分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的研发与应用

聂新明

(中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北 石家庄 050031)

1 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的研发背景

随着无线随钻测量(MWD)技术的发展，随钻定向钻进技术[1-2]逐渐成熟，地面定向多分支钻孔注浆工艺在煤田奥灰水害地面区域治理方面[3-4]开始广泛应用，地面定向水平分支注浆钻孔即先在地面施工一个垂直钻孔(主孔)达到一定的设计深度，然后应用无线随钻测量(MWD)技术进行造斜进入奥灰顶部设计的目的层后，根据具体带压开采条件及含水层富水性选择奥灰顶部(一般奥灰顶面下不大于50 m)或大清灰岩含水层，变为多个水平或似水平分支孔钻进，沿钻孔轨迹最大限度揭露奥陶系灰岩裂隙及区内构造带，通过高压注浆对钻孔揭露的裂隙、断层、陷落柱等导水构造进行封堵，切断突水通道，保证深部开采工作面的安全。

2017年7月我院与兄弟单位合作共同承揽了“冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期钻探工程”施工任务，根据《冀中能源集团有限责任公司水害地面区域治理管理规定》，地面定向多分支注浆钻孔在钻进过程中，长距离出现孔内泥浆不消耗时或泥浆消耗量<5 m3/h时，每隔50～80 m应进行孔口高压压水试验，根据试验结果，确定注浆参数[5-6]。由小泵量开始压水，若无压力，需要保证压水量大于孔内容积2倍才能停止压水，由30 m3/h泵量开始注浆；若压水过程中有压力，压力上升快，最小泵量压水时压力仍大于受注含水层最大静水压力的2倍，说明该孔段吸浆量很小，则不需要注浆，可以继续钻进，进行下一孔段施工。

正在施工的注浆孔，做孔口压水试验[7-10]，使用传统的孔口装置，需要把孔内钻具全部提出孔外，地面定向水平多分支注浆钻孔一般情况下设计孔深大，大多在1500～2000 m，提、下钻需要耗费大量时间，为了减少提、下钻次数，缩短施工工期，减轻工人的劳动强度，我们研发出一套分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置，使用此装置做孔口压水试验，根据试验的结果作出判断，有压力继续钻进，无压力提钻注浆。大幅度加快了施工进度。

2 工程施工对钻孔压水试验孔口装置的要求

2.1 工程施工对钻孔压水试验孔口装置的基本要求

(1)能够密封钻孔，使整个钻孔形成一个密闭的容腔。

(2)必须有向孔内压水或注浆的通道。

(3)能够采集到反映出钻孔内漏失情况的压水试验数据。

2.2 工程施工对不提钻钻孔压水试验孔口装置的要求

(1)能够满足工程施工对钻孔压水试验孔口装置的3项基本要求。

(2)要求能够实现内外双重连接与密封。外能够与孔内套管相连并密封；内能够与孔内钻具相连接并密封。

(3)具有足够的强度，承载起孔内所有钻具的重力。

(4)连接、拆装方便，性能可靠。

3 传统钻孔压水试验孔口装置的结构及工作原理

该装置主体是用与孔内型号相同的套管加工而成，下端加工成套管公扣与孔内套管相连接，上端焊接盲板，实现对钻孔的密封；盲板上开孔装压力表，采集压水试验孔内数据；主体旁边开侧孔焊接压水(注浆)管接头，用以连接压水或注浆泵。结构如图1所示。

图1 传统钻孔压水试验孔口装置结构

4 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的结构[11-12]

分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置，设计为上下两部分，用法兰连接成一个整体，如图2所示。

图2 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置结构图

分体的目的一是为了拆装方便，二是为克服孔内套管与孔内钻具不同心时的丝扣连接问题。

此装置可分解为上接头和下接头两部分。上接头上有钻杆母接头可与主动钻杆相连，下有钻杆公接头可与孔内钻杆相连；下接头下有套管公扣与孔内套管相连，下接头侧面装有压力表和注水管接头，压力表用以采集压水试验数据，注水管接头实际应用时安装有注水阀门,连接压水或注浆设备；上下接头用法兰连接，法兰要选用加重法兰，螺丝用高强度螺丝，要求能够承受16 MPa以上的抗拉强度，上下法兰加工有子母口，母口内置O形密封圈，用来压水密封。

5 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的现场安装及使用方法

压水试验前，将钻具提离孔底，卸开主动钻杆，把装置下接头和O形密封胶圈一同套过孔内钻杆，与孔内套管连接，连接时丝扣处缠绕生料带以确保密封；装置上接头下端与孔内钻杆连接，上端与主动钻杆连接紧密后，转动钻具与下接头法兰对接，用螺丝紧固，完成安装作业。

钻杆外压水作业时，压水管与注水管阀门连接，主动钻杆上的高压胶管管汇阀门关闭，保证孔内密封，实施压水试验，通过压力表获取孔内资料数据。

此装置也可进行钻杆内压水试验，管路连接方式相同，关闭注水管阀门，保证孔内密封，打开与主动钻杆连接的高压胶管管汇阀门，用生产泵实施压水作业，通过压力表获取孔内资料数据。

6 两种钻孔压水试验孔口装置在工程中的应用

6.1 工程实例概况

“冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期钻探工程”项目是一项通过多分支水平井注浆方式，降低井下采掘期间水害威胁风险的工程[13-14]。本工程共设计DB1、DB2两个地面主孔，31个水平或似水平分支孔。其中，DB1孔由1个直井段，1个造斜段，16个分支孔(W1、W2…W16)构成；DB2孔由1个直井段，1个造斜段，15个分支孔(E1、E2…E15)构成。设计钻探工作量2.3万m。工程施工设计井身轨迹平面投影示意图如图3所示。

