郝登峰，徐影*，郭增付

（1.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司，河南 鄭州 450016；2.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450016；3.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心（非常規(guī)天然氣開發(fā)研究），河南 鄭州 450016）

0 引言

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中處于主體地位，據(jù)統(tǒng)計，2021年我國能源消費總量達52.4億噸標準煤，比上年增長5.2%，煤炭消費量同比增長4.6%，煤炭消費量占能源消費總量的56.0%［1］。隨著開采深度和強度的增加，我國煤炭開采條件和難度愈加復雜多變，而作為煤炭生產(chǎn)五大自然災害之一的突水問題也日益突出，嚴重制約了煤炭資源的安全高效開采。

多分支水平井是指在一口主水平井眼中的適當位置定向鉆出多口進入目的層的分支井眼［2-7］。在地面施工多分支水平井后通過井眼注漿以填充煤層底板導水裂隙，可有效降低礦區(qū)水害威脅程度。由于其施工成本低、環(huán)境污染小、隔水效果好，地面多分支水平井注漿技術(shù)逐步成為采礦區(qū)水患超前治理的重要方式［8-9］。在煤礦水害超前治理上，多分支水平井定向技術(shù)經(jīng)歷了3個階段：1989年為奠基階段，開始使用定向鉆井技術(shù)；2012—2013年為發(fā)展階段，開展了地面大位移L型定向水平井關鍵技術(shù)研究；2016—2017年為實現(xiàn)階段，在山東邱集煤礦多分支水平井施工項目上，定向技術(shù)得到了應用并取得了成功，在11個煤層首采區(qū)共計完成6個主井和25個分支井，累計進尺12011 m［10-14］。

隨著鉆井技術(shù)逐漸成熟，多分支水平井定向技術(shù)在煤層底板區(qū)域超前注漿治理方面取得了顯著的成效。但我國復雜煤礦數(shù)量較多，煤層底板地質(zhì)構(gòu)造復雜、起伏變化大且厚度較薄，在應用多分支水平井定向技術(shù)時，存在軌跡控制困難、漏失嚴重、井眼易垮塌等問題。本文針對地質(zhì)構(gòu)造復雜的安徽某煤礦，將地質(zhì)導向與定向技術(shù)結(jié)合并應用于該礦的多分支水平井鉆探施工中，重點從定向軌跡設計、設備選型以及軌跡控制3個方面開展研究，優(yōu)化復雜地質(zhì)條件下多分支水平井定導向技術(shù)，并通過生產(chǎn)應用總結(jié)該技術(shù)的優(yōu)缺點，為今后該區(qū)開展礦井水害防治提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究礦區(qū)主采煤層為10號煤，其下伏地層共4層含水灰?guī)r層。綜合鉆探、測井及地震資料，全區(qū)組合落差≥3 m的斷層共180條（含邊界斷層），其中正斷層172條，逆斷層8條。受斷層發(fā)育的影響，主采煤層下伏含水灰?guī)r層地質(zhì)構(gòu)造復雜，導致地面多分支水平井技術(shù)定向施工面臨諸多困難：（1）由于斷層發(fā)育，目的層被斷層分割后在垂向上產(chǎn)生偏移，導致鉆穿斷層后，井眼軌跡無法進入目標巖層，影響后續(xù)注漿效果；（2）巖層厚度較薄且傾向起伏，井眼軌跡無法保證順層鉆進，易穿透目的層，從頂部或底部鉆出；（3）鉆遇破碎帶時，工具面角度易擺動，影響定向效果，且鉆井液漏失嚴重，泥漿脈沖信號傳輸困難，導致定向人員無法做出正確的地質(zhì)導向策略。

