陳偉武

(山西省地質(zhì)勘查局217地質(zhì)隊(duì)，山西 大同 037008)

山西介休鑫峪溝煤礦位于山西省介休市張?zhí)m鎮(zhèn)，井田面積30 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量2.8億t，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能420萬(wàn)t主焦煤，總資產(chǎn)90多億元。本區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為了保證礦井持續(xù)有效發(fā)展，設(shè)計(jì)2號(hào)定向水平多分支注漿孔，以?shī)W灰下20～60 m富水層段為主要施工目的層，主要通過注漿工程封堵奧灰水導(dǎo)水補(bǔ)給通道，提高煤層底板一定厚度范圍內(nèi)整體巖層完整性，增加煤層底板與灰?guī)r含水層底面之間各巖層抗壓強(qiáng)度，降低井下采掘期間水害危險(xiǎn)程度，達(dá)到水害治理的目的。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)特性

井田位于沁水煤田西部邊緣，區(qū)域上出露的地層從老到新依次為古生界奧陶系中統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)、上統(tǒng)，二疊系下統(tǒng)、上統(tǒng)，中生界三疊系，新生界第四系等。從西往東依次出露奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、第四系沿溝谷和山梁有不同程度分布。區(qū)域地層走向總趨勢(shì)表現(xiàn)為北東走向，傾向北西的單斜構(gòu)造。

井田內(nèi)含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)

本區(qū)屬于黃河流域汾河水系，汾河從井田西部13 km處流過，井田附近的主要支流龍鳳河、樊王河、張澗河均為季節(jié)性河流。

區(qū)域主要含水層為：碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組；石炭系碎屑巖、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組；三疊系及二疊系碎屑巖類裂隙含水巖組；第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)松散巖類孔隙含水巖組；第四系全新統(tǒng)松散巖類孔隙含水巖組。

2 主要工作量及技術(shù)要求

2.1 工程工作量

地面2號(hào)注漿孔設(shè)計(jì)(見圖1)包含6個(gè)分支孔，分別為定向孔2-1號(hào)上、2-1號(hào)下、2-2號(hào)上、2-2號(hào)下、2-3號(hào)上、2-3號(hào)下；本孔設(shè)計(jì)6個(gè)分支孔總工作量3081.87 m，其中直井段310 m，斜井段累計(jì)2771.87 m。

在完成5個(gè)分支孔后，經(jīng)甲方驗(yàn)證已經(jīng)達(dá)到預(yù)期注漿效果，可以終孔。因此，實(shí)際完成5個(gè)分支孔，總工作量2194.86 m，其中直孔段490.27 m，水平孔段累計(jì)1704.59 m。

圖1 2號(hào)注漿孔設(shè)計(jì)剖面Fig.1 Profile of the grout hole

2.2 鉆孔技術(shù)要求

(1)以封堵奧灰?guī)r含水層為目的層。在預(yù)注漿區(qū)域?qū)?yīng)地面合適位置設(shè)計(jì)主孔，并進(jìn)行分支，分支鉆孔經(jīng)水平造斜后進(jìn)入工作面奧灰?guī)r，至終孔均在灰?guī)r層位中鉆進(jìn)。

(2)鉆孔采用下入兩級(jí)套管、三級(jí)孔徑結(jié)構(gòu)，一級(jí)套管直徑193.7 mm；二級(jí)套管直徑139.7 mm，終孔孔徑118.3 mm。

(3)下套管要求：主孔設(shè)計(jì)兩層套管，一級(jí)套管隔離疏松層，二級(jí)孔徑到設(shè)計(jì)層位后，下入二級(jí)套管，二級(jí)套管試耐壓 5 MPa(地面孔口壓力)。

(4)鉆孔主孔進(jìn)入目的層前均要認(rèn)真做好判層工作，對(duì)揭露的地層均要詳細(xì)記錄，鉆孔進(jìn)入目的層位前必須采取物理測(cè)井進(jìn)行校核地層，確保地層的準(zhǔn)確性。

