楊 哲

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

我國(guó)煤炭資源豐富，產(chǎn)量居世界首位，但我國(guó)華北型煤田水文地質(zhì)條件復(fù)雜，大多煤礦開采受水害威脅。隨著煤炭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，煤礦水害問題已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患[1-3]。煤礦區(qū)地面和井下注漿技術(shù)是水害防治的重要途徑和手段，其中地面注漿技術(shù)具有設(shè)備能力大、注漿速度快、綜合效率高等優(yōu)點(diǎn)，近幾年被廣泛應(yīng)用于煤礦水害治理，而鉆井技術(shù)是地面注漿技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提和保障，目前地面注漿井主要有直井、定向井、多分支水平井等類型，其中多分支水平井具有占地面積小、鉆孔覆蓋面廣、注漿量大、綜合成本低等優(yōu)勢(shì)[4-9]。為此重點(diǎn)進(jìn)行煤礦區(qū)地面注漿多分支水平井裝備選型及關(guān)鍵技術(shù)研究，為煤礦水害防治工作提供重要支撐。

1 地面注漿多分支水平井鉆井裝備選型

1.1 鉆機(jī)選型

綜合考慮我國(guó)煤層埋深、鉆井工藝、注漿要求等因素，地面注漿多分支水平井完井的深度大多小于2 000 m，位垂比約1.8～2.5，因此用于注漿多分支水平井施工的鉆機(jī)需具備2 000 m 鉆進(jìn)能力。目前，市場(chǎng)上2 000 m 鉆機(jī)主要有小型石油鉆機(jī)、水源鉆機(jī)和全液壓車載鉆機(jī)，其中小型石油鉆機(jī)主要有ZJ20型和ZJ30 型；水源鉆機(jī)主要有TSJ-2600 型和TSJ-3000 型；全液壓車載鉆機(jī)主要有德國(guó)RB-T100 型、美國(guó) T200XD 型、瑞典 PREDATOR 型及意大利HH102 型等進(jìn)口鉆機(jī)，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司ZMK5530TZJ100 型、石家莊煤礦機(jī)械有限公司TZJ25/1000Y 型及北京天和眾邦勘探技術(shù)有限公司CMD100 型等國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)[10]。從鉆機(jī)能力上看，3 類鉆機(jī)均能滿足使用要求，但因小型石油鉆機(jī)和水源鉆機(jī)無配套頂驅(qū)，施工大位移水平井難度較大，同時(shí)，這2 類鉆機(jī)井間搬遷及安裝周期長(zhǎng)。相對(duì)而言，全液壓車載鉆機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：①具備加壓給進(jìn)能力，特別適用于大位移水平井及特殊工藝井施工；②機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，井間搬遷、安裝迅速，施工效率高，特別是在注漿過程中，1 臺(tái)鉆機(jī)可同時(shí)滿足2 口注漿井施工；③智能化程度高，配套工藝全，事故處理能力強(qiáng)，鉆機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定，安全性高。因此從安全、成本、效率等方便綜合考慮，全液壓車載鉆機(jī)較適合于地面注漿多分支水平井施工。

1.2 泥漿泵組選型

泥漿泵組是在高壓條件下向井內(nèi)輸送鉆井液，具有冷卻鉆頭、循環(huán)泥漿、保護(hù)井壁、破碎巖石、攜帶巖屑等作用，是鉆機(jī)配套主要設(shè)備之一。泥漿泵組主要有柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)式2 種，由于注漿多分支水平井鉆井和注漿周期長(zhǎng)，且施工地點(diǎn)大多位于礦區(qū)和村莊周邊，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)式泥漿泵存在耗油量大、成本高、噪音擾民及環(huán)保性差等缺點(diǎn)，因此選用電驅(qū)動(dòng)式泥漿泵組。2 000 m 以淺注漿井選用F-800DBZ 型稀土永磁直驅(qū)泥漿泵，該泵組具有以下優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)能，成本低；②安全性高：采用專用變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，擁有過壓、過流、過載、欠載、輸出接地及輸出短路等多項(xiàng)保護(hù)功能；③穩(wěn)定性好：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料，無需勵(lì)磁，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；④噪音小，環(huán)保性好，無柴油機(jī)及皮帶或鏈條傳動(dòng)，泥漿泵震動(dòng)及噪音大幅降低，環(huán)境污染小；⑤運(yùn)輸安裝方便：泵組結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、搬運(yùn)方便，到現(xiàn)場(chǎng)接電即可使用。