图3工程施工设计井身轨迹平面投影

Fig.3Planeprojectionofdesignboreholetrajectory

6.2 钻孔结构

本工程2个主孔钻孔结构相同，均为四级结构：设计一开采用Ø444.5 mm钻头开孔进入基岩层段10 m，下入Ø339.7 mm×9.65 mm石油地质套管，用水泥做永久性固管；二开采用Ø311.1 mm钻头开孔施工至2号煤采空区底板下20 m，下入Ø244.5 mm×8.89 mm石油地质套管，用水泥做永久性固管；三开进入造斜段，采用Ø215.9 mm钻头施工至奥灰顶界面以下2 m，下入Ø177.8 mm×9.19 mm石油地质套管，用水泥做永久性固管；四开采用Ø152.4 mm钻头裸孔钻进，进入奥陶系灰岩顶界面下25 m，进行水平或似水平分支孔钻进(见图4)。钻进过程中若遇到断层、陷落柱等地质构造导致井眼漏失时，起钻注浆封堵漏失层段[15]。

图4 DB1(DB2)孔钻孔结构

待注浆完成后下钻扫水泥，继续钻进直至终孔。每级入井套管均为“通天”套管。

6.3 主要施工设备及器具

根据设计情况，选择适合的施工设备，主要有:TSJ3000/445型钻机、A31-135型井架、3NB500型泥浆泵、2PNL30-80型振动筛台、多种功率的电动机、发电机组、PMWD-C1型无线随钻测斜仪以及其他辅助设备器具。

6.4 两种孔口压水试验装置应用效果对比

目前该项目正在施工中，两地面主孔和DB2-E3、DB2-E5、DB2-E4三个水平定向分支孔已经施工结束。DB2-E3和DB2-E5两分支孔每钻进80 m段，通过提钻，下潜水泵抽水洗井，使用传统孔口装置进行孔口压水试验(见图5)，完成钻孔施工；DB2-E4分支孔每钻进80 m段，在不提钻情况下，通过施工用的泥浆泵进行注水洗井，使用分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置进行孔口压水试验(见图6)，完成钻孔施工。现在对孔径、孔斜、孔深、穿过的地层最相似，地理位置最接近,最有可比性的DB2-E5和DB2-E4两分个支孔(见图7)进行对比。为了便于比较，DB2-E5和DB2-E4两个分支孔都从同一孔深(DB2-E4侧钻点，孔深820 m处)进行统计，试验结果见表1，表2。

对表1、表2进行分析：DB2-E5统计孔段长为990.6 m，DB2-E4统计孔段长为970.25 m。根据钻孔钻进过程中，长距离出现孔内泥浆不消耗(正常消耗)或泥浆消耗量<5m3/h时，每隔50～80 m应进行孔口高压压水试验的要求，DB2-E5采用传统钻孔压水试验孔口装置进行压水，共计进行压水试验12次，平均每次耗时14.39 h；DB2-E4使用分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置进行压水，

图5 传统钻孔压水试验孔口装置工作现场

图6 分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置工作现场

孔深/m冲洗液消耗/(m3·h-1)提钻用时/h装孔口装置用时/h压水用时/h拆孔口装置用时/h下钻用时/h压水结论下步工作安排900.00正常4.01113.0不需注浆继续钻进980.36正常4.21113.2不需注浆继续钻进1059.36正常4.51113.5不需注浆继续钻进1137.96正常5.01113.8不需注浆继续钻进1217.96正常5.21114.0不需注浆继续钻进1297.16正常5.51114.5不需注浆继续钻进1376.06正常6.01115.0不需注浆继续钻进1456.09正常6.21115.5不需注浆继续钻进1493.35正常6.31116.0不需注浆提钻注浆1528.5935.96.56.5需要注浆提钻注浆1608.70正常6.81117.0不需注浆继续钻进1634.0546.16.88.0需要注浆提钻注浆1662.8128.57.08.2需要注浆提钻注浆1742.35正常7.21118.5不需注浆继续钻进1810.60正常7.5111不需注浆终孔 每次压水试验平均耗时/h 14.39

表2 DB2-E4分支孔不提钻压水试验统计

共计进行压水试验10次，平均每次耗时3 h。试验结果表明，使用分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置比使用传统钻孔压水试验孔口装置进行孔口压水试验平均一次可节省提、下钻时间11.39 h，DB2-E4分支孔共计节省提、下钻时间113.9 h。

分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置在“冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期钻探工程”项目后续28个水平分支孔的应用，平均每孔使用10次，大约可节省提、下钻时间3190 h，可以大幅度缩短施工工期，获得巨大的经济效益。

7 结论

(1)分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置具有结构简单、装卸方便等特点，目前正在申请专利。

(2)分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置研发成功后，在“冀中能源股份有限公司东庞矿北井9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期钻探工程”项目中首次应用，使用效果十分理想，受到建设方高度评价。

(3)分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置，适用于有套管固井的各种口径钻孔孔口压水试验。

(4)使用分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置，在不提钻的情况下完成孔口压水试验作业，可大幅度缩短施工工期，减轻了工人的劳动强度，可减少安全事故的发生，对钻探工程施工具有重大经济价值和现实意义。