靳光均

摘 要：地面多分支鉆井與井下鉆孔對接施工時，首先在煤礦井下向上揚(yáng)適當(dāng)角度鉆進(jìn)一個鉆孔，然后在地面進(jìn)行多分支水平井施工，先鉆進(jìn)分支，然后鉆進(jìn)主支，并通過連通儀器實(shí)現(xiàn)地面多分支水平井主支與井下鉆孔對接，洗井后，下入篩管形成永久性的氣體通道，實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯預(yù)抽采。本文通過ZX煤礦ZX-1井井下對接實(shí)例，介紹了煤層瓦斯抽采井下對接設(shè)計(jì)及對接專用設(shè)備，分析了煤層瓦斯抽采井下對接關(guān)鍵技術(shù)及問題，提出解決方案，為煤礦瓦斯抽采多分支水平井井下對接技術(shù)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：瓦斯預(yù)抽采;多分支水平井;井下鉆孔;井下對接

中圖分類號：TD842 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0079-04

Abstract： When surface multi-branch drilling is connected with underground drilling， a drilling hole is first drilled at an appropriate upward angle in the underground coal mine， and then a multi-branch horizontal well is constructed on the ground. First， branches are drilled， then main branches are drilled， and through connecting instruments， the main branches of surface multi-branch horizontal wells are connected with underground drilling holes， and after washing wells， the main branches of underground multi-branch horizontal wells are drilled. The permanent gas passage is formed by entering the sieve tube to realize the pre-extraction of coal seam gas. Through the example of ZX-1 underground docking in the ZX coal mine， this paper introduced the design and special equipment of underground docking in coal seam gas extraction， analyzed the key technologies and problems of underground docking in coal seam gas extraction， and put forward solutions to provide valuable experience for underground butt-joint technology of multi-branch horizontal wells in coal mine gas extraction.

Keywords： gas pre-drainage;multi-branch horizontal wells;downhole drilling;downhole docking

隨著我國煤炭行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，淺層煤炭資源日益減少，煤炭開采正逐步向深部發(fā)展，瓦斯治理方法也不斷改變。目前，煤層瓦斯預(yù)抽方式基本分為井下抽采和地面鉆井抽采兩大類[1]。其中，井下抽采主要包含井下鉆孔抽采和巷道抽采等;地面鉆井抽采多采用多分支水平井技術(shù)，通過定向鉆井技術(shù)在入煤點(diǎn)進(jìn)入煤層后，井眼以煤層走向?yàn)榛鶞?zhǔn)延伸或者穿層而過，通過主支和分支大幅度增加瓦斯解吸面積，將地面多分支水平井通過井下鉆孔接入煤礦瓦斯抽采管路，利用地面泵站的負(fù)壓抽采目的煤層及相鄰煤層中的瓦斯，從而達(dá)到高效治理的目的[2，3]。地面多分支水平井瓦斯預(yù)抽采技術(shù)具有覆蓋面積大，采出瓦斯體積分?jǐn)?shù)高和地面施工效率高的優(yōu)點(diǎn)[4]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各個地區(qū)煤礦瓦斯治理中。本項(xiàng)目充分利用地面多分支井控制面積大和井下便于集中抽采的優(yōu)勢，促進(jìn)煤礦瓦斯治理及開發(fā)利用。

1 地面多分支水平井與井下鉆孔對接原理

地面多分支鉆井與井下鉆孔對接施工時，首先在煤礦巷道側(cè)邊開拓出井下鉆孔施工場地，從該場地向上揚(yáng)適當(dāng)角度，施工一個小口徑的井下對接鉆孔，對接鉆孔孔口使用鋼制套管固孔，井口連接漿液分離器等裝置，用于地面多分支水平井與井下鉆孔對接。在地面進(jìn)行多分支水平井施工，通過定向設(shè)備及對接設(shè)備實(shí)現(xiàn)大角度、長距離對接，對接完成后通過井下對接鉆孔的井口裝置，與煤礦井下瓦斯抽采管網(wǎng)連接，利用煤礦瓦斯抽采泵實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采[5-7]。