(5)整個(gè)鉆進(jìn)過程中均要求進(jìn)行簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)，在奧灰和目的層的鉆進(jìn)中如鉆遇漏失層段，要詳細(xì)記錄其深度、液位和漏失量。

(6)每次注漿結(jié)束后，掃孔至原孔深孔內(nèi)注滿清水，作水位觀察，觀察4 h水位升降。

(7)完成主孔施工后，不割套管。注漿至二開套管口之上50～100 m。候凝準(zhǔn)備下級(jí)分支孔施工。

(8)為保障注漿效果，要求奧灰層鉆孔孔徑≯ 130 mm。

3 施工難點(diǎn)

(1)一孔六分支孔?？變?nèi)分支孔多，情況復(fù)雜，施工難度加大。

(2)鉆孔造斜段急。造斜段“狗腿”度最大達(dá)到15.61°/30 m，對(duì)施工鉆桿要求高，容易造成鉆桿斷裂，形成孔內(nèi)事故。

(3)水平孔施工在奧灰層，地層裂隙發(fā)育，施工中可能出現(xiàn)沖洗液護(hù)壁困難，易發(fā)生掉塊卡鉆事故。

4 鉆探施工

4.1 鉆探設(shè)備

4.1.1 鉆機(jī)及配套設(shè)備(見表1)

4.1.2 選用 CMD-100 型車載鉆機(jī)在水平孔施工中的優(yōu)勢(shì)

(1)機(jī)械化、模塊化程度高，設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)方便，輔助時(shí)間短。

(2)設(shè)備系統(tǒng)采用全液壓多回路控制，施工安全；設(shè)備扭矩大，轉(zhuǎn)速高、鉆進(jìn)參數(shù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

(3)本設(shè)備可根據(jù)不同施工工藝配套相關(guān)輔助設(shè)備，適應(yīng)面廣，全面鉆進(jìn)和取心鉆進(jìn)都可適配。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)(見圖2)

一開：?241.5 mm 牙輪鉆頭鉆至穩(wěn)定地層后，下入?193.7 mm、鋼級(jí)J55的套管進(jìn)行固井，水泥返出地面，封固表層松軟地層。

二開：采用?171 mm 鉆頭進(jìn)行主孔段鉆進(jìn)，井身軌跡進(jìn)入奧灰?guī)r后，下入?139.7 mm套管固井。

三開：采用?118.3 mm PDC 鉆頭鉆進(jìn)，直至完成主孔所有分支的鉆進(jìn)。

4.3 鉆具組合及鉆進(jìn)工藝參數(shù)

4.3.1 鉆具組合

(1)一開鉆具組合設(shè)計(jì)：?241.5 mm牙輪鉆頭+?197mm直螺桿+?178mm無(wú)磁鉆鋌×1根+?178 mm鉆鋌×4根 +411×410轉(zhuǎn)換短節(jié)+?127 mm鉆桿串。

表1 鉆機(jī)及配套設(shè)備Table 1 Drilling rig and auxiliary equipment

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Hole structure

(2)二開鉆具組合設(shè)計(jì)：?171 mm牙輪鉆頭+?135 mm單彎1.75°螺桿+?120 mm定向短節(jié)(MWD)+?120 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+311×210轉(zhuǎn)換短節(jié)+?89 mm加重鉆桿×200 m+?89 mm鉆桿。

(3)三開水平段鉆具組合：?118.3 mm PDC鉆頭+?95 mm單彎1.25°螺桿+?95 mm定向短節(jié)(MWD)×1根+?95 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+?73 mm鉆桿。

4.3.2 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

鉆進(jìn)工藝參數(shù)是根據(jù)本孔地層剖面，結(jié)合以往實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)綜合分析而設(shè)定的，在施工中上部地層采用高轉(zhuǎn)速，適中鉆壓，下部地層采用低轉(zhuǎn)速，大鉆壓，鉆開煤層后適當(dāng)降低鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量，保持孔壁的穩(wěn)定性，各孔段具體鉆進(jìn)工藝參數(shù)見表2。

表2 2號(hào)注漿孔鉆孔結(jié)構(gòu)鉆孔工藝參數(shù)Table 2 No.2 grouting hole drilling program