1.3 無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)選型

無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是通過井下儀器向地面?zhèn)鬏斻@井?dāng)?shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，獲得具有實(shí)時(shí)性的地層及鉆井參數(shù)，為井眼軌跡控制提供依據(jù)，是注漿井實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定向的關(guān)鍵設(shè)備。目前，常用的無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要有泥漿脈沖式和電磁波式2 種，其中泥漿脈沖式無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是以泥漿為傳輸介質(zhì)，該系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、操作方便、成本較低，但受泥漿性能、泥漿泵工況、循環(huán)介質(zhì)等影響較大，傳輸效率低[10-11]。電磁波式無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是以低頻電磁波信號(hào)為傳輸介質(zhì)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①信號(hào)傳輸不受循環(huán)介質(zhì)及泥漿泵影響，適用范圍廣，特別適合于漏失嚴(yán)重及復(fù)雜地層的定向鉆進(jìn)；②信息傳輸速度快，效率高，在接單根過程中井下儀器測(cè)量數(shù)據(jù)，并立即將數(shù)據(jù)傳至地面處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)零延遲及連續(xù)作業(yè)，減少鉆井輔助時(shí)間；③傳輸數(shù)據(jù)信息量大，測(cè)量參數(shù)多，能測(cè)量高低邊伽馬和環(huán)空壓力，可實(shí)現(xiàn)精確控制鉆孔軌跡，鉆遇率高，同時(shí)根據(jù)參數(shù)變化能提前預(yù)防井下復(fù)雜情況。為實(shí)現(xiàn)安全、高效、精準(zhǔn)鉆進(jìn)，優(yōu)選電磁波式無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。

1.4 固控系統(tǒng)

固控系統(tǒng)是通過專業(yè)設(shè)備對(duì)鉆井液進(jìn)行凈化處理，并實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。目前，國(guó)內(nèi)煤礦區(qū)地面鉆井均采用石油簡(jiǎn)易固控系統(tǒng)和泥漿池相結(jié)合的方式循環(huán)鉆井液，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液的凈化處理，由于石油固控系統(tǒng)配套齊全，煤礦區(qū)鉆井泥漿循環(huán)量和處理量小，固控設(shè)備利用率低，同時(shí)煤礦區(qū)鉆機(jī)平臺(tái)高度低于石油固控系統(tǒng)振動(dòng)篩，需挖制泥漿循環(huán)槽，易造成環(huán)境污染，環(huán)保性能差。在借鑒石油固控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦區(qū)注漿井鉆井參數(shù)及施工工藝，設(shè)計(jì)適用于地面注漿多分支水平井用固控系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)的地面注漿多分支水平井用固控系統(tǒng)采用三級(jí)凈化裝置，同時(shí)采用井口密封裝置、防滲漏土工膜泥漿池、固化處理等措施，防止造成環(huán)境污染。新設(shè)計(jì)的固控系統(tǒng)工藝流程為：鉆井液從井口返出后，首先通過井口密封裝置，將鉆井液直接泵入振動(dòng)篩，篩離出大于74 μm 的固相顆粒，完成一級(jí)凈化；然后鉆井液進(jìn)入泥漿清潔器，分離出8～74 μm 的巖屑顆粒，完成二級(jí)、三級(jí)凈化。