2 定導向軌跡設計

多分支水平井的軌跡設計方法為：（1）參考目標治理區(qū)域的地質(zhì)要求設計靶點，根據(jù)靶點情況選擇合適的主井眼軌跡剖面類型。（2）根據(jù)靶點考慮主井眼及分支井眼軌跡設計，將主井眼和分支井眼軌跡分解，對各分支進行獨立設計。設計主井眼時，考慮該礦區(qū)目的層傾向朝下，將軌跡角度設計為下傾結(jié)構(gòu)，既便于施工，又降低了因巖屑返出不及時而導致的卡鉆風險；設計分支井眼時，由于斷層發(fā)育，導水裂隙帶數(shù)量較多，應最大程度地保證分支與斷層相切，提升注漿效果。（3）利用二維軌跡設計方法得到轉(zhuǎn)換拆分后的各三維分支軌跡［15-16］。

2.1 主井眼剖面軌跡設計

根據(jù)安徽某礦10號煤層下伏的4層含水灰?guī)r特征，確定3號灰?guī)r為目的層，以此設計主井眼井身結(jié)構(gòu)。主井眼軌跡剖面只在二維平面上變化，設計時只需考慮井斜角的改變。常規(guī)水平井井眼軌跡剖面類型主要有3種，即：三段式、雙增式和五段式（如圖1所示）。其中，三段式適用于短半徑水平井且造斜率和目標垂深均確定的情況；雙增式適用于中半徑水平井且地層情況認知較好的情況；五段式適用于中長半徑水平井且造斜率和地層情況都不確定的情況。在滿足施工要求前提下，井眼軌跡剖面結(jié)構(gòu)應盡可能簡單［17］。

圖1 水平井井眼軌跡剖面類型Fig.1 Types of horizontal well trajectory profiles

由于Z7井基巖層頂部距離目的層垂深較近，為保證達到設計井斜，該井的主井眼采用直-增-穩(wěn)三段式剖面類型。Z7井主井眼井身結(jié)構(gòu)如圖2所示，一開采用?311 mm鉆頭鉆至穩(wěn)定基巖頂部，下入?244.48 mm表層套管后固井；二開采用?216 mm鉆頭鉆至煤層下伏3號灰?guī)r層，下入?177.8 mm技術(shù)套管后固井；三開采用?152.4 mm鉆頭在3號灰?guī)r層內(nèi)定向鉆進，裸眼完井。

圖2 Z7井井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Well Z7

2.2 分支井軌跡間距設定

為增強3號含水灰?guī)r層的整體強度，同時封堵斷層產(chǎn)生的導水裂隙，避免下部奧陶系灰?guī)r地下水從斷層產(chǎn)生的導水裂隙帶涌出，應選擇合適的分支間距，保證側(cè)鉆分支全面覆蓋治理區(qū)域，實現(xiàn)工作面底板注漿改造的目的。通過Z7井注漿試驗，發(fā)現(xiàn)水平井主支長度在800 m左右，多分支軌跡在太原組3號灰?guī)r頂面向下垂直距離1～10 m全覆蓋注漿改造效果最好。綜合考慮區(qū)域地質(zhì)特征、漿液粘滯系數(shù)以及沿程損耗等因素，設計水泥漿的有效擴散范圍為25 m［11，18］，根據(jù)分支井間距不大于2倍的漿液擴散距離的原則，各分支井軌跡間距確定為50 m，據(jù)此設計的多分支井平面圖如圖3所示。

圖3 Z7井多分支平面Fig.3 Plan of Z7 multi-branch well

3 定導向技術(shù)

3.1 導向技術(shù)選型

目前鉆井導向技術(shù)有常規(guī)幾何導向和地質(zhì)導向2種方式。常規(guī)幾何導向技術(shù)是利用隨鉆測量工具采集數(shù)據(jù)，根據(jù)設計井眼軌跡進行導向控制。該技術(shù)導向方式簡單、使用成本低，但測量精度低、導向風險大，適用于地質(zhì)構(gòu)造簡單、精度要求低的井眼施工。地質(zhì)導向技術(shù)是利用隨鉆測量儀器實時監(jiān)測鉆遇地層，并根據(jù)地層情況校正、優(yōu)化井眼軌跡，保證準確著陸入靶，有效提高鉆遇率，該技術(shù)適用于構(gòu)造復雜或信息不詳?shù)牡貙?。由于研究區(qū)域斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復雜，故采用地質(zhì)導向技術(shù)進行Z7多分支水平井的施工。

