劉修剛，王 毅，李 鵬，宋昱播

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

多分支水平注漿井鉆進(jìn)技術(shù)是煤礦地面區(qū)域水害治理工程常用關(guān)鍵技術(shù)[1-2]，采用相關(guān)技術(shù)精準(zhǔn)優(yōu)快按照預(yù)先設(shè)計的多分支井軌跡沿灰?guī)r層內(nèi)順層鉆進(jìn)，鉆至分支孔完鉆孔深或鉆至達(dá)到漏失注漿標(biāo)準(zhǔn)時，方可進(jìn)行起鉆及注漿作業(yè)[3-5]。然而，沿煤層底板灰?guī)r層內(nèi)實(shí)施多分支水平注漿井鉆進(jìn)過程中，存在托壓現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其對于長水平井段托壓極為嚴(yán)重、環(huán)空壓力損耗較大、復(fù)合鉆進(jìn)過程井斜及方位漂移現(xiàn)象嚴(yán)重、鉆頭磨損程度嚴(yán)重、破碎巖屑上返困難、鉆井液泵憋泵工況頻次較多等問題[6-8]，從而致使難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)優(yōu)快鉆進(jìn)。為此，以趙固一礦區(qū)域內(nèi)多個煤層底板灰?guī)r層的多分支水平注漿井實(shí)鉆為研究對象，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆具組合優(yōu)選、鉆頭優(yōu)選及鉆井液性能優(yōu)化等方面進(jìn)行了如何實(shí)現(xiàn)煤層底板灰?guī)r層多分支水平注漿井優(yōu)快鉆井技術(shù)研究[9-11]，基于優(yōu)化及優(yōu)選研究實(shí)現(xiàn)了多分支水平注漿井優(yōu)快鉆進(jìn)。

1 區(qū)域地質(zhì)水文概況

趙固一礦作為焦作煤業(yè)集團(tuán)主要產(chǎn)煤礦井，位于河南省輝縣市境內(nèi)，主采煤層為二1 煤層，煤層厚度約為3.73～6.77 m，平均厚度為6.02 m，位于二1煤層以下存在有含水豐富的奧灰含水層和太原群灰?guī)r含水層，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要充水含水層為L8灰?guī)r含水層，厚度10～10.7 m，上距二1 煤層底板27.5～28.5 m，水壓4.4～5.0 MPa，突水系數(shù)0.15～0.18 MPa/m，受斷裂構(gòu)造影響，水平及垂向補(bǔ)給充分，對二1 煤層開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅，存在底板灰?guī)r突水危險性。因此，通常需要采用地面多分支水平注漿井順灰?guī)r層鉆進(jìn)及注漿技術(shù)治理二1 煤層底板L8灰?guī)r突水危害[12]。

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙固一礦區(qū)域煤層底板灰?guī)r層多分支水平注漿井常采用三開的井身結(jié)構(gòu)[1]，采用該井身結(jié)構(gòu)實(shí)施鉆進(jìn)過程，環(huán)空壓力損耗較大，定向鉆進(jìn)過程存在鉆具托壓現(xiàn)象，尤其對于長水平井段托壓工況極為嚴(yán)重，致使鉆進(jìn)速度較慢、以及全井分支純完鉆周期較長。為優(yōu)快多分支水平注漿井鉆進(jìn)煤層底板灰?guī)r層，分析了整個趙固一礦區(qū)域現(xiàn)場多個實(shí)鉆分支水平井井身結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。煤層底板灰?guī)r層多分支水平注漿井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖如1。

具體優(yōu)化措施如下：

1）針對于一開井身結(jié)構(gòu)采用?349.25 mm 鉆頭鉆至穩(wěn)定基巖頂部，替代常用一開井身結(jié)構(gòu)采用?311.15 mm 鉆頭鉆至穩(wěn)定基巖數(shù)十米，然后下入J55 鋼級?273.05 mm 表層套管，替代?244.5 mm 表層套管，采用低標(biāo)號32.5 固井水鉆井液返至地面。