設(shè)計(jì)的固控系統(tǒng)孔口密封裝置可實(shí)現(xiàn)井口泥漿不落地，井口泥漿直接進(jìn)入固控系統(tǒng)，同時(shí)起到低壓防噴、導(dǎo)流作用。固控系統(tǒng)第一級(jí)凈化設(shè)備選用平動(dòng)橢圓雙聯(lián)振動(dòng)篩，振動(dòng)篩處理能力≥200 m3/h；第二級(jí)、第三級(jí)凈化設(shè)備選用功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間面積小的泥漿清潔器，處理能力180～220 m3/h。泥漿罐設(shè)計(jì)為2 個(gè)罐，單罐外形尺寸為：9 012 mm×2 300 mm×2 150 mm。為了防止造成環(huán)境污染，固控系統(tǒng)配套泥漿池采用防滲漏土工膜，防止鉆井液滲漏污染環(huán)境，完井后利用無機(jī)固化劑對(duì)廢鉆井液進(jìn)行固化處理，有效解決廢鉆井液水蝕運(yùn)移擴(kuò)散問題，避免環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 地面注漿多分支水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

地面多分支水平井施工中，為保證安全鉆進(jìn)，同時(shí)滿足鉆井和注漿工藝要求，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三級(jí)，其中一開采用φ311.15 mm 鉆頭鉆入穩(wěn)定基巖10 m，下入J55 鋼級(jí)φ244.5 mm 表層套管；二開采用φ215.9 mm 鉆頭定向鉆進(jìn)至目標(biāo)層上部，下入J55 鋼級(jí) φ177.8 mm 技術(shù)套管；三開采用 φ152.4 mm 鉆頭沿目標(biāo)層水平定向鉆進(jìn)，裸眼完井。

2.2 軌跡控制

1）螺桿鉆具優(yōu)選。螺桿鉆具是鉆孔軌跡控制的主要機(jī)具，通過與無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的配合，實(shí)時(shí)調(diào)整控制鉆孔軌跡。注漿井二開井段主要以增斜為主，對(duì)鉆具造斜率要求較高，選用5LZ φ165 mm×1.5°螺桿馬達(dá)。三開井段進(jìn)入目標(biāo)層后，以穩(wěn)斜為主，選用 5LZ φ120 mm×1.25°螺桿馬達(dá),螺桿鉆具技術(shù)參數(shù)表見表1。

表1 螺桿鉆具技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical parameter of screw drill tool

2）軌跡控制主要措施。注漿水平井施工中，井眼軌跡控制即要滿足鉆井工藝要求，同時(shí)要滿足后期注漿相關(guān)技術(shù)要求，優(yōu)選“直-增-增-穩(wěn)”4 段制井身剖面，一是保證鉆孔軌跡精確中靶，并沿目標(biāo)層延伸，二是確保鉆孔軌跡平滑，便于后期注漿。具體為：①注漿井二開井段位于穩(wěn)定基巖，穿過多層巖層，在目標(biāo)層頂部著陸，該孔段主要是利用無線隨鉆測(cè)量技術(shù)，根據(jù)實(shí)鉆數(shù)據(jù)調(diào)整井斜和方位，確保鉆孔軌跡滿足設(shè)計(jì)要求，作業(yè)中，為確?？變?nèi)安全及高效鉆進(jìn)，需根據(jù)地層變化隨時(shí)調(diào)整鉆井液性能，特別是鉆遇泥巖段時(shí)，泥巖水化膨脹容易引起縮徑，易造成井下事故，常采用K+晶格固定和離子交換作用來抑制泥頁巖吸水水化膨脹，保證井壁穩(wěn)定性；②三開水平段軌跡控制關(guān)鍵是穩(wěn)斜，調(diào)整鉆孔井斜與目標(biāo)層傾角相近，實(shí)現(xiàn)鉆孔沿目標(biāo)層沿伸，確保鉆遇率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，三開施工中，由于鉆進(jìn)和注漿相互交錯(cuò)進(jìn)行，鉆井液鈣化嚴(yán)重，因此三開鉆井液中增加NaOH，置換水泥中的Ca2+，減少鈣侵的影響，同時(shí)，起到調(diào)節(jié)鉆井液pH 值的作用，確保安全鉆進(jìn)。