3.2 定導向設備選型

常見的定導向設備包括螺桿鉆具、無線隨鉆測量儀器、方位伽馬地質(zhì)導向儀器等，在定向施工時，三種設備配合使用以滿足導向的要求。

3.2.1 螺桿鉆具

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動力，將液體壓力能轉(zhuǎn)為機械能的容積式井下動力鉆具。螺桿鉆具的選擇應綜合考慮井眼大小與造斜率要求等因素。螺桿鉆具外徑與井壁之間應留有一定環(huán)空間隙，間隙大小一般在25.4 mm以上，以避免發(fā)生卡鉆等事故。同時，螺桿鉆具的造斜率應比井身設計造斜率高10%～20%，以便能夠解決可能出現(xiàn)的造斜率不足等問題［19］。

根據(jù)上文設計的Z7井井身結(jié)構(gòu)，選擇彎角為1.25°或1.5°、?127 mm或172 mm的螺旋扶正器螺桿。常見型號的螺桿尺寸及造斜能力見表1。

表1 常用型號單彎螺桿不同彎度造斜能力Table 1 Deflection capacity of common single bent PDM with different bends（°）·m-1

3.2.2 無線隨鉆測量儀器

無線隨鉆測量系統(tǒng)是利用井下儀器測得鉆井數(shù)據(jù)后傳輸至地表，利用計算機處理后獲得井下實時鉆井及地層參數(shù)。儀器的選擇主要考慮信號的傳輸效果。無線隨鉆測量系統(tǒng)的信號傳輸方式主要有泥漿脈沖和電磁波兩種，二者性能特點見表2。由于該礦3號灰?guī)r電阻率過高，電磁波信號被屏蔽，因此應選用泥漿脈沖無線隨鉆測量［20-21］。

表2 不同無線隨鉆測量儀器對比Table 2 Comparison of various wireless MWD

3.2.3 地質(zhì)導向儀器

目前地質(zhì)導向儀器主要有方位伽馬、近鉆頭、前探、遠探等幾種類型，不同儀器的工作原理有一定差別。方位伽馬的原理是由于不同地層放射性伽馬值存在差異，采用四扇區(qū)或八扇區(qū)的探測器探測地層放射性，將帶有方位信息的測量數(shù)據(jù)實時上傳到地面，實現(xiàn)地質(zhì)導向功能。該煤礦目的層為灰?guī)r，伽馬值較低，上下層為泥巖，伽馬值較高，地層伽馬值差異大，同時由于國產(chǎn)近鉆頭測井儀器穩(wěn)定性較差，國外前探遠探儀器成本過高，因此選擇方位伽馬地質(zhì)導向儀器。

4 井眼軌跡控制

受地層、鉆井參數(shù)及鉆具組合等多種因素的綜合影響，多分支水平井井眼軌跡的控制較為復雜。本文分別從準確著陸入靶、分支側(cè)鉆、沿目標地層順層鉆進3個方面展開研究。

4.1 準確著陸入靶

確保主井眼軌跡著陸入靶是水平段鉆進的前提。為準確著陸，需在目的層上部選取合適的地層作為標志層，以引導鉆頭鉆進，同時為后續(xù)地質(zhì)導向提供參考。為準確提供井下信息，標志層的選取應保證該地層發(fā)育穩(wěn)定、分布連續(xù)且厚度適中，同時距離目的層垂深變化范圍較小。一般將煤層底板含水層作為目的層時，可選取上部煤層或砂巖作為標志層。

直井段需嚴格控制井斜和水平位移，可通過測單點的方式獲得井下的實際井眼軌跡。井斜過大時及時糾偏，確保井眼軌跡達到設計要求，避免直井段井斜偏差過大導致后續(xù)造斜段施工難度增加。

造斜段鉆進時，一方面根據(jù)設計井眼軌跡，確定螺桿鉆具組合的反扭角和工具面角，選取合適的鉆具組合；另一方面，當鉆至標志層時，綜合地質(zhì)巖屑錄井信息和地層層位表，準確判斷標志層位置及垂深，及時修正設計軌跡。根據(jù)該區(qū)域10號煤層傾向，在著陸到目的層前，井斜應維持在88°左右，以保證順利進入目的層。