2）針對于二開井身結(jié)構(gòu)采用?222.25 mm 鉆頭定向鉆進(jìn)至見煤層底板灰?guī)r層頂部，此時井底最大井斜角空制75°～80°范圍內(nèi)，替代常用二開井身結(jié)構(gòu)采用?215.9 mm 鉆頭鉆至灰?guī)r層且沿灰?guī)r層水平鉆進(jìn)3～5 m，此時井底最大井斜角約90°左右，然后下入N80 鋼級?200.03 mm 無接箍技術(shù)套管，替代?177.8 mm 技術(shù)套管，采用高標(biāo)號42.5 固井水鉆井液返至地面。

3）針對于三開井身結(jié)構(gòu)均采用?152.4 mm 鉆頭在煤層底板灰?guī)r層內(nèi)定向鉆進(jìn)，裸眼完井，待鉆進(jìn)至設(shè)計井深或達(dá)到漏失注漿標(biāo)準(zhǔn)時，方可進(jìn)行起鉆及注漿作業(yè)。

采用優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)的多分支水平注漿井位于煤層底板灰?guī)r層鉆進(jìn)，相比與常用井身結(jié)構(gòu)，環(huán)空壓力損耗顯著降低，使得復(fù)合鉆進(jìn)環(huán)空壓力損耗降低26.41%，定向鉆進(jìn)環(huán)空壓力損耗降低25.59%；定向鉆進(jìn)過程鉆具托壓值明顯降低，隨著順灰?guī)r層水平段井深增加，鉆具托壓值仍然呈現(xiàn)增大趨勢，然而增大趨勢幅度較緩，鉆具托壓值的有效降低能夠減少定向鉆進(jìn)結(jié)束后鉆具重復(fù)上下活動循環(huán)鉆井液頻次；鉆進(jìn)速度顯著提高，對比井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后相應(yīng)類似順灰?guī)r層位置的各分支孔段，復(fù)合鉆進(jìn)速度提高約15%～25%，定向鉆進(jìn)速度提高約20%～40%。位于井深1 500 m 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后環(huán)空壓耗對比表見表1。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后鉆具托壓值與井深關(guān)系曲圖如圖2。

表1 位于井深1 500 m 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后環(huán)空壓耗對比表Table 1 Annular air pressure loss comparison table before and after optimization of wellbore structure at a depth of 1 500 m

3 鉆具組合優(yōu)選

趙固一礦區(qū)域煤層底板灰?guī)r層的多分支水平注漿井順灰?guī)r層鉆進(jìn)過程，通常采用“?152 mmPDC+?120 mm 單彎螺桿+?120 mm 無磁鉆鋌+MWD 定向儀器+?89 mm 普通鉆桿串+?89 mm 加重鉆桿串+?89 mm 鉆鋌串”的鉆具組合，該鉆具組合較為簡單，然而利用該鉆具組合實(shí)施順灰?guī)r層鉆進(jìn)易于造成：復(fù)合鉆進(jìn)過程產(chǎn)生嚴(yán)重井斜上漂、方位左漂情況，隨著水平分支各孔段延伸，鉆進(jìn)難度逐漸增加，鉆進(jìn)效率降低，多分支水平注漿井的各個分支，尤其以最外側(cè)的2 個水平分支孔需經(jīng)多次調(diào)整井斜和方位，定向鉆進(jìn)極為困難，因此需要盡量降低復(fù)合鉆進(jìn)時井斜和方位漂移量，以此降低定向鉆進(jìn)次數(shù)和定向段長度，提高鉆進(jìn)效率。