2 鉆井施工技術(shù)難點(diǎn)及對策

2.1 防塌、防漏難點(diǎn)及對策

該地區(qū)為構(gòu)造煤，煤儲層地質(zhì)條件較差，膠結(jié)多疏松，因而在水平鉆井過程中易發(fā)生井壁坍塌、井漏等情況。為了防止井壁坍塌和井漏，在進(jìn)行大位移多分支水平井鉆井過程中，要嚴(yán)格控制泥漿鉆井液性能[8-10]。在滿足施工要求的基礎(chǔ)上，一開、二開可使用清水鉆進(jìn)，依靠地層自然造漿形成坂土漿鉆井液。三開采用無固相鉆井液，并嚴(yán)格控制比重、含沙量等，既要防塌又要防漏，并準(zhǔn)備發(fā)泡劑、隨鉆堵漏劑等泥漿材料，在考慮三開可能會遇到井內(nèi)泥漿消耗較大情況下再準(zhǔn)備高效隨鉆堵漏劑。在施工過程中，在條件允許的情況下，再加入發(fā)泡劑降低泥漿比重，減少地層漏失，防止污染儲層。

2.2 對接技術(shù)難點(diǎn)及對策

第一，對設(shè)備防爆安全級別要求高。連通儀器設(shè)備需要下入煤礦巷道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，下入礦井的設(shè)備必須要達(dá)到煤礦防爆安全等級。目前，國內(nèi)還沒有成熟的配套設(shè)備。為了項(xiàng)目的順利實(shí)施，對連通儀器設(shè)備、通信設(shè)備進(jìn)行防爆處理，使其達(dá)到煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)。

第二，連通施工難度大。目前，連通點(diǎn)的靶點(diǎn)坐標(biāo)多是根據(jù)礦井里邊的鉆孔井底坐標(biāo)和鉆井傾角、井深計(jì)算而來的，對接點(diǎn)的坐標(biāo)誤差較大，導(dǎo)致連通難度增大。因此，在加強(qiáng)礦井對接以前，需要反復(fù)確認(rèn)靶點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對接過程中，若靶點(diǎn)坐標(biāo)的測算出現(xiàn)誤差，會造成連通儀器接收到的有效數(shù)據(jù)與定向數(shù)據(jù)存在偏差，應(yīng)以連通儀器顯示數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，并反算出真實(shí)靶位，然后進(jìn)行再次連通施工。

第三，要確保連通后井下安全。在連通瞬間，鉆井液會流向井下鉆孔，地面多分支水平井鉆機(jī)泵壓下降，鉆井液失返，井下井口裝置會出現(xiàn)較大震動，因此，為保證連通時鉆孔的安全，在鉆進(jìn)至連通點(diǎn)10～11m時，應(yīng)將探管從井下鉆孔中取出，確保井下鉆孔井口裝置裝備完善牢固，關(guān)閉閥門開關(guān)。然后，以連通工程師指示為導(dǎo)向進(jìn)行鉆進(jìn)，在顯示連通征兆后，緩慢打開閥門，泥漿從井下鉆孔孔口排出，則連通成功，關(guān)閉閥門。若鉆進(jìn)至連通點(diǎn)后仍無任何連通征兆，則需要確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性后在連通點(diǎn)反復(fù)劃孔，通過泥漿壓力溝通裂隙，嘗試實(shí)現(xiàn)對接，若無反應(yīng)，則需要停止連通，檢查數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，進(jìn)行側(cè)鉆，重新準(zhǔn)備對接工作。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