4.2 分支側(cè)鉆

由于該煤礦多分支水平井主支完井后需注漿候凝，因此在距離套管鞋10 m左右位置進行側(cè)鉆。

新井眼初始形成階段采用控時鉆進方式，直至新老井眼間夾墻厚度達到安全要求，避免夾墻段應力集中導致井壁失穩(wěn)［22］。具體操作是將工具面轉(zhuǎn)至合適角度，保持鉆壓5 kN、鉆速1 m/h均勻鉆進［23］；當側(cè)鉆出新的臺階時，可以適當增加鉆壓，保持2 m/h的速度鉆進。

鉆進11 m后，對比分支井眼與相鄰老井眼的井斜方位數(shù)據(jù)，以及巖屑中水泥含量，確定是否成功鉆出與老井眼分離的分支井眼。若測斜數(shù)據(jù)不同，巖屑中水泥含量接近于零，說明側(cè)鉆成功，可逐步加快鉆速至正常速度［24］。對于多分支水平注漿井，由于注漿候凝時間較短，老井眼內(nèi)水泥未完全凝固，側(cè)鉆成功后，再次進入新井眼需要解決分支重入的問題。經(jīng)研究，可通過側(cè)鉆修窗操作，避免下鉆時再次進入舊井眼，提高新分支重入的機率。

4.3 沿目標地層順層鉆進

由于該礦煤層底板下伏含水灰?guī)r層構(gòu)造復雜，在沿地層順層鉆進時存在以下問題：（1）穿過斷層后，井眼軌跡無法重新回到目的層；（2）目的層灰?guī)r較薄，鉆頭容易從目的層中鉆出；（3）鉆進破碎帶時，泥漿易漏失，若使用泥漿作為無線隨鉆測量系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)，將無法向地面?zhèn)鬏斁滦畔ⅰ?/p>

4.3.1 穿斷層鉆進

該礦區(qū)斷層較發(fā)育，當區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造上下盤產(chǎn)生垂向位移時，目的層垂深也會隨之發(fā)生變化，導致井眼軌跡在穿過斷層構(gòu)造后，無法繼續(xù)沿原目的層鉆進。考慮區(qū)內(nèi)斷層斷距較小，且目的層與上下底板的伽馬值相差較大，因此創(chuàng)新性地應用方位伽馬儀器來解決該難題。通過方位伽馬隨鉆測量系統(tǒng)采集所處層位上下部分的伽馬值生成伽馬曲線，利用上下伽馬曲線的響應特征，判斷鉆頭的位置及變化趨勢，為定向提供準確的地層信息，更好地指導定向人員進行地質(zhì)導向，確保井眼軌跡在目的層中鉆進［25］。

分析各種斷層情況，并結(jié)合地層剖面圖及井眼軌跡鉆進方向，可將穿斷層類型分為4種，如圖4所示。其中圖4（a）、（b）軌跡分別位于正斷層下、上盤，圖4（c）、（d）軌跡分別位于逆斷層下、上盤。當軌跡經(jīng)過不同穿斷層類型時，其方位伽馬曲線響應不同，圖4（a）、（d）類型的方位伽馬曲線表現(xiàn)為后半段下伽馬曲線低于上伽馬曲線，圖4（b）、（c）類型的方位伽馬曲線表現(xiàn)為后半段下伽馬曲線高于上伽馬曲線。通過建立不同穿斷層模型與其方位伽馬曲線的響應關系，可以有效解決過斷層追層問題。在實際鉆進過程中，根據(jù)穿斷層類型，及時調(diào)整工具面，同時結(jié)合方位伽馬曲線信息及時精準地判斷追層效果以及是否追入目的層。