通過優(yōu)選采用雙扶穩(wěn)斜鉆具組合以降低復(fù)合鉆進(jìn)過程井斜與方位漂移量，降低定向鉆進(jìn)次數(shù)和定向段長度，以此實(shí)現(xiàn)煤層底板灰?guī)r層內(nèi)各分支水平孔優(yōu)快鉆進(jìn)。遂優(yōu)選利用自帶欠尺寸對稱扶正器螺桿替換光單彎螺桿，以及在螺桿與無磁鉆鋌之間加1 個或多個欠尺寸（?146 mm）球形扶正器（凸起部位自帶滾珠球形扶正器），優(yōu)化后雙扶穩(wěn)斜鉆具組合為：?152 mmPDC+?120 mm 螺桿（自帶欠尺寸扶正器）+欠尺寸扶正器+?120 mm 無磁鉆鋌+MWD 定向儀器+?89 mm 普通鉆桿串+?89 mm 加重鉆桿串+?89 mm 鉆鋌串，形成雙扶穩(wěn)斜鉆具組合，可高效降低各分支水平孔復(fù)合鉆進(jìn)期間井斜和方位漂移量。如某采煤工作面底板灰?guī)r層多分支水平注漿井實(shí)鉆過程，分支1 孔未使用雙扶穩(wěn)斜鉆具組合，復(fù)合鉆進(jìn)時井斜漂移為1.6°/30 m、方位漂移為0.98°/30 m，平均日進(jìn)尺35 m；分支2 與分支3 孔均采用雙扶穩(wěn)斜鉆具組合，復(fù)合鉆進(jìn)時井斜漂移為0.9°/30 m、方位漂移為0.56°/30 m，經(jīng)對比利用定向鉆進(jìn)調(diào)整軌跡頻次明顯降低、定向鉆進(jìn)段長度大幅度減小，平均日進(jìn)尺60 m；優(yōu)化后井斜漂移量降低43.75%，優(yōu)化后方位漂移量降低42.86%，優(yōu)化后平均日進(jìn)尺提高41.67%。鉆具組合優(yōu)化前后漂移量和日進(jìn)尺參數(shù)對比表見表2。

表2 鉆具組合優(yōu)化前后漂移量和日進(jìn)尺參數(shù)對比表Table 2 Comparison table of drift and daily progress parameters before and after optimizing drilling tool assembly

4 鉆頭優(yōu)選

煤層底板灰?guī)r層強(qiáng)度、硬度及研磨性較大，遂選用6 刀翼單排齒PDC 鉆頭順灰?guī)r層鉆進(jìn)，PDC 鉆頭主要是通過復(fù)合片齒切削地層，能夠有效實(shí)現(xiàn)灰?guī)r層破碎，但是6 刀翼單排齒PDC 鉆頭順灰?guī)r層鉆進(jìn)適應(yīng)性較差，鉆進(jìn)過程鉆頭磨損嚴(yán)重，且鉆頭使用壽命為110 m 較低，復(fù)合鉆進(jìn)平均速度約為2.5 m/h，定向鉆進(jìn)平均速度約為1.15 m/h，整體平均進(jìn)尺速度較低，鉆進(jìn)過程頻繁起下鉆更換鉆頭，嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率。為此，優(yōu)選5 刀翼、中密度布齒、大后傾角、減振托齒和復(fù)合保徑雙排齒PDC 鉆頭，最外錐主切削齒采用抗研磨齒，此5 刀翼雙排齒PDC 鉆頭順灰?guī)r層鉆進(jìn)適用性較強(qiáng)，鉆進(jìn)過程鉆頭磨損較輕，鉆頭使用壽命為174 m（較高），使用壽命較6 刀翼單排齒PDC 鉆頭提高58.18%；復(fù)合鉆進(jìn)平均速度約為3.75 m/h，復(fù)合鉆進(jìn)平均速度較6 刀翼單排齒PDC 鉆頭提高50%；定向鉆進(jìn)平均速度約為1.8 m/h，定向鉆進(jìn)平均速度較6 刀翼單排齒PDC 鉆頭提高56.52%，整體平均進(jìn)尺速度較快；解決了因鉆頭磨損致使鉆進(jìn)過程頻繁起下鉆更換鉆頭工況，在一定程度上提高鉆進(jìn)效率。6 刀翼單排齒及5 刀翼雙排齒PDC 鉆頭入井前后磨損程度對比圖如圖3。

圖3 6 刀翼單排齒及5 刀翼雙排齒PDC 鉆頭入井前后磨損程度對比圖Fig.3 Comparison of wear levels of six-blade single-row and and five-blade double-row tooth PDC bits before and after entering the well