5 沖洗液

沖洗液主要以不漏、壓穩(wěn)地層、維持孔壁穩(wěn)定性為原則，各開次沖洗液性能見表3。

表3 各開次沖洗液性能參數(shù)Table 3 Drilling fluid parameters for each hole section

(1)一開鉆進(jìn)沖洗液配制以防塌、防漏為目的，使用常規(guī)沖洗液，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)加入降失水劑和稀釋劑，以保證正常鉆進(jìn)，提高鉆效。

(2)二開鉆進(jìn)沖洗液配制以防塌、防漏為目的，加入絮凝劑提升巖屑上返能力，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。在鋁土巖孔段提高 Cl-含量，增強(qiáng)沖洗液抑制性，抑制粘土礦物水化膨脹；在進(jìn)入奧灰前加入隨鉆堵漏劑，控制滲漏，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，盡可能增加單趟鉆進(jìn)尺，提高鉆進(jìn)效率。

(3)三開鉆進(jìn)沖洗液配制以防塌、防漏、增粘為目的。進(jìn)入奧灰層段能防止孔壁垮塌，在漏失小的情況下起到堵漏效果，加入絮凝劑提升巖屑上返能力，達(dá)到安全鉆進(jìn)的目的[1-10]。

6 下套管要求和方法

6.1 下套管質(zhì)量要求

(1)套管要提前 2～3 d進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，并進(jìn)行通徑、排列、丈量、編號(hào)。

(2)下套管前，項(xiàng)目部應(yīng)根據(jù)鉆孔實(shí)際情況，編寫固孔施工設(shè)計(jì)書，提出固孔作業(yè)具體措施和要求，上報(bào)甲方進(jìn)行審核，施工作業(yè)中做好過程參數(shù)記錄。

(3)下套管前對(duì)升降系統(tǒng)、剎車制動(dòng)系統(tǒng)、工器具和附件等進(jìn)行認(rèn)真檢查、確保機(jī)器設(shè)備、工器具靈活、可靠、有效。

6.2 下套管準(zhǔn)備

(1)下套管作業(yè)前應(yīng)做好組織動(dòng)員工作，應(yīng)有明確的組織分工、統(tǒng)一指揮，嚴(yán)格執(zhí)行崗位職責(zé)和安全操作規(guī)程，做到安全、文明施工，防止人員碰傷。必須將下套管順序?qū)︺@機(jī)人員進(jìn)行班前交底。下套管必須有專人負(fù)責(zé)套管序號(hào)檢查，防止發(fā)生入孔套管錯(cuò)亂。

(2)套管準(zhǔn)備：套管送到鉆場(chǎng)后，應(yīng)及時(shí)清點(diǎn)套管數(shù)量、型號(hào)是否與清單一致，組織丈量、通徑、編號(hào)工作并作好記錄，套管柱長(zhǎng)度及強(qiáng)度必須符合設(shè)計(jì)要求。

(3)下管準(zhǔn)備：排列下入孔內(nèi)套管順序、備用套管做出明顯標(biāo)記，與下入孔內(nèi)套管分開排放。要求孔眼干凈。

(4)工器具準(zhǔn)備：下套管工具應(yīng)配備齊全，易損部件應(yīng)有備用件，對(duì)所有工具進(jìn)行規(guī)格、尺寸、承載力、磨損程度、安全性、可靠性進(jìn)行檢查。

(5)設(shè)備檢查：在下套管前，要對(duì)設(shè)備進(jìn)行一次全面檢查，以保證在下套管及固孔施工期間設(shè)備正常、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。主要對(duì)地面設(shè)備、提升系統(tǒng)、泥漿泵、指重表、泵壓表等進(jìn)行嚴(yán)格細(xì)致的檢查，保證各部位安全、可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，儀表準(zhǔn)確、靈活。

6.3 下套管作業(yè)

所有套管均采用升降機(jī)提吊進(jìn)行下孔，除護(hù)壁管不做要求外，技術(shù)套管要使用石油套管，絲扣連接，雙鉗緊扣，保證套管連接垂直度、強(qiáng)度達(dá)到要求。