2.3 套管施工

地面注漿井施工中鉆場(chǎng)征地及工農(nóng)關(guān)系協(xié)調(diào)是一大難題，為減少鉆場(chǎng)數(shù)量，簡(jiǎn)化工農(nóng)關(guān)系，設(shè)計(jì)將二開套管下至目標(biāo)層頂部，封堵上部地層，采用局部固管技術(shù)，三開施工2～3 個(gè)分支，注漿完成后，再利用割管技術(shù)將二開套管從底部割斷，起出二開套管，再在二開上部井眼段利用測(cè)鉆技術(shù)開分支，重新下二開套管，施工三開分支孔，實(shí)現(xiàn)1 個(gè)主孔，多個(gè)分支孔，進(jìn)一步擴(kuò)大鉆孔覆蓋面，增加注漿量，確保注漿效果。

1）固井技術(shù)。套管下入井內(nèi)后，考慮到后期二開套管順利切割及起拔，二開套管不能全孔固管，僅需對(duì)二開底部套管進(jìn)行封固，為保證封固效果，采用以下相關(guān)技術(shù)：①固井水泥采用42.5#及以上高標(biāo)號(hào)；②套管底部安裝水泥頭、浮箍及引鞋，準(zhǔn)確計(jì)算注入水泥漿量及水泥返高；③套管封固后，為防止井口雜物落入套管環(huán)空，用環(huán)形鋼板封堵。

2）套管割管技術(shù)。根據(jù)套管尺寸，選用NG-S178型水力內(nèi)割刀。固井結(jié)束后，計(jì)算水泥理論上返高度，再用鉆機(jī)拉伸套管，利用卡點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算實(shí)際水泥固結(jié)點(diǎn)，最后根據(jù)理論水泥返高、實(shí)際套管卡點(diǎn)位置及設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)，確定套管切割位置。切割套管時(shí)，首先拉伸套管，在井口套管接箍處放置吊卡，確保套管處于拉伸狀態(tài)，以便于割斷套管；再將刀具下至設(shè)計(jì)位置，慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，開啟泥漿泵，在注入壓力下刀具逐漸張開與套管接觸，刀具隨鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)切割套管，一般5～8 min 完成切割作業(yè)；切斷套管后，停泵刀具回收，起拔套管。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

近2 年利用優(yōu)選的美國(guó)雪姆T200XD 型全液壓車載鉆機(jī)、F-800DBZ 型稀土永磁直驅(qū)泥漿泵、電磁波式（E-MWD）無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、新設(shè)計(jì)的注漿多分支水平井用固控系統(tǒng)等裝備，及軌跡控制和套管施工等關(guān)鍵技術(shù)，先后在淮北朱仙莊煤礦、河南焦煤古漢山礦和趙固一礦區(qū)域水害治理項(xiàng)目中，累計(jì)完成6 個(gè)主孔，41 個(gè)分支孔施工，鉆探總進(jìn)尺約36 000 m，為礦區(qū)水害治理提供強(qiáng)有利的技術(shù)保障。

4 結(jié) 語

1）結(jié)合注漿多分支水平井鉆孔參數(shù)、施工工藝、注漿要求等因素，優(yōu)選全液壓車載鉆機(jī)、稀土永磁直驅(qū)泥漿泵、電磁波式無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及注漿井用固控系統(tǒng)等裝備，形成一套適用于注漿多分支水平井用鉆井裝備，該套裝備具有智能化程度高、鉆進(jìn)效率高、安裝搬遷迅速、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。

2）根據(jù)地面注漿井的施工特點(diǎn)，對(duì)注漿井鉆孔結(jié)構(gòu)、軌跡控制、套管作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，形成了適用于注漿多分支水平井鉆進(jìn)施工工藝，擴(kuò)大了鉆孔覆蓋面，提高了施工效率、減少了鉆探工程量、降低了鉆井成本，實(shí)現(xiàn)了安全高效鉆進(jìn)。