耿 正
(陜西天地地質(zhì)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054)
在帷幕注漿工程中,水平井施工目的是以富含水層為靶區(qū),以設(shè)計(jì)的位移點(diǎn)和垂深點(diǎn)為靶點(diǎn),揭露所鉆進(jìn)地層中富含水層的頂?shù)装澹_定富含水層邊界,并在富含水層內(nèi)打通一條注漿通道,以實(shí)現(xiàn)對富含水層的封堵,解決“水害”對礦井開采的威脅。本文研究某礦區(qū)域內(nèi)富含水層頂板垂深約400m,富含水層厚度為50m~60m;因要滿足注漿封堵構(gòu)建成帷幕墻,設(shè)計(jì)的孔與孔水平間距較小,同一孔內(nèi)設(shè)計(jì)多條分支孔,在水平段形成平行軌跡。
某礦井帷幕注漿工程按照設(shè)計(jì)要求,形成的帷幕墻走向?yàn)闁|西方向,設(shè)計(jì)兩排主孔,南側(cè)主孔構(gòu)建成內(nèi)墻,北側(cè)主孔構(gòu)建成外墻;南北主孔間距為20m,東西主孔間距為200m。南北主孔為一個(gè)孔組,孔組內(nèi)每個(gè)主孔設(shè)計(jì)4個(gè)分支孔,其中3條分支孔東西走向、平行上下分布,分別位于“富含水層”上部、中部和下部,在富含水層中呈扇骨狀,分別落在對方主孔的靶區(qū)(如圖1)。
圖1 主孔布置示意圖
每個(gè)主孔自孔深30m開始造斜,孔深230m穩(wěn)斜,并逐步施工分支孔,孔深約450m進(jìn)入水平段(垂深為380m左右、水平位移為190m左右),水平段長約260m;每條支孔間垂深為10m左右。
主孔與支孔設(shè)計(jì)原則是保證在注漿中能夠形成堅(jiān)實(shí)無縫隙的連續(xù)墻,以實(shí)現(xiàn)對含水層的封堵,避免水害影響礦井開采活動。
一開:孔徑Φ215.9mm,0~約230m,下入Φ177.8×6.91mm孔口管,水泥固井至孔口返漿,做止水效果檢查。
二開:孔徑Φ152mm,至“富含水層”頂界面下5m~10m,下入Φ139.7×6.2mm套管,隔離“富含水層”風(fēng)氧化帶,與一開套管重疊段為30m,水泥固井,做止水效果檢查。二開起始孔深為支孔開窗點(diǎn)。
三開:裸孔段,孔徑Φ110mm,每鉆進(jìn)100m起鉆注漿,再次掃孔鉆進(jìn),分段延伸至“富含水層”底界面下15m。
本工程的設(shè)計(jì)靶區(qū)目標(biāo)層平均有效厚度在5m~10m以下,個(gè)別情況厚度小于1m,甚至存在靶區(qū)殲滅情況,靶區(qū)地層不均勻發(fā)育狀況較為常見,整體施工難度相對較大。在施工過程中,水平井井眼軌跡控制要求嚴(yán)格,中靶難度逐步提高,必須對井斜、方位及全角變化率的綜合控制才能滿足施工效果。
為滿足工程整體要求,設(shè)計(jì)的鉆孔垂深約400m,水平位移約450m。在構(gòu)建近似長寬相等、厚為20m的墻體范圍內(nèi),鉆孔接露的地層需要滿足注漿全覆蓋要求。受到鉆孔設(shè)計(jì)和區(qū)域空間約束,本工程水平井施工技術(shù)上存在較大難度,原因是本工程靶區(qū)為“富含水層”,垂深較小,水平位移受到限定,不同于常規(guī)水平井施工要求,依靠常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)無法滿足施工要求。
通過對井身軌跡設(shè)計(jì)及實(shí)際鉆進(jìn)測得(如表1),在增斜位置,全角變化率為48.25°/100m,已超過石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》中要求的小于15°/100m,安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大幅增高,上下鉆在孔內(nèi)一側(cè)易形成鍵槽卡鉆、鉆具受到極限彎曲力矩易形成疲勞折斷、泥漿形成壓差易誘發(fā)泥餅粘附卡鉆、鉆柱與孔壁嚴(yán)重摩擦易磨損鉆具,孔內(nèi)部分孔段全角變化率超過規(guī)范要求,還會誘發(fā)其他意外孔內(nèi)事故。
表1 某礦井內(nèi)孔孔身數(shù)據(jù)