圖4 四種穿斷層類型示意Fig.4 Four types of cross-fault directional drilling

鉆遇正斷層時，方位伽馬曲線上升，若上伽馬曲線首先上升，平均伽馬曲線次之，最后是下伽馬曲線，說明目的層下移，此時需調(diào)整螺桿鉆具工具面，降斜鉆進，直至井眼軌跡追入目的層，如圖4（a）類型；若下伽馬曲線首先上升，平均伽馬曲線次之，最后是上伽馬曲線，說明目的層上移，此時需增加井斜，使井眼軌跡向上移動進入目的層，如圖4（b）類型。

鉆遇逆斷層時，方位伽馬曲線上升，若下伽馬曲線首先增加，平均伽馬曲線次之，上伽馬曲線最慢，說明目的層上移，需增斜鉆進，如圖4（c）類型；若上伽馬曲線首先增加，平均伽馬曲線次之，下伽馬曲線最慢，說明目的層下移，需降斜進入目的層，如圖4（d）類型。

Z7-3井眼軌跡與斷層剖面關系如圖5所示，圖中斷層上盤下降，下盤上升，為正斷層，且井眼軌跡所在位置為下盤，判斷為圖4（a）過斷層類型。受斷層影響，位于上盤的目的層向下位移，因此需降斜追入目的層。在做好穿越斷層堵漏措施后，調(diào)整螺桿鉆具的工具面，使井眼軌跡向下鉆進。穿越斷層時的方位伽馬曲線如圖6所示，伽馬值先增加，后降低，且下伽馬曲線低于上伽馬曲線，說明追層效果良好。繼續(xù)控制軌跡向下鉆進，當3條曲線穩(wěn)定在低伽馬值狀態(tài)，說明已經(jīng)追入目的層中。根據(jù)測井數(shù)據(jù)，該分支實際井眼軌跡滿足工程要求。

圖5 設計軌跡與正斷層剖面示意Fig.5 Profile of designed trajectory and normal fault

圖6 穿越正斷層過程方位伽馬曲線Fig.6 Azimuthal gamma curve during crossing the normal fault

4.3.2 薄巖層順層鉆進

以Z7-3分支鉆進為例，當鉆至井深1100 m處時，方位伽馬曲線出現(xiàn)圖7（a）所示異常，伽馬整體趨勢升高，且上伽馬值首先升高，平均伽馬次之，下伽馬值最后，說明井眼軌跡有向上鉆出灰?guī)r頂板進入泥巖的趨勢。因此導向人員及時做出導向調(diào)整方案：調(diào)整鉆具工具面，降斜鉆進，控制軌跡重新鉆入灰?guī)r目的層。經(jīng)調(diào)整，當鉆至井深1153 m時，方位伽馬曲線恢復正常范圍，如圖7（b）所示。

圖7 井眼軌跡從灰?guī)r頂部出入層的伽馬曲線Fig.7 Gamma curves when the well trajectory entered and exited from the top of limestone

4.3.3 泥漿漏失

穿越破碎帶時，如出現(xiàn)泥漿失返現(xiàn)象，隨鉆測量數(shù)據(jù)無法通過泥漿信號傳遞至地表，對此，可在鉆至破碎帶時，起鉆注漿，利用水泥封堵破碎帶后，再下鉆進行定向。

5 結(jié)語

為將多分支水平井應用于安徽某煤礦水害超前治理工程，本文結(jié)合現(xiàn)場實際應用情況，重點研究了鉆井過程中的井眼軌跡設計、定導向設備、分支軌跡控制、穿越斷層后快速追層等技術(shù)難點，確保了該礦地面區(qū)域治理注漿效果。

（1）該煤礦地質(zhì)構(gòu)造復雜，斷層發(fā)育，應用多分支水平井進行注漿改造時，需要針對性地設計井眼軌跡和優(yōu)化鉆具組合，從而進行經(jīng)濟高效的煤礦水害超前治理。

（2）針對區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造，制定一套依托于方位伽馬地質(zhì)導向作用的定導向結(jié)合的技術(shù)?，F(xiàn)場應用結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效解決分支井眼軌跡控制的難題，保證目的層鉆遇率，為后續(xù)施工提供了寶貴的經(jīng)驗。

（3）定導向技術(shù)對于落差巨大的斷層，效果并不理想，后續(xù)需優(yōu)化該技術(shù)以提升其應用能力。