ZX-1井為多分支水平井，位于ZX一礦，通過該井與井下瓦斯抽采鉆孔對接，從而解決井下瓦斯預(yù)抽采的問題。該井目標(biāo)煤層為3+4#煤層，3+4#煤層的底板標(biāo)高為+470～+600m，煤層厚度為3.2～4.5m，含氣量為10m3/t，煤層較脆，且煤體結(jié)構(gòu)破碎，在鉆井施工過程中易發(fā)生坍塌問題[11-14]。由于煤層滲透率低，造成瓦斯抽采達(dá)不到預(yù)期效果，可采煤層瓦斯含量高且層間距小，因而有大量瓦斯涌出。為有效解決瓦斯突出問題，該礦擬通過實(shí)施地面多分支水平鉆井與井下瓦斯抽采鉆孔對接技術(shù)，提高該礦瓦斯治理效果。

3.2 工程布置

ZX礦地面多分支水平井ZX-1井與井下鉆孔對接工程布置如圖1所示。

井下施工的對接瓦斯抽采鉆孔布置在礦井軌道大巷的右邊，長度為112m，仰角為30°，孔徑為153mm，采用Φ108mm鋼管封孔，水泥固井。

3.3 鉆井設(shè)備

根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)要求，本次多分支水平井對接井采用的是徐工XSC-1000車載鉆機(jī)。該鉆機(jī)的提升能力1 000kN，進(jìn)給力300kN，鉆深2 000m（Φ127），轉(zhuǎn)速0～180（r/min），最大扭矩28 000N·m，性能完全滿足施工要求。該車載鉆機(jī)的機(jī)動能力強(qiáng)，井場搬遷方便，可快速就位;全車液壓系統(tǒng)全部為負(fù)載敏感泵，泵和閥門的控制為負(fù)載敏感控制，可根據(jù)負(fù)載的需要提供相適應(yīng)的流量和壓力，高效節(jié)能，可調(diào)節(jié)鉆壓大小，根據(jù)不同的施工要求，配備相應(yīng)的輔助工具。

3.4 對接設(shè)備

本次對接采用的是中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所自主研制的“慧磁”高精度定向?qū)酉到y(tǒng)。該系統(tǒng)硬件部分主要包含強(qiáng)磁接頭、探管、地面機(jī)、筆記本電腦等。強(qiáng)磁接頭安裝于泥漿馬達(dá)輸出軸上，末端連接鉆頭，在泥漿馬達(dá)驅(qū)動下，強(qiáng)磁接頭與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個動態(tài)的旋轉(zhuǎn)磁場;探管用于井下鉆孔井底接收強(qiáng)磁接頭信號;地面機(jī)用于接收探管接收的數(shù)據(jù)，筆記本用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本次對接信號接收是在礦下進(jìn)行的，因而，所有井下設(shè)備均需要采取防爆措施。地面機(jī)由專用礦用防爆電腦替代進(jìn)行探管數(shù)據(jù)接收，通過碳纖維管將探管下入井下對接鉆孔靶點(diǎn)深度處，采集強(qiáng)磁接頭產(chǎn)生的信號，傳輸至礦用防爆電腦。探管供電由專用的防爆供電箱、防爆電源箱提供，井下礦用防爆電腦與探管之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由井下對接工程師通過井下礦用電話將信號數(shù)據(jù)報送給井上對接工程師，井上對接工程師通過筆記本電腦的解析軟件對采集到的信號進(jìn)行處理和分析，最終解析出鉆頭與靶點(diǎn)之間的空間相對位置關(guān)系，按照解析的偏差結(jié)果，調(diào)整鉆頭方向，使之逐漸趨近靶心。具體信號傳輸方式如圖2所示。

3.5 對接工程

ZX-1井水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三開，根據(jù)甲方提供的地質(zhì)資料，結(jié)合實(shí)際施工，一開鉆深118.32m，鉆過風(fēng)化層后進(jìn)入堅(jiān)硬巖石10m;二開鉆進(jìn)至入煤點(diǎn);三開為水平段鉆進(jìn)，直至終孔。鉆具組合如下。

一開鉆具組合：Φ311.15mm 3A×0.95m+轉(zhuǎn)換接頭（631×410）×0.44m+Φ172.00mm鉆鋌×34.16m+轉(zhuǎn)換接頭（411×4A10）×0.38m+Φ159.00mm鉆鋌×17.39m+Φ127.00mm鉆桿×58.50m+方入×6.50m。