5 鉆井液性能優(yōu)化

地面多分支水平注漿井主孔著陸于灰?guī)r層，三開水平段沿灰?guī)r層順層鉆進(jìn)，由于所治理目標(biāo)層灰?guī)r層埋深較淺、各分支孔水平段較長，水垂比達(dá)到1.7，致使鉆進(jìn)過程中水平段鉆具與井壁摩阻較大，特別是滑動鉆進(jìn)過程中鉆具托壓現(xiàn)象較為嚴(yán)重，難以將鉆壓有效傳遞于鉆頭，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率，位于灰?guī)r層內(nèi)滑動鉆進(jìn)速度較慢約0.25 m/h。

鉆進(jìn)過程中，井內(nèi)鉆具主要與套管以及井壁上形成的泥餅產(chǎn)生摩擦作用力，隨著井深的增加以及泥餅厚度的增加，鉆具與井壁間的摩扭逐漸增大，因此通過改善鉆井液性能達(dá)到減摩降扭的效果。在傳統(tǒng)水基低固相鉆井液的基礎(chǔ)上，根據(jù)井深、井眼軌跡和拖壓情況調(diào)整鉆井液配方，傳統(tǒng)水基低固相鉆井液主要由鈉基膨潤土（5%）、純堿、羧甲基纖維素鈉鹽（0.2%）組成，在此基礎(chǔ)上加入無熒光潤滑劑（3%）、低黏羧甲基纖維素鈉鹽（0.3%）、聚丙烯酸鉀（0.1%）進(jìn)行鉆進(jìn)過程中維護(hù)改善鉆井液性能，提高井壁潤滑性，降失水減小鉆井液的慮失量，絮凝部分有害固相，減少固相顆粒在鉆井液中的懸浮，進(jìn)而提高泥餅質(zhì)量，減小泥餅厚度，提高其強(qiáng)度，使得鉆具與井壁的接觸面積減小，從而達(dá)到減摩降扭的效果。利用改善后的鉆井液滑動鉆進(jìn)速度約為3 m/h，鉆進(jìn)速度提高至原鉆速的12 倍，鉆井液性能的改善對提高鉆進(jìn)效率效果十分顯著。

6 結(jié) 語

基于趙固一礦區(qū)域內(nèi)多個煤層底板灰?guī)r層的多分支水平注漿井實(shí)鉆分析研究，進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆具組合優(yōu)選、鉆頭優(yōu)選及鉆井液性能優(yōu)化等措施，以此實(shí)現(xiàn)煤層底板灰?guī)r層多分支水平注漿井優(yōu)快鉆進(jìn)。

1）井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。一開井身結(jié)構(gòu)采用?349.25 mm 鉆頭鉆至穩(wěn)定基巖頂部，下入J55 鋼級?273.05 mm 表層套管；二開井身結(jié)構(gòu)采用?222.25 mm 鉆頭定向鉆進(jìn)至見煤層底板灰?guī)r層頂部，井底最大井斜角空制75°～80°范圍內(nèi)，下入N80 鋼級?200.03 mm無接箍技術(shù)套管，降低環(huán)空壓力損耗及鉆具托壓值，復(fù)合鉆進(jìn)速度提高約15%～25%，定向鉆進(jìn)速度提高約20%～40%。

2）鉆具組合優(yōu)選。優(yōu)選欠尺寸對稱扶正器螺桿、欠尺寸（?146 mm）凸起部位自帶滾珠的球形扶正器構(gòu)成雙扶穩(wěn)斜鉆具組合大幅度降低了定向及復(fù)合鉆進(jìn)過程井斜和方位漂移量，明顯減少了分支孔軌跡定向調(diào)整頻次和定向段的長度，使得平均日進(jìn)尺率提高了41.67%。

3）鉆頭優(yōu)選。采用含有減振托齒和復(fù)合保徑及抗磨的5 刀翼雙排齒PDC 鉆頭，復(fù)合鉆進(jìn)平均速度提高約50%，定向鉆進(jìn)平均速度提高約56.52%。

4）鉆井液性能優(yōu)化?；趥鹘y(tǒng)水基低固相鉆井液，加入無熒光潤滑劑（3%）、低黏羧甲基纖維素鈉鹽（0.3%）、聚丙烯酸鉀（0.1%）維護(hù)改善鉆井液性能，鉆井液性能的改善對提高鉆進(jìn)速度效果十分顯著，利用優(yōu)化后的鉆井液使得滑動鉆進(jìn)速提高至原鉆速的12 倍。