共計(jì)進(jìn)行壓水試驗(yàn)10次，平均每次耗時(shí)3 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置比使用傳統(tǒng)鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置進(jìn)行孔口壓水試驗(yàn)平均一次可節(jié)省提、下鉆時(shí)間11.39 h，DB2-E4分支孔共計(jì)節(jié)省提、下鉆時(shí)間113.9 h。

分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置在“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期鉆探工程”項(xiàng)目后續(xù)28個(gè)水平分支孔的應(yīng)用，平均每孔使用10次，大約可節(jié)省提、下鉆時(shí)間3190 h，可以大幅度縮短施工工期，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)論

(1)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸方便等特點(diǎn)，目前正在申請(qǐng)專(zhuān)利。

(2)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置研發(fā)成功后，在“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期鉆探工程”項(xiàng)目中首次應(yīng)用，使用效果十分理想，受到建設(shè)方高度評(píng)價(jià)。

(3)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置，適用于有套管固井的各種口徑鉆孔孔口壓水試驗(yàn)。

(4)使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗(yàn)孔口裝置，在不提鉆的情況下完成孔口壓水試驗(yàn)作業(yè)，可大幅度縮短施工工期，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，可減少安全事故的發(fā)生，對(duì)鉆探工程施工具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。