目前較為常用的測量儀器設(shè)備主要以MWD為主,因?yàn)榫足@頭與鉆井系統(tǒng)存在著一定的距離盲區(qū),因此在進(jìn)行操作過程中,技術(shù)人員需要依靠自身操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)備操作,存在著盲區(qū)距離估測的狀況,會對井眼軌跡控制產(chǎn)生直接干擾。在進(jìn)入靶區(qū)之中,需要準(zhǔn)確入靶才能保證最終注漿效果,實(shí)際操作相對較為困難。
為有效處理上述各項(xiàng)問題,確保水平井施工能夠達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)要求,各施工難點(diǎn)能夠得到切實(shí)攻克,需要做好系統(tǒng)井眼軌道剖面優(yōu)化處理,以便達(dá)到對井眼軌跡的精準(zhǔn)管控。技術(shù)人員需要按照現(xiàn)有隨鉆測量儀器以及造斜工具造斜率等情況,對井眼軌道剖面形式展開選擇。
按照設(shè)計(jì)規(guī)劃,為避免出現(xiàn)增斜過程中造斜率無法滿足設(shè)計(jì)要求的狀況,需要設(shè)置第一個(gè)穩(wěn)斜段,以便通過對穩(wěn)斜井段的運(yùn)用,做好增斜定向操作。
3.2.1 優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)和鉆具組合,強(qiáng)化軌跡控制能力
展開井眼軌跡控制前,需要搜集設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),利用控制軟件優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù),選擇合適的井斜和方位及鉆具組合,對鉆壓和轉(zhuǎn)速及扭工具面進(jìn)行精確計(jì)算。要針對前期地層資料,對鉆遇不同地層的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)修正,適時(shí)調(diào)整鉆具組合。
需要按照鉆進(jìn)軌跡的造斜率選擇造斜工具,以便達(dá)到切實(shí)強(qiáng)化軌跡控制能力的目標(biāo)。技術(shù)人員可按照實(shí)際造斜率,對軌跡控制方案展開調(diào)整,保證方案與施工實(shí)際情況的契合程度,確保井眼軌跡能夠更加符合設(shè)計(jì)軌跡要求。
3.2.2 構(gòu)建地質(zhì)模型,建立可視化軌跡
在進(jìn)行水平段井眼軌跡控制過程中,通過對前期收集各項(xiàng)資料的運(yùn)用,展開地質(zhì)模型建設(shè),為鉆進(jìn)工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。完成地質(zhì)模型建設(shè)之后,結(jié)合錄井?dāng)?shù)據(jù)以及相關(guān)測量數(shù)據(jù),對地質(zhì)模型展開精修,保證模型與實(shí)際情況的相符程度,以便為相關(guān)操作開展提供可視化依據(jù),確保軌跡能夠始終沿設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn),確保鉆遇率可以得到切實(shí)提高。
水平井施工泥漿性能尤為重要,要保證良好的攜砂能力和流變性能、合適的泥漿密度和濾失性能等。本工程中鉆進(jìn)地層有第四系、新近系松散層覆蓋,侏羅系砂巖、礫巖,松散層與基巖不整合接觸,侏羅系地層巖溶發(fā)育、富水性好,上部極易因泥漿性能而形成包漿、下部因泥漿比重過大發(fā)生漏失、或因粘度和固相含量導(dǎo)致攜砂困難,因此泥漿性能要時(shí)刻觀測并適時(shí)調(diào)整。泥漿密度選擇原則是上部用高密度、中固相、高粘度、低濾失性能,下部為低密度、無固相、中粘度、低濾失、低含砂性能泥漿,并且在泥漿的觸變性、靜切力、PH和膠體率等方面適時(shí)控制。
本文對類似薄差目標(biāo)層的水平井施工相關(guān)內(nèi)容介紹,使我們對該種環(huán)境下的水平井施工難點(diǎn)以及對應(yīng)措施有了更加清晰的認(rèn)識。為妥善解決軌跡控制難度大以及中靶困難等方面的狀況,技術(shù)人員需要依靠實(shí)際勘察,做好各項(xiàng)數(shù)據(jù)收集,并要通過對具體問題展開分析與研究,明確問題產(chǎn)生主要原因,以便制定出針對性處理困難的優(yōu)化方案,確??梢酝ㄟ^構(gòu)建地質(zhì)模型以及其他手段,達(dá)到優(yōu)化軌跡剖面以及提升軌跡控制質(zhì)量的目標(biāo)。