下套管過程中，提放時(shí)要平穩(wěn)，嚴(yán)禁猛拉，猛放，遇阻時(shí)應(yīng)正確分析原因，采用合理的處理方法。為安全起見，底部可加裝引鞋，以確保下套管安全。

7 鉆探施工技術(shù)措施

7.1 開鉆前技術(shù)措施

(1)鉆場(chǎng)平整后，重新標(biāo)定水平孔坐標(biāo)，并按測(cè)點(diǎn)校核水平孔軌跡。

(2)按合同附件中的設(shè)備清單配套鉆機(jī)及附屬設(shè)備，并安全運(yùn)抵作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

(3)嚴(yán)格按要求安裝鉆機(jī)及附屬設(shè)備，達(dá)到平、穩(wěn)、正、全、靈、牢。

(4)設(shè)備安裝完畢，要經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收合格，甲方出具書面開鉆通知書后，方可正式開鉆。

(5)開鉆前要認(rèn)真貫徹設(shè)計(jì)要求，對(duì)地質(zhì)、工程、沖洗液、固孔、成孔等作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行技術(shù)交底，貫徹重點(diǎn)技術(shù)措施，并按設(shè)計(jì)要求做好開鉆前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

7.2 一開技術(shù)措施

(1)按設(shè)計(jì)組合鉆具下鉆。開眼時(shí)，采取吊打方式，輕壓鉆進(jìn)，每鉆完一個(gè)單根劃眼一次，修整孔壁。

(2)上部地層松軟，易垮塌，易漏失，用清水膨潤(rùn)土漿鉆進(jìn)時(shí)，要求初始排量低，適當(dāng)?shù)奶岣邲_洗液的粘、切值。

(3)鉆達(dá)設(shè)計(jì)孔深，或鉆至穩(wěn)定地層后，加重沖洗液維持孔壁穩(wěn)定，下套管前大排量循環(huán)洗孔2周，通孔1次，確保下套管順利。

7.3 二開技術(shù)措施

(1)固孔候凝期間，檢修、保養(yǎng)設(shè)備。準(zhǔn)備二開用水及沖洗液材料。

(2)組合鉆具，下鉆探水泥面，小鉆壓鉆水泥塞至孔底，繼續(xù)鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)。

(3)起鉆時(shí)定向鉆進(jìn)工程師作定向鉆進(jìn)作業(yè)指令書，并優(yōu)選造斜鉆具，確保工具造斜能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(4)按定向鉆進(jìn)指令組合鉆具，并積極配合定向鉆進(jìn)作業(yè)。

(5)在斜井段內(nèi)鉆具因故停止轉(zhuǎn)動(dòng)(測(cè)斜、機(jī)修等)時(shí)，鉆具需 3～5 min 上提下放活動(dòng)一次，活動(dòng)距離不得小于 6 m。

(6)鉆進(jìn)過程中注意返砂情況，必要時(shí)大排量循環(huán)沖洗液，沖洗時(shí)長(zhǎng)距離(9 m)活動(dòng)鉆具，防止沖出“大肚子”及劃出新井眼。

(7)動(dòng)力鉆具入井，嚴(yán)禁劃眼和懸空處理沖洗液，遇阻時(shí)，活動(dòng)鉆具下放，若無(wú)效，起鉆換鉆具通井，以防劃出歧眼。

7.4 三開技術(shù)措施

(1)準(zhǔn)確了解 BHA 、馬達(dá)彎角、扶正器的位置和距離。

(2)進(jìn)入目的層后根據(jù) MWD 的傳輸信號(hào)，導(dǎo)向、定向人員及時(shí)跟蹤掌握鉆頭所在的灰?guī)r位置，及時(shí)調(diào)整井眼軌跡，保證鉆頭在灰?guī)r中鉆進(jìn)，保證鉆遇率。

(3)進(jìn)入灰?guī)r后旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和鉆時(shí)，盡量防止憋泵的現(xiàn)象，保證巖屑的充分返出。