二開鉆具組合：Φ215.90mm PDC鉆頭×0.32m+Φ172.00mm螺桿×8.33m+4A11×410接頭×0.44m+Φ172.00mm定向接頭×0.67m+411×4A10接頭×0.48m+Φ159.00m無磁鉆鋌×8.40m+4A11×410接頭×0.39m+Φ172.00mm無磁接頭×1.31m+Φ127.00mm加重鉆桿×81.03m+Φ127.00mm鉆桿×622.42m+方入×8.21m。

三開鉆具組合：Φ152.40mm PDC×0.27m+Φ121.00mm螺桿×5.49m+Φ121.00mm定向接頭×0.69m+Φ121.00mm無磁鉆鋌×8.50m+轉(zhuǎn)換接頭×1.32m+Φ89.00mm鉆桿×790.78m+方入×4.95m。

對接鉆具組合：Φ152.40mm PDC×0.27m+Φ121.00mm強(qiáng)磁接頭×0.48m+Φ121.00mm螺桿×5.49m+Φ121.00mm定向接頭×0.69m+Φ121.00mm無磁鉆鋌×8.50m+轉(zhuǎn)換接頭×1.32m+Φ89.00mm加重鉆桿×260.96m+Φ89.00mm鉆桿×871.74m+方入×2.53m。

井深結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本次對接首次鉆進(jìn)至1 235.00m，井下對接鉆孔下入連通儀器，鉆進(jìn)至1 293.00m，距原設(shè)計(jì)井深1 315.00m的距離為22.00m，但井下儀器顯示異常，無法繼續(xù)對接施工。起鉆后，討論研究決定重新測算靶點(diǎn)坐標(biāo)，井深調(diào)整為1 359.00m。下鉆正常鉆進(jìn)至1 342.00m，接收到連通儀器信號，數(shù)據(jù)顯示方位偏差42°，距離相差59.50m（原計(jì)算相距17.00m），無法繼續(xù)對接施工。起鉆后，討論研究決定以連通儀器顯示數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，自井深1 342.00m處退后165.00m，從井深1 177.00m開始側(cè)鉆（帶強(qiáng)磁接頭）定向鉆進(jìn)，方位由256°扭向274°，鉆至井深1 323.00m，井下對接鉆孔下入連通儀器接收信號，判斷與井下對接鉆孔的相對位置。根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)，連通工程師發(fā)出井斜、方位調(diào)整指令進(jìn)行鉆進(jìn);距井下對接鉆孔11.00m時，井下起出連通儀器;水平井鉆進(jìn)對接連通。連通井深：1 383.60m;連通現(xiàn)象：泵壓由10.00MPa降至4.00MPa，井口鉆井液失返20s，失返鉆井液共計(jì)2.00m3，連通成功。井眼軌跡如圖4和圖5所示。

連通后下入用89.00mm鉆桿連接頂送外徑89.00mm玻璃鋼篩管85根，下入井段673.88～1 383.60m，段長709.72m，使用清水30m3開泵循環(huán)洗井。洗井結(jié)束后，從鉆桿內(nèi)下入鋼珠開泵加壓8MPa，在鉆桿連接玻璃鋼篩管的液壓丟手工具處憋開。

4 結(jié)論

采用多分支水平井與井下鉆孔對接技術(shù)，在進(jìn)行對接施工前，應(yīng)做好井下儀器防電防爆安全措施，應(yīng)嚴(yán)格確認(rèn)靶點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。在出現(xiàn)坐標(biāo)誤差時，確保連通儀器數(shù)據(jù)有效性后，應(yīng)以連通儀器數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，通過反算推出真實(shí)靶點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)施側(cè)鉆對接。該對接技術(shù)的普及將為實(shí)現(xiàn)瓦斯持續(xù)高效開發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

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