(4)鉆進(jìn)時(shí)司鉆時(shí)刻注意鉆進(jìn)扭矩及泵壓變化，如果扭矩或者泵壓突然出現(xiàn)過高的現(xiàn)象，司鉆及時(shí)上提鉆具，充分循環(huán)，直至泵壓、扭矩正常時(shí)重新下放開始鉆進(jìn)。

(5)每次加尺時(shí)充分循環(huán)，在循環(huán)的過程中，盡量避免倒劃眼循環(huán)，注意泵壓和扭矩變化。

(6)要不間斷監(jiān)視巖屑的返出情況，注意巖屑返出的大小和形狀及返出量大小。

(7)控制鉆進(jìn)參數(shù)、監(jiān)視地面情況，防止孔底事故的發(fā)生[11]。

8 施工難點(diǎn)解決

(1)孔內(nèi)分支孔多，每施工完一個(gè)分支孔后，要對(duì)本分支孔三開孔段進(jìn)行全面水泥封堵，對(duì)封堵孔段要求堵實(shí)，而且水泥達(dá)到一定強(qiáng)度(一般注漿結(jié)束后72 h)才能施工下一個(gè)分支孔。

(2)施工水平定向多分支孔，鉆具選用韌性好的G105鉆桿，鉆頭地表土層選用中齒牙輪鉆頭快速通過。進(jìn)入穩(wěn)定基巖后，鉆遇泥巖時(shí)，容易泥包鉆頭，選用復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)。鉆遇砂巖和泥巖砂巖互層時(shí)，選用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。最后鉆至水平段全段灰?guī)r，選用PDC鉆頭鉆至完井。每次起下鉆都必須嚴(yán)格檢查鉆桿絲扣有無(wú)損傷，檢查鉆頭齒輪和復(fù)合片有無(wú)損傷。定期為鉆桿做探傷檢查，減小井內(nèi)事故幾率。

(3)三開施工中，在沖洗液性能調(diào)配良好的情況下仍然會(huì)出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象，在重復(fù)鉆進(jìn)過程中會(huì)導(dǎo)致埋鉆等事故發(fā)生。針對(duì)這種狀況，要以預(yù)防為主；其次時(shí)刻注意扭矩、泵壓和懸重的變化，如果扭矩和泵壓突然出現(xiàn)過高現(xiàn)象，要立刻提鉆具至套管內(nèi)，充分循環(huán)沖洗液，直到泵壓和扭矩恢復(fù)正常后重新下鉆鉆進(jìn)；三要觀察孔口返出巖屑，跟蹤地層，注意孔漏和沖洗液失返情況，按時(shí)測(cè)量沖洗液粘度，保證沖洗液的攜砂能力。若發(fā)生沉砂卡鉆現(xiàn)象，先建立循環(huán)，泵排量逐漸增大，活動(dòng)鉆具解卡[12-15]。

9 經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)

(1)在水平孔鉆進(jìn)施工中，設(shè)備的保養(yǎng)檢修尤其重要，施工中，需要有專業(yè)的維修技術(shù)人員對(duì)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，這也是復(fù)雜多分支孔施工成功的關(guān)鍵。

(2)水平定向分支孔鉆探施工鉆進(jìn)，定向操作是關(guān)鍵，施工過程中要通過精準(zhǔn)導(dǎo)向技術(shù)，順利鉆進(jìn)到目的地層，達(dá)到成孔注漿的目的。

(3)多分支孔鉆進(jìn)施工，用好沖洗液，及時(shí)高效地將孔內(nèi)孔底巖屑攜帶至地面，保證孔內(nèi)干凈、孔壁穩(wěn)定是成孔的先決條件。所以需配備沖洗液技術(shù)員，根據(jù)不同的地層隨時(shí)調(diào)配沖洗液配方，提粘、防塌等，保證沖洗液性能。根據(jù)施工需要，下入石油套管，隔離地表松散土層，隔離斷裂帶、裂隙等，維持孔內(nèi)上部孔壁穩(wěn)定。

(4)結(jié)束孔深以注漿堵水效果為主，還要考慮是否為破碎地層，是否有斷裂帶，以及注漿時(shí)間、扭矩、鉆壓、懸重等因素綜合決定。